演示文稿機(jī)器人滑覺傳感器

1機(jī)器人滑覺傳感器ppt課件現(xiàn)在是1頁\一共有30頁\編輯于星期五主要內(nèi)容：1.研究背景簡介2.滑覺傳感器的基本原理及組成結(jié)構(gòu)

3.傳感器輸出信號(hào)的頻譜分析

4.基于滑覺傳感器的抓取力實(shí)時(shí)控制

5.全文總結(jié)及研究方向概述現(xiàn)在是2頁\一共有30頁\編輯于星期五1.研究背景簡介

在機(jī)器人技術(shù)研究領(lǐng)域中，機(jī)械手是一種實(shí)際應(yīng)用較廣泛的自動(dòng)化機(jī)械裝置，涉及工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、軍事以及太空探索等領(lǐng)域。機(jī)械手必須具備以下特點(diǎn)：多自由度——實(shí)現(xiàn)物體的抓取，并進(jìn)行一系列操作；軟抓取技術(shù)——實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一；現(xiàn)在是3頁\一共有30頁\編輯于星期五軟抓取技術(shù)

使易碎物品的無損傷抓取成為現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)軟抓取需在機(jī)械手上安裝相應(yīng)的傳感器以獲取抓取位置、抓取力以及滑動(dòng)等信息。

滑覺傳感器是一種主要應(yīng)用于檢測(cè)機(jī)械手手爪與被夾持物體之間相對(duì)滑動(dòng)的裝置，其性能優(yōu)劣直接決定了機(jī)械手能否順利完成軟抓取任務(wù)?，F(xiàn)在是4頁\一共有30頁\編輯于星期五滑覺傳感器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

滑動(dòng)傳感器的研究大多是通過物體滑動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生的物理變化量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)來檢測(cè)物體是否產(chǎn)生滑動(dòng)。Maeno等在對(duì)人手指墊有限元分析的基礎(chǔ)上，研制出一種模仿人抓取物體特征的滑覺傳感器。傳感器彈性接觸表面安裝有多個(gè)應(yīng)變計(jì)，用于檢測(cè)滑動(dòng)時(shí)凸脊的應(yīng)變速度，通過檢測(cè)邊緣初始滑動(dòng)時(shí)的振動(dòng)信號(hào)判斷物體有無發(fā)生整體滑動(dòng)趨勢(shì)。在未知物體重量和表面摩擦系數(shù)的情況下實(shí)現(xiàn)了對(duì)物體成功抓取。現(xiàn)在是5頁\一共有30頁\編輯于星期五滑覺傳感器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

天津大學(xué)研制的基于光電原理的機(jī)器人用滑覺傳感器，通過把物理的滑動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，利用光電元件把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行檢測(cè)獲取物體滑動(dòng)信息。傳感器基本結(jié)構(gòu)1.基座2.光電器件3.滑覺觸頭4.反射鏡面5.夾持工作面現(xiàn)在是6頁\一共有30頁\編輯于星期五滑覺傳感器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

滑覺傳感器主要有電容式、壓阻式、磁敏式、光纖式和壓電式等類型。其中，壓電式應(yīng)用較廣，可同時(shí)檢測(cè)觸覺和滑覺信號(hào)，但觸覺信號(hào)和滑覺信號(hào)的分離存在一定困難。

滑覺傳感器主要存在以下問題：物理尺寸較大，重量大；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所需連接線較多；檢測(cè)精度低、靈敏度不高；對(duì)于形狀不規(guī)則的物體難以辨別接觸、非接觸以及滑動(dòng)狀態(tài)；

隨著機(jī)器人工作環(huán)境的復(fù)雜化，對(duì)機(jī)械手的操作性能要求越來越高，尤其信息融合技術(shù)的發(fā)展，需要在一只機(jī)械手指上安裝多個(gè)滑覺傳感器，這就對(duì)傳感器的體積、精度以及結(jié)構(gòu)等方面提出了更高的要求。現(xiàn)在是7頁\一共有30頁\編輯于星期五2.滑覺傳感器的基本原理及組成結(jié)構(gòu)力敏導(dǎo)電硅橡膠及其特性力敏導(dǎo)電硅橡膠是一種性能優(yōu)良的柔性觸滑覺傳感器材料，是以導(dǎo)電材料為填充粒子，基體采用膠體的一種高分子復(fù)合材料，炭黑填充型導(dǎo)電材料應(yīng)用較廣泛；Fig.(a)Initialstate(b)Currentrouteformation(c)Currentroutereduction(d)Currentrouterecovery

