張文奇，陳 萌，曹文斌

(上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109)

1 引言

空間任務(wù)隨著復(fù)雜程度的不斷加劇，機(jī)器人在軌靈巧操作的要求越來(lái)越高。針對(duì)目標(biāo)的表面溫度、粗糙度、接觸力等物理屬性，現(xiàn)有空間機(jī)器人手指?jìng)鞲衅鞯撵`敏度和精確度都存在不足，無(wú)法滿足未來(lái)空間機(jī)器人精確感知目標(biāo)物理屬性和智能抓取的需要[1]。

目前國(guó)內(nèi)外多利用固體形式壓力傳感器進(jìn)行信號(hào)傳導(dǎo)，以提升空間機(jī)器人手指?jìng)鞲衅鲗?duì)目標(biāo)物理屬性靈敏度和精確度[2]，但無(wú)法滿足對(duì)溫度、壓力、微振動(dòng)等多種物理信號(hào)的感知。使用流體作為傳導(dǎo)介質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種物理信號(hào)的感知，但存在傳動(dòng)建模困難、數(shù)據(jù)分析不全面以及流體密封差等問(wèn)題亟待解決。

多因素正交試驗(yàn)中，不同因素的重要程度常常不一致，各因素的取值對(duì)不同因素的影響程度也不完全相同，所以結(jié)果分析較復(fù)雜[3]，在仿人手指方面的應(yīng)用比較少。本文針對(duì)現(xiàn)有方法在流體傳導(dǎo)建模差、數(shù)據(jù)分析不全面等問(wèn)題，引入多因素正交試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，借助Fluent軟件完成對(duì)仿人手指?jìng)鞲衅鞫鄥?shù)分析與優(yōu)化。

2 多參數(shù)分析與優(yōu)化方法

本文設(shè)計(jì)如圖1所示的內(nèi)部流體導(dǎo)電式仿人手指?jìng)鞲衅髯鳛榉治龊蛢?yōu)化的對(duì)象。

圖1 手指?jìng)鞲衅髡w示意圖Fig.1 Schematic diagram of finger sensor

經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)手指?jìng)鞲衅鲀?nèi)部流體流動(dòng)影響較大的因素為管徑、管道弧度、粘度、內(nèi)部壓強(qiáng)。針對(duì)這組參數(shù)，將圖1所示手指?jìng)鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)導(dǎo)入ANSYS，在ANSYS中進(jìn)行手指?jìng)鞲衅鞑紶栠\(yùn)算得到內(nèi)部流體模型，對(duì)比參數(shù)變化對(duì)物理信號(hào)的衰減影響，得到的數(shù)據(jù)經(jīng)正交試驗(yàn)得到最終的優(yōu)化結(jié)果。

仿真中，粘度νm通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式[4]得到，手指?jìng)鞲衅鞯膶?dǎo)電液體模型采用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型方程[5]。

3 分析與優(yōu)化

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析

針對(duì)不同內(nèi)徑、不同粘度[6]、不同內(nèi)徑弧度以及流體內(nèi)部壓強(qiáng)[7]對(duì)手指?jìng)鞲衅鞒隹谔帨囟?、斷面壓?qiáng)和流體速度三個(gè)參數(shù)衰減程度的影響，設(shè)置如下工況，可得如圖2～5所示定性的影響趨勢(shì)：

1)壓強(qiáng)、流體粘度、內(nèi)經(jīng)弧度不變，內(nèi)部管徑分別取2.2 mm、2.8 mm、3.5 mm；

2)壓強(qiáng)、流體粘度、內(nèi)部管徑不變，管徑連接處弧度設(shè)置為0、0.5 mm、1 mm；

3)內(nèi)部管徑、流體粘度、內(nèi)經(jīng)弧度不變，內(nèi)部導(dǎo)電液體壓強(qiáng)設(shè)置為5 Pa、10 Pa、15 Pa；

