一种摩擦电式变刚度软体手爪状态监测传感器及其测试方法

1.本发明属于传感器技术领域，特别是涉及一种摩擦电式变刚度软体手爪状态监测传感器及其测试方法。

背景技术：

2.随着物流行业的发展，传统物流在仓储分拣方面由于其时效性低，成本高的缺点已无法满足当前社会快节奏的需求，成为了阻碍物流行业发展的主要原因。近年来，智能物流蓬勃发展，通过网络物理系统、物联网等智能技术手段，实现智能分析，从而提高物流运作效率，为了提高无人分拣的效率和灵活性，刚性机械手被广泛应用于分拣系统并取得了显著效果。然而，刚性机械手大多由金属材料制成，安全性差，适应性有限，特别是在水果、鸡蛋等易碎、易脆物分拣过程中，容易造成表皮损伤，难以实现无损分拣，造成一定的经济损失。近年来，软体手爪由于其固有的柔顺性和强大的适应性受到广泛关注,有望实现无损分拣，目前已经广泛用于制造行业。
3.传感器作为机器与计算机连接的桥梁，在智能化的进程中至关重要。软体手爪一方面需要传感器来监测夹持行为，另一方面需要在保证柔顺性的前提下能够模拟人手，在抓取不同重物时改变刚度，增强鲁棒性。传统传感器中的电位器及编码器限制了软体手爪的非线性变形，影响了软体手爪的灵活性，不适合应用于软体手爪的夹持行为监测领域。目前常见的软体手爪行为监测方式有光检测、导电纳米复合材料和电磁效应。然而上述方法仍存在一些弊端，例如通常的视觉识别在黑暗空间中不起作用，若单独增加光源会使机构过于复杂，电磁效应检测需要额外添加磁场。
4.因此，迫切需要设计一种结构简单、易于集成、精度高且稳定可靠的新型监测结构，既满足手爪变刚度需求，又可以实时监测到手爪各项参数，以满足现代机械装备小型化，智能化的需求。

