趙智忠，索 峰，萬麗麗，王博文

(河北工業(yè)大學，省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室，河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室，天津 300130)

0 引言

當前機器手已成為科研和生活的熱點話題，觸覺傳感器作為機器手的重要組成部分得到了廣泛的關注[1]。觸覺傳感器可以通過檢測物體壓力[2]、形狀[3]、振動[4]、溫度[5]等信息來輔助機器手對物體進行識別。但是目前安裝在機器手上的觸覺傳感器還達不到對物體的表面紋理結(jié)構(gòu)的準確辨識。因此，設計可以準確辨識物體表面紋理信息的觸覺傳感器，對機器手對于物體的識別有重要的意義。

紋理的準確檢測與辨識可以為機器手觸覺感知提供重要的幫助。國內(nèi)外的研究者對紋理觸覺傳感器做了諸多的工作。文獻[6]設計了基于半導體納米粒子的光學式觸覺傳感器，通過透射紋理表面得到的應力圖像辨識紋理，傳感器對于紋理的辨識率可以與人的手指相當。文獻[7]設計了可以辨識紋理的光學式觸覺傳感器GelSight，傳感器的靈敏度與分辨率已經(jīng)超過人手指尖水平。但以上兩種光學式觸覺傳感器都存在體積大的問題，并且對于檢測所得到的圖像處理也過于復雜。文獻[8]利用氧化鋅壓電絲制作了一種表征紋理間距的壓電式觸覺傳感器。但是這種傳感器存在著響應速度慢的問題。文獻[9]利用2×2觸覺傳感器陣列對紋理樣本進行檢測，將檢測結(jié)果進行頻譜分析并進行對紋理樣本的分辨。文獻[10]采用液體式觸覺傳感器進行對日常生活用品紋理的識別。但是這種觸覺傳感器內(nèi)部充有液體，為了避免液體泄漏，需要對傳感器進行很好的密封，對工藝要求較高，制作成本高。

上述用于紋理辨識的觸覺傳感器存在著響應速度慢、成本高、對工藝要求高等問題。針對這些問題，本文結(jié)合新型磁致伸縮材料鐵鎵合金(Galfenol)具有機械性能好、響應速度快、成本低等優(yōu)點[11]，設計了用于紋理辨識的磁致伸縮觸覺傳感器。根據(jù)磁致伸縮逆效應、歐拉-伯努利梁結(jié)構(gòu)動力學理論、磁致伸縮材料線性本構(gòu)方程、傳感器與紋理面接觸軌跡等建立觸覺傳感器輸出電壓模型。通過提取輸出電壓峰值與電壓信號周期表征物體的紋理屬性。并確定傳感器工作時最佳偏置磁場值與重復性最低時接觸速度大小。

1 觸覺傳感器結(jié)構(gòu)設計

觸覺傳感器內(nèi)部由探針觸頭、Galfenol材料、霍爾元件、永磁體、硅膠外殼組成，觸覺傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。Galfenol材料采用取向為<100>的Fe83Ga17片狀材料，在此取向下，F(xiàn)e83Ga17材料具有極高的磁致伸縮性能[12]。Galfenol片狀材料長(l)為10 mm、寬(w)為3 mm，厚(h)為0.1 mm。Galfenol材料一端與探針觸頭相連，另一端固定在傳感器外殼上，共同組成懸臂梁結(jié)構(gòu)。探針觸頭一側(cè)為懸臂梁自由端，固定在傳感器外殼一側(cè)為懸臂梁固定端。Galfenol材料兩端上方各有一枚永磁體，這兩枚永磁體的極性相反，兩枚永磁體與Galfenol材料形成閉合磁路，為Galfenol材料提供均勻的偏置磁場。

圖1 觸覺傳感器結(jié)構(gòu)圖

觸覺傳感器的工作原理為：當傳感器探針觸頭劃過紋理表面時，探針觸頭的振動會引起Galfenol材料形狀的變化，根據(jù)磁致伸縮逆效應，Galfenol材料的磁感應強度會發(fā)生變化，霍爾元件將磁場強度的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號的變化并由信號采集單元輸出。

2 觸覺傳感器的輸出模型

傳感器的輸出電壓由霍爾元件檢測，霍爾元件檢測Galfenol材料表面磁通變化，而Galfenol材料表面磁通變化與內(nèi)部磁通變化成近似線性關系，可以得到霍爾元件輸出電壓與Galfenol內(nèi)部磁通密度的關系：

UH=KHKSB

(1)

式中：UH為霍爾元件輸出電壓；KH為等效霍爾系數(shù)；KS為磁通密度傳遞系數(shù)；B為Galfenol材料內(nèi)部磁通密度。

觸覺傳感器選用的霍爾元件型號為SS491B，輸出參考電壓為2.5 V，為了更好地觀察傳感器檢測紋理時電壓信號的變化，利用外電路將其輸出參考電壓調(diào)整為0 V，則傳感器輸出電壓U可以直接表示為

