本發(fā)明涉及觸覺傳感器設(shè)計(jì)，尤其是指一種觸覺定位傳感器及靈巧手。

背景技術(shù)：

1、隨著當(dāng)代科技的迅猛進(jìn)步，特別是在人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、精密機(jī)械設(shè)計(jì)與新型材料科學(xué)等領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，人形機(jī)器人在制造業(yè)、醫(yī)療護(hù)理、服務(wù)業(yè)等多個(gè)關(guān)鍵行業(yè)中的應(yīng)用需求正以前所未有的速度增長。這一趨勢不僅極大地推動(dòng)了機(jī)器人技術(shù)的持續(xù)革新與迭代，同時(shí)也對(duì)機(jī)器人核心部件—尤其是靈巧手的設(shè)計(jì)與功能優(yōu)化提出了更為嚴(yán)格與全面的要求。

2、在機(jī)器人與外界環(huán)境進(jìn)行高效、精確交互的過程中，靈巧手扮演著至關(guān)重要的角色。它不僅要求能夠模擬人類手部的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)功能，如精細(xì)抓取、力量調(diào)節(jié)等，還必須具備高度敏感的環(huán)境感知能力，以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部刺激的即時(shí)響應(yīng)與精準(zhǔn)操作。這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，很大程度上依賴于觸覺傳感器的性能與設(shè)計(jì)水平。

3、觸覺傳感器作為機(jī)器人感知系統(tǒng)的核心組件，其設(shè)計(jì)與發(fā)展經(jīng)歷了從傳統(tǒng)單一功能向多元化、高精度、高靈敏度方向的顯著轉(zhuǎn)變。目前，市場上已涌現(xiàn)出多種類型的觸覺傳感器，它們基于不同的工作原理(如電阻式、電容式、壓電式、電磁式等)，在觸摸位置檢測、壓力分布測量、物體形狀識(shí)別等方面展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用潛力。

4、例如，廈門大學(xué)廖新勤團(tuán)隊(duì)研發(fā)的兩極觸摸位置傳感器，通過創(chuàng)新的梯度電阻元件模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)觸摸位置的精準(zhǔn)感知，顯著提升了傳感器的空間分辨率，相關(guān)研究成果以《i?n-sensor?tact?i?l?e?fus?ion?and?logic?for?accurate?i?ntent?i?onrecogn?it?ion》為題發(fā)表于《advanced?mater?ia?l?s》；浙江大學(xué)楊賡等人開發(fā)的基于碳黑涂層聚氨酯海綿的軟壓阻傳感器，憑借其優(yōu)異的可彎曲特性和多孔微觀結(jié)構(gòu)，為連續(xù)感應(yīng)區(qū)域的實(shí)現(xiàn)提供了新的設(shè)計(jì)思路，相關(guān)成果以《bioi?nspi?red?co-des?ign?of?tact?il?e?sensor?and?deep?learn?i?ng?al?gor?ithm?for?human–robot?i?nteract?ion》為題發(fā)表在《advanced?i?nte?l?l?i?gent?systems》。此外，m?it團(tuán)隊(duì)開發(fā)的液體傳感器技術(shù)，能夠精確感知機(jī)器人手指與物體之間的接觸力，促進(jìn)機(jī)器人更精確的物體抓取與操作。還有研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種創(chuàng)新的模塊化固液復(fù)合柔性仿生三軸觸覺傳感器。該傳感器借鑒人類指尖皮膚結(jié)構(gòu)，融合霍爾效應(yīng)與磁場檢測原理，通過測量軟體材料變形引起的磁場密度變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維接觸力的精準(zhǔn)檢測。

5、然而，盡管在觸覺傳感器研制已取得顯著進(jìn)展，當(dāng)前針對(duì)機(jī)器人靈巧手的研究與設(shè)計(jì)仍主要集中在手指指尖等局部感知能力的提升上，對(duì)手掌區(qū)域的感知能力缺乏深入探索與有效設(shè)計(jì)。手掌作為支撐手指操作、傳遞力量與觸覺信息的關(guān)鍵部位，其大面積感知與精確接觸位置定位對(duì)于提升機(jī)器人手部的整體感知能力、增強(qiáng)交互靈活性具有不可估量的價(jià)值。因此，開發(fā)一種適用于靈巧手手掌的高性能觸覺定位傳感器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)手掌區(qū)域的觸覺準(zhǔn)確位置定位，成為當(dāng)前研究的迫切需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)中觸覺傳感器對(duì)于手掌區(qū)域感知能力不足的問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種觸覺定位傳感器，包括依次設(shè)置的柔性皮膚外殼、封裝模塊、霍爾元件傳感器模塊，所述柔性皮膚外殼和霍爾元件傳感器模塊之間內(nèi)嵌有封裝模塊，并且柔性皮膚外殼和霍爾元件傳感器模塊固定連接，其中，

