機(jī)器人滑覺傳感器

1、1機(jī)械手實(shí)現(xiàn)靈巧抓取的新型滑覺傳感器滑覺傳感器2012.4.26 2主要內(nèi)容：1. 研究背景簡介研究背景簡介2.滑覺傳感器的基本原理及組成結(jié)構(gòu)滑覺傳感器的基本原理及組成結(jié)構(gòu) 3.傳感器輸出信號的頻譜分析傳感器輸出信號的頻譜分析 4.基于滑覺傳感器的抓取力實(shí)時(shí)控制基于滑覺傳感器的抓取力實(shí)時(shí)控制 5.全文全文總結(jié)及研究方向概述總結(jié)及研究方向概述 31. 研究背景簡介研究背景簡介 在機(jī)器人技術(shù)研究領(lǐng)域中，機(jī)械手是一種實(shí)際應(yīng)用較廣泛的自動化機(jī)械裝置，涉及工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、軍事以及太空探索等領(lǐng)域。機(jī)械手必須具備以下特點(diǎn)：l多自由度實(shí)現(xiàn)物體的抓取，并進(jìn)行一系列操作；l軟抓取技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能作業(yè)的關(guān)鍵技

2、術(shù)之一；4n軟抓取技術(shù)軟抓取技術(shù) 使易碎物品的無損傷抓取成為現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)軟抓取需在機(jī)械手上安裝相應(yīng)的傳感器以獲取抓取位置、抓取力以及滑動等信息。 滑覺傳感器滑覺傳感器是一種主要應(yīng)用于檢測機(jī)械手手爪與被夾持物體之間相對滑動的裝置，其性能優(yōu)劣直接決定了機(jī)械手能否順利完成軟抓取任務(wù)。5n滑覺傳感器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀滑覺傳感器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 滑動傳感器的研究大多是通過物體滑動時(shí)將產(chǎn)生的物理變化量轉(zhuǎn)換為電信號來檢測物體是否產(chǎn)生滑動。 Maeno等在對人手指墊有限元分析的基礎(chǔ)上，研制出一種模仿人抓取物體特征的滑覺傳感器。 傳感器彈性接觸表面安裝有多個應(yīng)變計(jì)，用于檢測滑動時(shí)凸脊的應(yīng)變速度，通過檢測邊緣初始滑動時(shí)的

3、振動信號判斷物體有無發(fā)生整體滑動趨勢。 在未知物體重量和表面摩擦系數(shù)的情況下實(shí)現(xiàn)了對物體成功抓取。6n滑覺傳感器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀滑覺傳感器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 天津大學(xué)研制的基于光電原理的機(jī)器人用滑覺傳感器，通過把物理的滑動信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?，利用光電元件把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠M(jìn)行檢測獲取物體滑動信息。傳感器基本結(jié)構(gòu)1.基座 2.光電器件 3.滑覺觸頭 4.反射鏡面 5.夾持工作面7n滑覺傳感器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀滑覺傳感器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 滑覺傳感器主要有電容式、壓阻式、磁敏式、光纖式和壓電式等類型。其中，壓電式應(yīng)用較廣，可同時(shí)檢測觸覺和滑覺信號，但觸覺信號和滑覺信號的分離存在一定困難。 滑覺傳感器主要存在以下

4、問題：l物理尺寸較大，重量大；l結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所需連接線較多；l檢測精度低、靈敏度不高；l對于形狀不規(guī)則的物體難以辨別接觸、非接觸以及滑動狀態(tài)； 隨著機(jī)器人工作環(huán)境的復(fù)雜化，對機(jī)械手的操作性能要求越來越高，尤其信息融合技術(shù)的發(fā)展，需要在一只機(jī)械手指上安裝多個滑覺傳感器，這就對傳感器的體積、精度以及結(jié)構(gòu)等方面提出了更高的要求。82.滑覺傳感器的基本原理及組成結(jié)構(gòu)滑覺傳感器的基本原理及組成結(jié)構(gòu) n力敏導(dǎo)電硅橡膠及其特性力敏導(dǎo)電硅橡膠及其特性 力敏導(dǎo)電硅橡膠是一種性能優(yōu)良的柔性觸滑覺傳感器材料，是以導(dǎo)電材料為填充粒子，基體采用膠體的一種高分子復(fù)合材料，炭黑填充型導(dǎo)電材料應(yīng)用較廣泛；Fig. (a) In