U=UH=KHKSB

(2)

Galfenol磁致伸縮材料的線性本構(gòu)方程為：

B=dσ+μ0H

(3)

(4)

式中：σ為懸臂梁所受軸向應力；d為磁機耦合壓磁系數(shù)；μ0為真空磁導率；E為楊氏模量；H為永磁體提供的偏置磁場；ε為懸臂梁長度方向上總應變。

將式(4)帶入式(3)得到Galfenol材料的內(nèi)部磁通密度B為

B=dEε+(μ0-d2E)H

(5)

在圖1中，取Galfenol懸臂梁的長度方向為x軸方向、寬度方向為y軸方向、高度方向為z軸方向。對所建立的模型做出以下假設：Galfenol材料懸臂梁為歐拉-伯努利梁；磁場在懸臂梁中沿x軸均勻分布。

由歐拉-伯努利梁結(jié)構(gòu)動力學理論可以得到懸臂梁受力與撓度之間的關系為

(6)

式中：ω為懸臂梁任意一點的撓度；F為施加在探針觸頭上的力；l為懸臂梁的長度；x為懸臂梁上一點到自由端的距離。

取x=l，得到懸臂梁自由端的撓度與受力關系為

(7)

式中ωf為懸臂梁自由端的撓度值。

將式(7)帶入式(6)，可以得到懸臂梁上任意一點撓度與自由端撓度的關系為

(8)

根據(jù)材料力學中性層曲率表示公式，x軸上任意一點梁的應變?yōu)?/p>

(9)

式中：εx為懸臂梁x軸上任意一點應變；z為懸臂梁表面到中性面的垂直距離，為Galfenol材料懸臂梁高度的一半。

對式(9)進行積分，可以得到梁的長度方向總應變?yōu)?/p>

(10)

根據(jù)式(2)、式(5)、式(8)、式(9)、式(10)，可以得到傳感器輸出電壓U與懸臂梁自由端撓度的公式為

(11)

根據(jù)式(11)看出傳感器輸出電壓值與懸臂梁自由端撓度有關，懸臂梁自由端撓度反映了懸臂梁振幅的大小，而振幅的大小則由紋理結(jié)構(gòu)而定。傳感器在接觸微型紋理時需要與紋理表面產(chǎn)生相對滑動，探針觸頭會在紋理的凸脊上依次劃過，這樣探針觸頭在紋理表面滑動的過程中產(chǎn)生的軌跡會形成一個偏移面。如圖2所示。

圖2 紋理偏移面示意圖

在紋理測試中，可以將探針在紋理表面移動的軌跡表示為

(12)

式中：A為紋理高度值；T為探針在劃過紋理表面時形成的偏移曲線的周期。

探針觸頭與紋理表面的接觸速度和相鄰紋理間距的關系為

(13)

式中：λ為相鄰紋理間距；v為探針觸頭與紋理表面的接觸速度。

將式(13)帶入式(12)可以得到：

(14)

將式(14)帶入式(11)中，可以得到傳感器輸出電壓為

(15)

從式(15)中可以看出，在傳感器組成元件及尺寸確定的情況下，確定了傳感器與紋理表面接觸速度v，則傳感器輸出電壓只與紋理的高度A、紋理的間距λ有關。

3 實驗結(jié)果與分析

實驗平臺由機器手、觸覺傳感器、滑臺、電機控制系統(tǒng)、示波器組成，如圖3所示。機器手選用的是COBOT機器手，該機器手由雙指組成?；_為ST型電動直線滑臺模組導軌，速度在0～5 cm/s可調(diào)。在測量紋理時，將紋理表面固定在滑臺上，改變電機的轉(zhuǎn)速可以設定紋理面與觸覺傳感器不同的接觸速度。示波器檢測觸覺傳感器的輸出電壓信號，計算機對輸出信號進行處理。紋理檢測流程如圖4所示。

圖3 紋理辨識系統(tǒng)實物圖

圖4 紋理檢測流程圖

實驗前，需要進行外加偏置磁場測試。偏置磁場會影響傳感器的輸出特性。模仿人體感受紋理時手指受到力的大小向懸臂梁自由端施加0～2 N的作用力，通過改變永磁體的材料與形狀改變偏置磁場大小。5種永磁體提供的偏置磁場分別為1.8、3.2、4.4、5.0、5.3 kA/m。在不同的偏置磁場下傳感器受力與輸出電壓關系如圖5所示。

圖5 不同偏置磁場下接觸力與輸出電壓關系

測試結(jié)果表明，當永磁體提供的偏置磁場強度大于4.4 kA/m時，觸覺傳感器的輸出電壓基本不再隨偏置磁場的增加而增大。當偏置磁場強度為4.4 kA/m時，觸覺傳感器的輸出與施加在觸覺傳感器上的力具有很好的線性度，并且傳感器的靈敏度也同偏置磁場為5.0 、5.3 kA/m時相當。因此，為了使觸覺輸出信號明顯，具有良好的線性度和靈敏度，本文設計的傳感器最佳偏置磁場為4.4 kA/m。

