主動激勵觸覺傳感器特性分析*

鐘方亮, 陳進軍

(貴州大學 電氣工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

隨著現在科技的高速發展，人們對機器人的要求已不滿足于傳統工業應用領域的結構化環境，而是轉向娛樂、醫療、家庭等眾多服務型機器人的非結構化環境中。所以，機器人的發展必將會走向普遍化，而機械手作為機器人最基本的行為要素之一，就要求其能盡量做到像人手一樣靈活可靠。與工業制造中的機械手應用環境不同，在非結構化環境中機器人的應用更依賴于觸覺[1]。因此，眾多的專家學者們研究了多種的觸滑覺傳感器(如現在使用比較多的壓阻式觸覺傳感器、電容式觸覺傳感器、壓電式觸覺傳感器等等[2～5]，以期達到預期的效果。現如今，隨著對傳感器和新型材料研究的逐漸深入，因此對觸覺傳感的研究也越來越豐富，目前的觸覺傳感技術發展方向主要分為微型化、陣列化、多傳感器融合、主動觸覺傳感器等幾大類[6～9]。隨著觸覺傳感技術的不斷發展機械手的應用也變得愈加多元化。

由于傳統的被動式機械手在抓取過程中存在信號不連續、易受外界干擾、隨機性強等導致對機械手抓取過程的控制較難，機械手結構要求高等問題。基于此類情況，本文通過使用基于聲學共振譜的方法來設計主動激勵觸覺傳感器并安裝在機械手上檢測其不同狀態的振動特性以完成對主動激勵觸覺傳感器的驗證。

1 觸覺傳感器的工作原理

1.1 聲學共振普檢測原理

聲學共振檢測(ARS)技術屬于無損檢測技術，是機械狀態監測診斷技術的一種。聲學共振譜法通過激振器對物體施加相應的激勵，然后通過采用響應換能器檢測其激發出的系統的共振頻率來分析物體結構狀態的變化。其基本工作過程為：由函數信號發生器產生所需的寬頻帶激勵信號，如果激勵信號的能量較弱時，則需要使用功率放大器放大激勵信號的功率且要求保持激勵功率的恒定，然后將激勵信號傳送給激勵換能器，使換能器能有效地對被測對象進行激勵。當激振頻率與被測對象的自然頻率相等時，就會使被測對象發生諧振；同時使用另外一個換能器作為響應接收被測對象的振動信號，然后再將響應信號采集到上位機進行處理和存儲。

1.2 穩態正弦掃頻激振

通過穩態正弦掃頻激振可以了解被測系統的大致特性，然后在需要的頻段范圍內再進行穩態正弦激振來獲取系統的動態特性。無論是采用何種掃頻方式，都可以設置掃頻的起始和截止頻率，掃頻的速率也是可調控的。而且掃頻激勵不會出現頻譜泄露的問題，可靠性高。其在每個頻率點的激勵也不會受其它頻率信號影響，可以排除外界干擾，所以測試結果的信噪比較高。其掃描函數為

(1)

式中T為掃描周期，A為激振力幅值，ωmin和ωmax為掃頻的起始和截止頻率。

2 傳感器的設計與硬件調理電路

2.1 壓電換能器

壓電換能器通過壓電效應將電信號轉換為機械振動的轉換率較高，制作壓電換能器的材料也比較廉價，且不易老化。由于本設計所使用的機械手的機械手爪尺寸的限制，所以，本設計采用的激勵換能器即為壓電陶瓷片，其參數如下：1)諧振頻率為(6.8±0.7)kHz；2)諧振阻抗為≤300(Ω)max；3)靜態電容為15 000(pF)×(1±30 %)；4)儲存溫度為-30～+70 ℃；5)基片材料為黃銅。

