CN110243400B - 基于主动激励信号获取共振信号的触滑觉传感器 - Google Patents

基于主动激励信号获取共振信号的触滑觉传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于主动激励信号获取共振信号的触滑觉传感器，应用于机械手上，该机械手用于抓取物体，所述触滑觉传感器包括：滑觉触板，设置在机械手上；驻极体麦克风，设置在所述滑觉触板上；压电陶瓷片，设置在所述滑觉触板上；信号发生器，所述信号发生器将产生的激励信号作用在所述压电陶瓷片上，使所述压电陶瓷片产生振动；所述压电陶瓷片将产生的振动作用于所述滑觉触板上，所述驻极体麦克风根据所述压电陶瓷片及机械手抓取物体时产生的振动信号，输出响应信号。本发明利用声学共振谱的方法来测量机械手在抓取过程中空载、滑动、夹紧等不同状态下的共振频率，作为判断机械完成手软抓取的判据，具有结构简单、成本低的优点。

Description

基于主动激励信号获取共振信号的触滑觉传感器
技术领域
本发明涉及一种基于主动激励信号获取共振信号的触滑觉传感器，属于触滑觉传感器技术领域。
背景技术
智能机器人作业的关键技术之一就是用机械手软抓取，即无损伤抓取。这一技术的应用可以使易碎物品的无损伤抓取变为现实，同时提高机器人的作业效率。实现软抓取需要在机器人的机械手上装上相应的传感器。触滑觉传感器对机械手在无损抓取中起到至关重要的作用，因此它的性能好坏直接决定了机械手能否顺利完成软抓取任务。
滑觉传感器是利用声电原理，把机械手在抓取过程中产生的触滑觉信号转变为声信号，再通过声电元件把声信号转变为电信号。现有触滑觉传感器可分为两类：第一类是人工触觉传感器，它可以分为压电式传感器、电容式传感器、光电式传感器、超声式传感器、电磁式传感器和压阻式传感器等。第二类是基于纤维材料的触觉传感器。然而，这些传感器的结构复杂，成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于主动激励信号获取共振信号的触滑觉传感器，以解决现有触滑觉传感器结构复杂、成本较高的问题。
本发明的技术方案是：一种基于主动激励信号获取共振信号的触滑觉传感器，应用于机械手上，该机械手用于抓取物体，所述触滑觉传感器包括：
滑觉触板，设置在机械手上；
驻极体麦克风，设置在所述滑觉触板上；
压电陶瓷片，设置在所述滑觉触板上；
信号发生器，所述信号发生器将产生的激励信号作用在所述压电陶瓷片上，使所述压电陶瓷片产生振动；
所述压电陶瓷片将产生的振动作用于所述滑觉触板上，所述驻极体麦克风根据所述压电陶瓷片及机械手抓取物体时产生的振动信号，输出响应信号。
进一步的，所述触滑觉传感器还包括：
信号调理电路，其信号输入端口与所述驻极体麦克风的共振信号输出端口电气连接；
数据采集卡，其信号输入端口与所述信号调理电路的信号输出端口电气连接。
所述信号调理电路包括从信号输入端至信号输出端依次串联的音频信号放大电路和去噪电路。
进一步的，所述触滑觉传感器还包括：
功率放大器，设置在所述信号发生器与所述压电陶瓷片之间，以将所述信号发生器产生的激励信号放大后输入给所述压电陶瓷片。
所述激励信号为正弦扫频信号。
本发明的有益效果是：本发明触滑觉传感器通过在滑觉触板设置压电陶瓷片，通过信号发生器将产生的激励信号作用在压电陶瓷片上，使压电陶瓷片产生振动并作用于滑觉触板上，驻极体麦克风根据压电陶瓷片及机械手抓取物体时产生的振动信号，输出响应信号，通过该响应信号可判断机械手的抓取状态。本发明利用声学共振谱的方法来测量机械手在抓取过程中不同状态(空载、滑动、夹紧)的共振频率，作为判断机械完成手软抓取的判据，为机械手实时控制完成软抓取提供有力依据。并且，本发明触滑觉传感器主要由驻极体麦克风和激振片构成，具有结构简单、成本低的优点。
附图说明
图1为本发明实施例的结构图；
图2为机械手空载下频率扫描的时频域图，图中，左上图为(a)空载时域图，右上图为(b)空载频域图，左下图为空载频率扫描时域图，右下图为(d)经过处理的空载频域图；