(a)(b)(c)(d)現(xiàn)在是8頁\一共有30頁\編輯于星期五傳感器的基本結(jié)構(gòu)兩電極交替盤繞成螺旋結(jié)構(gòu)（6mm×6mm），放置在環(huán)氧樹脂玻璃或柔軟紙板基底上，力敏導(dǎo)電橡膠安裝在電極的正上方。在滑覺傳感器工作過程中，通過檢測(cè)正負(fù)電極間的電壓信號(hào)并通過ADC將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，采用DSP芯片進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理并輸出結(jié)果，判定物體是否產(chǎn)生滑動(dòng)。Fig.Thebasicstructureofslipsensor現(xiàn)在是9頁\一共有30頁\編輯于星期五A：物體受切向力產(chǎn)生切向變形，R增大，Vc增大；B：在切向力作用下，物體沿傳感器表面發(fā)生滑動(dòng)的瞬時(shí)刻前，R不穩(wěn)定，傳感器輸出的電壓信號(hào)Vc表現(xiàn)為復(fù)雜的波動(dòng)現(xiàn)象。Fig.Changeinvoltageimmediatelybeforeslip現(xiàn)在是10頁\一共有30頁\編輯于星期五小波變換小波變換是一種強(qiáng)有力的時(shí)頻分析工具，是在克服傅立葉變換缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，已成功應(yīng)用于信號(hào)處理、圖像處理、模式識(shí)別等眾多領(lǐng)域。小波變換在時(shí)域和頻域均具有很好的局部化特征，能夠提供目標(biāo)信號(hào)各個(gè)頻率子段的頻率信息。

小波基函數(shù)將小波母函數(shù)進(jìn)行伸縮與平移：其中，a為尺度因子，τ為平移因子。稱是依賴參數(shù)a、τ的小波基函數(shù)。3.傳感器輸出信號(hào)的頻譜分析

數(shù)學(xué)顯微鏡

小波變換通過平移母小波可獲得信號(hào)的時(shí)間信息，而通過縮放小波的寬度(尺度)可獲得信號(hào)的頻率特性。根據(jù)母小波的縮放和平移可計(jì)算計(jì)算小波的系數(shù)，小波系數(shù)表征小波和局部信號(hào)之間的相互關(guān)系。現(xiàn)在是11頁\一共有30頁\編輯于星期五

將任意L2(R)空間中的函數(shù)f(t)在小波基下進(jìn)行展開，這種展開即為函數(shù)f(t)的連續(xù)小波變換。連續(xù)小波變換(ContinuousWaveletTransform,CWT)

變換過程選擇小波函數(shù)及其尺度a值。從信號(hào)的起始位置開始，將小波函數(shù)和信號(hào)進(jìn)行比較，即計(jì)算小波系數(shù)，系數(shù)反映了這種波形的相關(guān)程度。沿時(shí)間軸移動(dòng)小波函數(shù)，在新的位置計(jì)算小波系數(shù)，直至信號(hào)的終點(diǎn)。改變尺度a值，重復(fù)上述步驟現(xiàn)在是12頁\一共有30頁\編輯于星期五離散小波變換(DiscreteWaveletTransform,DWT)

連續(xù)小波變換的計(jì)算量較大，為減小小波變換系數(shù)冗余度，將小波基函數(shù)的a、τ限定在一些離散點(diǎn)上取值?？s放因子和平移因子一般都選擇為2^j的倍數(shù)。任意L2(R)空間中的函數(shù)f(t)離散小波變換為：DWT與CWT不同，在尺度—位移相平面上，它對(duì)應(yīng)一些如圖所示的離散點(diǎn)，因此稱之為離散小波變換。

