多感覺機械手實驗指導(dǎo)書

1、目 錄前 言 1實驗一 機械手操作實驗5實驗二 接近覺實驗9實驗三 接觸覺實驗15實驗四 滑動覺實驗19實驗五 熱覺實驗23實驗六 力覺實驗28實驗七 基于力覺、熱覺的信息融合和目標識別實驗33實驗八 基于多感覺的自適應(yīng)抓取實驗41前 言本實驗裝置是一種具有接近覺、接觸覺、滑動覺、力覺、熱覺等五種感覺的兩自由度智能機械手，所有感覺集中于手爪部位，通過手爪對模擬工件的操作，實現(xiàn)感覺信息的測量。在該實驗裝置上，可單獨完成以下機器人感覺實驗：·接近覺實驗·接觸覺實驗·滑動覺實驗·力覺實驗·熱覺實驗·示教和再現(xiàn)操作（工作方式類同于一般示教再現(xiàn)

2、機器人）·自適應(yīng)抓取實驗（抓取雞蛋、玻璃瓶等易碎物）·多信息融合算法實踐作為實驗裝置，它使學(xué)生直接面對科學(xué)研究前沿，除多個實驗可做生動的演示外，在信息處理部分可以融入自己的算法思想。在技術(shù)上，它具有控制方式靈活、人機界面友好、實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開放等特點?？勺鳛椤皺C械制造及其自動化”、“自動化”、“電子信息工程”等本科專業(yè)機器人技術(shù)課程的實驗裝置，也可用作相關(guān)專業(yè)研究生實踐及研究開發(fā)平臺。機械手本體力覺傳感器熱覺傳感器電腦接近覺、接觸覺、滑覺傳感器升降示教、實驗控制面板(操作)面板）虛擬儀器SYSTEM OK傳感器信息演示界面整個實驗裝置由機械手本體、控制器、計算機等三部分組成，

3、系統(tǒng)組成示意圖如圖0-1所示。圖0-1 實驗裝置結(jié)構(gòu)組成簡圖機械手本體由多感覺手爪（其中力傳感器裝在腕部）、升降筒、支撐力柱和底座工作平臺等組成，手爪的張開與閉合及手臂的升降均由步進電機驅(qū)動。手爪為絲杠螺母傳動，帶動一平移夾持機構(gòu)實現(xiàn)手爪開合。升降是滾珠絲杠傳動，螺母與升降筒固定在一起，由直線導(dǎo)軌保持其運動精度?？刂破饔煽刂泼姘澹ê壕э@示）、傳感器信號處理板、機械手控制板、電機驅(qū)動器、直流電源等組成?？刂泼姘澹ê壕э@示）是人機界面，由按鍵輸入，液晶輸出。傳感器信號處理板完成各種感覺信息的模擬信號處理，分別輸出到PC機和機械手控制板。機械手控制板包括感覺信號的A/D轉(zhuǎn)換、鍵盤輸入處理和各種實

4、驗功能的實現(xiàn)（含手爪及升降電機的控制）。計算機是各種感覺信息的演示界面，用LABVIEW軟件開發(fā)，能用多個窗口觀察各個感覺信息的實時變化，并進行多感覺信息融合算法的實踐。實驗主菜單界面首先將介紹具體的軟件運行界面，以及菜單的使用方法。在打開多感覺機械手實驗裝置軟件后，將直接彈出如圖0-2所示的實驗菜單界面：標題框菜單框圖0-2 實驗菜單界面由圖0-2可知，實驗菜單界面主要由標題框和菜單框組成。其中菜單框共包含7個菜單項，每個菜單項分別是一個實驗的入口，要進入某個實驗只需單擊相應(yīng)的菜單項，本實驗系統(tǒng)可以提供的實驗分別是：1.自適應(yīng)抓取實驗在自適應(yīng)抓取實驗中，將完成同時對4個傳感器的數(shù)據(jù)采集并顯示

