鐘方亮, 陳進(jìn)軍

(貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

隨著現(xiàn)在科技的高速發(fā)展，人們對(duì)機(jī)器人的要求已不滿足于傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)化環(huán)境，而是轉(zhuǎn)向娛樂、醫(yī)療、家庭等眾多服務(wù)型機(jī)器人的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中。所以，機(jī)器人的發(fā)展必將會(huì)走向普遍化，而機(jī)械手作為機(jī)器人最基本的行為要素之一，就要求其能盡量做到像人手一樣靈活可靠。與工業(yè)制造中的機(jī)械手應(yīng)用環(huán)境不同，在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中機(jī)器人的應(yīng)用更依賴于觸覺[1]。因此，眾多的專家學(xué)者們研究了多種的觸滑覺傳感器(如現(xiàn)在使用比較多的壓阻式觸覺傳感器、電容式觸覺傳感器、壓電式觸覺傳感器等等[2～5]，以期達(dá)到預(yù)期的效果。現(xiàn)如今，隨著對(duì)傳感器和新型材料研究的逐漸深入，因此對(duì)觸覺傳感的研究也越來越豐富，目前的觸覺傳感技術(shù)發(fā)展方向主要分為微型化、陣列化、多傳感器融合、主動(dòng)觸覺傳感器等幾大類[6～9]。隨著觸覺傳感技術(shù)的不斷發(fā)展機(jī)械手的應(yīng)用也變得愈加多元化。

由于傳統(tǒng)的被動(dòng)式機(jī)械手在抓取過程中存在信號(hào)不連續(xù)、易受外界干擾、隨機(jī)性強(qiáng)等導(dǎo)致對(duì)機(jī)械手抓取過程的控制較難，機(jī)械手結(jié)構(gòu)要求高等問題?；诖祟惽闆r，本文通過使用基于聲學(xué)共振譜的方法來設(shè)計(jì)主動(dòng)激勵(lì)觸覺傳感器并安裝在機(jī)械手上檢測(cè)其不同狀態(tài)的振動(dòng)特性以完成對(duì)主動(dòng)激勵(lì)觸覺傳感器的驗(yàn)證。

1 觸覺傳感器的工作原理

1.1 聲學(xué)共振普檢測(cè)原理

聲學(xué)共振檢測(cè)(ARS)技術(shù)屬于無損檢測(cè)技術(shù)，是機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)的一種。聲學(xué)共振譜法通過激振器對(duì)物體施加相應(yīng)的激勵(lì)，然后通過采用響應(yīng)換能器檢測(cè)其激發(fā)出的系統(tǒng)的共振頻率來分析物體結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化。其基本工作過程為：由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生所需的寬頻帶激勵(lì)信號(hào)，如果激勵(lì)信號(hào)的能量較弱時(shí)，則需要使用功率放大器放大激勵(lì)信號(hào)的功率且要求保持激勵(lì)功率的恒定，然后將激勵(lì)信號(hào)傳送給激勵(lì)換能器，使換能器能有效地對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行激勵(lì)。當(dāng)激振頻率與被測(cè)對(duì)象的自然頻率相等時(shí)，就會(huì)使被測(cè)對(duì)象發(fā)生諧振；同時(shí)使用另外一個(gè)換能器作為響應(yīng)接收被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)信號(hào)，然后再將響應(yīng)信號(hào)采集到上位機(jī)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。

1.2 穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振

通過穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振可以了解被測(cè)系統(tǒng)的大致特性，然后在需要的頻段范圍內(nèi)再進(jìn)行穩(wěn)態(tài)正弦激振來獲取系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。無論是采用何種掃頻方式，都可以設(shè)置掃頻的起始和截止頻率，掃頻的速率也是可調(diào)控的。而且掃頻激勵(lì)不會(huì)出現(xiàn)頻譜泄露的問題，可靠性高。其在每個(gè)頻率點(diǎn)的激勵(lì)也不會(huì)受其它頻率信號(hào)影響，可以排除外界干擾，所以測(cè)試結(jié)果的信噪比較高。其掃描函數(shù)為

(1)

