CN1038275C - 水下机器人热觉传感器系统 - Google Patents

Abstract

水下机器人热觉传感器系统用于判定水下物体的材质。其特征是选用工业铂电阻作为热敏电阻，封装在热觉敏感头上，外层涂防水层，采用两个同型号热觉敏感头，一个装在机器人手爪上，用于触摸被识别的物质，手爪上设有工作触发开关，另一个位于机器人作业环境中，并兼作温度传感器，两个热觉敏感头上的热敏电阻作为检测电桥的两个工作臂，再通过处理电路对信号进行处理，即可判别机器人手中触摸到的是什么物体。这种传感器的优点是省掉了热敏元件的加热电路，克服了环境变化带来的影响，误判率低。

Description

水下机器人热觉传感器系统

本发明涉及的水下机器人热觉传感器系统属于智能机器人技术领域，用于识别机器人手触摸物体的材质，特别适用于机器人的水下作业，探察水下物体的材质，以便打捞物体。

现有的热觉传感器，一般不适于水下使用。例如，中国专利CN90103382.0《机器人的热觉及其控制》提出了一种方案，模拟人体内循环流动的血液趋于保持人体稳定地高于环境某一特定温度，当人手接触不同导热物体时，由于导热不同，人手温降也不同。利用这一原理，测量机器人机械手的温降，用以判定抓取的是什么材质物体。该方案是在机械手内装热觉敏感头，机械手包括两个可开闭的手爪，其开闭由计算机控制，计算机通过接口、手爪马达控制单元，控制手爪马达运转，手爪马达通过两平行连杆带动两手爪开闭，计算机上装有相应的工作软件，进行所需的全部计算工作，热觉敏感头、热觉敏感头加热单元、信号检测单元以及电缆组成热觉传感器、信号检测电路由电桥、前置放大器和限幅器组成，敏感头的热敏电阻作为电桥电路一个测量臂。

这种方案在工作时需要预热，热觉传感器系统在整个工作过程中一直在通电，在信号检测电路中采用一个热觉敏感头的热觉传感器，受周围环境温度变化影响严重，同一材质重复测试时一致性差，如果将这种热觉传感器应用于水下机器人，克服不了水流动引起的温度下降不规则性和热间隙电阻变化的影响，容易造成机器人误判材质，这种热觉传感器适于在空气环境中使用，不适合在水中使用。

本发明的目的是提出一种能在水下应用的机器人热觉传感器系统，使水下机器人能够识别水环境中的材料种类，例如塑料、钢  和陶瓷等十多种材质的物体。

实现本发明的水下机器人热觉传感器系统的方案是在现有技术的基础上选用工业铂电阻作热觉敏感头的热敏电阻元件，将钻电阻封装在热觉敏感头上，外层涂有防水层，作业时使用两个这样的热觉敏感头，一个装在机器人手爪上，在该手爪上设有工作触发开关，使该传感器在工作时才接通检测电路电源，另一个悬在机器人作业环境中，或者装在机器人手爪上的不接触被测物体的位置(例如手背)，将这两个热觉敏感头上的热敏电阻作为检测电桥的两个工作臂，再利用计算机等处理装置对信号进行处理，即可判别机器人手中触摸到的物体是什么材质。

实现本发明的水下机器人热觉传感器系统方案的优点是省掉了热敏元件的加热电路，两个热觉敏感头上的热敏电阻工作时直接接在检测电桥电路中，工作时两个热觉敏感头上的热敏电阻处于相同的水流环境中，受水流环境的作用是一样的，因此克服了环境变化带来的影响，机器人在水下探察作业时，能准确判别出所触摸到的物体的材质，误判率低。

