CN105813011B - 基于手机客户端的机械手装置临场感知信号检测方法 - Google Patents

Abstract

为了在探索性实验中根据机械手的状态进行试验结果分析和机械手动作的进一步精确操控，本发明提供了一种基于手机客户端的机械手装置临场感知信号检测方法，所述机械手装置包括手机客户端1、微控制单元控制器2、电机控制单元9、机械手15和PVDF信号处理单元6，所述手机客户端1与主控制器2通过蓝牙通讯连接；所述机械手单元15包括薄膜传感器PVDF25，该薄膜传感器PVDF25的输出信号提供给所述PVDF信号处理单元6，所述方法包括：(1)采集PVDF信号，所述PVDF信号表示触觉和滑觉；(2)对所述PVDF信号进行第一处理；(3)对经过第一处理的PVDF信号进行第二处理，提取出经过放大的触觉和滑觉信号。

Description

基于手机客户端的机械手装置临场感知信号检测方法

技术领域

本发明涉及机电系统工作状态信息检测方法，更具体地，涉及一种基于手机客户端的机械手装置临场感知信号检测方法。

背景技术

自1946年第一台数字电子计算机问世以来，为现代机器人技术的发展奠定了基础。另一方面，原子能实验室的恶劣环境要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，阿贡国家实验室于1947年开发了遥控机械手，这是真正意义上的第一台机器人。随着科学与技术的发展，仿生感知机器人应运而生，并不断发展壮大。交互技术包括人与机器人的交互以及机器人与环境的交互。前者的意义在于由人去实现机器人在未知环境中难以做到的规划和决策，后者的意义在于由机器人去实现人所不能到达的环境中的作业任务。临场感技术则是人－机器人－环境交互的核心。临场感遥操作机器人的实现，将极大地改善机器人的作业能力，人们可以将自己的智慧同机器人的适应能力相结合而完成有害环境或远距离环境中的作业任务。

经检索，在有关机械手应用的现有技术中，多数都见于加工车间环境或者医疗环境。例如，CN1961848A公开了一种“基于气动肌肉的柔性外骨骼肘关节”，实现人体上臂肘关节的单自由度的旋转，通过对关节中气动肌肉的控制，作为上肢肘关节肌肉萎缩或者残疾人士的医疗康复辅助器械。CN104666047A公开了一种“基于生物信息感知的双侧镜像康复系统”，实现偏瘫患者的主动运动功能康复,调动偏瘫患者健康侧肢体的功能协助患侧进行康复训练。

在探究性实验研究过程中，常常需要做一些具有一定危险性的实验动作，将临场感知机械手运用在探究性实验中，完成一些危险操作，可以有效保障实验人员的人身安全。上述专利虽然可实现临场感知机械手的动作，但尚不能直接应用与探究性实验且没有远程控制功能；此外，实验中往往需要根据机械手的状态进行试验结果分析和机械手动作的进一步操控，然而现有的机械手并未对电压、电荷等电气参数给予足够的关注，对机械手感应到的微弱信号的放大处理精度往往不足。

发明内容

本发明的目的就是在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于手机客户端的机械手装置临场感知信号检测方法，从而使得该机械手被应用到探究性实验中，实现软抓取、移动、释放、翻转、振荡等操作时，其电气参数能够被更准确地获取。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于手机客户端的临场感知机械手装置的电压检测方法，所述机械手装置包括手机客户端1、微控制单元控制器2、电机控制单元9、机械手单元15和PVDF信号处理单元6，所述手机客户端1与主控制器2通过蓝牙通讯连接；所述机械手单元15包括薄膜传感器PVDF25，该薄膜传感器PVDF25的输出信号提供给所述PVDF信号处理单元6，所述方法包括：

(1)采集PVDF信号，所述PVDF信号表示触觉和滑觉；

(2)对所述PVDF信号进行第一处理；

(3)对经过第一处理的PVDF信号进行第二处理，提取出经过放大的触觉和滑觉信号。

进一步地，所述主控制器2包括：同步-异步收发机3、中央处理器4、AD采集单元7、电平输出单元8和脉冲宽度调制单元14，所述同步-异步收发机接收来自所述手机客户端1的信号，并与所述中央处理器4进行双向通信；所述AD采集单元7接收来自所述PVDF信号处理单元6的输出信号并经过A/D转换后输出到所述中央处理器4，所述中央处理器4向所述电平输出单元8和所述脉冲宽度调制单元14输出信号。