3、所述封裝模塊包括磁膜層、絕緣液體、封裝層，所述封裝層為無蓋結(jié)構(gòu)；

4、所述絕緣液體內(nèi)置于封裝層中，磁膜層貼附于封裝層的無蓋表面并與絕緣液體接觸。

5、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述柔性皮膚外殼由在pdms預(yù)聚合物中按10:1的比例加入固化劑，充分?jǐn)嚢韬蠓湃胝婵障涑馀?，再加熱?0℃，pdms預(yù)聚物和固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，最終形成彈性透明基體，將液體狀的彈性透明基體澆注在有機(jī)加工的模板上加熱80℃并固化1h，得到柔性皮膚外殼，其中，所述固化劑為甲基三氯硅烷。

6、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述磁膜層的制備材料選用60％質(zhì)量分?jǐn)?shù)的ndfeb與軟硅彈性體充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆颍^程中抽真空，以減少氣泡混入，得到磁性材料，將所述磁性材料進(jìn)行加熱，設(shè)置加熱溫度為248°f，固化4-8小時(shí)，得到固化后的磁性樣品，將固化后的磁性樣品放入磁化器中進(jìn)行永久磁化，使磁粒子按照特定方向排列，從而使磁膜層具備特定的磁場特性，最終得到磁膜層。

7、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述絕緣液體的材料為二甲基硅油。

8、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)所述柔性皮膚外殼受到外部按壓時(shí)，受絕緣液體流動(dòng)的影響，絕緣液體由按壓部位向四周流動(dòng)，按壓部位的磁膜層與霍爾元件傳感器模塊之間的距離減小，非按壓部位的磁膜層與霍爾元件傳感器模塊之間的距離增大；

9、磁膜層與霍爾元件傳感器模塊之間距離的變化，導(dǎo)致霍爾元件傳感器模塊在磁膜層的不同位置采集到的磁場信號(hào)不同。

10、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述非按壓部位的磁膜層與霍爾元件傳感器模塊之間的距離增大，具體為：

11、在以按壓部位為圓心的圓形范圍內(nèi)，非按壓部位的磁膜層與霍爾元件傳感器模塊之間新增的距離逐步變大；在以按壓部位為圓心的圓形范圍外，非按壓部位的磁膜層與霍爾元件傳感器模塊之間新增的距離逐步變小。

12、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中將所述霍爾元件傳感器模塊采集的磁膜層在不同位置處的磁場信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后輸入至預(yù)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過所述預(yù)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型輸出按壓位置。

13、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述預(yù)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型為dnn模型，所述dnn模型包括輸入層、隱藏層和輸出層，其中輸入層包括25個(gè)神經(jīng)單元；隱藏層包括3層，每層神經(jīng)元數(shù)量依次為40、50、40；輸出層則包括2個(gè)神經(jīng)單元，分別對(duì)應(yīng)按壓位置的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)。

14、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述霍爾元件傳感器模塊具有呈陣列式排布的霍爾元件傳感器，相鄰霍爾元件傳感器的距離為5-8mm。

15、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種靈巧手，靈巧手的手掌部位貼合有如上述的觸覺定位傳感器。

16、本發(fā)明的上述技術(shù)方案相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

17、本發(fā)明以磁膜層、絕緣液體作為敏感層，絕緣液體具有流動(dòng)性，可以更好地適應(yīng)傳感器表面的變化，有助于在傳感器表面形成均勻的敏感層，從而確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性；

18、本發(fā)明的觸覺定位傳感器區(qū)別于傳統(tǒng)的陣列式電極傳感器，傳統(tǒng)陣列式傳感器僅能在觸摸位置位于電極的情況下進(jìn)行定位，因此需要高密度電極排布，但本發(fā)明即使是在觸摸位置位于霍爾元件傳感器間的間隙的情況下也能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，大大減少了所需電極的數(shù)量，降低了生產(chǎn)成本，也降低了生產(chǎn)難度；

19、本發(fā)明設(shè)計(jì)整塊磁膜層和較少的霍爾元件傳感器，僅通過精簡的布線實(shí)現(xiàn)位置定位，減少了布線對(duì)靈巧手靈活性的限制，還有效降低了信號(hào)傳輸過程中的串?dāng)_風(fēng)險(xiǎn)，降低了信號(hào)處理系統(tǒng)的要求，確保了傳感器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性，實(shí)現(xiàn)靈巧手掌觸摸位置的高精度定位，此外精簡的布線不僅降低了制造成本和復(fù)雜度，而且便于在小型設(shè)備中使用；

20、本發(fā)明設(shè)計(jì)全面貼合靈巧手的觸覺定位傳感器，實(shí)現(xiàn)手掌各個(gè)細(xì)微部位的全面覆蓋與位置感知，顯著拓寬了檢測范圍與視野。