下面结合附图和实施例对本发明的水下机器人热觉传感器系统作进一步详细地描述。

图1水下机器人热觉传感器系统传感器配置及工作原理图

图2水下机器人热觉传感器系统电桥检测电路图

本发明的水下机器人热觉传感器系统的第一个实施例如图1所示，它包括有机器人的两个手爪瓣(1)和(2)、手爪马达、手爪马达控制器、手爪马达控制器接口、XYZ马达、XYZ马达控制器、XYZ马达控制器接口、信号检测电路、A/D变换器、计算机以及连接电缆，两手爪瓣(1)和(2)的运动通过平行连杆(5)受手爪马达的带动，信号检测电路为电桥式电压信号检测电路，两个手爪瓣(1)和(2)、手爪马达、手爪马达控制器、手爪马达控制器接口、XYZ马达、XYZ马达控制器、XYZ马达控制器接口、以及信号检测电路等都由计算机控制，计算机上装有相应的工作软件，进行所需的全部计算工作。如果机器人只用于识别物体，无抓取物体使命，其手瓣可只有一个。

本发明的水下机器人热觉传感器系统的特征在于：

热觉敏感头的热敏电阻不采用内加热电阻，而是采用两个相同型号的热觉敏感头，一个是直接安装在机器人手爪瓣(1)掌面上的工作热觉敏感头(3)，另一个是作为环境热觉敏感头(4)，环境热觉敏感头(4)可浮在工作环境的水中，或者装在手爪瓣(1)或(2)背面上，它还兼作测量机器人的工作环境水温的温度传感器，用于监测工作环境的即时温度，工作热觉敏感头(3)的热敏电阻Rx和环境热觉敏感头(4)的热敏电阻Ry均采用工业铂电阻。两个热敏电阻Rx和Ry直接接在信号检测电路的电桥电路中，它们分别为电桥电路的两个工作臂，信号检测电路由电桥和前置放大器组成，图2所示给出了电桥和前置放大器电路，电桥电路的四个工作臂为电阻R1、R2、Rx和Ry，其中，电阻Rx为工作热觉敏感头(3)的热敏电阻，电阻Ry为环境热觉敏感头(4)的热敏电阻，电阻R1和R2为电桥电路的配合电阻，电阻R3、R4、R5、R6、以及运算放大器A组成前置放大器电路，在机器人手爪瓣(1)掌面上还装有触头开关(6)，其在机器人手爪瓣(1)掌面接触物体时能自动接通信号检测电路的工作电源，而当机器人手爪瓣(1)掌面不接触物体时能使信号检测电路的电源自动断开。

本发明水下机器人热觉传感器系统信号检测电路的电桥元件参数可选用电阻R1＝R2＝300Ω～1.2KΩ，铂电阻Rx和Ry的0℃标称电阻值从100Ω～800Ω(温度范围0℃～30℃)，电桥电路的工作电压采用3.5～9.0V本实施例中电桥电路参数选R1和R2是1.1KΩ，Rx和Ry是100Ω(温度在0℃时)，电桥电路的工作电压是9.0V，Rx、Ry的响应时间常数＜0.3s。

热觉敏感头(3)和(4)的结构框架与CN90 1 03382.0专利说明书公开的结构基本相同。不同点是在热觉敏感头体的下部增加了触头开关(6)(见图1中的手爪瓣(1)图示)，反作用弹簧(7)的作用是在热觉敏感头(3)不工作时使触头开关(6)处于常开状态，工作热觉敏感头(3)和环境热觉敏感头(4)的表面涂一防水薄层，该薄层采用掺有铜粉的硅橡胶作为防水层，使得具有弹性，故工作时与物体接触紧密，且导热性能好。

在计算机内存中预先装有传感器对钢、玻璃和陶器等十余种材料的信号检测电路随水中环境温度变化的输出特征值数据，每种材料的特征值数据反映该种材料在对应温度下的信号检测电路输出特征值。供机器人识别未知材料时与计算机内存中预先存入的数据比较，从而实现对未知材料的识别。具体来讲，本实施例中，各种材料的特征值是信号检测电路对相应材料在对应温度下信号检测电路开始工作后5s时的输出电压值，例如钢的特征值在27±3℃时是-3.115±0.355V，塑料的特征值在27±3℃时是+1.600±0.200V。