5、數(shù)據(jù)的波形，而且可以實現(xiàn)將某個傳感器信號窗口進行放大觀察的功能。2.未知材料特征值提取實驗在未知材料特征提取實驗中主要完成對未知材料的力覺特征和熱覺特征的提取，并且提供一組參數(shù)，這些參數(shù)將在后續(xù)的多信息融合實驗中用來判斷機械手所抓取的工件的材質(zhì)。3.多信息融合實驗在多信息融合實驗中將使用未知材料特征提取實驗中所獲取的數(shù)據(jù)進行處理和判斷，并給出機械手所抓物體屬于某種材料的概率。4.接近覺實驗在接近覺實驗中，將實現(xiàn)對單一的接近覺傳感器信號的數(shù)據(jù)采集和分析。5.觸滑覺實驗在觸滑覺實驗中，將實現(xiàn)對單一的觸滑覺傳感器信號的數(shù)據(jù)采集和分析。6.力覺實驗在力覺實驗中，將實現(xiàn)對單一的力覺傳感器信號的數(shù)據(jù)采集和

6、分析。7.熱覺實驗在熱覺實驗中，將實現(xiàn)對單一的熱覺傳感器信號的數(shù)據(jù)采集和分析。在完成實驗以后要退出實驗菜單，可按下實驗菜單界面的最下方的退出鍵，如果要重新開始運行，可以點擊位于windows工具欄上的空箭頭按鈕（如圖0-3所示），它將再次啟動程序。重新開始按鈕圖0-3 實驗菜單界面注意：除了可以在實驗菜單中手工的選擇做某個實驗，也可以由控制箱選擇作某個實驗，即在控制箱上通過按鍵選擇作何種實驗，可以通過單片機和計算機的通信可以實現(xiàn)軟件自動選擇作的實驗。為了讓軟件自動實現(xiàn)實驗的選擇，必須確保從控制箱的串行通信線正確的接到計算機的COM 1口。假如串行通信線未成功連接，計算機將需要手工的選擇作何種實

7、驗，即通過菜單上的按鍵來實現(xiàn)實驗的選擇。實驗一 機械手操作實驗一、實驗?zāi)康牧私鈾C械手的控制結(jié)構(gòu)和示教方式。二、實驗裝置多感覺機械手實驗裝置三、實驗原理機械手控制結(jié)構(gòu)（框圖）如圖1-1所示。89c55單片機2864數(shù)據(jù)存儲8155接口8253接口ADC08098253接口感覺信息模擬輸入輸出脈沖頻率信號控制步進電機轉(zhuǎn)角及速度輸出脈沖個數(shù)的計數(shù)圖1-1 多感覺機械手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖中，8155接口負責(zé)機械手張開極限和升降極限位置的I/O檢測、對液晶的輸出顯示控制；ADC0809完成對各種感覺信號的AD轉(zhuǎn)換并輸入到計算機；2864芯片用于存儲各個實驗的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，兩塊8253完成對步進電機的脈沖信

8、號輸出及其計數(shù)。圖1-2 控制器面板機械手示教工作：在示教工作模式下，利用面板（圖1-2）上的相應(yīng)鍵操縱手臂、手爪，使之完成預(yù)期的軌跡。操作者可通過液晶顯示了解當(dāng)前工作區(qū)位置、示教內(nèi)容（工作點數(shù)）、當(dāng)前機械手位置等信息。示教模式工作流程如圖1-3示：圖1-3 示教工作流程四、操作步驟：1熟悉操作面板，通過面板上的“模式”按鈕選擇示教工作模式，顯示如下：Mode：TEACH2按確認鍵，進入示教模式，顯示如下：Mode：TEACHA00 A：2AF0 G：0000其中A00表明當(dāng)前工作區(qū)為A區(qū)（可通過工作區(qū)鍵切換至B、C、D區(qū)），目前無工作點數(shù)（00），工作點最大可保存60點，不能超出；A：2AF

9、0表明手臂當(dāng)前位置；G：0000表明手爪當(dāng)前位置。3示教過程中可以利用手爪的開、合，手臂的升、降點動和連續(xù)動作實現(xiàn)任務(wù)。如：手臂上升到指定位置后，顯示：Mode：TEACHA00 A：20A0 G：0000 按下“記憶”鍵，系統(tǒng)將機械手此運動過程保存下來供再現(xiàn)使用，顯示如下：Mode：TEACHA00 DOWN！Mode：TEACHA01 A：20A0 G：0000此時，表明系統(tǒng)已完成記憶工作，可繼續(xù)進行示教工作。4在示教模式下，若想刪除該工作區(qū)中的記憶內(nèi)容，利用“刪除”鍵實現(xiàn)。該功能鍵按下后，將當(dāng)前示教區(qū)最后一個示教工作點刪除，如此反復(fù)操作，可刪除當(dāng)前示教區(qū)所有工作點，以備新的示教程序使用。