2.2 駐極體麥克風

駐極體麥克風是一種聲電轉換傳感器，其聲電轉換的關鍵元件是一片兩面分別帶有正負電荷的塑料膜片，膜片的其中一面鍍有一層純金薄膜并與金屬極板組成了一個電容結構。由于聲音會產生振動，當膜片感受到聲音的振動時，它與金屬極板之間的距離就會產生微小的變化，因此導致電容結構中的電容值改變。阻抗變換器主是由一個專用場效應管和一個二極管復合構成。麥克風內部電容兩端的電壓為場效應管柵極和源極的偏執電壓UCS，UCS變化時會使源極和漏極間的電流改變，從而實現阻抗變換，一般經過阻抗變換后麥克風輸出的電阻小于2 kΩ。

本設計所使用的主動激勵觸覺傳感器便是由上述兩種換能器組成，傳感器組成為單點輸入單點輸出(SISO)的結構，如圖1(a)所示，該主動激勵觸覺傳感器是基于聲學共振檢測技術制成的，該傳感器的工作原理為：當機械手進行抓取時，一旦被抓物體與金屬板接觸后，便改變了系統的原有特性，使系統的聲學共振信號發生改變，由于機械手加力的程度不同，機械手系統的振動特性也會隨之改變，相應的聲學共振信號也會發生改變。所以我們可以根據聲學共振信號的變化來判斷機械手抓取過程的狀態。但是值得注意的是由于該傳感器的這種特性，所以對機械手抓取時的要求也比較苛刻，也即是對機械手控制系統要求更嚴格，因此在對物體進行抓取時必須保證每次傳感器和被抓物體的接觸位置的一致性。安裝主動激勵觸覺傳感器的機械手如圖1(b)所示。

圖1 主動激勵觸覺傳感器與觸覺傳感機械手

2.3 功率放大電路

功率放大電路主要是將信號發生器產生的信號的功率進行放大處理，通常用作多級放大電路的輸出級，直接驅動負載元件，所以其輸出功率要足夠高。電路中功率放大采用的是LM386芯片，該芯片具有自身功耗低(約為4 mA)、可用電池供電、工作范圍寬(4～12 V或5～18 V)、總諧波失真較低(約為0.2 %)、輸出增益20～200倍可調等特點。

2.4 降噪模塊

該部分主要對駐極體麥克風接收的振動信號進行放大和降噪處理。電路中所采用的是NE5532芯片，這是一種高性能低噪聲雙運放的集成電路。該模塊結合駐極體麥克風能監聽細微的聲音，并設有微調電阻，便于靈敏度的調節。其主要參數如下：1)工作電壓為9～15VDC；2)工作電流為100 mA以上；3)靜態電流為3.5 mA；4)頻率響應為20 Hz～20 kHz；5)靈敏度大于150 mV；6)最大不失真輸出信號電壓為7.8 VP-P。一般駐極體麥克風輸出信號的幅值在10～30 mV，通過調節微調電阻，使該模塊輸出的音頻信號在±5 V范圍內，以便于后續的數據采集。

3 數據采集與預處理

3.1 數據采集

在本設計中采用LabVIEW軟件結合NI9234數據采集卡來進行數據采集。通過在新建VI的程序框圖面板中使用DAQmx—數據采集驅動軟件中的DAQ助手來完成數據采集。

3.2 數據預處理

3.2.1 數據歸一化

在本設計中，將波形的幅值進行歸一化處理，由于采樣的波形幅值在正負區間內，所以，實驗中將波形的幅值歸一到-1～1區間內，轉換公式為Xi=(xi-d)/λ。其中，d為偏移量，λ為放縮因子。

3.2.2 數據平滑

經過平滑處理后的頻譜圖不利于后續對共振頻率的讀取并且占用了大量的計算資源，所以需要對上圖中的橫坐標進行相應處理，使其以頻率的形式進行顯示。為此，設計中對平滑濾波后的頻譜圖進行了降采樣的處理。

本設計選擇了4類材質的物體(重量可變的藥瓶、形狀相近的橡皮和木塊以及1節5號電池)來供機械手進行抓取，以對機械手抓取不同材質和重量的物體時的振動特性進行分析。

4 實驗重復性評估

4.1 重復性試驗

為了檢驗實驗的重復性，在相同的實驗環境下分別對機械手空載、不同負載共7種穩定狀態分別進行了8次相同標準的測試，通過比較這幾種狀態下共振頻率分布的離散程度來判斷實驗的重復性。為了更全面的了解這幾種狀態下的聲學共振譜變化趨勢，將這7種狀態的聲學共振譜數據按順序繪制成三維導視圖(瀑布圖)如圖2所示。

