劉錦鋒，盧全國，王紅州，黃永東，李志豪，鄒曉輝，占曉煌

（1 江西省精密驅(qū)動(dòng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江西 南昌 330099）

（2 江西省機(jī)械科學(xué)研究所 江西 南昌 330095）

0 引言

觸覺感知作為人與外界信息交互的最基本功能之一，同樣也是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)與外部環(huán)境感知的重要功能之一[1]。為了機(jī)器能夠?qū)崿F(xiàn)更加精細(xì)和復(fù)雜的操作，觸覺傳感器廣泛應(yīng)用于服務(wù)機(jī)器人、遠(yuǎn)程醫(yī)療器械、精密機(jī)械、空間遙控機(jī)械臂等，通過更全面的環(huán)境因素識別和力反饋來完成智能識別、靈巧操作、精確定位、穩(wěn)定抓取等[2]。

傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。磁致伸縮材料是一種在磁場作用下發(fā)生形變、在應(yīng)力作用下磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化的智能材料，被列為美國磁學(xué)與磁性材料會議（MMM）和IEEE 國際磁學(xué)會議（Intermag）等國際大型會議的專題之一[3]。磁致伸縮觸覺傳感器原理是當(dāng)外界條件引起磁致伸縮敏感元件發(fā)生形變時(shí)，根據(jù)磁致伸縮逆效應(yīng)，其周圍磁場會發(fā)生相應(yīng)的變化，此時(shí)轉(zhuǎn)換元件能將這一變化轉(zhuǎn)換成對應(yīng)電信號輸出；能用于觸覺力、力矩的識別、物體形狀識別、表面粗糙度識別等。近年來，因其高效的磁機(jī)轉(zhuǎn)換效率和快速響應(yīng)能力，而受到廣泛國內(nèi)外研究人員的關(guān)注，在磁致伸縮材料和傳感器的優(yōu)化上不斷取得新的成果[4-6]。

1 基于Galfenol的觸覺傳感器

自從Galfenol 問世，因其具有良好的機(jī)械性能又有較大的磁致伸縮率,相比于傳統(tǒng)的稀土材料Terfenol-D，Galfenol 便于加工，有更高的抗拉強(qiáng)度，并具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn)，使得其在智能器件上得到非常廣泛的應(yīng)用[7]。

1.1 晶須類觸覺傳感器

2012年，馬里蘭大學(xué)的Michael[8]受動(dòng)物觸須啟發(fā)，提出了一種基于Galfenol 的晶須觸覺傳感器，將Galfenol“晶須”懸臂在鋁基中，永磁鐵提供偏置磁場，巨磁阻（GMR）傳感器作為轉(zhuǎn)換元件同樣也固定在鋁基上，用以檢測晶須可能被各種外部刺激彎曲引起的磁場變化，如圖1所示。

圖1 Galfenol 晶須觸覺傳感器

2018年，趙冉等[9-10]采用霍爾元件作為轉(zhuǎn)換元件，使用Galfenol 薄片懸臂梁和Galfenol 薄片加鈹青銅復(fù)合懸臂梁的兩種方式，實(shí)現(xiàn)了傳感器的雙向觸覺感知，并測試了基于懸臂梁的磁致伸縮仿生晶須傳感器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)靈敏度，靜態(tài)下達(dá)到了2.20 mV/mN，動(dòng)態(tài)時(shí)，在（0.5～60）Hz不同頻率下，靈敏度峰值在40 Hz 時(shí)達(dá)到了4.5 mV/mN。

1.2 手指類觸覺傳感器

2017年，河北工業(yè)大學(xué)王博文團(tuán)隊(duì)[11]應(yīng)用Galfenol材料設(shè)計(jì)、制作了一種可用于機(jī)器人指尖對觸覺力測量的新型壓力傳感器，該傳感器接觸壓力與電壓信號、電壓峰值呈線性關(guān)系，且測量電路簡單、精度高。

結(jié)合仿生學(xué)原理，當(dāng)手指與物體接觸時(shí)，皮下感受器將產(chǎn)生動(dòng)作電位。2018年，王博文等[12]成功制作了一種應(yīng)用在機(jī)械手用于紋理探測的觸覺傳感器，如圖2。選用牛仔布、尼龍絲帶、薄紗、紗布和粗布作為測試對象，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該傳感器能分辨出主觀感受：粗糙－光滑、稀疏－細(xì)密屬性。

