- 頭條河工大學者提出新型磁致伸縮觸覺傳感器陣列，提升機械手的識別率2021-10-26 作者：黃珊 王博文 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語河北工業大學省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室、河北工業大學河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室的研究人員黃珊、王博文、趙智忠、王亮、翁玲，在2021年第7期《電工技術學報》上撰文，設計制作了一種新型的磁致伸縮2×2觸覺傳感器陣列，可提升機械手的分類識別準確率。
為了使機械手的操作更為準確，需要在機械手上安裝觸覺傳感器，以獲得觸覺信息，并準確地對物體進行分類。鐵鎵合金（Galfenol）有飽和磁場低、磁滯小、線性度好、力學性能好、應力靈敏度高等優點，且制作的傳感器結構簡單、可靠性高、精度高、成本低。
當鐵鎵合金受到外加載荷時，內部的磁化狀態會隨載荷的變化而變化，這種效應即為磁致伸縮逆效應。外加載荷力的大小，可通過測量載荷附近的磁場變化得到，因而鐵鎵材料可以作為傳感器的敏感材料。
河北工業大學的研究人員以絲狀鐵鎵合金為敏感材料，利用磁致伸縮材料的逆效應，應用懸臂梁的原理，制作觸覺傳感單元。
圖1 觸覺傳感單元結構圖
圖1為磁致伸縮觸覺傳感單元結構圖。傳感單元主要由霍爾元件、鐵鎵絲、觸頭、永磁體和外殼組成。在3D打印的傳感單元外殼上裝有三根長度為6mm、直徑為0.5mm的鐵鎵絲，永磁體放置在鐵鎵絲的正下方，為傳感器提供偏置磁場，霍爾傳感器（美國新澤西州霍尼韋爾公司，SS491B型）豎直緊貼在鐵鎵絲的后方，觸頭安裝在鐵鎵絲的邊緣上，高于傳感單元的外殼，觸頭的高度為6mm。傳感單元的尺寸為長8mm，寬6mm，高5mm。
研究人員將制作的觸覺傳感單元集成為磁致伸縮2×2觸覺傳感器陣列，應用電磁學理論、逆磁致伸縮效應和歐拉伯努利動力學原理，建立了觸覺傳感單元的輸出特性模型。測試了觸覺傳感單元的靜態性能和動態性能，傳感單元測力范圍為0~3N。當壓力小于1.5N時，靈敏度為151mV/N；在1.5~3N區間，靈敏度約為109mV/N。在2~4Hz范圍內對動態力具有動態響應快、靈敏度高的特點。
圖2 觸覺傳感器陣列
研究人員把觸覺傳感器陣列裝備在二指機械手上，對日常生活中的飲料瓶進行抓取實驗，采用支持向量機算法，通過選擇特征值的數量和訓練集與分類集的比例，對選取的實驗樣品進行了分類識別。
圖3 機械手抓取物體測試系統
試驗結果表明，根據觸覺傳感器陣列的輸出電壓及接觸的觸點數目，可以識別抓取的飲料樣品，且對所選取的樣品有很好的區分度。為進一步證明，對裝滿水的樣品進行測試，獲得了更高的識別精度。選擇了機械手在抓取過程中能夠提取的特征值，應用支持向量機算法，分別對不同特征值個數和不同訓練集與測試集比例進行分類識別。實驗結果表明，當訓練集與分類集比例為9:1且選擇三個特征值時，分類識別準確率越高，為87.5%。
本文編自《電工技術學報》，作者為黃珊、王博文、趙智忠、王亮、翁玲，論文標題為“應用于機械手的磁致伸縮觸覺傳感器陣列與物體識別”。