5、itial state (b) Current route formation (c) Current route reduction (d) Current route recovery (a)(b)(c)(d)9n傳感器的基本結(jié)構(gòu)傳感器的基本結(jié)構(gòu) 兩電極交替盤繞成螺旋結(jié)構(gòu)（6mm6mm），放置在環(huán)氧樹脂玻璃或柔軟紙板基底上，力敏導(dǎo)電橡膠安裝在電極的正上方。 在滑覺傳感器工作過程中，通過檢測正負(fù)電極間的電壓信號并通過ADC將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，采用DSP芯片進(jìn)行數(shù)字信號處理并輸出結(jié)果，判定物體是否產(chǎn)生滑動。Fig. The basic structure of slip sensor10A：物

6、體受切向力產(chǎn)生切向變形，R增大，Vc增大；B：在切向力作用下，物體沿傳感器表面發(fā)生滑動的瞬時(shí)刻前，R不穩(wěn)定， 傳感器輸出的電壓信號Vc表現(xiàn)為復(fù)雜的波動現(xiàn)象。Fig. Change in voltage immediately before slip11小波變換小波變換 小波變換是一種強(qiáng)有力的時(shí)頻分析工具，是在克服傅立葉變換缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，已成功應(yīng)用于信號處理、圖像處理、模式識別等眾多領(lǐng)域。 小波變換在時(shí)域時(shí)域和頻域頻域均具有很好的局部化局部化特征，能夠提供目標(biāo)信號各個頻率子段的頻率信息 小波基函數(shù)小波基函數(shù) 將小波母函數(shù) 進(jìn)行伸縮與平移： 其中，a為尺度因子，為平移因子。稱 是依賴參數(shù)

7、a、的小波基函數(shù)。3.傳感器輸出信號的頻譜分析傳感器輸出信號的頻譜分析 數(shù)學(xué)顯微鏡數(shù)學(xué)顯微鏡12,)(),0,attaaRa（) t（,)at（ 小波變換通過平移母小波可獲得信號的時(shí)間信息，而通過縮放小波的寬度(尺度)可獲得信號的頻率特性。根據(jù)母小波的縮放和平移可計(jì)算計(jì)算小波的系數(shù)，小波系數(shù)表征小波和局部信號之間的相互關(guān)系。12 將任意L2(R)空間中的函數(shù)f(t)在小波基下進(jìn)行展開，這種展開即為函數(shù)f(t)的連續(xù)小波變換。n連續(xù)小波變換連續(xù)小波變換 (Continuous Wavelet Transform, CWT)_,1( , )( ),)( )()aRtW af ttf tdtaa（

8、變換過程變換過程l選擇小波函數(shù)及其尺度a值。l從信號的起始位置開始，將小波函數(shù)和信號進(jìn)行比較，即計(jì)算小波系數(shù)，系數(shù)反映了這種波形的相關(guān)程度。l沿時(shí)間軸移動小波函數(shù)，在新的位置計(jì)算小波系數(shù)，直至信號的終點(diǎn)。l改變尺度a值，重復(fù)上述步驟13n離散小波變換離散小波變換(Discrete Wavelet Transform, DWT) 連續(xù)小波變換的計(jì)算量較大， 為減小小波變換系數(shù)冗余度，將小波基函數(shù)的a、限定在一些離散點(diǎn)上取值?？s放因子和平移因子一般都選擇為2 j的倍數(shù)。 任意L2(R)空間中的函數(shù)f(t)離散小波變換為：_,( , )( )( )xj kRWj kf tt dt DWT與CWT不同