式中T為掃描周期，A為激振力幅值，ωmin和ωmax為掃頻的起始和截止頻率。

2 傳感器的設(shè)計(jì)與硬件調(diào)理電路

2.1 壓電換能器

壓電換能器通過壓電效應(yīng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)的轉(zhuǎn)換率較高，制作壓電換能器的材料也比較廉價(jià)，且不易老化。由于本設(shè)計(jì)所使用的機(jī)械手的機(jī)械手爪尺寸的限制，所以，本設(shè)計(jì)采用的激勵(lì)換能器即為壓電陶瓷片，其參數(shù)如下：1)諧振頻率為(6.8±0.7)kHz；2)諧振阻抗為≤300(Ω)max；3)靜態(tài)電容為15 000(pF)×(1±30 %)；4)儲(chǔ)存溫度為-30～+70 ℃；5)基片材料為黃銅。

2.2 駐極體麥克風(fēng)

駐極體麥克風(fēng)是一種聲電轉(zhuǎn)換傳感器，其聲電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件是一片兩面分別帶有正負(fù)電荷的塑料膜片，膜片的其中一面鍍有一層純金薄膜并與金屬極板組成了一個(gè)電容結(jié)構(gòu)。由于聲音會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)膜片感受到聲音的振動(dòng)時(shí)，它與金屬極板之間的距離就會(huì)產(chǎn)生微小的變化，因此導(dǎo)致電容結(jié)構(gòu)中的電容值改變。阻抗變換器主是由一個(gè)專用場(chǎng)效應(yīng)管和一個(gè)二極管復(fù)合構(gòu)成。麥克風(fēng)內(nèi)部電容兩端的電壓為場(chǎng)效應(yīng)管柵極和源極的偏執(zhí)電壓UCS，UCS變化時(shí)會(huì)使源極和漏極間的電流改變，從而實(shí)現(xiàn)阻抗變換，一般經(jīng)過阻抗變換后麥克風(fēng)輸出的電阻小于2 kΩ。

本設(shè)計(jì)所使用的主動(dòng)激勵(lì)觸覺傳感器便是由上述兩種換能器組成，傳感器組成為單點(diǎn)輸入單點(diǎn)輸出(SISO)的結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示，該主動(dòng)激勵(lì)觸覺傳感器是基于聲學(xué)共振檢測(cè)技術(shù)制成的，該傳感器的工作原理為：當(dāng)機(jī)械手進(jìn)行抓取時(shí)，一旦被抓物體與金屬板接觸后，便改變了系統(tǒng)的原有特性，使系統(tǒng)的聲學(xué)共振信號(hào)發(fā)生改變，由于機(jī)械手加力的程度不同，機(jī)械手系統(tǒng)的振動(dòng)特性也會(huì)隨之改變，相應(yīng)的聲學(xué)共振信號(hào)也會(huì)發(fā)生改變。所以我們可以根據(jù)聲學(xué)共振信號(hào)的變化來判斷機(jī)械手抓取過程的狀態(tài)。但是值得注意的是由于該傳感器的這種特性，所以對(duì)機(jī)械手抓取時(shí)的要求也比較苛刻，也即是對(duì)機(jī)械手控制系統(tǒng)要求更嚴(yán)格，因此在對(duì)物體進(jìn)行抓取時(shí)必須保證每次傳感器和被抓物體的接觸位置的一致性。安裝主動(dòng)激勵(lì)觸覺傳感器的機(jī)械手如圖1(b)所示。

圖1 主動(dòng)激勵(lì)觸覺傳感器與觸覺傳感機(jī)械手

2.3 功率放大電路

功率放大電路主要是將信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)的功率進(jìn)行放大處理，通常用作多級(jí)放大電路的輸出級(jí)，直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載元件，所以其輸出功率要足夠高。電路中功率放大采用的是LM386芯片，該芯片具有自身功耗低(約為4 mA)、可用電池供電、工作范圍寬(4～12 V或5～18 V)、總諧波失真較低(約為0.2 %)、輸出增益20～200倍可調(diào)等特點(diǎn)。