10、顯示如下：Mode：TEACHA01 DELETE！Mode：TEACHA00 A：20A0 G：00005當(dāng)示教完成后，利用“模式”選擇鍵切換到再現(xiàn)模式下，顯示如下：Mode：PALYBACKA06 表明當(dāng)前再現(xiàn)任務(wù)工作區(qū)為A區(qū)，工作區(qū)示教點數(shù)為6。6按下“確認”鍵后機械手將先執(zhí)行回原點（尋找絕對原點）操作，然后按照示教順序完成示教任務(wù)。顯示如下：Mode：PALYBACKA06 STEP01STEP01表明當(dāng)前機械手正在完成第一個示教點的工作任務(wù)，然后依次是02、03、04、05、06，然后停止。再次按下“確認”鍵后重復(fù)上述操作過程。實驗二 接近覺實驗一、實驗?zāi)康牧私鈾C器人接近覺的工作原理

11、。二、實驗裝置多感覺機械手實驗裝置PCI6024E采集卡計算機三、實驗原理接近覺采用紅外反射光強法，其工作原理如下。紅外反射光強法接近覺的測量原理，如圖2-1所示。由紅外發(fā)光管發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的信號，紅外光敏管接收經(jīng)目標物反射的紅外調(diào)制信號，環(huán)境紅外光干擾的消除由信號調(diào)制和專用紅外濾光片保證。設(shè)輸出信號Vout代表反射光強，則Vout是探頭至工件間距離x的函數(shù)： Vout=f(x，p)式中p表示工件的反射系數(shù)。當(dāng)工件為p值一致的物體時，x和Vout一一對應(yīng)。典型的響應(yīng)為非線性曲線，如圖2-2所示，x距離的推算根據(jù)預(yù)先對各種目標物的接近覺測量實驗數(shù)據(jù)通過插值得到。反射系數(shù)p與目標物表面顏色、粗糙度等

12、有關(guān)，當(dāng)目標物顏色較深、接近黑色或透明時，反射光很弱。若以輸出信號達到某一閾值作為“接近”時，則對不同目標物，因其表面的顏色和粗糙度是不同，“接近”的距離是不同的。紅外光強法接近覺對大多數(shù)目標物是能找到“接近”感覺的，所以這一并不十分精確的簡單測距系統(tǒng)用做機器人的接近覺是完全能夠勝任的。圖2-2 接近覺響應(yīng)曲線圖2-1 紅外光強法接近覺原理接近覺信號處理電路分為發(fā)射部分和接收部分。信號調(diào)制與發(fā)射部分采用方波調(diào)制，電路見圖2-3，調(diào)制信號（方波）由NE555產(chǎn)生，其調(diào)制頻率由R1、R2、C2確定，改變電阻R2可改變占空比。調(diào)制頻率約為500Hz。圖中虛線框為接近傳感器的紅外發(fā)光管部分。 發(fā)射A

13、D C 圖2-3 接近覺信號調(diào)制與發(fā)射圖2-4 接近覺信號接收與解調(diào)信號接收及解調(diào)電路如圖2-4所示，虛線框中為紅外光敏三極管。圖中第一級用于檢測所接收的紅外光強度，電路中C3起直流隔離作用，抑制環(huán)境噪聲（環(huán)境光）的影響，后續(xù)電路由模擬開關(guān)和運放組成的混合電路實現(xiàn)解調(diào)功能。IC5A，IC5C為雙向模擬開關(guān)，控制信號由圖中C、D提供，控制邏輯相反。在正負半周分別控制不同的電路接入IC4B運放，使正負對稱的方波在輸出時變?yōu)槠浣^對值，經(jīng)低通濾波完成輸出直流信號與接近距離的對應(yīng)關(guān)系。解調(diào)過程波形分析如圖2-5所示。 圖2-5 接近覺信號解調(diào)過程波形四、操作步驟：1將多感覺機械手實驗裝置與上位機通過采集

