劉偉，丁力平，翟建軍，武新光，賀鋆軒

(1. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016；2. 西安北方惠安化學(xué)工業(yè)有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

傳感器是機(jī)器人與工作環(huán)境直接產(chǎn)生作用的必備媒介，通過模仿人類的感知，反饋接觸、滑動、溫度等信息，進(jìn)而使機(jī)器人完成物體抓取等操作任務(wù)。而檢測機(jī)械手與物體間的滑動，是實現(xiàn)夾持力柔順控制和高精度抓取的關(guān)鍵所在。

常見的觸滑覺傳感器[1]主要有電容式、壓阻式、磁敏式、光纖式等，但這幾類傳感器因為精度不高、標(biāo)定復(fù)雜、難以集成等逐漸被淘汰。目前，壓電式應(yīng)用最廣，特別是近年來研發(fā)的聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)薄膜，由于其壓電能力強(qiáng)、柔性好、強(qiáng)度大、耐力學(xué)沖擊、耐腐蝕和可任意分割等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用[2]。它能同時檢測觸覺和滑覺信號，但兩者耦合在一起，分離上存在一定困難。

辛毅、田紅英等人[3]利用PVDF薄膜構(gòu)建了基于LabVIEW的觸滑覺識別系統(tǒng)，獲得了典型的觸覺信號和滑覺信號的變化曲線；張立勛等人[4]利用斜率和方差的計算對PVDF薄膜產(chǎn)生的信號進(jìn)行處理，區(qū)分物體的碰撞和滑動。但是，因物體的表面粗糙度等因素各不相同，采用閾值或斜率這類絕對值的方法判別具有一定的局限性；而方差法需要采集足夠多的信號才能提高算法的準(zhǔn)確性，在實時性方面不夠好。

本文以PVDF壓電薄膜作為傳感元件，將其用于檢測上、下料機(jī)器人末端執(zhí)行器柔順抓取過程中物體的滑動信息，并設(shè)計一種基于積分簡化的滑動信號識別算法，通過多次試驗，確定物體產(chǎn)生滑動時的信號閾值，為夾持力控制和調(diào)整提供準(zhǔn)確實時的反饋。

1 PVDF壓電薄膜的傳感原理

PVDF是一種含氟聚合物，極化之后有很強(qiáng)的壓電特性，經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)成為最具潛力的聚合物壓電材料[5]。

如圖1所示，將PVDF薄膜沿x方向單軸拉伸，沿z方向極化，處理之后可作為壓電傳感元件使用。使用時，薄膜表面受力產(chǎn)生的微振動會使其攜帶的電荷量發(fā)生變化，通過放大和處理轉(zhuǎn)化為電壓信號，即可以為控制系統(tǒng)提供反饋信息。

壓電方程[6]反映了晶體電學(xué)量和力學(xué)量之間的相互關(guān)系。處理后的薄膜壓電常數(shù)矩陣為：

(1)

此時外加電場為0，其壓電方程表示為：

Di=dijTj(i=1～3，j=1～6)

(2)

式中:T為應(yīng)力(N/m2)；D為電位移(C/m2)；d為壓電應(yīng)變常數(shù)矩陣。

PVDF壓電薄膜的電荷輸出是指它所有方向上的應(yīng)變在極化方向上作用的響應(yīng)[7]。試驗中所用壓電薄膜極化方向沿薄膜厚度方向，將其貼附在機(jī)械手指的內(nèi)表面。此時，傳感器有橫向和縱向兩個方向上的受力，故其輸出電荷可表示為：

Q=(d31S1+d32S2)·EA

(3)

式中:dij為壓電應(yīng)變常數(shù)；Si為應(yīng)變(i=1、2)；E為彈性模量；A為傳感器電極覆蓋的面積。

2 滑覺傳感器信號處理電路

傳感器的信號處理電路如圖2所示。電路以多級TL081運放作為核心元器件，分為電荷變換級、適調(diào)級、低通濾波器、末級功放、過荷級等幾個部分[8-9]。

整個信號處理電路可視為一個具有深度負(fù)反饋的運算放大器，其等效電路如圖3所示。

圖3 信號處理等效電路

Kf為放大電路的開環(huán)增益，則傳感器輸入電荷與電路輸出電壓之間的關(guān)系可用下式來表示：

(4)