图3为不同程度滑动状态的时频域图，图中，左侧三张图为滑动状态的时域图，右侧三张图为相应的频域图；
图4为四组不同夹紧状态下的时频域图，图中，左侧四张图为夹紧状态下的时域图，右侧四张图为夹紧状态下的频域图；
附图中：1机械手，2滑觉触板，3驻极体麦克风，4压电陶瓷片，5、信号发生器，6功率放大器，7信号调理电路，8数据采集卡。
具体实施方式
实施例：
根据本发明实施例一种基于主动激励信号获取共振信号的触滑觉传感器，应用于机械手1上，机械手1主要用于抓取物体，由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成，是一种能模仿人手臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手1目前常用器具，在此不展开详述。
触滑觉传感器包括：滑觉触板2、驻极体麦克风3、压电陶瓷片4、信号发生器5、功率放大器6、信号调理电路7和数据采集卡8。
滑觉触板2，安装在机械手1上，主要用来感觉机械手1在抓取过程中的接触和滑动，通常采用硬度较强的薄铁片，表面加工成粗糙状以此来感受物体的滑动。
驻极体麦克风3，设置在滑觉触板2上。驻极体麦克风3主要用于获取机械手1在抓取过程中产生的振动信号，即振动频率。
压电陶瓷片4，设置在滑觉触板2上。压电陶瓷片4是一种电子发音元件，在两片铜制圆形电极中间放入压电陶瓷介质材料，当在两片电极上面接通交流信号时，压电片会根据信号的大小频率发生震动。在本实施例中压电陶瓷片4会将振动传递给滑觉触板2。
信号发生器5，信号发生器5产生激励信号并作用在压电陶瓷片4上。信号发生器5主要用于产生激励信号，并将该激励信号传输给压电陶瓷片4，以作为压电陶瓷片4的输入信号。优选的，信号发生器5为NI-ELVISⅡ+，其可实现步进扫描，是可以根据需要调整步距大小和时间长短来实现频率扫描的设备。在一个例子中，信号发生器5的参数分别设置为：幅值为10V；截止频率为3kHz；步进为20Hz；间隔为10ms，以产生正弦扫频信号。
功率放大器6，设置在信号发生器5与压电陶瓷片4之间，以将信号发生器5产生的激励信号放大后作用在压电陶瓷片4上，以满足压电陶瓷片4对输入信号的要求。
信号调理电路7，其信号输入端口与驻极体麦克风3的共振信号输出端口电气连接，以接收从驻极体麦克风3输出的振动信号。信号调理电路7包括从信号输入端至信号输出端依次串联的音频信号放大电路和去噪电路。
信号调理电路7是指把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号电路。它完成传感器相应信号的转换、放大、滤波等，使得经过电路输出的信号满足A\D转换和控制执行机构所需的调节。传感器信号调理电路7的主要功能是提取声波换能器的电信号，对信号进行滤波、放大。传感器调理电路主要包括音频信号放大、去噪和工频信号滤波。
将传感器装在机械手1上与物体接触或滑动时，传感器输出电压信号，由于输出的电压信号非常小，所以必须对电压信号进行放大；又因为接触和滑动的频率比较低，所以对该信号进行低通滤波，同时消除外界噪音干扰。去噪电路的响应带宽可为20Hz～20KHz，其灵敏度可以调节，工作电压为12V，消除噪音效果非常好。放大电路可采用的是高性能低噪声运算放大器NE5532P对驻极体麦克风3输出的电压进行放大。
数据采集卡8，其信号输入端口与信号调理电路7的信号输出端口电气连接。数据采集卡8是进行数据采集的关键部件。根据实际情况分析，被测对象所需采集的信号为电压信号，因此在本实施例中可选用NI 9234数据采集卡8来对振动频率的数据进行采集。该采集卡的信号输入范围为±5V、能够对电压与音频信号进行高精度测量，并能够对麦克风进行软件可选式集成电路压电式(IEPE)信号调理。此外，该采集卡模块内部集成抗混叠滤波器，可根据所设定的采样率自动调整。
信号检测过程是当机械手1在抓取物体的过程中，对压电陶瓷片4输入正弦扫频信号对其进行激励，与被抓取物体产生共振信号由驻极体麦克风3接收，该过程就可以把整个抓取过程不同状态的信号采集并保存下来，通过后期对实验数据的处理提取特征信号，进而判断机械手1的抓取状态。