14、卡聯(lián)接。2控制箱操作。熟悉操作面板，選擇接近覺實驗?zāi)Ｊ?，顯示如下：Mode：PROXIMITY 通過手臂“上升”、“下降”鍵和手爪“張開”、“合攏”鍵將機械手調(diào)整至合適的實驗位置，也即是手爪正常合攏可以實現(xiàn)對目標物體的抓取，然后利用“模式”鍵選擇接近覺實驗?zāi)Ｊ?，按下“確認”鍵后，機械手將自動完成接近覺的實驗內(nèi)容。具體順序是：機械手先回到準備位置上位機采樣數(shù)據(jù)將相應(yīng)的實驗窗口激活，顯示電壓波形變化機械手下降手爪合攏至接近覺信號有效為止，若接近覺信號始終滿足條件則當(dāng)觸覺信號有效時也可令機械手停止動作，顯示“OK！”。3、上位機操作。接近覺實驗的界面如圖2-6所示：接近覺界面的各項功能如圖2-6所示

15、，在接近覺波形記錄儀中將顯示接近覺信號，而觸滑覺信號將顯示在觸滑覺波形記錄儀中。在本實驗中之所以要顯示觸滑覺信號是要在實驗中揭示當(dāng)接近覺信號達到閾值電壓時，觸覺信號還未發(fā)生。在機器人工作狀態(tài)欄中可以根據(jù)用戶輸入的接近覺閾值電壓，判斷機械手是否接近，并給出機械手的工作狀態(tài)，給出分析的結(jié)果。圖2-6 接近覺實驗界面五、實驗步驟1、準備與調(diào)試。l 在實驗主菜單上選擇接近覺實驗。l 在多感覺機械手實驗裝置的硬件裝置上選擇接近覺實驗。l 設(shè)定接近覺閾值，接近覺閾值已經(jīng)由軟件系統(tǒng)設(shè)定了默認值，用戶可以改變閾值，其設(shè)定范圍時00hFFh。l 觀察接近覺波形變化。l 在實驗完成以后點擊“退出”鍵可以退回主菜單

16、。2、用形狀、尺寸相同，顏色不同的工件分別做接近覺實驗，觀察分析實驗結(jié)果。3、用表面粗糙度不同的工件分別做接近覺實驗，觀察分析實驗結(jié)果。4、設(shè)置不同的接近覺閾值，接近覺閾值已經(jīng)由軟件系統(tǒng)設(shè)定了默認值，用戶可以改變閾值，但一般應(yīng)保證輸出波形在3v7v之間，觀察接近覺位置的具體變化。調(diào)整如下：按下“閾值”鍵，出現(xiàn)如下顯示信息：Prox：20 以上表明接近覺當(dāng)前閾值為20，采用16進制，閾值范圍為00FFH。若想調(diào)整可通過“移位”鍵和“加1”鍵實現(xiàn)。例：將該閾值改為32，操作如下：按下“加1”鍵，出現(xiàn)如下顯示：Prox：30按下“移位”鍵，通過聲音提示，確認移位有效，再按“加1”鍵，將個位調(diào)整到1，

17、顯示如下：Prox：31 如要保留此設(shè)定值的話，按下“確認”鍵，此操作將修改值保存到EEPROM中，若不想在今后的實驗中使用該閾值，則不需按“確認”鍵，在系統(tǒng)關(guān)機后，此閾值即丟失。注：由于下面的傳感器實驗都存在閾值設(shè)定的問題，其修改方式相同，后不在贅述， 而不同的傳感器閾值可通過閾值鍵切換，閾值鍵按下后將依次出現(xiàn)下述顯示內(nèi)容：Touc：40 觸覺閾值Sl i d：15滑覺閾值 The1：1A 熱覺閾值1The2：1F 熱覺閾值2The3：28 熱覺閾值3Fo r1：15 力覺閾值1Fo r2：30力覺閾值2Fo r3：45 力覺閾值3實驗三 接觸覺實驗一、實驗?zāi)康牧私鈾C器人接觸覺的工作原理。二

18、、實驗裝置多感覺機械手實驗裝置PCI6024E采集卡計算機三、實驗原理接觸覺、滑覺信號是從同一信號源中分離出來的，即屬于一體多能的傳感器類型，接觸覺是指單點的觸感，所以能否在同一觸滑覺傳感器中有效分離接觸覺、滑覺信號是問題的關(guān)鍵所在。換句話說，接觸覺、滑覺信號取源于同一信號源這一問題解決的關(guān)鍵取決于它們之間有無各自明顯的特征。本實驗裝置的接觸覺、滑覺復(fù)合傳感器選用高分子有機壓電材料PVDF做傳感器的敏感材料，它對接觸和滑動的信號響應(yīng)是有明顯區(qū)別的，關(guān)鍵在于該傳感器的包封表皮(與工件接觸面)必須既能夠傳遞接觸力，而且當(dāng)表皮上有相對滑動發(fā)生時能引發(fā)表皮的誘導(dǎo)微振動。圖3-1 a)、b)是典型的接觸