9、，在尺度位移相平面上，它對應(yīng)一些如圖所示的離散點(diǎn)，因此稱之為離散小波變換。 14n實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置Fig. Experimental apparatus: object slip generatorlAutomatic Z-stage輸出法向載荷；l滑動傳感器水平放置；l有機(jī)玻璃(20mm20mm)；l半球型受壓元件；lAutomatic linear stage輸出拉力；l力傳感器采樣頻率為10KHz；l拉力使有機(jī)玻璃沿傳感器表面滑動，滑動速度為10mm/s；15n 物體滑動產(chǎn)生的信號頻率分量物體滑動產(chǎn)生的信號頻率分量Fig. Experimental results: output fro

10、m slip sensor and the tensile force acting on the object拉力的變化： 1s3s，拉力增大； 3s以后，拉力為常量；物體在3s時(shí)刻從靜摩擦過渡到動摩擦，即有機(jī)玻璃與傳感器表面產(chǎn)生滑動；16Fig. CWT for object slip 初始狀態(tài)，拉力較小，切向變形較小，電信號變化較小。信號中，高頻分量較少且能量較低； 拉力增大，切向變形變大在物體發(fā)生滑動瞬時(shí)刻前，電信號高頻分量迅速增多，最高頻率為1KHz或以上； 通過檢測傳感器在某一時(shí)刻輸出電信號中是否包含高頻分量即可判斷物體是否產(chǎn)生初始滑動？ 17n法向力變化產(chǎn)生的信號頻率分量法向力變

11、化產(chǎn)生的信號頻率分量 Fig. 6. Experimental setup: applying normal force 調(diào)整automatic Z-stage的位置，改變法向載荷Fn的大小，分析傳感器輸出的電信號，并對電信號進(jìn)行連續(xù)小波變換處理。 18Fig. CWT on output for loading and unloading 法向載荷Fn變化過程中，電信號的頻率最大值為600Hz； 在機(jī)械手抓取物體的工作過程中，分析滑覺傳感器輸出的電信號中某一時(shí)刻是否包含高頻分量，就可以判斷物體在機(jī)械手抓取時(shí)有無產(chǎn)生滑動。 19n滑動判定的閾值設(shè)定及影響因素分析滑動判定的閾值設(shè)定及影響因素分析

12、 采用離散小波變換技術(shù)對傳感器輸出的電信號進(jìn)行處理，提取電信號中的高頻分量，并設(shè)定某一合適的閾值，通過比較DWT的小波系數(shù)與閾值的關(guān)系判定物體是否發(fā)生初始滑動。 實(shí)驗(yàn)： (1)滑覺傳感器表面只有法向載荷Fn； (2)有機(jī)玻璃沿傳感器表面滑動，初始法向載荷Fn分別為2N、3N、4N； (3)改變滑動物體的表面性質(zhì)，分別采用布料、木材、紙，使物體沿滑覺傳感器表面滑動； 傳感器輸出的瞬變電信號中也包含法向載荷Fn變化引起的頻率分量，這會對判定物體是否發(fā)生初始滑動產(chǎn)生一定的干擾，這就提出了如何高效、快捷地判定物體有無產(chǎn)生初始滑動？ 20(1)滑覺傳感器表面只有法向載荷Fn 只改變作用于傳感器表面的法向

13、載荷Fn的大小，對傳感器輸出信號進(jìn)行離散小波變換處理，其小波系數(shù)波動較小(0.005)，閾值設(shè)定為0.01。 Fig. Analysis results: DWT for loading and unloading 21(2)有機(jī)玻璃沿傳感器表面滑動，初始法向載荷Fn分別設(shè)置為2N、3N、4N 盡管初始法向載荷Fn設(shè)置為不同的值，分別為2N、3N、4N，但是在物體發(fā)生初始滑動的瞬時(shí)刻前，均表現(xiàn)為DWT處理結(jié)果的小波系數(shù)超出了設(shè)定的閾值(0.01)范圍。Fig. Analysis results: DWT for object slip. Initial normal force is 2N,

