機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳感器與機(jī)械動(dòng)作姿態(tài)修正的相關(guān)性研究

【摘要】 ? ?人工機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳感器是一種機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置，屬于測試技術(shù)中的關(guān)鍵部件，作用是將原始測量的機(jī)械量作為傳感器的輸入量，通過信號(hào)采集傳輸形成另一個(gè)適合于變換的機(jī)械量后由機(jī)電變換部分轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量。運(yùn)動(dòng)傳感信號(hào)應(yīng)用智能識(shí)別和智能分析技術(shù)，使自動(dòng)機(jī)械裝置能更加智能的執(zhí)行動(dòng)作，降低動(dòng)作損耗，實(shí)現(xiàn)精確的空間位移。

【關(guān)鍵詞】 ? ?傳感器 ? ?分析 ? ?位移

引言：

正常的機(jī)械運(yùn)動(dòng)是在正常姿態(tài)下機(jī)械牽拉、液壓、機(jī)械軸和機(jī)械關(guān)節(jié)有充分的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，能夠穩(wěn)定地進(jìn)行加速減速以及停止。通過傳感信號(hào)的輸入，經(jīng)過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的信號(hào)分析后輸出指令來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)姿態(tài)調(diào)節(jié)。機(jī)械動(dòng)作是各組機(jī)械動(dòng)力輔助裝置按一定順序響應(yīng)形成運(yùn)動(dòng)鏈，力學(xué)的改變對(duì)整體的運(yùn)動(dòng)鏈產(chǎn)生影響，導(dǎo)致機(jī)械運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的變化。正確的機(jī)械動(dòng)作姿勢可以確保機(jī)械裝載設(shè)備和零件維持精確和穩(wěn)定運(yùn)行，不良姿態(tài)或同一動(dòng)作的重復(fù)、機(jī)械形變、電機(jī)故障、 磨損等各種原因造成的動(dòng)作軌跡偏差，都會(huì)使機(jī)械運(yùn)動(dòng)功能下降，引發(fā)機(jī)械運(yùn)動(dòng)功能故障以及后續(xù)一連串動(dòng)作錯(cuò)誤。

一、技術(shù)發(fā)展

便攜插入式傳感器在機(jī)器人工業(yè)中的應(yīng)用越來越多，可用于測量機(jī)械運(yùn)動(dòng)功能和動(dòng)作指標(biāo)，以確定單個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與整體之間機(jī)械性能的關(guān)聯(lián)以及基于運(yùn)動(dòng)計(jì)的動(dòng)作延時(shí)和動(dòng)作阻礙的檢測分析。通過測量由于重力引起的加速度，你可以計(jì)算出設(shè)備相對(duì)于水平面的傾斜角度。通過分析動(dòng)態(tài)加速度，測量牽引力產(chǎn)生的加速度，可以分析出設(shè)備移動(dòng)的方式或電和零件振動(dòng)，對(duì)于控制姿態(tài)也是至關(guān)重要的。機(jī)械運(yùn)動(dòng)中的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)指標(biāo)中，應(yīng)用傳感器將振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的傳感器，把抖動(dòng)引起的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)組織、存儲(chǔ)、運(yùn)算處理。也可以測量非主動(dòng)運(yùn)動(dòng)下的牽拉、平移、旋轉(zhuǎn)等被動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，通過驗(yàn)證的傳感測量數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，包括動(dòng)作頻度，液壓和磨損度以及機(jī)械連接部發(fā)熱，斷裂和電機(jī)出力問題。位移和液壓的測量主要與機(jī)械動(dòng)力有關(guān)，機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳感器可以通過計(jì)算獲取的數(shù)據(jù)來計(jì)算機(jī)械動(dòng)作姿態(tài)。

機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳感器，它使用模擬式加速度計(jì)和三軸加速度計(jì)來提供連續(xù)的動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測。與動(dòng)作幅度最大的連接面，把相關(guān)的加速度值傳輸給操作系統(tǒng)，通過判斷其大小變化計(jì)算獲取每分鐘產(chǎn)生動(dòng)作時(shí)延和位移變量差異值，將這些數(shù)據(jù)繪制成數(shù)據(jù)曲線，以創(chuàng)建機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制的數(shù)據(jù)圖形。以前已使用可測量運(yùn)動(dòng)結(jié)果的傳感器來識(shí)別分析機(jī)械運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確度和軌跡。