現(xiàn)在是13頁\一共有30頁\編輯于星期五實(shí)驗(yàn)裝置Fig.Experimentalapparatus:objectslipgeneratorAutomaticZ-stage輸出法向載荷；滑動(dòng)傳感器水平放置；有機(jī)玻璃(20mm×20mm)；半球型受壓元件；Automaticlinearstage輸出拉力；力傳感器采樣頻率為10KHz；拉力使有機(jī)玻璃沿傳感器表面滑動(dòng)，滑動(dòng)速度為10mm/s；現(xiàn)在是14頁\一共有30頁\編輯于星期五

物體滑動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)頻率分量Fig.Experimentalresults:outputfromslipsensorandthetensileforceactingontheobject拉力的變化：

1s~3s，拉力增大；

3s以后，拉力為常量；物體在3s時(shí)刻從靜摩擦過渡到動(dòng)摩擦，即有機(jī)玻璃與傳感器表面產(chǎn)生滑動(dòng)；現(xiàn)在是15頁\一共有30頁\編輯于星期五Fig.CWTforobjectslip

①初始狀態(tài)，拉力較小，切向變形較小，電信號(hào)變化較小。信號(hào)中，高頻分量較少且能量較低；③拉力增大，切向變形變大在物體發(fā)生滑動(dòng)瞬時(shí)刻前，電信號(hào)高頻分量迅速增多，最高頻率為1KHz或以上；通過檢測(cè)傳感器在某一時(shí)刻輸出電信號(hào)中是否包含高頻分量即可判斷物體是否產(chǎn)生初始滑動(dòng)？

現(xiàn)在是16頁\一共有30頁\編輯于星期五法向力變化產(chǎn)生的信號(hào)頻率分量

Fig.6.Experimentalsetup:applyingnormalforce

調(diào)整automaticZ-stage的位置，改變法向載荷Fn的大小，分析傳感器輸出的電信號(hào)，并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行連續(xù)小波變換處理。

現(xiàn)在是17頁\一共有30頁\編輯于星期五Fig.CWTonoutputforloadingandunloading

法向載荷Fn變化過程中，電信號(hào)的頻率最大值為600Hz；

在機(jī)械手抓取物體的工作過程中，分析滑覺傳感器輸出的電信號(hào)中某一時(shí)刻是否包含高頻分量，就可以判斷物體在機(jī)械手抓取時(shí)有無產(chǎn)生滑動(dòng)。

現(xiàn)在是18頁\一共有30頁\編輯于星期五滑動(dòng)判定的閾值設(shè)定及影響因素分析

采用離散小波變換技術(shù)對(duì)傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行處理，提取電信號(hào)中的高頻分量，并設(shè)定某一合適的閾值，通過比較DWT的小波系數(shù)與閾值的關(guān)系判定物體是否發(fā)生初始滑動(dòng)。實(shí)驗(yàn)：

(1)滑覺傳感器表面只有法向載荷Fn；

(2)有機(jī)玻璃沿傳感器表面滑動(dòng)，初始法向載荷Fn分別為2N、3N、4N；

(3)改變滑動(dòng)物體的表面性質(zhì)，分別采用布料、木材、紙，使物體沿滑覺傳感器表面滑動(dòng)；

傳感器輸出的瞬變電信號(hào)中也包含法向載荷Fn變化引起的頻率分量，這會(huì)對(duì)判定物體是否發(fā)生初始滑動(dòng)產(chǎn)生一定的干擾，這就提出了如何高效、快捷地判定物體有無產(chǎn)生初始滑動(dòng)？現(xiàn)在是19頁\一共有30頁\編輯于星期五(1)滑覺傳感器表面只有法向載荷Fn

只改變作用于傳感器表面的法向載荷Fn的大小，對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行離散小波變換處理，其小波系數(shù)波動(dòng)較小(±0.005)，閾值設(shè)定為±0.01。Fig.Analysisresults:DWTforloadingandunloading現(xiàn)在是20頁\一共有30頁\編輯于星期五(2)有機(jī)玻璃沿傳感器表面滑動(dòng)，初始法向載荷Fn分別設(shè)置為2N、3N、4N