19、覺和滑覺響應(yīng)曲線。b）a）a）接觸信號 b）滑動信號圖3-1 接觸覺和滑覺典型響應(yīng)信號PVDF質(zhì)地柔軟，壓電電壓常數(shù)高，頻響寬，所以用它可以制作形態(tài)各異而靈敏度 又很好的觸滑覺復(fù)合傳感器，圖3-2是將接近覺探頭安裝于觸滑覺傳感器之中的三感覺傳感器組合體的結(jié)構(gòu)圖，傳感器的外形則被設(shè)計成機械手爪的手指形狀，以便直接安裝。圖3-2 三感覺組合傳感器結(jié)構(gòu)圖3-3是觸滑覺傳感器的信號調(diào)理電路框圖，電荷放大器的功能是將微弱的壓電信號放大，濾波的作用是濾去信號源中的高頻雜波。另外50Hz工頻的干擾也是不可忽略的，所以濾波電路一般由一低通濾波器和50Hz的陷波電路組成。在信號送A/D轉(zhuǎn)換前，還需進行電平轉(zhuǎn)換與

20、限幅，以便與A/D輸入電壓要求匹配。圖3-3 觸滑覺傳感器信號處理電路框圖 圖3-4 電荷放大器的輸入級觸覺信息的數(shù)據(jù)處理時，用均值作為觸覺信息的特征，即：實時監(jiān)控觸覺信號的變化，當(dāng)特征值（均值）大于指定的觸覺閾值時，認為傳感器已與物體接觸，平時的噪聲通過下述方式抑制：無接觸時噪聲的抑制用判別式：式中: ：采樣得到的觸覺信號值；s： 噪聲水平。 圖3-5 電壓跟隨與濾波四、操作步驟：1、將多感覺機械手實驗裝置與上位機通過采集卡聯(lián)接。2、控制箱操作熟悉操作面板，選擇觸覺實驗?zāi)Ｊ?，顯示如下：Mode：TOUCH 通過手臂“上升”、“下降”鍵和手爪“張開”、“合攏”鍵將機械手調(diào)整至合適的實驗位置，也

21、即是手爪正常合攏可以實現(xiàn)對目標物體的抓取，然后利用“模式”鍵選擇觸覺實驗?zāi)Ｊ?，按下“確認”鍵后，機械手將自動完成觸覺的實驗內(nèi)容。具體順序是：機械手先回到準備位置上位機采樣數(shù)據(jù)將相應(yīng)的實驗窗口激活，顯示電壓波形變化機械手下降手爪合攏至觸覺信號有效機械手停止動作，顯示“OK！”。3、上位機操作。接觸覺實驗的界面如圖3-6所示：觸滑覺界面的各項功能如圖3-6所示，在觸滑覺波形記錄儀中將顯示觸滑覺信號，而接近覺信號將顯示在接近覺波形記錄儀中。在本實驗中之所以要顯示接近覺信號是要在實驗中揭示當(dāng)接近覺信號達到閾值電壓以后，觸覺信號立即就會發(fā)生。在機器人工作狀態(tài)欄中可以根據(jù)用戶輸入的觸滑覺閾值電壓，判斷機械

22、手是否接近，并給出機械手的工作狀態(tài)，給出分析的結(jié)果。圖3-6 觸滑覺實驗界面五、實驗步驟1、準備與調(diào)試l 實驗主菜單上選擇觸滑覺實驗。l 在多感覺機械手實驗裝置的硬件裝置上選擇接觸覺實驗。l 設(shè)定接觸覺閾值，接觸覺閾值已經(jīng)由軟件系統(tǒng)設(shè)定了默認值，用戶可以改變閾值，其設(shè)定范圍是00hFFh。最好設(shè)定在4F以內(nèi)。l 觀察接觸覺波形變化。l 在實驗完成以后點擊“退出”鍵可以退回主菜單。2、用不同尺寸的物體做接觸覺實驗，觀察機械手合攏時的動作過程3、設(shè)置不同的接觸覺閾值（設(shè)置方法同接近覺），重復(fù)步驟2，觀察機械手合攏時的動作過程，比較在不同閾值下機械手合攏時接觸過程的區(qū)別，分析為什么？實驗四 滑動覺實