进一步地，所述电机控制单元9包括：水平丝杠11、垂直丝杠13、水平步进电机10和垂直步进电机12，其中所述水平步进电机10和所述垂直步进电机12接收来自所述电平输出单元8的输出信号并分别控制所述水平丝杠11旋转推动水平滑块移动和所述垂直丝杠13旋转推动垂直滑块移动。

进一步地，所述机械手单元15包括机械手、夹取舵机16和旋转舵机17，所述夹取舵机16和所述旋转舵机17分别接收来自所述脉冲宽度调制单元14的输出信号。

进一步地，所述手机客户端1包括蓝牙模块和MCU控制器。

进一步地，所述机械手是由步进电机18、联轴器19、竖直丝杠20、金属支架21、水平丝杠22、临场感知机械手23、步进电机24、PVDF传感器25和固定底座26。

进一步地，所述临场感知机械手23的所有支架配件均采用3mm厚度的铝板。

进一步地，所述PVDF信号处理单元6包括依次串联的第一滤波单元、第二滤波单元、前置放大单元、电荷放大电路、反相放大单元、模数转换单元和电荷变换单元。

进一步地，所述步骤(2)进一步包括：

(21)PVDF传感器释放电荷信号，所述电荷信号被所述前置放大单元放大；

(22)通过所述电荷放大电路增强信号；

(23)对被增强的信号利用所述反相放大单元调整信号相位；

(24)对经过调整信号相位的输出信号继续通过所述模数转换单元转换成单片机可以捕获的数字信号。

进一步地，所述步骤(3)包括：

设置电荷变换单元包括放大系数为A₀的放大器和能够对电容的模拟值进行数字化的AD转换器，设C_d为所述临场感知机械手23内各元器件的分布电容，R_c为所述临场感知机械手23内各元器件的总阻抗(上述分布电容和总阻抗的取值可以根据机械手制造后的出厂测试环节精密测量得到)，C_i与R_i为所述临场感知机械手23的输入电容和输入阻抗，C_F为所述临场感知机械手23的密勒电容，R_F为所述临场感知机械手23的输出阻抗，经过数字化以后的电荷信号的值为Q_D，放大器的等效输入电容C为：

利用模数转换器对等效输入电容C通过所述AD转换器进行转换，得到等效输入电容的数字化表示C_D；

根据Q＝CU，可知：

所述临场感知机械手23的输出电压U_o的数字化表示为：

其中，R_c//R_i表示其中两个电阻串联后的总阻抗。

本发明的有益效果包括：(1)本发明与现有技术相比，不仅能够实现临场感知机械手的软抓取、移动、释放、翻转、振荡等操作，而且通过手机客户端输入命令，利用蓝牙技术远程遥控临场感知机械手软抓取、移动等指令，完成预期动作，操作便捷，安全可靠。(2)本发明的结构设计新颖简单,便于检修和更换，为探究性实验提供可远程操作的新技术设备，有效地保障实验人员的人身安全。

附图说明：

图1是基于仿生感知的化学实验机器人总体设计框图；

图2是手机客户端及蓝牙传输的通信流程图；

图3是临场感知机械手设计图；

图4是PVDF传感器整体信号调理电路图；

图5是电荷放大器实际等效电路图；

图6是触滑觉信号感知原理图；

图7是模糊软抓取控制流程图；

图8是法向载荷为2N时触滑觉信号；

图9是作用于木材时触滑觉信号。

图10是根据本发明的电压检测方法的流程图。

具体实施方式：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，基于手机客户端的临场感知机械手装置的电压检测方法，所述机械手装置包括手机客户端1、微控制单元控制器2、电机控制单元9、机械手15和PVDF信号处理单元6，所述手机客户端1与主控制器2通过蓝牙通讯连接；所述机械手单元15包括薄膜传感器PVDF25，该薄膜传感器PVDF25的输出信号提供给所述PVDF信号处理单元6，所述方法包括：