圖2 用于機(jī)械手的紋理探測傳感器

2019年，王麗麗等[13-14]在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將剛性觸頭改成探針觸頭，用采用霍爾傳感器代替檢測線圈作為轉(zhuǎn)換元件，并建立了紋理觸覺傳感器輸出模型；同樣選取上述5 種材料利用直流電機(jī)和傳送帶實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)表明該傳感器在上述基礎(chǔ)上穩(wěn)定性較好，靈敏度更高，達(dá)到了97.31 mV/mm。

1.3 陣列類觸覺傳感器

早在2006年，Hale,K.等[15]在探索Galfenol 作為磁致伸縮材料的用途時(shí)就提出，是否可以將Galfenol 用在二維的網(wǎng)格陣列的磁路中當(dāng)作形成觸覺傳感器，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雖然在3×3 網(wǎng)格陣列效果不是很有說服力，但在2×2 網(wǎng)格陣列正確識別了4 根桿中的3 根，證明這一想法的可行性。

隨著對觸覺傳感器的不斷探索，陣列式的磁致伸縮觸覺傳感器被提出[16]，觸覺傳感單元的靈敏度能達(dá)到151 mV/N，能對物體剛度進(jìn)行感知。通過建立理論的摩擦系數(shù)檢測模型和實(shí)驗(yàn)分析，成功地檢測出所抓取的物體的表面靜摩擦系數(shù)[17]；后續(xù)還對抓取的不同物品進(jìn)行了識別，通過輸出電壓的差別，在特定條件下應(yīng)用支持向量機(jī)算法對所抓取的物體進(jìn)行識別，識別率達(dá)到了87.5%[18]。

受動(dòng)物毛發(fā)啟發(fā)，翁玲、劉莎莎等[19-21]將Galfenol細(xì)絲傾斜放置以模擬動(dòng)物毛發(fā)形態(tài)，先后分別設(shè)計(jì)了2×3，3×3 的傳感器陣列，仿照動(dòng)物的皮膚，使用柔性印刷電路板，如圖3所示，使得傳感器不僅能更好地貼附在機(jī)械手上，在抓取物體時(shí)也能更靈活，可以有效采集應(yīng)力信息。在2×3 的柔性磁致伸縮觸覺傳感器陣列的實(shí)驗(yàn)中對不同剛度的圓柱體和橡膠進(jìn)行了識別與測試，與理論值最大誤差為5.1%。在3×3 的柔性磁致伸縮觸覺傳感器陣列的實(shí)驗(yàn)中可以簡單區(qū)分不同剛度和形狀的樣品。傳感器輸出穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)差為1.64 mV。該傳感器可應(yīng)用于機(jī)械手上，實(shí)現(xiàn)對圓形類目標(biāo)物觸覺力的精確感知。

圖3 柔性磁致伸縮觸覺傳感器陣列

2 其他類型磁致伸縮觸覺傳感器

2.1 復(fù)合新型材料觸覺傳感器

2014年，Chang[22]提出了在硅襯底上制造具有嵌入金屬的聚合物結(jié)構(gòu)的新工藝方案，實(shí)施了由聚合物結(jié)構(gòu)和嵌入式3D Ni 線圈繞組組成的觸覺傳感器設(shè)計(jì)，如圖4所示。由于聚合物振膜在觸覺力的作用下發(fā)生變形，3D Ni 線圈電感器的磁致伸縮效應(yīng)會引起磁導(dǎo)率的變化，通過電感變化檢測磁導(dǎo)率變化以及觸覺力。通過實(shí)驗(yàn)測量表明，在0～1 N 的感應(yīng)范圍內(nèi)，靈敏度約為1.33%/N，最后作者還提出了可將該工藝進(jìn)一步擴(kuò)展為將不同3D 結(jié)構(gòu)嵌入不同材料（如環(huán)氧樹脂、玻璃），為后續(xù)研究提供了一個(gè)新的方向。

圖4 嵌入式3D Ni 線圈觸覺傳感器

對于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，用作傳感器或執(zhí)行器的智能材料必須符合一些標(biāo)準(zhǔn)，特別是生物相容性和柔軟性[23]。Gildas Diguet[24]通過將磁性顆粒添加到可壓縮泡沫聚合物中來產(chǎn)生對壓縮的敏感性。泡沫基復(fù)合材料的制造具有小泊松比，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)50%的壓縮，這種壓縮會引起其磁場的變化。這可以使用線圈進(jìn)行檢測，通過將傳感線圈設(shè)置為3 個(gè)×3 的緊湊陣列，傳感器成功地檢測并定位了施加的變形。磁層的厚度為3 mm，線圈的高度為2 mm，直徑為6 mm。傳感器輕便，易于制造，可以方便地用于機(jī)器人科學(xué)中的觸覺感應(yīng)。

