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        基于PVDF壓電傳感器的采摘機械手研究

        2019-06-25 09:18:10唐火紅
        壓電與聲光 2019年3期
        關鍵詞:機械手壓電電荷

        唐火紅,欒 鑄

        (合肥工業(yè)大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009)

        0 引言

        目前農(nóng)業(yè)上的果實采摘主要以人工采摘為主,勞動強度大,危險性高。隨著智能技術和機器人技術的發(fā)展,用采摘機器人取代人工采摘已成為一種趨勢。采摘機器人能否完成采摘任務的關鍵在于其末端夾持器機械手抓取是否可靠,因此,果實采摘機械手成為國內(nèi)外研究的熱點[1-3]。采摘機械手需要通過力傳感器來判斷抓取力,但目前采摘機械手力傳感器判斷誤差較大,故需要一款準確判斷抓取力的傳感器。自發(fā)現(xiàn)聚偏氟乙烯(PVDF)的壓電效應以來,因其具有壓電系數(shù)大,靈敏度高,響應快及機械柔韌性好等優(yōu)點而被廣泛應用[4]。凌正寶等[5]利用PVDF的正壓電效應研制了一款呼吸檢測裝置。宋陽等[6]利用PVDF傳感器檢測風的壓力。千承輝等[7]利用PVDF傳感器實現(xiàn)了機械手的軟抓取。綜上所述,PVDF適合作為接觸力傳感器。本文基于PVDF設計了一款能夠準確自主判斷抓取力的采摘機械手。

        1 PVDF傳感器原理

        PVDF作為傳感元件,當受到一定方向的作用力而產(chǎn)生形變時,其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象,極化表面上會產(chǎn)生等量的異號電荷,通過采集電路將電荷信號轉化為電壓信號,檢測電壓的變化就可以知道相關面所承受力的變化信息。通過PVDF方程可以找到力和電荷之間的定量關系。圖1為PVDF坐標示意圖,其中x軸或1方向表示薄膜在制作時的拉伸方向,z軸或3方向為薄膜的極化方向,當薄膜受到形變時,其上、下表面將產(chǎn)生感應電荷形成電勢差。

        圖1 PVDF坐標示意圖

        PVDF壓電薄膜受到單極拉伸極化后電勢方程[8]為

        (1)

        式中:Di為i方向的電位移,i=1、2、3分別表示x、y、z方向;Tj為j方向的應力,j=1,2,…,6,1~3為正應力,4~6為剪應力;dij為壓電系數(shù),表示j方向的作用力在i方向的檢出。由于PVDF壓電薄膜在厚度方向上通常很薄,其側面不適宜引出電極,只能從上、下表面引出電極,此時PVDF壓電薄膜只在z方向(3方向)產(chǎn)生電位移,因此,式(1)可以簡化為

        D3=d31T1+d32T2+d33T3

        (2)

        PVDF壓電薄膜可以在厚度方向受力,也可以在拉伸方向受力。采摘機器手與果實接觸時,PVDF壓電薄膜受力方向在厚度方向,因此,式(2)中T1、T2均為0。令PVDF壓電薄膜表面的受力面積為A,表面所受的壓力為F,則薄膜表面產(chǎn)生的電位移為

        (3)

        由電荷計算式Q=DS可得:

        (4)

        式中:Q為壓電薄膜產(chǎn)生的電荷;S為壓電薄膜的表面尺寸。式(4)表明,壓電薄膜產(chǎn)生的電荷量與表面尺寸、表面所受壓力成正比關系。

        2 機械手設計

        人手在抓取物體時主要有精確捏取和包絡抓取兩種。一般2個或3個手指參與就能滿足這兩種抓取方式,其他參與的手指只起輔助作用[9]。因此,參照人手的抓取特點,本文設計了3個手指、3個關節(jié)的采摘機器人。

        圖2為采摘機械手手指機構結構圖。手指機構由近指節(jié)、中指節(jié)和遠指節(jié)3個關節(jié)組成。3個關節(jié)是由四連桿機構連接在一起,通過四連桿機構的組合可以實現(xiàn)對物體的精確捏取和包絡抓取。為了實現(xiàn)對采摘機械手接觸力的準確測量,本文在采摘機械手每個手指機構內(nèi)側的每個關節(jié)處都裝有PVDF壓電薄膜傳感器。

        圖2 手指機構結構圖

        圖3為采摘機械手的總體結構示意圖。該機械手由驅(qū)動電機、傳動機構、3個手指機構及機架構成。為了減輕質(zhì)量,整個機械手主體材料采用鋁,一些易磨損的關鍵部位采用45#鋼。其具體的工作原理為:力矩電機通過齒輪傳動的形式帶動絲杠做旋轉運動,絲杠旋轉帶動螺母做直線運動,螺母通過連接桿帶動手指機構運動,從而實現(xiàn)對物體的抓取與松開。步進電機通過齒輪傳動帶動旋轉基座轉動,實現(xiàn)對手指位姿的調(diào)整。