下面对本发明水下机器人热觉传感器系统的工作过程作一简要描述。机器人在水中来执行探测或抓取物体时，触头开关(6)未受压，反作用弹簧(7)使得信号检测电路的电源处于尚未接通状态，电桥输出为零。当水中的机器入执行探测或抓取水中物体使命时，机器人的两手爪瓣(1)和(2)的开闭受计算机控制，计算机通过手爪马达控制器接口和XYZ马达控制器接口给手爪马达控制器和XYZ马达控制器控制信号，起动手爪马达和XYZ马达运转，带动机械手运动和两手爪瓣(1)和(2)开闭，夹持或触摸物体，此时手爪瓣(1)内的工作热觉敏感头(3)接触被夹持物，同时触动触头开关(6)，开启信号检测电路的电源，使工作热觉敏感头(3)和环境热觉敏感头(4)上的铂电阻升温。由于手爪瓣(1)已经接触了被触摸的物体，手爪瓣(1)上的工作热觉敏感头(3)的热量向被夹持物流动，使工作热觉敏感头(3)热敏电阻的温度与环境热觉敏感头(4)热敏电阻的温度不同，使电桥电路失去平衡，从而输出一个模拟电压信号，该信号经A/D变换后输入计算机。计算机利用环境热觉敏感头(4)热敏电阻采集水温，并对采集到的所有数据进行处理后，从而识别出机器人的手爪所抓住的或触摸到的是何种材质的物体。

本发明的水下机器人热觉传感器系统的第二个实施例是工作热觉敏感头(3)的热敏电阻Rx和环境热觉敏感头(4)的热敏电阻Ry都采用内加热电阻，其内加热电阻可采用氧化钌或PTC(正温度系数)半导体陶瓷第三实施例是对信号检测电路输出电压进行微分，将信号检测电路开始工作后1s左右的微分值作为相应材料的特征值，其它与第一实施例相同。

本发明的水下机器人热觉传感器系统除了用于探察水下物体的材质外，还可以使机器人在水下定向挑取指定材质的物体。

Claims (4)

1.本发明的水下机器人热觉传感器系统，包括有机器人的两个手爪瓣(1)和(2)、手爪马达、手爪马达控制器、手爪马达控制器接口、XYZ马达、XYZ马达控制器、XYZ马达控制器接口、计算机、以及信号检测电路、A/D变换器，两手爪瓣(1)和(2)的运动通过平行连杆(5)受手爪马达的带动，其信号检测电路为电桥式电压信号检测电路，信号检测电路由电桥和前置放大器组成，计算机上装相应的工作软件，本发明的特征在于：采用两个相同型号的热觉敏感头，一个直接安装在机器人手爪瓣(1)掌面上的工作热觉敏感头(3)，另一个位于工作环境的水中的环境热觉敏感头(4)，两个热觉敏感头(3)和(4)的热敏电阻Rx和Ry直接接在检测电路的电桥电路中，作为电桥电路的两个工作臂，环境热觉敏感头(4)兼作测量机器人的工作环境水温的温度传感器

2.根据权利要求1所述的水下机器人热觉传感器系统其特征在于：所述的工作热觉敏感头(3)的热敏电阻Rx和环境热觉敏感头(4)的热敏电阻Ry均为工业铂电阻。

3.根据权利要求1或2所述的水下机器人热触觉传感器系统其特征在于：所述的环境热觉敏感头(4)装在机器人手爪瓣(1)的手背上或者悬在工作环境的水中。

4.根据权利要求1或2所述的水下机器人热觉传感器系统其特征在于：在手爪瓣(1)的掌面上装有触头开关(6)，其在机器人手爪瓣(1)掌面接触物体时能自动接通信号检测电路的工作电源，而当机器人手爪瓣(1)掌面不接触物体时能使信号检测电路的电源自动断开。

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