验证例：
根据实施例，在获取到共振信号后，可对该共振信号进行数据预处理，以验证本发明的可行性。对共振信号的数据预处理包括采用归一化、平滑、降采样来处理实验数据。
具体的，用本发明传感器做以下几组对比实验来验证其可行性：1)空载实验；2)滑动实验；3)夹紧实验。
1、空载实验
空载实验主要是对机械手1空载进行频率扫描，扫描后的时频域图如图2所示。图(a)为空载时不加频率扫描的时域图，从图中不难看出空载时域图比较稳定，没有什么明显的变化，对(a)进行快速傅里叶变换(FFT)和数据预处理得到频谱图(b)，从中可以看到很多凌乱的频率分布其中，没有明显的频率点，因为这些都是来自外界和机械手1运行时产生的噪音。图(c)为空载频率扫描时域图，与图(a)相比有明显的变化，经过快速傅利叶变换(FFT)和数据预处理得到频谱图(d)，与图(b)相比，频谱图比较顺滑，不是凌乱分布，其中有两个比较明显的频率点。因此图(b)和图(d)之间的差异就可以从一方面来论证本传感器的可行性。
2、滑动实验
滑动状态是一个比较复杂的过程，滑动状态是机械手1在抓取过程中逐渐加力至能提起物体的过程。滑动过程的频谱图如图3所示，从中可以看出，滑动状态的频谱图是不稳定的，在不同程度的滑动状态下有不同的频谱图，这为后面区分不同状态提供判断依据
3、夹紧状态
夹紧状态的判断是机械手1完成软抓取的关键条件，要求此状态具有很强的稳定性和可重复性。稳定性是在不同夹紧状态下进行频率扫描来判断在该状态的特征频率是否发生偏移或者改变；重复性则是对每次夹紧状态下的特征频率进行验证，看是否还能得到原来的特征频率。
图4是四组是抓取同一物体长方体型锂电池在抓紧状态下的时频域图，四组图分别表示不同程度的抓紧(机械手1手指没有发生形变)状态，从图中可以看出抓紧状态比较稳定，且有三个比较明显的峰值，即为物体在该状态下的共振频率。
表1-1十组抓紧状态下的特征频率
Figure BDA0002097774930000051
Figure BDA0002097774930000061
在前述实验中，使用均值和标准差来判断频率的波动程度。上述表1-1中是十组长方体锂电池在不同抓紧状态下的共振峰频率，表中的标准差反映了三个特征频率的波动大小，可以看出，锂电池在抓紧状态下共振峰相对稳定，偏移比较小。
上述的空载、滑动、夹紧三个实验表明，不同状态下的共振频率各不相同，其中空载和夹紧状态的共振频率比较稳定，滑动状态的共振频率是复杂多变的，不具有稳定性。因此，上述实验数据表明，该传感器能测出物体在不同状态下的特征频率，该特征频率可以为后期的软抓取提供判断依据。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于主动激励信号获取共振信号以判断机械手抓取状态的方法，包括触滑觉传感器，应用于机械手上，该机械手用于抓取物体，其特征在于，所述触滑觉传感器包括：
滑觉触板，设置在机械手上；
驻极体麦克风，设置在所述滑觉触板上；
压电陶瓷片，设置在所述滑觉触板上；
信号发生器，所述信号发生器将产生的激励信号作用在所述压电陶瓷片上，使所述压电陶瓷片产生振动；
信号调理电路，其信号输入端口与所述驻极体麦克风的共振信号输出端口电气连接；
数据采集卡，其信号输入端口与所述信号调理电路的信号输出端口电气连接；
功率放大器，设置在所述信号发生器与所述压电陶瓷片之间，以将所述信号发生器产生的激励信号放大后输入给所述压电陶瓷片；
所述压电陶瓷片将产生的振动作用于所述滑觉触板上，所述驻极体麦克风根据所述压电陶瓷片及机械手抓取物体时产生的振动信号，输出响应信号；所述信号调理电路包括从信号输入端至信号输出端依次串联的音频信号放大电路和去噪电路；所述激励信号为正弦扫频信号；
通过触滑觉传感器获取机械手抓取物体时产生的振动信号，并提取所述振动信号的特征信号，进而判断机械手的抓取状态。
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