采用3D打印技術(shù)打印2組柵狀紋理樣本，樣本的材料為樹脂。設計的紋理樣本分別從紋理高度值、紋理間距值改變紋理特征。設計的第一組樣本保持紋理間距值不變，改變紋理高度值，參數(shù)如表1所示。

表1 第一組紋理樣本參數(shù)值 mm

設計的第二組紋理樣本保持紋理高度值不變，改變紋理間距值，參數(shù)如表2所示。

表2 第二組紋理樣本參數(shù)值 mm

對于打印的紋理樣本進行實驗，設定觸覺傳感器與被測紋理樣本之間的接觸速度為2 cm/s，對于表1中各紋理樣本分別進行時間為0.2 s的動態(tài)接觸測試，樣本1、3、5測試得到的輸出電壓隨時間變化關系如圖6所示。

(a)紋理樣本1電壓波形

(b)紋理樣本3電壓波形

(c)紋理樣本5電壓波形圖6 傳感器對樣本1、3、5輸出電壓實驗圖

由圖6看出在紋理高度增加時，傳感器在實驗中測得輸出電壓峰值隨之增加。紋理高度與傳感器輸出峰值電壓之間的關系如圖7所示。

圖7 紋理高度與傳感器輸出電壓峰值關系

由圖7可以看出，隨著紋理高度值增加，傳感器輸出電壓峰值增加，并且曲線成良好的線性關系。表明可以通過傳感器輸出電壓峰值表征紋理的高度值。

同樣對于表2中各紋理樣本進行動態(tài)接觸測試，接觸速度為2 cm/s，樣本12、13、14在0～0.2 s內(nèi)得到的輸出電壓隨時間變化關系如圖8所示。

(a)紋理樣本12電壓波形

(b)紋理樣本13電壓波形

(c)紋理樣本14電壓波形圖8 傳感器對樣本12、13、14輸出電壓實驗圖

由圖8可以看出，在紋理高度保持不變時，傳感器輸出電壓峰值基本保持不變，而隨著紋理間距的變化，傳感器輸出電壓波形的周期會發(fā)生變化。第二組樣本輸出電壓波形周期與紋理間距關系如圖9所示。

圖9 傳感器輸出電壓周期與紋理間距關系

由圖9可以看出，隨著紋理間距值增加，傳感器輸出電壓周期增加。兩者呈近似線性關系。表明可以采用傳感器輸出電壓波形周期表征紋理間距。以此達到辨識不同紋理的要求。

在傳感器探測紋理表面時，接觸速度將會對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響，為了探究速度對實驗的影響，對于樣本1進行同方向多次測量，計算傳感器的重復性，并探究速度對重復性的影響。重復性指標采用輸出最大不重復誤差與滿量程輸出的百分比表示：

(16)

式中：ΔR為輸出最大不重復誤差；YS為傳感器滿量程輸出。

傳感器重復性代表傳感器多次測量的誤差情況，重復性越小代表傳感器多次測量時誤差越小。

對于樣本1進行在0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 cm/s速度下的重復性實驗，得到重復性與速度關系如圖10所示。

圖10 接觸速度與傳感器重復性關系

可以看出在傳感器與樣本接觸速度為0～1.5 cm/s時，傳感器重復性在下降，在2.5～4 cm/s時，重復性在上升，在接觸速度為1.5～2.5 cm/s時重復性低，并且在接觸速度為2 cm/s時傳感器重復性達到最低值。這種情況產(chǎn)生的原因為：在接觸速度為1.5 cm/s以下時，傳感器接觸速度較慢，實驗受機器手與滑臺移動影響大，傳感器在多次實驗時會產(chǎn)生一定誤差。而當接觸速度大于2.5 cm/s時，傳感器在觸覺紋理表面時只會劃過紋理表面的凸起部分，這就表示傳感器將會無法完全檢測到紋理表面結(jié)構(gòu)，因此傳感器多次測量將會產(chǎn)生誤差，造成重復性下降。因此本傳感器使用時最佳接觸速度為2 cm/s。

4 結(jié)束語

設計并制作了一種用于紋理辨識的磁致伸縮觸覺傳感器，基于磁致伸縮逆效應、歐拉-伯努利梁結(jié)構(gòu)動力學理論、磁致伸縮材料線性本構(gòu)方程、傳感器與紋理面接觸軌跡等建立觸覺傳感器輸出電壓模型。確定了傳感器最佳偏置磁場為4.4 kA/m。通過對紋理樣本檢測，將傳感器得到的電壓信號進行峰值電壓與周期提取。峰值電壓可以表征紋理的脊高、周期可以表征紋理的間距。表明應用輸出電壓峰值及輸出電壓信號周期可辨識紋理結(jié)構(gòu)。通過對不同接觸速度對傳感器重復性的影響確定了傳感器檢測時與物體表面的最佳接觸速度為2 cm/s。