2.4 降噪模塊

該部分主要對(duì)駐極體麥克風(fēng)接收的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大和降噪處理。電路中所采用的是NE5532芯片，這是一種高性能低噪聲雙運(yùn)放的集成電路。該模塊結(jié)合駐極體麥克風(fēng)能監(jiān)聽細(xì)微的聲音，并設(shè)有微調(diào)電阻，便于靈敏度的調(diào)節(jié)。其主要參數(shù)如下：1)工作電壓為9～15VDC；2)工作電流為100 mA以上；3)靜態(tài)電流為3.5 mA；4)頻率響應(yīng)為20 Hz～20 kHz；5)靈敏度大于150 mV；6)最大不失真輸出信號(hào)電壓為7.8 VP-P。一般駐極體麥克風(fēng)輸出信號(hào)的幅值在10～30 mV，通過調(diào)節(jié)微調(diào)電阻，使該模塊輸出的音頻信號(hào)在±5 V范圍內(nèi)，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)采集。

3 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

在本設(shè)計(jì)中采用LabVIEW軟件結(jié)合NI9234數(shù)據(jù)采集卡來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。通過在新建VI的程序框圖面板中使用DAQmx—數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)軟件中的DAQ助手來完成數(shù)據(jù)采集。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.2.1 數(shù)據(jù)歸一化

在本設(shè)計(jì)中，將波形的幅值進(jìn)行歸一化處理，由于采樣的波形幅值在正負(fù)區(qū)間內(nèi)，所以，實(shí)驗(yàn)中將波形的幅值歸一到-1～1區(qū)間內(nèi)，轉(zhuǎn)換公式為Xi=(xi-d)/λ。其中，d為偏移量，λ為放縮因子。

3.2.2 數(shù)據(jù)平滑

經(jīng)過平滑處理后的頻譜圖不利于后續(xù)對(duì)共振頻率的讀取并且占用了大量的計(jì)算資源，所以需要對(duì)上圖中的橫坐標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)處理，使其以頻率的形式進(jìn)行顯示。為此，設(shè)計(jì)中對(duì)平滑濾波后的頻譜圖進(jìn)行了降采樣的處理。

本設(shè)計(jì)選擇了4類材質(zhì)的物體(重量可變的藥瓶、形狀相近的橡皮和木塊以及1節(jié)5號(hào)電池)來供機(jī)械手進(jìn)行抓取，以對(duì)機(jī)械手抓取不同材質(zhì)和重量的物體時(shí)的振動(dòng)特性進(jìn)行分析。

4 實(shí)驗(yàn)重復(fù)性評(píng)估

4.1 重復(fù)性試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性，在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下分別對(duì)機(jī)械手空載、不同負(fù)載共7種穩(wěn)定狀態(tài)分別進(jìn)行了8次相同標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試，通過比較這幾種狀態(tài)下共振頻率分布的離散程度來判斷實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性。為了更全面的了解這幾種狀態(tài)下的聲學(xué)共振譜變化趨勢(shì)，將這7種狀態(tài)的聲學(xué)共振譜數(shù)據(jù)按順序繪制成三維導(dǎo)視圖(瀑布圖)如圖2所示。

圖2 聲學(xué)共振譜三維導(dǎo)視圖

從圖2可知，每一種狀態(tài)的譜信號(hào)保持總體趨勢(shì)大致相同，反映了對(duì)同一物體的測(cè)試較穩(wěn)定；機(jī)械手抓取不同物體的穩(wěn)定狀態(tài)的特征頻率(峰值頻率)及其幅值偏差較明顯，可見機(jī)械手抓取不同物體時(shí)，其振動(dòng)特征的差異明顯。圖3分別為機(jī)械手空載和6種不同負(fù)載穩(wěn)定時(shí)機(jī)械手的8組聲學(xué)共振信號(hào)的頻譜圖。由于在每次實(shí)驗(yàn)時(shí)機(jī)械手夾緊的力度及機(jī)械手與被抓物體的位置無法做到完全一致，所以，圖中各組曲線的偏差的產(chǎn)生不僅僅是系統(tǒng)本身造成，還存在一定的人為不可控因素。

圖3 機(jī)械手各負(fù)載穩(wěn)定狀態(tài)聲學(xué)共振譜

表1所示為與圖3相對(duì)應(yīng)的機(jī)械手抓取各物體的穩(wěn)定狀態(tài)的8組聲學(xué)共振譜的逐個(gè)頻率點(diǎn)(Δf=1 Hz)上幅值的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差和平均偏差。通過對(duì)每個(gè)頻率點(diǎn)上的幅值的2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差可以很好地反映8組實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性。從表中可以看出只有抓取木塊和橡皮的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差和平均標(biāo)準(zhǔn)偏差相對(duì)較大。