盡管初始法向載荷Fn設(shè)置為不同的值，分別為2N、3N、4N，但是在物體發(fā)生初始滑動(dòng)的瞬時(shí)刻前，均表現(xiàn)為DWT處理結(jié)果的小波系數(shù)超出了設(shè)定的閾值(±0.01)范圍。Fig.Analysisresults:DWTforobjectslip.Initialnormalforceis2N,3N,4N,respectively現(xiàn)在是21頁\一共有30頁\編輯于星期五(3)分別采用布料、木材、紙改變滑動(dòng)物體的表面性質(zhì)

分別采用布料、木材、紙等材料改變滑動(dòng)物體的表面性質(zhì)進(jìn)行滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)，均表現(xiàn)為DWT處理結(jié)果的小波系數(shù)超出了設(shè)定的閾值(±0.01)范圍，說明該滑動(dòng)傳感器同樣適用于檢測(cè)上述三種材料表面的物體滑動(dòng)特性。Fig.Analysisresults:DWTforobjectslip.Slidingobjectiscloth,wood,paper,respectively現(xiàn)在是22頁\一共有30頁\編輯于星期五

根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知：在對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行離散小波變換處理的基礎(chǔ)上，通過比較小波系數(shù)與所設(shè)定的閾值，可以將法向載荷Fn變化產(chǎn)生的電信號(hào)與物體發(fā)生滑動(dòng)產(chǎn)生的電信號(hào)區(qū)分出來，從而高效、快捷地判斷物體有無發(fā)生初始滑動(dòng)，對(duì)于表面特性不同的物體進(jìn)行滑動(dòng)檢測(cè)仍然有效?，F(xiàn)在是23頁\一共有30頁\編輯于星期五4.基于滑覺傳感器的抓取力實(shí)時(shí)控制Fig.Parallelhandwithinstalledslipsensors機(jī)械手單向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)位置精確控制，控制周期為10ms；機(jī)械手左右手指各安裝有滑覺傳感器，傳感器將輸出信號(hào)實(shí)時(shí)反饋給機(jī)械手，控制抓取力并判斷當(dāng)前的狀態(tài)；六軸力/力矩傳感器安裝在機(jī)械手右側(cè)，主要用于側(cè)量機(jī)械手的抓取力；激光位移傳感器用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)過程中物體垂直方向滑動(dòng)的位移大??；現(xiàn)在是24頁\一共有30頁\編輯于星期五

M1：

①機(jī)械手以最小力抓取一個(gè)空塑料瓶，機(jī)械手處于夾緊狀態(tài)；②向空塑料瓶中加入微小塑料顆粒，即逐步增大被抓取物體的重量；③當(dāng)塑料瓶整體重量接近由抓取力產(chǎn)生的摩擦力時(shí)，塑料瓶有向下滑動(dòng)趨勢(shì)；

④當(dāng)滑覺傳感器檢測(cè)出塑料瓶出現(xiàn)初始滑動(dòng)的趨勢(shì)，迅速增大機(jī)械手的抓取力使被抓取物體恢復(fù)到被夾緊狀態(tài)。機(jī)械手可以根據(jù)被抓取物體的重量變化實(shí)時(shí)調(diào)整抓取力，使被抓取物體始終保持被夾緊狀態(tài)而不發(fā)生滑動(dòng)；Fig.Motion1:increasinggrippingforcewhileholdinganobjectwithincreasingweight現(xiàn)在是25頁\一共有30頁\編輯于星期五

M2：

①機(jī)械手以較大力抓取一定重量的塑料瓶；②機(jī)械手逐漸減小抓取力；③當(dāng)滑覺傳感器檢測(cè)出塑料瓶出現(xiàn)滑動(dòng)的趨勢(shì)，迅速適度增大機(jī)械手的抓取力使被抓取物體恢復(fù)到被夾緊狀態(tài)；重復(fù)上述過程，機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)以最小力抓取該物體。實(shí)驗(yàn)過程中，被抓取物體只產(chǎn)生了0.5mm位移。Fig.Motion