機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳感數(shù)據(jù)采集后，為傳感數(shù)據(jù)建立時(shí)間追蹤片段，根據(jù)運(yùn)動(dòng)波形的來識(shí)別機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)情況，以確認(rèn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形態(tài)的正確率和精準(zhǔn)度。建立了一個(gè)多元線性回歸模型，以動(dòng)作時(shí)延換算值為因變量，機(jī)械動(dòng)作持續(xù)時(shí)間、動(dòng)作類型、電壓、動(dòng)力、幅度等為自變量。為了控制機(jī)械磨損隨時(shí)間變化產(chǎn)生的強(qiáng)度影響，對(duì)單軸機(jī)械組件進(jìn)行單獨(dú)分析，進(jìn)一步識(shí)別那些因素對(duì)機(jī)械連接點(diǎn)產(chǎn)生直接影響，特別是對(duì)兩個(gè)相連機(jī)械機(jī)構(gòu)的時(shí)間控制上，更多地關(guān)注電機(jī)和電壓的持續(xù)時(shí)間。

非動(dòng)作機(jī)械動(dòng)作障礙主要特征是動(dòng)作形態(tài)異常，諸如靜止性抖動(dòng)，過度磨損或崩裂，動(dòng)作延時(shí)，但是也與金屬疲勞和材料工藝相關(guān)聯(lián)，機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳感器的使用可以成為動(dòng)作形態(tài)異常提供某些關(guān)鍵測量數(shù)據(jù)。探索性分析的主要發(fā)現(xiàn)表明，動(dòng)作時(shí)延和位移變量差異值與金屬疲勞，磨損和電機(jī)出力等的有關(guān)，高峰值電機(jī)出力與機(jī)械抖動(dòng)和發(fā)熱相關(guān)聯(lián)?？梢酝ㄟ^多組傳感數(shù)據(jù)分析，以及對(duì)運(yùn)動(dòng)形態(tài)的分拆計(jì)算，以及隨后此輪調(diào)整后的動(dòng)作形態(tài)改變，仍然受到與畸形數(shù)據(jù)和變量數(shù)據(jù)偏差較高的困擾。機(jī)械動(dòng)作形態(tài)改變由混雜因素造成，單一解讀和研究一個(gè)機(jī)械動(dòng)作不能獲取完整的動(dòng)作形態(tài)異原因，在一組動(dòng)作中進(jìn)行分段研究能識(shí)別出諸多不利因素，甚至是發(fā)熱導(dǎo)致的部件損害。

二、傳感器的應(yīng)用

傳感器通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件等部分組成，主要加速度傳感器主要的類型有壓阻式、壓電式、電容式、電感式等，常用的三軸加速度傳感器是加速度傳感器中用來測量空間加速度的傳感器，將空間加速度在X、Y、Z三個(gè)軸上進(jìn)行分解，在一定的技術(shù)上三個(gè)單軸就可以變成一個(gè)三軸。特點(diǎn)是能夠在預(yù)先不知道物體運(yùn)動(dòng)方向的場合下，準(zhǔn)確且全面的測量出物體的空間加速度。加速度傳感器根據(jù)輸出信號(hào)的不同分為模擬式和數(shù)字式，模擬式輸出值為電壓，數(shù)字式輸出值為數(shù)字信號(hào)，模擬式適用于一些采集后能在后臺(tái)分析的數(shù)據(jù)。三軸加速度的數(shù)值可以計(jì)算出三個(gè)姿態(tài)角，根據(jù)俯仰角、左右偏側(cè)角、豎直方向轉(zhuǎn)角三個(gè)姿態(tài)角不僅可以得到機(jī)械運(yùn)動(dòng)的具體姿態(tài)?？紤]到微機(jī)電系統(tǒng)傳感器容易受到噪聲影響，還需要利用卡爾曼濾波算法對(duì)估算的傾斜角進(jìn)行優(yōu)化處理，部分消除噪聲對(duì)加速度傳感器測量值的影響，提高測量準(zhǔn)確性。

一組機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳感器包括加速度傳感器，陀螺儀，磁力計(jì)等設(shè)置在一個(gè)機(jī)械設(shè)備上，為了完整識(shí)別一個(gè)動(dòng)作，參與的傳感數(shù)據(jù)傳遞可以達(dá)到20個(gè)或更多。機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳感器是通過傳感元件將機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程中、機(jī)械運(yùn)動(dòng)開始前和達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)的一段時(shí)間范圍內(nèi)產(chǎn)生的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)化和濾波電路等轉(zhuǎn)化為合適的輸出信號(hào)。對(duì)于表面覆蓋的傳感器，傳感單元越多獲得的數(shù)據(jù)也越豐富。傳感數(shù)據(jù)較多的情況下，可以在邏輯上把一組內(nèi)幾個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳感器合并成一綜合單位的傳感器小組，只輸出一組可分析的疊加信號(hào)，這種形式收集的數(shù)據(jù)集合可以較好的應(yīng)用在傳感精度高的彎曲機(jī)械關(guān)節(jié)面上。

