團隊介紹

王博文，河北工業大學，教授，博士生導師。研究領域為磁性材料與器件。曾獲國家發明四等獎、省科學技術突出貢獻獎等。在天津市總工會頒發的“九五”立功獎章一枚，授權發明專利8項。

趙智忠，河北工業大學，教授，碩士生導師。主要研究方向有磁材料與器件、高低壓智慧電氣。獲國家技術創新優秀專案獎1項，省科技進步獎二等獎1項。“百千萬人才工程”省級第二層次人選，省青年科技獎獲得者。授權發明專利2項。

黃珊，河北工業大學，碩士研究生，研究方向為新型磁性材料與智慧器件。

本文應用了磁致伸縮材料鐵鎵合金設計並製作了磁致伸縮觸覺感測單元，並將其整合為陣列，所設計的磁致伸縮觸覺感測單元測力範圍為 0~3N，當壓力小於 1.5N 時，靈敏度為 151mV/N，在 1.5~3N 區間，靈敏度約為 109mV/N，測量較低的靜態力時具有更高的靈敏度，在 2~4Hz 範圍內對動態力具有動態響應快、靈敏度高的特點。

所設計的磁致伸縮觸覺感測器陣列能很好的辨識所選區的樣本，透過應用支援向量機演算法，對觸覺感測器陣列對樣本採集的資料進行分類識別。

研究背景

為了使機械手的操作更為準確，需要在機械手上安裝觸覺感測器，以獲得觸覺資訊，並準確地對物體進行分類。

雖然觸覺感測器在結構設計、陣列整合等方面已取得了很大進展，且與其他領域學科結合，在醫療健康、可穿戴裝置等方面展示出巨大的潛力，但還存在一些困難，如製作精密度還不夠、成本高和不便於整合等。因此尋找新的合適的材料，降低生產成本，使用更加先進的工藝來製作仿生感測器已經成為迫切需要。

鐵鎵合金（Galfenol）有飽和磁場低、磁滯小、線性度好、力學效能好、應力靈敏度高等優點，且製作的感測器結構簡單、可靠性高、精度高、成本低。根據鐵鎵合金的磁致伸縮逆效應，透過測量載荷附近的磁場變化，得到其外載入荷力的大小，因而鐵鎵材料可以作為感測器的敏感材料。

論文方法及創新點

本文首先提出了磁致伸縮觸覺感測單元的模型，介紹了感測單元的組成及尺寸，並推導了感測單元的輸出電壓模型。

圖1 磁致伸縮觸覺感測單元結構圖

然後，分別測試了感測單元輸出電壓與施加壓力的關係和感測單元的動態效能。將磁致伸縮觸覺感測單元設計為2x2磁致伸縮觸覺感測器陣列，利用COMSOL模擬軟體確定相鄰感測單元間影響可忽略不計的放置距離，根據所計算的距離製作了磁致伸縮觸覺感測器陣列。

最後，搭建樣品測試系統，選取日常生活中常見的飲料瓶樣品，測試了磁致伸縮觸覺感測器陣列抓取樣品過程中的輸出電壓特性，選擇合適的特徵值，應用支援向量機演算法，透過選擇不同的特徵值數量和訓練集與分類集的比例，對採集的資料進行分類識別。

圖2 不同特徵值數量和不同訓練集分類集比例的識別率

總結

（1）設計製作了一種新型的磁致伸縮 2×2 觸覺感測器陣列，應用電磁學理論、逆磁致伸縮效應和尤拉伯努利動力學原理，建立了觸覺感測單元的輸出特性模型。

（2）測試了觸覺感測單元的靜態效能和動態效能，感測單元測力範圍為 0~3N。當壓力小於 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 範圍內對動態力具有動態響應快、靈敏度高的特點。

（3）將觸覺感測器陣列裝備在機械手上，應用實驗測試系統，測試了觸覺感測器陣列的輸出特性。結果表明，根據觸覺感測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。

（4）選擇了機械手在抓取過程中能夠提取的特徵值，應用支援向量機演算法，分別對不同特徵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 且選擇三個特徵值時，分類識別準確率越高，為 87.5%。

引用本文

黃珊, 王博文, 趙智忠, 王亮, 翁玲. 應用於機械手的磁致伸縮觸覺感測器陣列與物體識別[J]. 電工技術學報, 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.