技术实现要素：

5.本发明目的是为了解决需要设计一种结构简单、易于集成、精度高且稳定可靠的变刚度软体手爪状态监测传感器以满足当前物流行业分拣智能化的问题，提出了一种摩擦电式变刚度软体手爪状态监测传感器及其测试方法。所述传感器及其测试方法可以实现对软体手爪弯曲角度及刚度的实时监测。
6.本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种摩擦电式变刚度软体手爪状态监测传感器，所述传感器包括：角度监测单元2和刚度监测单元3，所述角度监测单元2包括上层基底21、液态金属电极层22和下层基底23，所述刚度监测单元3包括基底31、铝球电极32、铝球套33和限制层34，其中铝球套33上开有一个抽气孔331，所述上层基底21和基底31重合。
7.进一步地，所述角度监测单元2的上层基底21通过sil-poxy硅胶粘合剂连接于软体手爪1，所述下层基底23是在上层基底21基础上浇筑而成，所述液态金属电极层22通过注
射器注入上层基底21与下层基底23中间的通道。
8.进一步地，所述刚度监测单元3的基底31与铝球套33通过sil-poxy硅胶粘合剂连接，铝球套33与限制层34通过sil-poxy硅胶粘合剂连接，铝球电极32填满基底31、铝球套33与限制层34组成的长方体腔室。
9.进一步地，所述上层基底21与下层基底23材质均为dragon skin30，液态金属为液态镓铟锡铋合金。
10.进一步地，所述铝球电极32由实心铝球组成，铝球套33材质为dragon skin30，限制层34材质为环氧树脂。
11.进一步地，所述液态金属电极层22包括8条通道，每条通道平行排列，整体形状为矩形，每一条通道长度为133mm，宽度为1mm，所述液态金属电极层22整体长度为136mm，整体宽度为24.5mm。
12.进一步地，所述液态金属电极层22两侧末端设有输出端口，为电信号输出导线的布置预留空间，两侧输出端长度为5mm，宽度为4mm。
13.进一步地，随着软体手爪1的弯曲，上层基底21和下层基底23被拉伸，中间的通道变窄，液态金属电极层22变细变长，电阻发生变化，且电阻随着弯曲程度的变化而变化。
14.进一步地，所述刚度监测单元3在抽气时长方体腔室的硅胶与铝球电极32的铝球接触面积随着抽气气压的变化而变化，铝球电极32的电压随着与硅胶接触面积的变化而变化。
15.本发明提出一种所述的摩擦电式变刚度软体手爪状态监测传感器的测试方法，所述方法具体包括以下步骤：
16.步骤s1：利用静电采集设备记录摩擦电式变刚度软体手爪状态监测传感器产生的电信号，通过信号处理模块将原始正弦信号转化为方波信号提高信号的稳定性并降低检测信号的复杂度；
17.步骤s2：利用专业相机记录软体手爪1的弯曲角度及抽气压强；
18.步骤s3：根据输出的电信号以及记录的角度和压强，将软体手爪1弯曲角度用电阻变化表征，软体手爪1刚度用电压变化表征。
19.本发明的有益效果：
20.(1)本发明提出的传感器，当手爪弯曲时，手爪带动角度监测单元拉伸弯曲，角度监测单元中的液态金属电极的长度增加，横截面积减小，电阻随之发生变化。输出的电阻值会随着手爪弯曲角度同步变化，因此对不同弯曲角度的电阻值进行采集归纳即可得到手爪弯曲角度和电阻的函数关系。
21.(2)本发明提出的传感器，当手爪变刚度时，铝球电极中各个铝球之间的间隙减小，接触紧密程度增加，与外部硅胶接触面积增加，电压随之发生变化。输出的电压会随着抽气压强同步变化，因此通过采集不同抽气压强下的电压值和手爪刚度值即可得到手爪刚度与电压的函数关系。由于该传感器与变刚度结构集成一体，故其具有超长的服役寿命和极高的稳定性，可实现对软体手爪的角度和转速检测，具有自驱动传感、检测范围广、测量精度高和服役寿命长等优点。
22.(3)本发明具有小型化、集成化的特点，可在保持手爪完整性和功能完整性的前提下实现对手爪弯曲角度和刚度的实时监测，为新型自驱动、自感知软体手爪的研制提供理
论和试验基础。
附图说明
23.图1为本发明所述的摩擦电式变刚度软体手爪状态监测传感器结构示意图；
24.图2为本发明所述的摩擦电式变刚度软体手爪状态监测传感器中角度监测单元的结构示意图；
25.图3为本发明所述的角度检测单元中液态金属电极层的结构示意图；
26.图4为图3的a处放大示意图；
27.图5为本发明所述的摩擦电式变刚度软体手爪状态监测传感器中刚度监测单元的结构示意图；
28.图6为本发明所述的摩擦电式变刚度软体手爪状态监测传感器的测试方法流程图；
29.图7为本发明所述的摩擦电式变刚度软体手爪状态监测传感器在不同频率下电压特性示意图；
30.图8为本发明所述的摩擦电式变刚度软体手爪状态监测传感器的监测示意图，其中(a)表示弯曲角度与电阻的拟合曲线示意图；(b)表示手爪刚度与电压的拟合曲线示意图。
31.图9为本发明所述的摩擦电式变刚度软体手爪状态监测传感器进行耐久性试验的结果图；