柱形機(jī)械面的長度和傳感器分布比例要符合力學(xué)結(jié)構(gòu)，正確設(shè)置傳感器類型和固著方式將提高傳感數(shù)據(jù)有效率。在力學(xué)點(diǎn)和振動(dòng)最大點(diǎn)上部署傳感器，要考慮傳感器的特性和使用壽命，能通過引用計(jì)算獲取到所需測量數(shù)據(jù)的，應(yīng)考慮將傳感器部署在因運(yùn)動(dòng)對(duì)傳感器損耗小的位置上。經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也是機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳感器技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵部分。

三、信號(hào)數(shù)據(jù)應(yīng)用與分析

振動(dòng)頻率作為計(jì)算機(jī)械動(dòng)作穩(wěn)定的重要指標(biāo)，保存和評(píng)估各種類型的機(jī)器和驅(qū)動(dòng)器的特征性振動(dòng)，沖擊和振動(dòng)參數(shù)，有助于優(yōu)化機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，并為這些參數(shù)確定合適的目標(biāo)值和平均值。

機(jī)械振動(dòng)波動(dòng)大的機(jī)械機(jī)構(gòu)，不同機(jī)械部位存在差異，如機(jī)械髖關(guān)節(jié)的左側(cè)連接點(diǎn)和右側(cè)連接點(diǎn)。橫向機(jī)械連軸至少需要兩個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器，以便獲得連軸被動(dòng)運(yùn)動(dòng)磨損數(shù)值。在每個(gè)機(jī)械連軸上安裝傳感器可以使數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)從傳感器數(shù)據(jù)得出的準(zhǔn)確的機(jī)械運(yùn)動(dòng)形態(tài)和磨損情況匹配。

傳感在物理信號(hào)變化期間自產(chǎn)生電信號(hào)，物理變化影響的自極化在熱電材料，導(dǎo)致電電流變化。最常用的自供電傳感器是熱電偶，基于形成結(jié)兩個(gè)電子導(dǎo)體的塞貝克系數(shù)之差提供電壓。然而電信號(hào)是短暫的，并迅速衰減到零值的變化不適用于長時(shí)間的溫度監(jiān)測。使用太陽能單片光照導(dǎo)致局部發(fā)熱致電，使用這種光電特性來創(chuàng)建熱傳感數(shù)據(jù)集，可以作為一種持續(xù)測量的替代方法。在一個(gè)動(dòng)作執(zhí)行周期內(nèi)空閑間隔60秒執(zhí)行1次重復(fù)一組機(jī)械運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳感器采集動(dòng)作數(shù)據(jù)，應(yīng)用服務(wù)器計(jì)算指導(dǎo)輸入電機(jī)動(dòng)力完成這些任務(wù)。這些任務(wù)包括機(jī)械關(guān)節(jié)交替運(yùn)動(dòng)，大幅度機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)以及復(fù)歸機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)到初始位置。記錄機(jī)械動(dòng)作類型、功率、各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)指標(biāo)和異常狀態(tài)量。

重復(fù)的一系列機(jī)械動(dòng)作，對(duì)原始傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和比對(duì)，使用MATLAB確定原始信號(hào)中缺少數(shù)據(jù)的間隔，以適當(dāng)?shù)牟蓸勇手匦虏蓸訒r(shí)間序列，對(duì)齊來自不同傳感器的信號(hào)，計(jì)算出有效時(shí)間和有效數(shù)據(jù)。經(jīng)過傳感數(shù)據(jù)分析對(duì)振動(dòng)、機(jī)械卡頓阻礙、動(dòng)作延時(shí)的異常情況進(jìn)行評(píng)估。振動(dòng)和機(jī)械卡頓阻礙的嚴(yán)重程度評(píng)分范圍為帶故障可用、故障停用、故障病累其他機(jī)械組件、全運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)故障。除了對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)械故障的直接因素進(jìn)行關(guān)注，也要重點(diǎn)關(guān)注動(dòng)作延時(shí)問題，動(dòng)作延時(shí)與機(jī)械疲勞有高相關(guān)性。

