關(guān)于機(jī)械手的滑動(dòng)檢測裝置設(shè)計(jì)

王金海

摘 要：在研究在智能機(jī)械手技術(shù)方面，我國當(dāng)前依然處在相對不成熟的階段，所以本文對于智能機(jī)械手的柔性抓取技術(shù)進(jìn)行分析，同時(shí)探究機(jī)械手滑覺信號檢測方法和信號處理技術(shù)，提供給發(fā)展更先進(jìn)的機(jī)械手柔性抓取技術(shù)重要的參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手；滑動(dòng)檢測裝置；離散小波變換；最小抓取力

在不同的環(huán)境中，應(yīng)用機(jī)械手的范圍和數(shù)量在不斷的擴(kuò)大，并且安全可靠的操作是機(jī)械手必須要實(shí)現(xiàn)的方面。本文致力于探詢可以柔性抓取的智能機(jī)械手，對于某物進(jìn)行抓取時(shí)，可遵循不同對象相應(yīng)的變動(dòng)夾持力，不會對于物體造成傷害。

1機(jī)械手的滑動(dòng)檢測裝置的設(shè)計(jì)方案

（1）滑覺傳感器的選擇方案

機(jī)器人觸滑覺傳感器對于人皮膚功能進(jìn)行模仿，之后基礎(chǔ)目標(biāo)物體形成相互之間的作用以后，收集目標(biāo)物體表面特征、物體性能信息。若想實(shí)現(xiàn)觸滑覺傳感器具有較高的性能，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該確保選用最佳的傳感器，保障觸滑覺傳感器的特征可以滿足：具有較高的柔韌性以及耐磨性，同時(shí)沖擊強(qiáng)度理想；對于動(dòng)態(tài)力改變具有較高的敏感度；可以對于各工作環(huán)境產(chǎn)生的溫度改變情況具有較高的適應(yīng)度；具有較高的安全可靠性同時(shí)，最大限度的減少成本。當(dāng)前研究智能機(jī)械手技術(shù)時(shí)，PVDF壓電傳感器、PZT壓阻傳感器、壓阻傳感器是應(yīng)用甚為廣泛的三種傳感器，但是優(yōu)缺點(diǎn)各異。通常是采取三者中選一的方式，此次研究是展開三種傳感器對觸覺信號和滑覺信號分別實(shí)驗(yàn)，對于各自的對于滑覺信號和觸覺信號靈敏度狀態(tài)進(jìn)行觀察，最終選出最佳的滑覺傳感器。

（2）信號處理方案

在進(jìn)行信號處理時(shí)，如果想對于滑動(dòng)信號進(jìn)行良好的識別，應(yīng)該于時(shí)域和頻域上同一時(shí)間分析信號，將滑動(dòng)信號的頻域特征進(jìn)行找出?，F(xiàn)下常應(yīng)用對滑覺信號進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換和小波變換的方式展開分析信號，具有良好的應(yīng)用效果。經(jīng)這兩種方案，能夠?qū)τ诨瑒?dòng)信號的頻域特征同其他信號之間不同性進(jìn)行觀察，經(jīng)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)把滑動(dòng)信號的特征值和滑動(dòng)閾值找到，對這兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行對比。如果特征值同設(shè)定滑動(dòng)閾值相比較大，則表明具有滑動(dòng)，反之如果特征值比滑動(dòng)閾值小，則顯示出未形成滑動(dòng)信號。

（3）反饋控制系統(tǒng)方案

科學(xué)的選用反饋控制系統(tǒng)方案至關(guān)重要。當(dāng)前，具有廣泛應(yīng)用的就是包括PWM控制直流電機(jī)以及模糊控制法。前者將檢測到的滑動(dòng)信號作為依據(jù)，處理變換滑動(dòng)信號以后，使得滑動(dòng)特征值為處理后滑動(dòng)信號的方差。如果滑動(dòng)信號的特征值檢測結(jié)果顯示同預(yù)設(shè)滑動(dòng)閾值相比遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出，電機(jī)PWM模塊擋數(shù)提升一個(gè)，提升PWM脈沖寬度得到更大的占空比，再經(jīng)直流電機(jī)的通電時(shí)間的增加實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的抓取力度的提升。后者為實(shí)施模糊規(guī)則的模型方式，在解決非線性等問題方面產(chǎn)生更好的優(yōu)勢以及便利性，但是具有相對繁雜性的控制策略。

（3）滑覺信號檢測系統(tǒng)總體控制方案

實(shí)際上，對于機(jī)械手的抓取力度進(jìn)行控制為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制，對于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)

圈數(shù)同夾持力產(chǎn)生的比重聯(lián)系進(jìn)行觀察，可以對于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)進(jìn)行控制，達(dá)到夾持力改變的效果。鑒于這種情況，應(yīng)該遵循檢測的滑覺信號實(shí)施控制電機(jī)。一般的實(shí)施物體的夾取期間，先應(yīng)該接觸被抓取物體，之后對于機(jī)械手進(jìn)行良好的控制，達(dá)到預(yù)設(shè)初始夾持力效果。機(jī)械手以初始夾持力對于物體進(jìn)行夾持以后，就需要固定好機(jī)械手張開角度，將物體緩慢的抬起期間，上位機(jī)對于滑覺信號展開采集，同時(shí)予以處理變換，并且對于下位機(jī)進(jìn)行傳送處理后得出的滑動(dòng)判斷結(jié)果。在其將有滑動(dòng)信號命令接收之后會提升機(jī)械手夾持力度。如果已經(jīng)不存在滑覺信號，就可以維持相同的夾持力，需要卸載的時(shí)候，可經(jīng)對于電機(jī)反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制的舉措達(dá)到目標(biāo)。系統(tǒng)總體硬件包括傳感器信號采集電路、滑覺傳感器、執(zhí)行機(jī)系統(tǒng)以及單片機(jī)系統(tǒng)幾種。