        3 硬件設計

        3.1 驅(qū)動硬件系統(tǒng)設計框圖

        圖4為采摘機械手硬件系統(tǒng)框圖。由圖可知,采摘機械手驅(qū)動硬件系統(tǒng)主要由抓取力傳感器模塊、微處理器模塊、電機驅(qū)動模塊組成。其中電機驅(qū)動模塊包括3個直流電機和1個步進電機。為了滿足復雜的電機控制和實時的抓取力傳感器信號處理,微處理器選用一款高性能的32位浮點的數(shù)字信號處理(DSP)芯片TMS320F28335。該芯片不僅精度高,數(shù)據(jù)和程序的存儲量也較大。該芯片具有150 MHz的高速處理能力,處理程序和數(shù)據(jù)的速度快。DSP芯片通用I/O口輸出脈沖寬度調(diào)制(PMW)信號,經(jīng)由復雜可編程邏輯器件(CPLD)與H橋驅(qū)動芯片可實現(xiàn)對3個直流電機的驅(qū)動,從而實現(xiàn)手指的抓取。通過DSP芯片上的通用I/O口配合步進電機控制器也可以實現(xiàn)對步進電機的控制,從而實現(xiàn)對手指位置和姿態(tài)的調(diào)整。TMS320F28335芯片具有16個A/D轉換接口,將來自H橋驅(qū)動芯片的負載電流信號接到DSP的A/D轉接口,實現(xiàn)對直流電機電流的采樣。PVDF接觸力傳感器的信號經(jīng)過信號調(diào)理電路直接接到DSP的A/D轉換接口。微處理器通過串行通信接口SCI與串行外設接口SPI和主控制器交換信息,從而實現(xiàn)對采摘機械手的實時控制。

        圖4 采摘機械手硬件系統(tǒng)框圖

        3.2 信號調(diào)理電路設計

        PVDF薄膜受壓后產(chǎn)生的電荷信號非常微弱,DSP芯片A/D轉換接口不能直接采集,需要將其轉化為電壓信號才能進行采集。同時為了滿足DSP芯片A/D轉換接口的電壓采集要求,一般還需要將電壓轉換到A/D采集區(qū)間的電壓。電荷放大器不僅能滿足放大電壓的要求,同時還能將高輸出阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩埂?/p>

        本文采用兩級放大裝置組成電荷放大器(見圖5)。第一級運算放大器是將壓電薄膜傳感器的電荷信號轉化為電壓信號。本文選用MCP601運算放大器作為第一級放大器,同時在第一級放大器上加上合適的反饋電容C1和反饋電阻R1,增加信號清晰性和電路穩(wěn)定性。當?shù)谝患壏糯笃鲗㈦姾赊D化為電壓后,此時的電壓還很微弱,電壓值不在DSP芯片A/D轉換口的采集區(qū)間內(nèi),這時需要通過第二級放大裝置將電壓信號放大到合適的區(qū)間內(nèi)。本文采用OP07運算放大器作為二級電壓放大裝置。二級放大裝置輸出電壓與輸入電壓間的關系為

        (5)

        式中:U3為第一級放大器的輸出;U4為電壓放大后的輸出。通過式(5)可看出,只要選擇合適的R3和R4,就可將輸出電壓U5置于A/D轉換口的電壓采集區(qū)間內(nèi)。但第二級放大裝置出來的電壓信號還有一些其他的低頻成分,通過RC濾波電路將信號中的低頻成分進行過濾,圖5中,R5和C2組成RC低頻濾波電路。

        圖5 電荷放大器

        4 軟件設計

        本文設計的采摘機械手可以適應任何形狀的果實,這造成了抓取對象的不確定性,很難設計出一種具體的控制模型,因此,根據(jù)人的大腦思維方式設計了模糊控制抓取策略。主控制器根據(jù)控制任務的需求,發(fā)送控制命令到微處理器,微處理器接收到控制命令后對命令進行解析,發(fā)送驅(qū)動命令給步進電機驅(qū)動器調(diào)整手指機構的位置和姿態(tài),當手指機構位置和姿態(tài)調(diào)整到指定位置后,微處理器發(fā)送力矩電機驅(qū)動命令,控制3個力矩電機的旋轉實現(xiàn)對果實的捏取或包絡抓取。通過PVDF壓電傳感器采集抓取過程中的實時力的信息,判斷抓取的穩(wěn)定性,當機械手形成對果實的力封閉或形封閉時,力矩電機停止運動,完成對物體的抓取。在抓取的過程中,將PVDF壓電傳感器獲得的實時抓取力和預設值進行比較,當手指關節(jié)任意一個關節(jié)的力大于預設值時,力矩電機停止運動,回到初始化狀態(tài),重新進行抓取。整體的過程流程圖如圖6所示。

        圖6 采摘機械手控制器軟件流程圖

        5 測試結果及分析

        一般果實的形狀主要有類圓柱形和類球形兩種,本文設計的機械手主要用于這兩類果實的抓取。因為黃瓜和西紅柿是典型的類圓柱形和類球形果實,且軟硬度適中,能代表多數(shù)相似類型的果實,因此,本文選用黃瓜和西紅柿來測試機械手抓取的可靠性與準確性。圖7、8分別為抓取黃瓜和西紅柿的實驗,實驗中黃瓜和西紅柿的質(zhì)量分別約為150 g和100 g。實驗結果表明,本文設計的采摘機械手不僅能實現(xiàn)對不同種類果實的抓取,還能準確自主判斷抓取力度且對果實不造成損壞。

        圖7 抓取黃瓜實驗

        圖8 抓取西紅柿實驗

        6 結束語

        本文利用PVDF的壓電敏感特性設計了一款適用于采摘機器人的PVDF壓電傳感器。通過信號調(diào)理電路將壓電傳感器的電荷信號轉化為電壓信號,然后通過微處理器A/D轉換接口將采集到的電壓信號轉化為數(shù)字信號,利用模糊控制理論控制電機的運動實現(xiàn)手指的開合。本文設計的采摘機械手能自主判斷夾持力度,有效地降低了夾取力過大而對果實造成的損壞。該款機械手能適應不同形狀果實的采摘,有效地降低了生產(chǎn)成本,為果實采摘機械手的進一步研究奠定了基礎。

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