14、3N, 4N, respectively22(3)分別采用布料、木材、紙改變滑動物體的表面性質(zhì) 分別采用布料、木材、紙等材料改變滑動物體的表面性質(zhì)進(jìn)行滑動實(shí)驗(yàn)，均表現(xiàn)為DWT處理結(jié)果的小波系數(shù)超出了設(shè)定的閾值(0.01)范圍，說明該滑動傳感器同樣適用于檢測上述三種材料表面的物體滑動特性。Fig. Analysis results: DWT for object slip. Sliding object is cloth, wood , paper, respectively23 根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知： 在對傳感器輸出信號進(jìn)行離散小波變換處理的基礎(chǔ)上，通過比較小波系數(shù)與所設(shè)定的閾值，可以將法向載荷Fn變

15、化產(chǎn)生的電信號與物體發(fā)生滑動產(chǎn)生的電信號區(qū)分出來，從而高效、快捷地判斷物體有無發(fā)生初始滑動，對于表面特性不同的物體進(jìn)行滑動檢測仍然有效。244.基于滑覺傳感器的抓取力實(shí)時(shí)控制基于滑覺傳感器的抓取力實(shí)時(shí)控制Fig. Parallel hand with installed slip sensorsl機(jī)械手單向運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)位置精確控制，控制周期為10ms；l機(jī)械手左右手指各安裝有滑覺傳感器，傳感器將輸出信號實(shí)時(shí)反饋給機(jī)械手，控制抓取力并判斷當(dāng)前的狀態(tài)；l六軸力/力矩傳感器安裝在機(jī)械手右側(cè)，主要用于側(cè)量機(jī)械手的抓取力；l激光位移傳感器用于測量實(shí)驗(yàn)過程中物體垂直方向滑動的位移大小；25 M1： 機(jī)械手以

16、最小力抓取一個空塑料瓶，機(jī)械手處于夾緊狀態(tài)； 向空塑料瓶中加入微小塑料顆粒，即逐步增大被抓取物體的重量； 當(dāng)塑料瓶整體重量接近由抓取力產(chǎn)生的摩擦力時(shí)，塑料瓶有向下滑動趨勢； 當(dāng)滑覺傳感器檢測出塑料瓶出現(xiàn)初始滑動的趨勢，迅速增大機(jī)械手的抓取力使被抓取物體恢復(fù)到被夾緊狀態(tài)。 機(jī)械手可以根據(jù)被抓取物體的重量變化實(shí)時(shí)調(diào)整抓取力，使被抓取物體始終保持被夾緊狀態(tài)而不發(fā)生滑動；Fig. Motion 1: increasing gripping force while holding an object with increasing weight 26 M2： 機(jī)械手以較大力抓取一定重量的塑料瓶； 機(jī)械手

17、逐漸減小抓取力； 當(dāng)滑覺傳感器檢測出塑料瓶出現(xiàn)滑動的趨勢，迅速適度增大機(jī)械手的抓取力使被抓取物體恢復(fù)到被夾緊狀態(tài)； 重復(fù)上述過程，機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)以最小力抓取該物體。實(shí)驗(yàn)過程中，被抓取物體只產(chǎn)生了0.5mm位移。 Fig. Motion 2: incrementally decreasing gripping force and then increasing gripping force when the object slip is detected 27285.全文全文總結(jié)及研究方向概述總結(jié)及研究方向概述 在研究力敏導(dǎo)電橡膠材料基本特性的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種新型的滑覺傳感器。傳感器優(yōu)點(diǎn)傳感器優(yōu)點(diǎn)l采用橡膠敏感材料，質(zhì)量輕，型面高度只有0.5mm，易于實(shí)現(xiàn)微小型化，最小尺寸可達(dá)到3mm3mm0.5mm；l傳感器只需4根接線，無信號放大電路，結(jié)構(gòu)簡單；l靈敏度高