圖2 聲學共振譜三維導視圖

從圖2可知，每一種狀態的譜信號保持總體趨勢大致相同，反映了對同一物體的測試較穩定；機械手抓取不同物體的穩定狀態的特征頻率(峰值頻率)及其幅值偏差較明顯，可見機械手抓取不同物體時，其振動特征的差異明顯。圖3分別為機械手空載和6種不同負載穩定時機械手的8組聲學共振信號的頻譜圖。由于在每次實驗時機械手夾緊的力度及機械手與被抓物體的位置無法做到完全一致，所以，圖中各組曲線的偏差的產生不僅僅是系統本身造成，還存在一定的人為不可控因素。

圖3 機械手各負載穩定狀態聲學共振譜

表1所示為與圖3相對應的機械手抓取各物體的穩定狀態的8組聲學共振譜的逐個頻率點(Δf=1 Hz)上幅值的最大標準偏差和平均偏差。通過對每個頻率點上的幅值的2個標準偏差可以很好地反映8組實驗的重復性。從表中可以看出只有抓取木塊和橡皮的最大標準偏差和平均標準偏差相對較大。

表1 各穩定狀態聲學共振幅值標準偏差

與表1相對應，表2所示為各個穩定狀態下8組聲學共振譜的波峰對應的頻率的均值及其標準差和相對標準差。

表2 各穩定狀態聲學共振頻率統計

從圖2、圖3可以大致看出這幾種狀態下機械手在聲學共振的測試下的頻譜曲線重合性相對較好，結合表1和表2可以看出無論是從各個狀態每個頻率點對應的幅值還是從其峰值對應的頻率的偏差來看，這幾種狀態下的測試重復性都能符合實驗要求。

4.2 頻域特征提取即分析

如圖4(c)所示為機械手空載及不同負載下的聲學共振譜均值比較圖，看出機械手處于不同負載穩定狀態時的特征頻率均會有所偏移，并且在不同狀態下對應的特征頻率的數量也會有區別。所以，可以用表2中的聲學共振頻率的均值來表征機械手空載和各個負載穩定狀態的特征。

此外，機械手在抓取不同物體過程中的接觸狀態和其中某一時刻滑動狀態的聲學共振譜對比圖如圖4(a)和(b)所示。從三個狀態對比圖可以明顯看出，機械手處于不同的抓取狀態的特征頻率及其峰值均產生了明顯偏差，頻率的能量分布則更明顯。

圖4 各狀態聲學共振普比較

表3為機械手抓取物體的接觸和滑動狀態的特征頻率。

表3 接觸和滑動狀態特征頻率

5 結 論

特征頻率比較可以看出，所有接觸和滑動狀態下的特征頻率與抓緊狀態下的特征頻率以及機械手空載時的特征頻率三者相比較無論是在數值上還是在數量上都有明顯差別；各狀態聲學共振譜比較表明，相對于機械手空載，由于夾緊狀態機械手與被抓物體形成了一個新的系統，所以在掃頻激勵范圍內該新系統與原系統(機械手空載狀態)相比其特征頻率(特征頻率的高低頻相應變大)及數量也發生了改變，并且在特征頻率的中間部位存在明顯的能量向中間集中的變現象，橡皮負載最為明顯，這些頻帶內的能量特征與被夾物體相對應。所以，根據機械手不同負載各狀態下的特征頻率的不同可以很容易地區分出機械手抓取物體過程中的空載、負載不穩定(接觸和滑動)及負載穩定三種狀態。

而對于負載不穩定狀態中，有些物體的接觸頻率會比較接近，如滿瓶水、木塊和橡皮的接觸頻率互相相差不超過20 Hz(掃頻間隔的2倍)，以及電池和木塊的滑動頻率也相對比較接近，這些都極易導致對機械手不同物體狀態的誤判。所以，使用頻域分析法對機械手全過程的振動特性分析具有一定的局限性。