(1)采集PVDF信号，所述PVDF信号表示触觉和滑觉；

(2)对所述PVDF信号进行第一处理；

(3)对经过第一处理的PVDF信号进行第二处理，提取出经过放大的触觉和滑觉信号。

本领域技术人员应当清楚的是，可以根据所述触觉和滑觉信号，进行软抓取模糊控制，例如通过基于模糊理论的人工神经网络算法实现上述控制。

所述主控制器2包括：同步-异步收发机3、中央处理器4、AD采集单元7、电平输出单元8和脉冲宽度调制单元14，所述同步-异步收发机接收来自所述手机客户端1的信号，并与所述中央处理器4进行双向通信；所述AD采集单元7接收来自所述PVDF信号处理单元6的输出信号并经过A/D转换后输出到所述中央处理器4，所述中央处理器4向所述电平输出单元8和所述脉冲宽度调制单元14输出信号。

所述电机控制单元9包括：水平丝杠11、垂直丝杠13、水平步进电机10和垂直步进电机12，其中所述水平步进电机10和所述垂直步进电机12接收来自所述电平输出单元8的输出信号并分别控制所述水平丝杠11旋转推动水平滑块移动和所述垂直丝杠13旋转推动垂直滑块移动。

所述机械手单元15包括机械手、夹取舵机16和旋转舵机17，所述夹取舵机16和所述旋转舵机17分别接收来自所述脉冲宽度调制单元14的输出信号。

如图2所示，所述手机客户端1包括蓝牙模块和MCU控制器。根据本发明的优选实施例，可以采用HC-06蓝牙模块，还可以采用Eclipse集成开发环境基于所述MCU控制器开发设计手机客户端，通过HC-06蓝牙模块向所述MCU控制器发送指令，进行远程控制操作，通过PID算法控制滑块水平、垂直运动，和机械手的旋转和夹取动作。利用手机的加速度传感器和陀螺仪，将人手的摇晃动作、旋转动作、手指抓取动作转化为相应指令，使机械手模仿人手同步完成相同的动作，进行远程控制。同时，通过蓝牙传输将机械手的触觉、滑觉、热觉等状态传送至智能手机，例如，在APP上，用声音、震动、颜色等实时显示，实现状态再现。

如图3所示，所述机械手是由步进电机18、联轴器19、竖直丝杠20、金属支架21、水平丝杠22、临场感知机械手23、步进电机24、PVDF传感器25和固定底座26。根据本发明的优选实施例，临场感知机械手23的水平和垂直运动由两向运动的水平步进电机和垂直步进电机控制完成，旋转和夹取通过控制机械手的舵机进行完成。

所述临场感知机械手23的所有支架配件均采用3mm厚度的铝板，具有良好的稳定性；丝杠导轨长度可以根据实际情况改变，以满足不同场合的要求；所述临场感知机械手23的转向关节处均采用进口杯式轴承，不仅可以使转向更加灵活，而且还可以使舵机的转向在同一圆心，所述临场感知机械手23的张合通过MG996金属舵机控。

如图4所示，所述PVDF信号处理单元6包括依次串联的第一滤波单元、第二滤波单元、前置放大单元、电荷放大电路、反相放大单元、模数转换单元和电荷变换单元。

因此，根据本发明的优选实施例，所述步骤(2)进一步包括：

(21)PVDF传感器释放电荷信号，所述电荷信号被所述前置放大单元放大；

(22)通过所述电荷放大电路增强信号；

(23)对被增强的信号利用所述反相放大单元调整信号相位；

(24)对经过调整信号相位的输出信号继续通过所述模数转换单元转换成单片机可以捕获的数字信号。

所述第一滤波单元采用100Hz巴特沃兹有源低通滤波器，第二滤波单元采用双T型带阻滤波器。具体来说，所述PVDF信号处理单元6的工作过程例如为：PVDF传感器释放电荷信号，因此在信号处理过程中首先将电荷放大器作为前置放大电路，针对PVDF具有输出高阻抗的特点，根据阻抗匹配原则，在电荷放大电路的反馈电阻选择10M欧姆电阻，以增强信号。输出端接入一级反相放大器用来调整信号相位，信号继续通过后端比较器电路，将PVDF信号模拟信号转换成单片机可以捕获的数字信号，通过单片机内部算法，实现智能感知。其中，比较器阈值限定了PVDF有效信号的评判标准。由于人体动作频率普遍低于100Hz，因此设计100Hz巴特沃兹有源低通滤波器，去掉干扰信号。最后连接50Hz工频陷波电路，采用双T型带阻滤波器，去掉工频干扰。

