基于正交試驗的仿人手指傳感器多參數分析與優化

張文奇，陳 萌，曹文斌

(上海宇航系統工程研究所，上海201109)

1 引言

空間任務隨著復雜程度的不斷加劇，機器人在軌靈巧操作的要求越來越高。針對目標的表面溫度、粗糙度、接觸力等物理屬性，現有空間機器人手指傳感器的靈敏度和精確度都存在不足，無法滿足未來空間機器人精確感知目標物理屬性和智能抓取的需要[1]。

目前國內外多利用固體形式壓力傳感器進行信號傳導，以提升空間機器人手指傳感器對目標物理屬性靈敏度和精確度[2]，但無法滿足對溫度、壓力、微振動等多種物理信號的感知。使用流體作為傳導介質可以實現對多種物理信號的感知，但存在傳動建模困難、數據分析不全面以及流體密封差等問題亟待解決。

多因素正交試驗中，不同因素的重要程度常常不一致，各因素的取值對不同因素的影響程度也不完全相同，所以結果分析較復雜[3]，在仿人手指方面的應用比較少。本文針對現有方法在流體傳導建模差、數據分析不全面等問題，引入多因素正交試驗進行數據分析，借助Fluent軟件完成對仿人手指傳感器多參數分析與優化。

2 多參數分析與優化方法

本文設計如圖1所示的內部流體導電式仿人手指傳感器作為分析和優化的對象。

圖1 手指傳感器整體示意圖Fig.1 Schematic diagram of finger sensor

經驗表明，對手指傳感器內部流體流動影響較大的因素為管徑、管道弧度、粘度、內部壓強。針對這組參數，將圖1所示手指傳感器結構導入ANSYS，在ANSYS中進行手指傳感器布爾運算得到內部流體模型，對比參數變化對物理信號的衰減影響，得到的數據經正交試驗得到最終的優化結果。

仿真中，粘度νm通過經驗公式[4]得到，手指傳感器的導電液體模型采用的標準k-ε模型方程[5]。

3 分析與優化

3.1 結構參數影響分析

針對不同內徑、不同粘度[6]、不同內徑弧度以及流體內部壓強[7]對手指傳感器出口處溫度、斷面壓強和流體速度三個參數衰減程度的影響，設置如下工況，可得如圖2～5所示定性的影響趨勢：

1)壓強、流體粘度、內經弧度不變，內部管徑分別取2.2 mm、2.8 mm、3.5 mm；

2)壓強、流體粘度、內部管徑不變，管徑連接處弧度設置為0、0.5 mm、1 mm；

3)內部管徑、流體粘度、內經弧度不變，內部導電液體壓強設置為5 Pa、10 Pa、15 Pa；

4)壓強、內部管徑、內徑弧度不變，流體粘度設置為 0.2 cP、0.02 cP、0.002 cP。

圖2 管徑對流體的影響Fig.2 Influence of pipe diameter on fluid

圖3 流體粘度對流體的影響Fig.3 Effect of fluid viscosity on fluid

圖4 弧度對流體的影響Fig.4 Effect of radian on fluid

圖5 手指內部壓強對流體的影響Fig.5 Influence of internal pressure on the fluid

3.2 正交試驗優化

考察手指內部管徑、流體粘度、手指內部壓強、管道弧度等四個因素，每個因素取三種不同的水平級數值，列出因素水平表如表1所示。本試驗為四因素三水平試驗，選用正交表L9(34)，把各因素依次入列如表2所示。提煉其中數據，可得因素與指標的趨勢如圖6所示

由圖6可知：對于溫度來說，極差均很相近，在流體速度以及截面壓強上考慮，C、D兩因素的極差很相近，但是B因素的極差較大，所以可得四個因素的主次順序為BACD。

表1 因素水平表Table 1 Factor levels

表2 試驗方案及試驗結果分析Table 2 Test plan and test result analysis

圖6 因素與指標趨勢圖Fig.6 Trends of factors and indicators

B因素極差變化最顯著，因此是主要因素，說明粘度越大，最終獲得的優化指標越好，因此選擇B3。A因素的方差變化略小于B，管徑越小，說明最終獲得的指標效果越更好，因此選擇A1。C因素只是對壓強單個指標影響顯著，弧度越大對于最終指標影響較好，因此選擇C3。D因素對于壓強影響較為明顯，D因素的值越大對優化指標越有利，因此選擇D3。因此可得手指內部通道結構以及流體參數最優條件選擇為B3A1C3D3，即當粘度系數為 0.2 MPa·s、管徑為 2.2 mm、弧度為1 mm、內部壓強為15 Pa時，外界溫度、斷面壓強、流體速度數值最大，采集數據在此條件下損失最少，獲得的信號靈敏度和精度最高。

3.3 測試驗證

對上文優化參數結構所得手指傳感器進行微振動信號測試，結果如圖7所示。可見，原傳感器需要經過相對較長時間才可以達到穩定，優化后手指傳感器對振動信號的感知更加迅速。

圖7 新舊手指傳感器壓力測試響應Fig.7 Pressure test responses of new and old finger sensors

4 結論

正交試驗優化所得粘度系數為0.2 MPa·s、管徑為2.2 mm、弧度為1 mm、內部壓強為15 Pa的仿人手指傳感器方案經驗證，得到的外界溫度、斷面壓強、流體速度數值最大，數據采集損失最少，信號靈敏度和精度最高，能夠更加敏感地獲得精確的觸覺數據。