2.2 基于微米、納米技術(shù)的觸覺傳感器

2016年，Chang 等[25]進(jìn)一步研究，使用臺積電0.18 μm IP6M 工藝制造了一種能用于觸覺力感知的無線磁致伸縮型壓力傳感器，并通過實(shí)驗(yàn)展示了傳感器的無線傳感能力。其基本結(jié)構(gòu)采用CMOS 工藝的金屬層和介電層分別形成磁線圈和傳感膜片，附加的磁致伸縮CoFeB 薄膜通過特殊的濺射方法沉積和圖案化，無線感應(yīng)可通過外部讀取線圈獲得，基本原理如圖5所示。

圖5 無線磁致伸縮觸覺傳感器原理

2017年，Jung Jin Park[26]證明了由磁致伸縮納米線Fe-Ga/Cu NWs 和GMR 傳感器組成的傳感器的壓力傳感能力。通過將垂直排列的多層Fe-Ga/Cu NWs 陣列壓在GMR 傳感器面上，接觸壓力的變化會導(dǎo)致NWs 的偏轉(zhuǎn)發(fā)生變化，根據(jù)逆磁致伸縮效應(yīng)，周圍磁場會發(fā)生變化，使得GMR 電路的電阻會發(fā)生變化，傳感器靈敏度的估計(jì)值為1～4 mΩ/kPa?；贕MR 傳感器的小型化，當(dāng)一側(cè)尺寸小于40 μm 時(shí)，將可能達(dá)到人類指尖的空間分辨率。

3 現(xiàn)有問題與未來展望

3.1 現(xiàn)有問題

本文介紹了磁致伸縮觸覺傳感器近年來的一些研究進(jìn)展，涉及基于Galfenol 的各種類型觸覺傳感器、新材料和新工藝的磁致伸縮觸覺傳感器的發(fā)展，以及其優(yōu)勢所在。根據(jù)現(xiàn)階段的磁致伸縮觸覺傳感器的發(fā)展，還存在以下擬解決的問題：

（1）磁滯問題

鐵磁材料普遍存在磁滯特性，在磁致伸縮觸覺傳感器中可能會存在磁滯非線性現(xiàn)象，導(dǎo)致正、反行程存在誤差。為解決磁滯問題可以選取線性段較好的區(qū)間作為傳感器工作范圍，不過這樣會導(dǎo)致傳感器測量范圍變??；另一種方式是建立相應(yīng)的磁滯模型，在數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行在線補(bǔ)償，這種方法對傳感器數(shù)據(jù)處理能力要求較高。

（2）抗干擾

由于磁致伸縮觸覺傳感器工作原理，傳感器對外界的磁場非常敏感，所以針對磁致伸縮觸覺傳感器的使用環(huán)境，需要著重考慮是否有額外的磁場干擾。針對這一問題，可以考慮在傳感器制作時(shí)添加隔磁材料，或者添加特殊的導(dǎo)磁材料以增加傳感器的抗干擾能力。

3.2 未來展望

傳感器作為智能化與外界信息交互的硬件基礎(chǔ)，對于磁致伸縮觸覺傳感器，為了能更好地應(yīng)用于機(jī)器人、生物醫(yī)療、智能穿戴等領(lǐng)域，可以從以下幾個(gè)方面展開深入研究：

（1）微型化以及陣列化設(shè)計(jì)。將傳感器微型化，在同樣體積下能實(shí)現(xiàn)更多數(shù)量、更密集的傳感器陣列，從而能實(shí)現(xiàn)更細(xì)微的測量，做到全方位、多觸點(diǎn)對目標(biāo)物體進(jìn)行識別；

（2）柔性化。對不規(guī)則的物體進(jìn)行識別，將磁致伸縮觸覺傳感器實(shí)現(xiàn)柔性化是趨勢所在，能更方便和更高效的實(shí)現(xiàn)全方位觸覺感知；

（3）復(fù)合型新材料，將磁致伸縮材料與其他材料結(jié)合或利用現(xiàn)階段不斷發(fā)展的工藝和光刻技術(shù)生成復(fù)合型新材料，使傳感器機(jī)械性能或靈敏度得到優(yōu)化，后續(xù)可以從傳感器的多功能性、靈敏度、微型化、高穩(wěn)定、低遲滯性、全柔性和微型化等方面開展，應(yīng)用復(fù)合型新材料為實(shí)現(xiàn)傳感器的創(chuàng)新與發(fā)展提供方向。