移動機器人碰撞接觸力傳感器的設(shè)計

梁春苗

(中煤科工集團西安研究院， 陜西 西安 710077)

0 前 言

移動機器人是能夠沿規(guī)定的路徑行駛，還具有編程和停車選擇裝置、安全保護裝置以及各種物料移載功能的搬運機器人.移動機器人在國外從20世紀50年代在倉儲業(yè)開始使用，目前已經(jīng)在制造業(yè)、港口、碼頭等領(lǐng)域得到普遍應用，國內(nèi)大型國有企業(yè)中物流上也在普遍應用.

目前移動機器人碰撞后能感知碰撞并能確定碰撞位置，但是對于碰撞力的大小尚不能準確感知.而本文作者研制了一種碰撞接觸傳感器，以壓電薄膜為感應元件，通過外加電路進行電荷信號向電壓信號的轉(zhuǎn)換完成信號的采集.當移動機器人與障礙物碰撞后，傳感器不但能感知碰撞，而且還能準確感知碰撞力的大小，這些感知信息能指導移動機器人做出精確的避讓力度響應，對于防范沖擊力產(chǎn)生的危害也具有重要的理論和實際意義.

圖1 碰撞接觸式傳感器橫斷面結(jié)構(gòu)圖

1 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

碰撞接觸式傳感器的橫截面如圖1所示，中間兩圈顏色較深的就是壓電電纜的芯線1和地線3，芯線1和地線之間有一層PVDF材料的壓電薄膜，芯線盒地線外面有一層保護橡膠層5，絕緣層4將橡膠層和壓電電纜隔離.由于移動機器人在運動中存在一定的慣性，在檢測到碰撞信號做出反應后，還會向前沖一小段距離，所以在保護橡膠兩邊都加上一層緩沖海綿層7，以防止發(fā)生剛性碰撞.保護橡膠層是和壓電電纜配套使用的，被橡膠層包裹的壓電電纜中下部有一個緩沖空腔，它的作用是使壓電電纜受到的應力分布均勻.

2 信號調(diào)理及數(shù)據(jù)采集

信號調(diào)理電路由兩部分組成，一是電荷放大，二是電壓放大.當壓電電纜在受到碰撞的瞬間會產(chǎn)生電荷信號，通過信號調(diào)理電路中的第一級電荷放大電路將壓電電纜上產(chǎn)生的電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，第二級為電壓放大，理論上的放大倍數(shù)為100，但由于是脈沖信號，衰減的幅度比較大，因此末端輸出時僅為0～4.5 V左右，便于數(shù)據(jù)采集.電路的主要部分如圖2～圖4所示.

圖2 電荷放大器電荷轉(zhuǎn)換部分電路

圖3 電荷放大器電源部分電路

圖4 電壓放大電路

3 碰撞接觸傳感器的標定

碰撞接觸傳感器的標定原理如圖5所示.力錘受沖擊后可以得到?jīng)_擊參數(shù)，將這些參數(shù)作為已知量，當用力錘敲擊壓電電纜時，依據(jù)力的作用力與反作用力原理，力錘敲擊壓電電纜后作用在力錘上的力和壓電電纜上的力理論上相等，雖然敲擊力是隨時間變化的動態(tài)力，但是實質(zhì)上仍然是把相同的力施加在兩個不同的力傳感器上.力錘和壓電電纜撞擊后形成一個沖力，在力錘和壓電電纜的輸出上都加上了一個A/D數(shù)據(jù)采集卡，可完全記錄這個瞬態(tài)過程，將這個瞬態(tài)過程以數(shù)字量的形式存儲后就可以建立接觸傳感器最大沖力和傳感器最大電壓之間的關(guān)系式.

圖5 標定原理框圖 圖6 實驗中使用的碰撞接觸傳感器

4 數(shù)據(jù)分析

實驗中使用的碰撞接觸傳感器如圖6所示.圖7、圖8是兩組不同緩沖材料包裹的接觸傳感器采集的數(shù)據(jù)點集及二次擬合曲線，可見曲線的趨勢大致相同.第一組數(shù)據(jù)二次擬合曲線的擬合關(guān)系式為：y=0.007 8x2+0.126 6x-0.011；第二組數(shù)據(jù)二次擬合曲線的擬合關(guān)系式為：y=-0.006 3x2+0.102 4x-0.067 4；對數(shù)據(jù)處理結(jié)果進行分析可見，兩組擬合曲線曲率不同，原因是接觸傳感器在移動機器人上緩沖的特殊需要，須具有較大的抗沖擊強度，且不易產(chǎn)生破壞，因此采用具有一定緩沖能力的橡膠、海綿等緩沖層，這些緩沖材料都不是純粹的彈性體，在受到?jīng)_擊力后會產(chǎn)生不同程度的塑性變形，從而導致力和接觸傳感器輸出電壓之間呈非線性關(guān)系.經(jīng)過進一步測試傳感器的性能，測得的碰撞力精度在±0.2 N范圍內(nèi)，可以滿足移動機器人的使用要求.

圖7 二次擬合曲線(第一組) 圖8 二次擬合曲線(第二組)

5 結(jié)束語

本文基于壓電薄膜(PVDF)的壓電敏感特性研制了一種碰撞力傳感器，完成了傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及電荷放大電路、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的設(shè)計，并進行了實驗，實驗結(jié)果表明該傳感器能感知碰撞力的大小，碰撞力測量精度可滿足實際應用要求，為移動機器人的精確避讓決策提供了依據(jù).

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