2滑覺傳感器實(shí)驗(yàn)研究和選型情況

機(jī)械手如果想要達(dá)到智能柔性抓取的成效，實(shí)施采集機(jī)械手與被抓物體滑動(dòng)信號是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，而且為更加精準(zhǔn)的對于滑動(dòng)信號展開識別，就需要科學(xué)合理的選用傳感器。PVDF壓電傳感器能夠進(jìn)行識別以及檢測滑覺信號，達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求標(biāo)準(zhǔn)，如果開啟室內(nèi)電源，則電腦在通電狀態(tài)以后觀察到傳感器采集的電壓信號，盡管處在靜態(tài)環(huán)境中，依然會出現(xiàn)較顯著的波動(dòng)，顯示出了PVDF壓電傳感器信號采集電路是非常易致使其受到干擾的，只能依靠復(fù)雜濾波電路應(yīng)用，因此存在限制性問題；經(jīng)實(shí)施PZT壓電傳感器實(shí)驗(yàn)研究，通過對比觀察PVDF薄膜以及PZT壓電陶瓷，均為壓電傳感器，可以對于滑覺信號進(jìn)行精準(zhǔn)的檢測以及觸覺。但是一旦在機(jī)械手上進(jìn)行應(yīng)用，因PVDF薄膜屬于柔軟的質(zhì)地，所以優(yōu)勢更加明顯。同時(shí)PZT陶瓷壓電傳感器能夠?qū)τ诼曇舢a(chǎn)生的振動(dòng)產(chǎn)生較高敏感度，不容易適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用期間較高噪聲比的環(huán)境。因此，采取PVDF薄膜的情況是較多的；壓阻傳感器具有較高的精度，同時(shí)頻率響應(yīng)范圍較廣泛，靈敏度較高，設(shè)計(jì)電路簡單便捷等。綜合考慮各種因素，最終采取FSR-402壓阻傳感器實(shí)施實(shí)驗(yàn)以及研究。

2滑覺信號檢測裝置的最終設(shè)計(jì)情況

（1）滑覺信號檢測裝置的硬件設(shè)計(jì)

全部滑覺信號檢測裝置涉及到FSR-402壓阻傳感器、壓阻傳感器需要串

聯(lián)的5MΩ電阻以及數(shù)據(jù)采集卡、上位機(jī)PC幾種。其中，數(shù)據(jù)采集卡為進(jìn)行采集待測裝置發(fā)出的數(shù)字以及模擬信號，把所獲信號向PC進(jìn)行傳遞，進(jìn)而實(shí)施觀察以及分析工作。數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入阻抗是10MΩ，分辨率是12Bit（4096），具有+5V的供電壓力，具備要求標(biāo)準(zhǔn)的分辨率同時(shí)便于安裝?；X信號采集實(shí)驗(yàn)裝置就是采取5kΩ的電阻與壓阻傳感器串聯(lián)，對于5kΩ定值電阻的電壓信號進(jìn)行測量。采取砝碼（質(zhì)量不同）壓在傳感器表面滑動(dòng)，代替機(jī)械手的抓取力度方式展開實(shí)驗(yàn)。

（2）滑覺信號檢測裝置的軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用美國國家儀器公司生產(chǎn)的LabVIEW信號采集軟件，其涉及到日常控制以及測量系統(tǒng)所需各種模擬工具，最大限度的將成本進(jìn)行節(jié)約，并確保提升工作效率。在將其應(yīng)用到建立在PC基礎(chǔ)中的測量以及信號處理工作中時(shí)優(yōu)勢凸顯。另外，采取滑覺信號的短時(shí)傅里葉變換方式，實(shí)現(xiàn)信號從時(shí)間域變換到頻率域，以便于對信號的頻譜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解，掌握改變的規(guī)律。

（3）設(shè)計(jì)反饋控制系統(tǒng)硬件

主控制器選擇應(yīng)用單片機(jī)，其具有良好的實(shí)用性特點(diǎn)，同時(shí)可以節(jié)約成本。應(yīng)用STC公司生產(chǎn)STC89C52單片機(jī)，可提供給很多的嵌入式控制系統(tǒng)更靈活的處理方案。另外，控制電機(jī)采取步進(jìn)電機(jī)，即型號為28BYJ48。最后，模擬機(jī)械手裝置。

結(jié)語：

在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的形勢下，智能機(jī)械手在諸多的領(lǐng)域已經(jīng)具有廣泛的應(yīng)用，并且成為適應(yīng)社會發(fā)展需求的重要趨勢。未來需要更大量的研究，提升機(jī)械手滑動(dòng)檢測裝置的應(yīng)用性能。

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