32.附图标记说明：1-软体手爪；2-角度监测单元；21-上层基底；22-液态金属电极层；23-下层基底；3-刚度监测单元；31-基底；32-铝球电极；33-铝球套；34-限制层。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.结合图1-图9，本发明提出一种摩擦电式变刚度软体手爪状态监测传感器，所述传感器包括：角度监测单元2和刚度监测单元3，所述角度监测单元2包括上层基底21、液态金属电极层22和下层基底23，所述刚度监测单元3包括基底31、铝球电极32、铝球套33和限制层34，其中铝球套33上开有一个抽气孔331，所述上层基底21和基底31重合。
35.所述角度监测单元2的上层基底21通过sil-poxy硅胶粘合剂连接于软体手爪1，所述下层基底23是在上层基底21基础上浇筑而成，所述液态金属电极层22通过注射器注入上层基底21与下层基底23中间的通道形成的。液态金属电极注射入上下基底中间的通道内，作为电极材料，注射完成后所述液态金属应完全充满通道内部，并且制备的每一个液态金属电极均有相同的初始电阻。
36.所述刚度监测单元3的基底31与铝球套33通过sil-poxy硅胶粘合剂连接，铝球套33与限制层34通过sil-poxy硅胶粘合剂连接，铝球电极32填满基底31、铝球套33与限制层34组成的长方体腔室。
37.所述上层基底21与下层基底23材质均为dragon skin30，液态金属为液态镓铟锡铋合金。
38.所述铝球电极32由实心铝球组成，铝球套33材质为dragon skin30，限制层34材质为环氧树脂。
39.所述液态金属电极层22包括8条通道，每条通道平行排列，每条通道尺寸相同，间距相同，整体形状为矩形，每一条通道长度为133mm，宽度为1mm，所述液态金属电极层22整体长度为136mm，整体宽度为24.5mm。
40.所述液态金属电极层22两侧末端设有信号输出端口以监测电阻变化，为电信号输出导线的布置预留空间，两侧输出端长度为5mm，宽度为4mm。
41.该角度监测单元2的工作原理为：随着软体手爪1的弯曲，上层基底21和下层基底23被拉伸，中间的通道变窄，液态金属电极层22变细变长，电阻发生变化，且电阻随着弯曲程度的变化而变化。
42.该刚度监测单元3的工作原理为：所述铝球套33上一侧设有通孔用于连接管道对铝球电极32抽气。通过抽气孔331对铝球套33抽气时，基底31、铝球套33与限制层34组成的长方体腔室在外部气压作用下向内部凹陷，减少了铝球电极32中各个铝球间的空隙，提高刚度监测单元3的刚度，抑制了软体手爪1的弯曲，且刚度随着抽气气压的增大而增大，同时在抽气时长方体腔室的硅胶与铝球电极32的铝球接触面积随着抽气气压的增大而增大，此时铝球电极32与外部硅胶间隙减少，产生电势差即开路电压。抽气完成后由于电负性的差异，电子从地面流向铝球电极，持续产生电压信号。当抽气孔331对铝球套33释放真空压力时，外部气压的作用力解除，刚度监测单元3的刚度降低。铝球电极32表面的负电荷驱动自由电子从铝球电极32流向地面，导致外部硅胶中正电荷积累，产生相反方向的电压信号。
43.本发明提出一种所述的摩擦电式变刚度软体手爪状态监测传感器的测试方法，所述方法具体包括以下步骤：
44.步骤s1：利用静电采集设备记录摩擦电式变刚度软体手爪状态监测传感器产生的电信号，通过信号处理模块将原始正弦信号转化为方波信号提高信号的稳定性并降低检测信号的复杂度；
45.步骤s2：利用专业相机记录软体手爪1的弯曲角度及抽气压强；
46.步骤s3：根据输出的电信号以及记录的角度和压强，将软体手爪1弯曲角度用电阻变化表征(将电阻与弯曲角度对应得出函数曲线)，软体手爪1刚度用电压变化表征(将电压与手爪刚度对应得出函数曲线)。
47.如图7所示，为摩擦电式变刚度软体手爪状态监测传感器在不同频率下电压特性示意图，实验结果显示本发明所述传感器电压信号幅值会随着手爪变刚度频率的提高而发生改变，但逐渐趋于稳定。
48.如图8所示，为本发明所述的摩擦电式变刚度软体手爪状态监测传感器的监测示意图，实验结果显示本发明所述传感器的电阻与手爪弯曲角度具有一定的线性关系，手爪刚度与电压也具有一定的线性关系，本发明所述传感器的电阻信号和电压信号可以较好的反映手爪的弯曲信息。
49.如图9所示，为本发明所述的摩擦电式变刚度软体手爪状态监测传感器进行耐久性试验的结果，实验结果表明在连续弯曲变刚度1500次(1.5小时)后其输出电压幅值仍稳
定在9v，没有明显衰减，体现出来本发明所述传感器超长的服役寿命。
50.由于该传感器变刚度结构与传感结构集成一体，故其具有超长的服役寿命和极高的稳定性，可实现自驱动传感、检测范围广、检测精度高。
51.本发明实施例提出的摩擦电式变刚度软体手爪状态监测传感器，具有小型化、集成化的特点，可在手爪结构完整性和功能完整性的前提下实现对手爪弯曲角度和刚度的实时检测，为新型自驱动、自感知智能轴承的研制提供理论和试验基础。
52.以上对本发明所提出的一种摩擦电式变刚度软体手爪状态监测传感器及其测试方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：