四、傳感數(shù)據(jù)的影響因素

傳感器的信號(hào)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率由各種復(fù)雜因素構(gòu)成，通信質(zhì)量和元器件適用范圍是對(duì)測量數(shù)據(jù)造成，在研究中提示環(huán)境因素和工作時(shí)長對(duì)傳感器數(shù)據(jù)影響較大。例如溫度測量傳感器，當(dāng)照亮測量的區(qū)域時(shí)，傳感器信號(hào)最大，并且隨著距離拉遠(yuǎn)和測量光度的減小而減小，以此反應(yīng)光學(xué)熱源與熱量，不同位置照射時(shí)樣品上的溫度不均勻分布。相對(duì)濕度較高和較低環(huán)境下，測量的靈敏度均保持較高，具有較高的溫度響應(yīng)在低濕度下。

溫度傳感器就溫度范圍在-250至850度的較大范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性，在量程內(nèi)應(yīng)用范圍較廣，適用于熱圖繪制，還可以對(duì)濕度的變化做出反應(yīng)，簡單的結(jié)構(gòu)對(duì)于大規(guī)模低成本制造特別有用。傳感器動(dòng)力學(xué)隨濕度變化，溫度傳感器節(jié)點(diǎn)在校準(zhǔn)過程中，固定在線性平臺(tái)上，緊緊機(jī)械表面放置的熱敏電阻和熱電偶同時(shí)由熱板加熱，并由空氣冷卻，信號(hào)端連接到數(shù)字萬用表進(jìn)行校準(zhǔn)。

在較高的相對(duì)濕度下，溫度的變化會(huì)引起明顯的瞬時(shí)峰值升高和下降降低在較低的信號(hào)飽和之前。在較低的相對(duì)濕度下，這種現(xiàn)象不太明顯。不同相對(duì)濕度下電性能的相應(yīng)變化，當(dāng)降低相對(duì)濕度時(shí)，傳感器的總電阻大大增加，通過降低相對(duì)濕度而增加的電解質(zhì)體積電阻或電荷轉(zhuǎn)移電阻會(huì)引起傳感器開路電位的變化。

不僅是溫度傳感器受外部因素影響較大，光敏感應(yīng)元件、鹽度傳感器、氣體傳感器、特殊敏感分子傳感器等都容易受到外部因素影響。應(yīng)用多種不同類型的傳感器，通過多維數(shù)據(jù)的有效分析可以識(shí)別和修正傳感數(shù)據(jù)，提高傳感器的靈敏度和準(zhǔn)確性。不同的深度和外部空間環(huán)境會(huì)對(duì)深水測量裝置產(chǎn)生影響，例如鹽度傳感器等就是受海面氣象情況影響較大的傳感器，會(huì)直接降低數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和敏感度。對(duì)于緩解復(fù)雜而產(chǎn)出大量噪音的數(shù)據(jù)組，要適當(dāng)?shù)脑趯?shí)驗(yàn)室中進(jìn)行模擬，利用實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的數(shù)據(jù)有效分析生產(chǎn)環(huán)境中取得的實(shí)測數(shù)據(jù)。

五、結(jié)束語

通過數(shù)字信號(hào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程直接參與方法的轉(zhuǎn)變，包括不斷擴(kuò)大的傳感器集合，機(jī)器學(xué)習(xí)到大數(shù)據(jù)集，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)使快速的雙向數(shù)據(jù)通信，采取多節(jié)點(diǎn)測量機(jī)械運(yùn)動(dòng)姿勢以及在運(yùn)動(dòng)過程中連續(xù)感測溫度和幅度?；趩谓M傳感器的數(shù)據(jù)完善域預(yù)測模型可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)機(jī)械組件個(gè)性化測試策略，從而提高性能并降低成本。

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吳謀凡（1983年），男，福鼎，高級(jí)工程師，國網(wǎng)福建省福鼎市供電有限公司調(diào)控中心，主要從事多維數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)、智能化設(shè)備、定位制導(dǎo)技術(shù)、能量波分析、環(huán)境監(jiān)測設(shè)備、跨平臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)等方向的研究開發(fā)工作。本項(xiàng)目由國網(wǎng)福建省電力有限公司科技項(xiàng)目資助，資助項(xiàng)目“物聯(lián)網(wǎng)閃映單兵電子單元的研究與開發(fā)”。