團(tuán)隊(duì)介紹

王博文，河北工業(yè)大學(xué)，教授，博士生導(dǎo)師。研究領(lǐng)域?yàn)榇判圆牧吓c器件。曾獲國(guó)家發(fā)明四等獎(jiǎng)、省科學(xué)技術(shù)突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)等。在天津市總工會(huì)頒發(fā)的“九五”立功獎(jiǎng)?wù)乱幻?，授?quán)發(fā)明專利8項(xiàng)。

趙智忠，河北工業(yè)大學(xué)，教授，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向有磁材料與器件、高低壓智能電氣。獲國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)秀項(xiàng)目獎(jiǎng)1項(xiàng)，省科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)?！鞍偾f(wàn)人才工程”省級(jí)第二層次人選，省青年科技獎(jiǎng)獲得者。授權(quán)發(fā)明專利2項(xiàng)。

黃珊，河北工業(yè)大學(xué)，碩士研究生，研究方向?yàn)樾滦痛判圆牧吓c智能器件。

本文應(yīng)用了磁致伸縮材料鐵鎵合金設(shè)計(jì)并制作了磁致伸縮觸覺(jué)傳感單元，并將其集成為陣列，所設(shè)計(jì)的磁致伸縮觸覺(jué)傳感單元測(cè)力范圍為 0~3N，當(dāng)壓力小于 1.5N 時(shí)，靈敏度為 151mV/N，在 1.5~3N 區(qū)間，靈敏度約為 109mV/N，測(cè)量較低的靜態(tài)力時(shí)具有更高的靈敏度，在 2~4Hz 范圍內(nèi)對(duì)動(dòng)態(tài)力具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、靈敏度高的特點(diǎn)。

 

所設(shè)計(jì)的磁致伸縮觸覺(jué)傳感器陣列能很好的辨識(shí)所選區(qū)的樣本，通過(guò)應(yīng)用支持向量機(jī)算法，對(duì)觸覺(jué)傳感器陣列對(duì)樣本采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別。

研究背景

為了使機(jī)械手的操作更為準(zhǔn)確，需要在機(jī)械手上安裝觸覺(jué)傳感器，以獲得觸覺(jué)信息，并準(zhǔn)確地對(duì)物體進(jìn)行分類(lèi)。

雖然觸覺(jué)傳感器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、陣列集成等方面已取得了很大進(jìn)展，且與其他領(lǐng)域?qū)W科結(jié)合，在醫(yī)療健康、可穿戴設(shè)備等方面展示出巨大的潛力，但還存在一些困難，如制作精密度還不夠、成本高和不便于集成等。因此尋找新的合適的材料，降低生產(chǎn)成本，使用更加先進(jìn)的工藝來(lái)制作仿生傳感器已經(jīng)成為迫切需要。

鐵鎵合金（Galfenol）有飽和磁場(chǎng)低、磁滯小、線性度好、力學(xué)性能好、應(yīng)力靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，且制作的傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、精度高、成本低。根據(jù)鐵鎵合金的磁致伸縮逆效應(yīng)，通過(guò)測(cè)量載荷附近的磁場(chǎng)變化，得到其外加載荷力的大小，因而鐵鎵材料可以作為傳感器的敏感材料。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

本文首先提出了磁致伸縮觸覺(jué)傳感單元的模型，介紹了傳感單元的組成及尺寸，并推導(dǎo)了傳感單元的輸出電壓模型。

圖1 磁致伸縮觸覺(jué)傳感單元結(jié)構(gòu)圖

然后，分別測(cè)試了傳感單元輸出電壓與施加壓力的關(guān)系和傳感單元的動(dòng)態(tài)性能。將磁致伸縮觸覺(jué)傳感單元設(shè)計(jì)為2x2磁致伸縮觸覺(jué)傳感器陣列，利用COMSOL仿真軟件確定相鄰傳感單元間影響可忽略不計(jì)的放置距離，根據(jù)所計(jì)算的距離制作了磁致伸縮觸覺(jué)傳感器陣列。

最后，搭建樣品測(cè)試系統(tǒng)，選取日常生活中常見(jiàn)的飲料瓶樣品，測(cè)試了磁致伸縮觸覺(jué)傳感器陣列抓取樣品過(guò)程中的輸出電壓特性，選擇合適的特征值，應(yīng)用支持向量機(jī)算法，通過(guò)選擇不同的特征值數(shù)量和訓(xùn)練集與分類(lèi)集的比例，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別。

圖2 不同特征值數(shù)量和不同訓(xùn)練集分類(lèi)集比例的識(shí)別率

總結(jié)

（1）設(shè)計(jì)制作了一種新型的磁致伸縮 2×2 觸覺(jué)傳感器陣列，應(yīng)用電磁學(xué)理論、逆磁致伸縮效應(yīng)和歐拉伯努利動(dòng)力學(xué)原理，建立了觸覺(jué)傳感單元的輸出特性模型。

（2）測(cè)試了觸覺(jué)傳感單元的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能，傳感單元測(cè)力范圍為 0~3N。當(dāng)壓力小于 1.5N時(shí)，靈敏度為 151mV/N；在 1.5~3N 區(qū)間，靈敏度約為 109mV/N。在 2~4Hz 范圍內(nèi)對(duì)動(dòng)態(tài)力具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、靈敏度高的特點(diǎn)。

（3）將觸覺(jué)傳感器陣列裝備在機(jī)械手上，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試了觸覺(jué)傳感器陣列的輸出特性。結(jié)果表明，根據(jù)觸覺(jué)傳感器陣列的輸出電壓及接觸的觸點(diǎn)數(shù)目，可以識(shí)別抓取的飲料樣品，且對(duì)所選取的樣品有很好的區(qū)分度。為進(jìn)一步證明，對(duì)裝滿水的樣品進(jìn)行測(cè)試，獲得了更高的識(shí)別精度。

（4）選擇了機(jī)械手在抓取過(guò)程中能夠提取的特征值，應(yīng)用支持向量機(jī)算法，分別對(duì)不同特征值個(gè)數(shù)和不同訓(xùn)練集與測(cè)試集比例進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)訓(xùn)練集與分類(lèi)集比例為 9:1 且選擇三個(gè)特征值時(shí)，分類(lèi)識(shí)別準(zhǔn)確率越高，為 87.5%。

引用本文

黃珊, 王博文, 趙智忠, 王亮, 翁玲. 應(yīng)用于機(jī)械手的磁致伸縮觸覺(jué)傳感器陣列與物體識(shí)別[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(7): 1416-1424. Huang Shan, Wang Bowen, Zhao Zhizhong, Wang Liang, Weng Ling. Object Recognition of Magnetostrictive Tactile Sensor Array Applied to Manipulator. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(7): 1416-1424.