4)壓強(qiáng)、內(nèi)部管徑、內(nèi)徑弧度不變，流體粘度設(shè)置為 0.2 cP、0.02 cP、0.002 cP。

圖2 管徑對(duì)流體的影響Fig.2 Influence of pipe diameter on fluid

圖3 流體粘度對(duì)流體的影響Fig.3 Effect of fluid viscosity on fluid

圖4 弧度對(duì)流體的影響Fig.4 Effect of radian on fluid

圖5 手指內(nèi)部壓強(qiáng)對(duì)流體的影響Fig.5 Influence of internal pressure on the fluid

3.2 正交試驗(yàn)優(yōu)化

考察手指內(nèi)部管徑、流體粘度、手指內(nèi)部壓強(qiáng)、管道弧度等四個(gè)因素，每個(gè)因素取三種不同的水平級(jí)數(shù)值，列出因素水平表如表1所示。本試驗(yàn)為四因素三水平試驗(yàn)，選用正交表L9(34)，把各因素依次入列如表2所示。提煉其中數(shù)據(jù)，可得因素與指標(biāo)的趨勢(shì)如圖6所示

由圖6可知：對(duì)于溫度來(lái)說(shuō)，極差均很相近，在流體速度以及截面壓強(qiáng)上考慮，C、D兩因素的極差很相近，但是B因素的極差較大，所以可得四個(gè)因素的主次順序?yàn)锽ACD。

表1 因素水平表Table 1 Factor levels

表2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果分析Table 2 Test plan and test result analysis

圖6 因素與指標(biāo)趨勢(shì)圖Fig.6 Trends of factors and indicators

B因素極差變化最顯著，因此是主要因素，說(shuō)明粘度越大，最終獲得的優(yōu)化指標(biāo)越好，因此選擇B3。A因素的方差變化略小于B，管徑越小，說(shuō)明最終獲得的指標(biāo)效果越更好，因此選擇A1。C因素只是對(duì)壓強(qiáng)單個(gè)指標(biāo)影響顯著，弧度越大對(duì)于最終指標(biāo)影響較好，因此選擇C3。D因素對(duì)于壓強(qiáng)影響較為明顯，D因素的值越大對(duì)優(yōu)化指標(biāo)越有利，因此選擇D3。因此可得手指內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)以及流體參數(shù)最優(yōu)條件選擇為B3A1C3D3，即當(dāng)粘度系數(shù)為 0.2 MPa·s、管徑為 2.2 mm、弧度為1 mm、內(nèi)部壓強(qiáng)為15 Pa時(shí)，外界溫度、斷面壓強(qiáng)、流體速度數(shù)值最大，采集數(shù)據(jù)在此條件下?lián)p失最少，獲得的信號(hào)靈敏度和精度最高。

3.3 測(cè)試驗(yàn)證

對(duì)上文優(yōu)化參數(shù)結(jié)構(gòu)所得手指?jìng)鞲衅鬟M(jìn)行微振動(dòng)信號(hào)測(cè)試，結(jié)果如圖7所示?？梢?jiàn)，原傳感器需要經(jīng)過(guò)相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間才可以達(dá)到穩(wěn)定，優(yōu)化后手指?jìng)鞲衅鲗?duì)振動(dòng)信號(hào)的感知更加迅速。

圖7 新舊手指?jìng)鞲衅鲏毫y(cè)試響應(yīng)Fig.7 Pressure test responses of new and old finger sensors

4 結(jié)論

正交試驗(yàn)優(yōu)化所得粘度系數(shù)為0.2 MPa·s、管徑為2.2 mm、弧度為1 mm、內(nèi)部壓強(qiáng)為15 Pa的仿人手指?jìng)鞲衅鞣桨附?jīng)驗(yàn)證，得到的外界溫度、斷面壓強(qiáng)、流體速度數(shù)值最大，數(shù)據(jù)采集損失最少，信號(hào)靈敏度和精度最高，能夠更加敏感地獲得精確的觸覺(jué)數(shù)據(jù)。