式中：U0為電路輸出電壓；U1為等效輸出電壓；Q為傳感器電容的電荷量；Kf為放大器開環(huán)增益；C1為等效電容。

由米勒定理可知，等效電容與反饋電容的關(guān)系為：

C1=C+(1+Kf)Cf

(5)

式中：C=Ca+Cc+Ci；Ca為傳感器自身電容；Cc為電纜電容；Ci為輸出電容。

從本節(jié)推導(dǎo)也可以看出，PVDF壓電薄膜傳感器的輸出只與電荷量有關(guān)。薄膜振動產(chǎn)生電荷量越多，電壓信號越大；反之，電荷逐漸釋放，輸出電壓降為初始值。

3 基于積分簡化的滑動信號識別算法

理論上，由于壓電薄膜的電容特性[10]，機(jī)械手與物體之間接觸力變化產(chǎn)生的傳感器信號呈跳躍式，且持續(xù)時間很短，如圖4(a)所示；有相對滑動時，薄膜表面產(chǎn)生微振動，傳感器信號呈連續(xù)式，持續(xù)時間較長，如圖4(b)所示。

實際抓取過程中，機(jī)械手與物體接觸碰撞產(chǎn)生的信號對滑動狀態(tài)的檢測會產(chǎn)生干擾，因此，設(shè)計有效的滑動識別算法，區(qū)分接觸和滑動信號，才能準(zhǔn)確地反饋滑動狀態(tài)，這對實現(xiàn)柔順抓取至關(guān)重要。

圖4 理想電壓信號曲線示意圖

目前常用的方法有斜率識別和方差識別。斜率法以采樣起始點和極值點之間的斜率作為識別標(biāo)準(zhǔn)，然而實際上不同物體表面各不相同，信號極值波動較大，接觸和滑動引起的信號難以直接區(qū)分。方差法能夠反映信號趨勢，在一定程度上對兩者進(jìn)行區(qū)分，但是需要采集到足夠多的數(shù)據(jù)才能提高算法的準(zhǔn)確度，耗時較長，實時性不高。兩種方法均有一定的局限性，本文設(shè)計了一種積分簡化的識別算法，能夠?qū)崟r高效地判斷物體滑動程度。檢測到的傳感器電壓信號如圖5所示。

圖5 積分簡化算法識別示意圖

在一個采樣區(qū)間nT內(nèi)(n為采樣周期數(shù)，T為采樣周期)，電壓信號的極值為Vmax，矩形部分面積為S，與曲線及坐標(biāo)軸圍成的陰影部分面積為SV，則兩者可以分別表示為：

S=nTVmax

(6)

(7)

那么，物體的滑動程度δ可以表示為

(8)

考慮到積分計算的復(fù)雜程度，為提高算法的效率，將積分進(jìn)行如下簡化：

(9)

代入(8)式可得：

(10)

可見，δ值的大小即可以反映物體的滑動程度，而且值越大滑動程度越大。

理想情況下，積分簡化算法識別過程如圖6所示。圖6(a)為接觸力信號識別，圖6(b)為滑動信號識別。顯然當(dāng)取樣區(qū)間相同時，滑動信號的δ值遠(yuǎn)大于接觸力信號的δ值。

圖6 理想曲線的積分簡化算法識別示意圖

通過試驗發(fā)現(xiàn)傳感器輸出信號的初始值不為0，因此為了避免對滑動信號的識別造成影響，去除了陰影部分面積中初始值與坐標(biāo)軸圍成的部分，修改后的滑動信號識別算法為：

(11)

4 試驗驗證及結(jié)果分析

試驗所用美國某公司生產(chǎn)的PVDF壓電薄膜如圖7所示，厚度為150μm。薄膜一端鉚接兩根導(dǎo)線，分別連接壓電薄膜的兩面，導(dǎo)線與電荷運算放大器相連組成滑覺傳感器。