1.一种摩擦电式变刚度软体手爪状态监测传感器，其特征在于，所述传感器包括：角度监测单元(2)和刚度监测单元(3)，所述角度监测单元(2)包括上层基底(21)、液态金属电极层(22)和下层基底(23)，所述刚度监测单元(3)包括基底(31)、铝球电极(32)、铝球套(33)和限制层(34)，其中铝球套(33)上开有一个抽气孔(331)，所述上层基底(21)和基底(31)重合。2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述角度监测单元(2)的上层基底(21)通过sil-poxy硅胶粘合剂连接于软体手爪(1)，所述下层基底(23)是在上层基底(21)基础上浇筑而成，所述液态金属电极层(22)通过注射器注入上层基底(21)与下层基底(23)中间的通道。3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述刚度监测单元(3)的基底(31)与铝球套(33)通过sil-poxy硅胶粘合剂连接，铝球套(33)与限制层(34)通过sil-poxy硅胶粘合剂连接，铝球电极(32)填满基底(31)、铝球套(33)与限制层(34)组成的长方体腔室。4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述上层基底(21)与下层基底(23)材质均为dragon skin30，液态金属为液态镓铟锡铋合金。5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述铝球电极(32)由实心铝球组成，铝球套(33)材质为dragon skin30，限制层(34)材质为环氧树脂。6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述液态金属电极层(22)包括8条通道，每条通道平行排列，整体形状为矩形，每一条通道长度为133mm，宽度为1mm，所述液态金属电极层(22)整体长度为136mm，整体宽度为24.5mm。7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述液态金属电极层(22)两侧末端设有输出端口，为电信号输出导线的布置预留空间，两侧输出端长度为5mm，宽度为4mm。8.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，随着软体手爪(1)的弯曲，上层基底(21)和下层基底(23)被拉伸，中间的通道变窄，液态金属电极层(22)变细变长，电阻发生变化，且电阻随着弯曲程度的变化而变化。9.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述刚度监测单元(3)在抽气时长方体腔室的硅胶与铝球电极(32)的铝球接触面积随着抽气气压的变化而变化，铝球电极(32)的电压随着与硅胶接触面积的变化而变化。10.一种如权利要求1-9任一项所述的传感器的测试方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：步骤s1：利用静电采集设备记录摩擦电式变刚度软体手爪状态监测传感器产生的电信号，通过信号处理模块将原始正弦信号转化为方波信号提高信号的稳定性并降低检测信号的复杂度；步骤s2：利用专业相机记录软体手爪(1)的弯曲角度及抽气压强；步骤s3：根据输出的电信号以及记录的角度和压强，将软体手爪(1)弯曲角度用电阻变化表征，软体手爪(1)刚度用电压变化表征。

技术总结

本发明提出一种摩擦电式变刚度软体手爪状态监测传感器及其测试方法。该传感器包括角度监测单元和刚度监测单元，角度监测单元包括硅胶基底和液态金属电极，在液态金属电极两侧末端设有信号输出端口以监测电阻变化；刚度监测单元包括铝球电极和外部包裹装置，外部包裹装置之间通过硅胶粘合剂连接，铝球填充于包裹装置内部。铝球在软体手指整体结构中不仅可以充当检测元件，还可以充当手指的刚度调节元件。当手爪弯曲时，液态金属层拉伸使得电阻发生变化，当手爪变刚度时，外部包裹装置与铝球接触改变铝球电极的电压，随着刚度的变化产生不同的电信号。本发明可实现对软体手爪弯曲角度和刚度检测，具有测量范围广、测量精度高和服役寿命长等优点。服役寿命长等优点。服役寿命长等优点。