23、驗一、實驗?zāi)康牧私鈾C器人滑動覺的工作原理二、實驗裝置多感覺機械手實驗裝置PCI6024E采集卡計算機三、實驗原理滑覺傳感器與觸覺傳感器為同一傳感器，用壓電材料PVDF做敏感材料，其工作原理見實驗三，滑動覺的信號處理方法如下。滑覺信號的典型響應(yīng)與接觸覺信號相比，它有交變性和交變持續(xù)性，那么我們可以用交變信號離散數(shù)據(jù)的特征值方差作為滑動覺信號的標志。當(dāng)然這樣的處理也存在一些問題：第一，接觸過程的方差與滑動時方差并無太大差別，因為接觸過程中振動也很劇烈；第二，滑移一般是操作過程需要嚴格控制的，不允許有長時間的滑動以產(chǎn)生連續(xù)交變信號。為解決上述問題，有以下二種途徑可供選擇：其一，接觸和滑動有邏輯上的先

24、后關(guān)系，即先接觸后滑動，滑動是手爪對工件的提升過程中產(chǎn)生的，該過程不會有第二個接觸信號產(chǎn)生，所以仍可用方差作為滑覺特征值；其二，選擇適當(dāng)?shù)牟蓸又芷冢沟貌傻降幕瑒有盘栔袚碛幸幌盗械姆逯迭c。圖4-1 滑動的檢測如圖4-1所示的P、Q等點，當(dāng)計算機檢測到輸出信號具有多個拐點，且拐點間的值之差滿足一定要求時（排除噪聲干擾，確認是由誘導(dǎo)振動所引起），表明已有滑動產(chǎn)生。用前一種方法可以實現(xiàn)無滑移的抓取動作，因為只要當(dāng)物體有滑動趨勢時，滑覺信號就生成了。后一種方法的滑動信號是通過找峰值點得到的，而這些峰值點只有當(dāng)包封表皮有誘導(dǎo)微振動時才可能產(chǎn)生，所以用這一方法檢測的滑動輸出必然伴有工件與手指間的相對滑動。

25、當(dāng)方差作為滑動信號的特征時，處理方法如下：設(shè)是計算機所采集到的接觸覺、滑覺信號的離散值，則接觸的特征值為： k=1,2,3 用方差作為滑覺的特征值，表達式為： k=1,2,3 計算機檢測觸滑覺信號是一個動態(tài)的連續(xù)過程，即按一定采樣周期，當(dāng)采到的信號達256個時開始計算均值，以后每采到一個新數(shù)據(jù)即將最前面的那個數(shù)據(jù)更新，從而保證得到的為最新結(jié)果?；瑒訕酥镜纳膳c接觸覺一樣采用閾值法，即當(dāng)滑覺特征值大于對應(yīng)的閾值時，認為滑動發(fā)生。四、操作步驟：1、將多感覺機械手實驗裝置與上位機通過采集卡聯(lián)接。2、控制箱操作熟悉操作面板，選擇滑覺實驗?zāi)Ｊ剑@示如下：Mode：SLID 通過手臂“上升”、“下降”鍵和

26、手爪“張開”、“合攏”鍵將機械手調(diào)整至合適的實驗位置，也即是手爪正常合攏可以實現(xiàn)對目標物體的抓取，然后利用“模式”鍵選擇滑覺實驗?zāi)Ｊ?，按下確認鍵后，機械手將自動完成滑覺的實驗內(nèi)容。具體順序是：機械手先回到準備位置上位機采樣數(shù)據(jù)將相應(yīng)的實驗窗口激活，顯示電壓波形變化機械手下降機械手減速上升等待滑覺刺激發(fā)現(xiàn)滑覺刺激機械手合攏一定距離繼續(xù)等待滑覺刺激，若有重復(fù)合攏動作若無，待減速上升到位后停止動作。顯示”O(jiān)K！”3、上位機操作。 滑動覺實驗的界面如圖4-2所示：圖4-2 觸滑覺實驗界面觸滑覺界面的各項功能如圖4-2所示，在觸滑覺波形記錄儀中將顯示觸滑覺信號，而接近覺信號將顯示在接近覺波形記錄儀中。在