圖7 PVDF壓電薄膜

將壓電薄膜緊貼在機(jī)械手內(nèi)表面，當(dāng)其與物體有接觸或者相對滑動時，產(chǎn)生的電荷經(jīng)過調(diào)節(jié)電路處理之后轉(zhuǎn)化為電壓信號，通過UMAC控制器采集數(shù)據(jù)到上位機(jī)進(jìn)行處理，試驗系統(tǒng)整體如圖8所示。

圖8 滑動信號識別試驗系統(tǒng)

通過試驗得到的傳感器輸出波形如圖9所示，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到結(jié)果如下：

1) 由圖9(a)可以看出，抓取過程中機(jī)械手剛接觸到物體時由于碰撞傳感器信號突然增大，隨后快速降低并在初始值附近波動，利用式(11)積分簡化算法計算出此時δ=20.7%；

2) 隨著夾持力增大，完成物體的預(yù)夾緊并嘗試向上抬起如圖9(b)所示，物體仍有滑動產(chǎn)生，此時的δ=46.1%；

3) 當(dāng)夾持力增大到夾緊物體時無滑動產(chǎn)生，如圖9(c)和圖9(d)，傳感器信號幾乎沒有波動，δ值約為0。

圖9 滑覺傳感器輸出信號

為了驗證該積分簡化算法的先進(jìn)性及實用性，以滑動信號識別的準(zhǔn)確度和實時性作為兩個衡量指標(biāo)，對同一次抓取試驗采集到的有效數(shù)據(jù)，分別利用閾值法、斜率法及方差法進(jìn)行識別。經(jīng)過多次試驗，其中某5次結(jié)果如表1和表2所示。

表1 閾值法識別結(jié)果 單位：V

表2 斜率法識別結(jié)果 單位：V

由表1、表2的閾值法和斜率法識別結(jié)果可以看出，物體發(fā)生接觸和滑動時傳感器的電壓信號大小，沒有明顯的界限和規(guī)律，多次試驗的準(zhǔn)確率均低于10%。因此難以用來識別PVDF壓電薄膜傳感器的滑動信號。

在利用方差法識別時，同樣取前150個有效數(shù)據(jù)點，得到的接觸和滑動時信號沒有明顯區(qū)別，試驗準(zhǔn)確率較低，因此將取樣點擴(kuò)大到300個，識別結(jié)果如表3所示。接觸時信號方差普遍在1.2V2以上，而滑動時信號方差低于1.0V2，有一定的區(qū)分度。但是由試驗數(shù)據(jù)可知，當(dāng)采集的信號達(dá)到400個左右時物體已經(jīng)滑落，可見方差法的實時性不能達(dá)到要求。

表3 方差法識別結(jié)果 單位：V2

表4為積分簡化法識別結(jié)果，取樣點為150個?？梢钥闯鼋佑|信號與滑動信號的δ值具有明顯的區(qū)別：當(dāng)δ<23%時傳感器輸出的是接觸力變化引起的信號，當(dāng)δ>40%時產(chǎn)生的是滑動信號。對比方差法可知，取樣點少了一半，實時性得到提高，并且?guī)缀鯖]有誤判，準(zhǔn)確度較高。

表4 積分簡化法識別結(jié)果 單位：%

5 結(jié)語

本文將PVDF壓電薄膜作為檢測機(jī)器人柔順抓取過程中物體滑動程度的壓電傳感元件，利用調(diào)理電路對傳感器信號進(jìn)行處理，并基于其壓電特性提出一種積分簡化的滑動識別算法，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而判斷物體的滑動情況。通過抓取試驗驗證了算法的可行性和先進(jìn)性，結(jié)論如下：

1) 與傳統(tǒng)的閾值法、斜率法和方差法相比，本文提出的積分簡化算法具有更高的準(zhǔn)確性和實用性，識別速度提高近1倍；

2) 通過多次試驗確定δ值超過40%時物體即發(fā)生了相對滑動，可以將這種傳感器及滑覺信號識別算法應(yīng)用到機(jī)器人抓取過程中物體的滑動檢測，為實現(xiàn)柔順抓取提供反饋。