【机情无限 精彩毕设】机械2026届毕业设计（论文）中期检查优秀案例分享第十七期——基于磁性人工纤毛的仿生触须传感器研究

学生姓名：王赫才

班       级：机械2022-05班

指导教师：李鑫

毕设题目：基于磁性人工纤毛的仿生触须传感器研究

一、概况

1.选题意义

在机器人智能化发展中，传感器作为与环境交互的核心器件，是感知系统升级的关键。相比易受光照、遮挡影响的视觉传感，触觉传感环境适应性强、成本低、反馈直接，成为多维感知体系的重要支撑。其中，仿生触须磁感应式方案无机械磨损、信号稳定，是触觉传感的重要研究方向。本研究聚焦于磁性人工纤毛仿生触须传感器，在技术上采用3D打印模具与硅胶浇筑工艺，为实验室条件下制作人工触须/纤毛提供了一个低成本参考方案；在应用上有为机器人提供细微的力反馈、对零部件表面形貌与粗糙度进行高精度检测、感知外界环境，进行轮廓重建等方面的潜力。

图1-1 机器人触觉传感应用

2.任务分解

本研究总体目标为研制基于磁性人工纤毛的仿生触须传感器原型，完成传感器的制备、关键性能测试及轮廓检测应用验证，建立从纤毛制备到传感应用的完整技术体系，为相关领域的精密触觉感知提供技术参考。

根据该总体目标，可将本毕业设计分解为如下子目标：

（1）完成基于3D打印模具与硅胶浇筑工艺的磁性人工纤毛可控制备，构建完整的传感器硬件原型，培养跨材料、机械与传感的系统实现能力；

（2）搭建传感器测试系统，完成纤毛顶端偏移-磁场变化量间映射关系的标定，微力测试与长期耐久性实验，获取灵敏度、稳定性等核心性能指标，基于数据验证传感器在实际工况下的可靠性，提升实验设计与数据分析能力；

（3）开展轮廓检测应用实验，建立从纤毛偏转信号到轮廓重建的数据处理流程，实现简单轮廓的高精度重构，探索仿生触须传感器在应用方面的可能性，增强工程问题解决与系统集成能力。

图1-2 毕业设计技术路线图

    二、已完成工作

1.纤毛模具设计与纤毛制作

本研究采用SolidWorks三维建模与FDM 3D打印技术，完成磁性人工纤毛浇筑模具的三维建模与制作；以邵氏硬度20的A,B双组分硅胶为基体材料，通过分步浇筑、真空脱泡、室温固化的复合成型工艺，实现纤毛结构体的高精度成型；在纤毛结构中嵌入永磁体以赋予纤毛磁响应特性。最终制得目标圆柱形磁性人工纤毛试样，满足仿生触须传感器的传感测试与应用验证需求。

图2-1 人工纤毛制作流程示意图

2.三轴磁传感器的选型与通信

经对比市面上的模块化磁传感器，结合本研究的具体需求，最终选用MLX90393型磁传感器。该传感器具有量程大且可根据需求调节、分辨率高、价格相对较低等优点，充分契合本研究对磁信号检测的性能与经济性要求。

图2-2 三轴磁传感器MLX90393

基于MLX90393磁传感器通信协议，通过嵌入式编程实现STM32主控单元与磁传感器MLX90393的I2C总线通信，并完成芯片核心工作参数的配置与调试。采用Python语言编程实现三轴磁场分量的实时监测与动态呈现，同时完成磁场数据的规范化本地存储，为后续传感器性能标定与数据解析提供可靠的数据基础。

图2-3 MLX90393三轴磁场数据实时曲线

图2-4 数据采集和传输过程示意图

3.仿生触须传感器组装

根据MLX90393磁传感器模块的具体尺寸（包括定位孔位置、芯片位置等关键几何参数），使用SolidWorks 2024软件设计并建模与之相匹配的支架结构，以便将磁传感器、人工纤毛以及STM32开发板等组件合理、稳定地组装为一体，从而满足整体实验装置的空间布局与功能要求。

图2-5 传感器支座

4.COMSOL建模仿真

本研究测试前使用COMSOL Multiphysics 6.3软件完成磁性人工纤毛的力学与磁场建模仿真，通过精准设置材料参数、合理划分网格，模拟纤毛顶端受外界作用力的偏转情况，初步分析其力学特性与磁场分布规律，为后续实验研究提供前期理论支撑。

图2-6 纤毛偏转应力分布图

5.仿生触须传感器测试

（1）实验平台

本研究使用FMC4030三轴运动控制器为实验平台。FMC4030是基于32位ARM芯片研发的脉冲型三轴运动控制器，单轴脉冲输出频率最高达200kHz，内置脉冲计数功能，可实现步进电机与伺服电机的精准位置及速度控制。本研究可通过上位机实现单轴操控、自动编程运行等操作，完成仿生触须传感器的一系列测试实验。