如图5所示，设置电荷变换单元包括放大系数为A₀的放大器和能够对电容的模拟值进行数字化的AD转换器，设C_d为所述临场感知机械手23内各元器件的分布电容，R_c为所述临场感知机械手23内各元器件的总阻抗(上述分布电容和总阻抗的取值可以根据机械手制造后的出厂测试环节精密测量得到)，C_i与R_i为所述临场感知机械手23的输入电容和输入阻抗，C_F为所述临场感知机械手23的密勒电容，R_F为所述临场感知机械手23的输出阻抗，经过数字化以后的电荷信号的值为Q_D，放大器的等效输入电容C为：

利用模数转换器对等效输入电容C进行转换，得到等效输入电容的数字化表示C_D。

根据Q＝CU，可知：

所述临场感知机械手23的输出电压U_o的数字化表示为：

其中，R_c//R_i表示其中两个电阻串联后的总阻抗。

如图6所示，根据本发明的进一步的实施例，利用PVDF具有触觉、滑觉，热觉感知功能，从PVDF信号中可以提取出触觉和滑觉信号(例如，上述得到的触觉和/或滑觉的电压信号)，进行模糊控制软抓取的模拟。

如图7所示，给出了根据本发明的一个实施例的软抓取模糊控制方法，其通过传感器输出电压值无法准确判断物体的相对滑动情况，又因被抓物体的随机性大，控制模型的设计难度很大。通过主控制器对信号进行判断，分析出不同感觉信号，分别采取相应的措施来控制舵机进而调控仿生感知机械手实现软抓取。

图8为本发明一个实施例的临场感知机械手的法向载荷为2N时的触滑觉信号，图9为本发明一个实施例的临场感知机械手作用于木材时的触滑觉信号。通过手机客户端可输入指令，通过蓝牙通信，可以有效控制机械手抓取、移动等动作；PVDF可以实时测量物体与仿生感知机械手之间的压力与摩擦力，实现压觉信息反馈控制，保证机械手以合适的力夹取物体，不发生物体脱落或破碎；丝杠导轨长度可以根据实际情况改变，可满足不同探究性实验要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于手机客户端的机械手装置临场感知信号检测方法，包括：

(1)采集PVDF信号，所述PVDF信号表示触觉和滑觉；

(2)对所述PVDF信号进行第一处理：

(21)PVDF传感器释放电荷信号，对所述电荷信号进行放大；

(22)通过电荷放大电路增强信号；

(23)对被增强的信号利用反相放大单元调整信号相位；

(24)对经过调整信号相位的输出信号继续通过模数转换单元转换成单片机可以捕获的数字信号；

(3)对经过第一处理的PVDF信号进行第二处理，提取出经过放大的触觉和滑觉信号，该步骤包括：

设置电荷变换单元包括放大系数为A₀的放大器和能够对电容的模拟值进行数字化的AD转换器，设C_d为所述机械手内各元器件的分布电容，R_c为所述机械手内各元器件的总阻抗，C_i与R_i为所述机械手的输入电容和输入阻抗，C_F为所述机械手的密勒电容，R_F为所述机械手的输出阻抗，经过数字化以后的电荷信号的值为Q_D，放大器的等效输入电容C为：

$C=\sqrt{{\∫}_{t=1}^{T_0}\frac{1}{t}\·C_d+C_i+2\×A_0\×C_F}$

利用AD转换器对等效输入电容C进行转换，得到等效输入电容的数字化表示C_D；

根据Q＝CU，可知：

所述机械手的输出电压U_o的数字化表示为：

$U_o=\frac{\frac{Q_D}{\sqrt{{\∫}_{t=1}^{T_0}\frac{1}{t}\·C_d+C_i+2\×A_0\×C_F}}}{R_c//R_i}\×R_F$

其中，R_c//R_i表示其中两个电阻串联后的总阻抗。