表1 各穩(wěn)定狀態(tài)聲學(xué)共振幅值標(biāo)準(zhǔn)偏差

與表1相對(duì)應(yīng)，表2所示為各個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)下8組聲學(xué)共振譜的波峰對(duì)應(yīng)的頻率的均值及其標(biāo)準(zhǔn)差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差。

表2 各穩(wěn)定狀態(tài)聲學(xué)共振頻率統(tǒng)計(jì)

從圖2、圖3可以大致看出這幾種狀態(tài)下機(jī)械手在聲學(xué)共振的測(cè)試下的頻譜曲線重合性相對(duì)較好，結(jié)合表1和表2可以看出無論是從各個(gè)狀態(tài)每個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幅值還是從其峰值對(duì)應(yīng)的頻率的偏差來看，這幾種狀態(tài)下的測(cè)試重復(fù)性都能符合實(shí)驗(yàn)要求。

4.2 頻域特征提取即分析

如圖4(c)所示為機(jī)械手空載及不同負(fù)載下的聲學(xué)共振譜均值比較圖，看出機(jī)械手處于不同負(fù)載穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的特征頻率均會(huì)有所偏移，并且在不同狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的特征頻率的數(shù)量也會(huì)有區(qū)別。所以，可以用表2中的聲學(xué)共振頻率的均值來表征機(jī)械手空載和各個(gè)負(fù)載穩(wěn)定狀態(tài)的特征。

此外，機(jī)械手在抓取不同物體過程中的接觸狀態(tài)和其中某一時(shí)刻滑動(dòng)狀態(tài)的聲學(xué)共振譜對(duì)比圖如圖4(a)和(b)所示。從三個(gè)狀態(tài)對(duì)比圖可以明顯看出，機(jī)械手處于不同的抓取狀態(tài)的特征頻率及其峰值均產(chǎn)生了明顯偏差，頻率的能量分布則更明顯。

圖4 各狀態(tài)聲學(xué)共振普比較

表3為機(jī)械手抓取物體的接觸和滑動(dòng)狀態(tài)的特征頻率。

表3 接觸和滑動(dòng)狀態(tài)特征頻率

5 結(jié) 論

特征頻率比較可以看出，所有接觸和滑動(dòng)狀態(tài)下的特征頻率與抓緊狀態(tài)下的特征頻率以及機(jī)械手空載時(shí)的特征頻率三者相比較無論是在數(shù)值上還是在數(shù)量上都有明顯差別；各狀態(tài)聲學(xué)共振譜比較表明，相對(duì)于機(jī)械手空載，由于夾緊狀態(tài)機(jī)械手與被抓物體形成了一個(gè)新的系統(tǒng)，所以在掃頻激勵(lì)范圍內(nèi)該新系統(tǒng)與原系統(tǒng)(機(jī)械手空載狀態(tài))相比其特征頻率(特征頻率的高低頻相應(yīng)變大)及數(shù)量也發(fā)生了改變，并且在特征頻率的中間部位存在明顯的能量向中間集中的變現(xiàn)象，橡皮負(fù)載最為明顯，這些頻帶內(nèi)的能量特征與被夾物體相對(duì)應(yīng)。所以，根據(jù)機(jī)械手不同負(fù)載各狀態(tài)下的特征頻率的不同可以很容易地區(qū)分出機(jī)械手抓取物體過程中的空載、負(fù)載不穩(wěn)定(接觸和滑動(dòng))及負(fù)載穩(wěn)定三種狀態(tài)。

而對(duì)于負(fù)載不穩(wěn)定狀態(tài)中，有些物體的接觸頻率會(huì)比較接近，如滿瓶水、木塊和橡皮的接觸頻率互相相差不超過20 Hz(掃頻間隔的2倍)，以及電池和木塊的滑動(dòng)頻率也相對(duì)比較接近，這些都極易導(dǎo)致對(duì)機(jī)械手不同物體狀態(tài)的誤判。所以，使用頻域分析法對(duì)機(jī)械手全過程的振動(dòng)特性分析具有一定的局限性。