图2-7 FMC4030三轴运动控制器

（2）磁铁位置及磁铁数目对磁场影响的研究

本研究设计的仿生触须传感器采用磁响应式形变传感机制，磁铁高度位置与数目是影响传感器磁场输出量变化的关键参数，直接决定传感有效性与检测性能。故本研究搭建专用测试装置，模拟实际工况并实现磁铁参数的灵活调控，系统探究了磁铁关键参数对传感器磁场输出的影响规律。

图2-8 磁铁高度和磁铁数目对磁场的影响

（3）纤毛受外力偏转产生磁场变化的研究

基于前期磁铁关键参数对磁场输出的影响规律，筛选适配参数组合制备多组磁性人工纤毛试样。建立传感测试坐标系，依托三轴位移加载平台施加外力激励，测试并采集纤毛形变对应的磁场响应数据，结果如下图所示(n表示磁铁数目，z表示磁铁位置)。

图2-9 n=3时纤毛顶端受外力后磁场变化情况

图2-10 n=4时纤毛顶端受外力后磁场变化情况

图2-11 n=5时纤毛顶端受外力后磁场变化情况

三、下一步工作计划

基于现有研究成果，后续将分阶段开展实验研究与优化工作，具体内容如下：

1.制备不同磁铁参数的磁性人工纤毛试样，测试其在外力偏转下的磁场响应特性，将实验数据与现有结果对比分析，筛选出灵敏度最优、综合性能最佳的纤毛试样。依托三轴移动平台对优选试样开展循环加载耐久性测试，模拟实际工况验证其长期力学作用下的稳定性与可靠性。

2.完成最优纤毛规格筛选与耐久性验证后，对其进行位移-磁场变化量标定实验，构建标准化映射数据集。引入机器学习算法训练位移-磁场映射模型，以均方误差，平均绝对误差和标准差为指标优化模型，实现磁场信号到纤毛偏转量与空间坐标的快速解算，为轮廓重建提供算法支撑。

3.开展仿生触须传感器轮廓重建应用验证实验，完成被测件的数字化设计与实体制备。将传感器搭载于三轴移动平台进行轮廓扫描，同步采集磁场数据，结合训练好的映射模型完成轮廓重构，系统分析实验结果并量化评估重建精度，验证传感器的实际应用性能。

问题一：你目前的工作主要体现在实验方面，理论支撑方面是否完备？

回答：目前我的研究工作虽以磁性人工纤毛制备、传感器硬件搭建与磁场响应测试等实验工作为核心，但理论支撑体系已具备完备性。前期我已通过系统梳理仿生触须传感、磁感应检测、柔性硅胶材料力学及磁场-形变耦合等领域的文献，明确了磁感应式触须传感器的磁场-形变映射机理。另外，我还使用COMSOL Multiphysics 6.3 软件完成了纤毛偏转的力学与磁场建模仿真；后续我将结合实验数据深化理论建模与机理分析，进一步强化理论与实验的耦合支撑，保障研究的理论严谨性与科学性。

问题二：撰写论文时你打算怎么把自己的研究工作写清楚、写完整，让论文内容充实饱满？

回答：我在撰写毕业论文时将沿着从理论到实验再到应用的完整研究链条，全方位呈现研究工作。首先，我会系统梳理仿生触觉传感、磁信号检测等相关理论，结合COMSOL仿真结果夯实研究理论根基；然后完整阐述磁性人工纤毛制备、传感器硬件搭建与性能测试等实验流程，辅以图表直观展示研究过程和结果；最后重点呈现轮廓重建应用成果，提炼结论与创新点，使论文结构严谨、内容充实、论证充分。

本次毕业设计中期阶段，我围绕课题完成了理论梳理、硬件制备与性能测试等核心工作，在专业知识、实践能力与科研思维上都得到了锻炼，对科研工作的系统性与严谨性有了更为深刻的理解。

通过阅读仿生触须传感与磁感应检测机理的相关文献，我深入理解了所研究的仿生触须传感器的原理，并借助COMSOL软件建模仿真将其直观呈现出来，在此过程中提升了机械、材料与仿真多学科交叉融合的能力。随后，从模具设计、磁性人工纤毛的可控制备，到MLX90393磁传感器的通信与数据可视化，传感器实验测试等一系列实践操作，让我将理论与实践相融合，极大地培养了我的逻辑分析与问题溯源的科研能力。与导师的沟通交流，也使我学会高效梳理研究思路、规范科研流程。

这段经历不仅让我明白，科研需将理论与实验深度结合，既要有扎实的知识储备，也要有严谨的实操态度；也让我树立了更清晰的科研目标与严谨的治学态度，为后续顺利完成毕业设计及未来学习科研奠定了坚实基础。