27、本實驗中之所以要顯示接近覺信號是要在實驗中揭示當(dāng)接近覺信號達到閾值電壓以后，觸覺信號立即就會發(fā)生，在接觸以后開始向上提升抓物體，在這時有可能會發(fā)生滑動，當(dāng)觸滑覺波形記錄儀出現(xiàn)第二個波峰時說明物體發(fā)生滑動。在機器人工作狀態(tài)欄中可以根據(jù)用戶輸入的觸滑覺閾值電壓，判斷機械手是否接近，并給出機械手的工作狀態(tài)，給出分析的結(jié)果。五、實驗步驟1、準備與調(diào)試。l 在實驗主菜單上選擇觸滑覺實驗l 在多感覺機械手實驗裝置的硬件裝置上選擇滑動覺實驗l 設(shè)定滑動覺閾值，滑動覺閾值已經(jīng)由軟件系統(tǒng)設(shè)定了默認值，用戶可以改變閾值，設(shè)定范圍是20h4Fh。l 觀察滑動覺波形變化。l 在實驗完成以后點擊“退出”鍵可以退回主菜單

28、。2、抓取過程中用手指做模擬滑動，觀察發(fā)生的現(xiàn)象并作出分析。 注：為保護傳感器表皮，滑動刺激應(yīng)選用比較光滑的物體?？梢栽诨瑒佑X傳感器上做模擬滑動實驗，其滑動過程的響應(yīng)曲線將在對應(yīng)的虛擬儀器窗口顯示。對一些比重較大的物體，在設(shè)置較小的預(yù)夾緊力前提下，在抓取過程中將發(fā)生滑動，所以也可用實物做滑動覺實驗。對一些較輕物體可以觀察無滑動抓取過程的滑動覺響應(yīng)過程。推薦用一次性塑料杯倒置夾取完成此實驗實驗五 熱覺實驗一、實驗?zāi)康牧私鈾C器人熱覺的工作原理二、實驗裝置多感覺機械手實驗裝置PCI6024E采集卡計算機三、實驗原理：熱覺傳感器由一加熱元件與溫度傳感器組成，其結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。圖5-1 熱覺傳感器的

29、結(jié)構(gòu)示意圖包封表皮金屬殼體基底材料加熱元件溫度傳感器溫度傳感器溫度傳感器溫度傳感器溫度傳感器加熱元件基底材料金屬殼體加熱元件基底材料加熱元件基底材料加熱元件基底材料金屬殼體引 線加熱元件用恒功率的方式將傳感器體加熱到一定溫度（比環(huán)境溫度高一定值），當(dāng)物體接觸傳感器表面時，發(fā)生熱傳導(dǎo)，使傳感器的表面溫度降低，由溫度傳感器檢測傳感器表面溫度的變化，這種變化與物體的導(dǎo)熱性能有關(guān)，猶如人手對物體的冷熱感覺，在機器人中稱做熱覺。熱覺的響應(yīng)過程較慢，當(dāng)傳感器與目標物接觸時，由于傳感器表面溫度高于目標物溫度，熱量從傳感器傳導(dǎo)至目標物，傳感器表面溫度下降，熱覺輸出信號幅值增大。隨著熱傳導(dǎo)過程的繼續(xù)，目標物的被

30、接觸表面溫度上升，熱傳遞減弱，熱覺信號到峰值后又開始下降，導(dǎo)熱性好的物體熱覺信號峰值高，導(dǎo)熱性差的物體則反之，這一過程根據(jù)不同的目標物約需510秒。若用常規(guī)的峰值檢出法判斷目標物的導(dǎo)熱性（以峰值的大小作為熱覺的判斷特征），其實時性很差，作者在多次實驗后發(fā)現(xiàn)，用熱覺信號上升斜率作為特征值來判別目標物的導(dǎo)熱性，其判別效果也相當(dāng)好，且熱覺識別時間可大大縮短，這一方法可用圖5-2來描述，圖中為兩種不同導(dǎo)熱系數(shù)目標物的熱覺響應(yīng)曲線，它們有不同的峰值，這些峰值的檢出需要等待的時間為t0，若用信號上升斜率來判別，則選擇t1時刻后的內(nèi)信號幅值的變化。導(dǎo)熱性好的目標物大，反之小，利用值也可和目標物的導(dǎo)熱性建立對

31、應(yīng)關(guān)系。這一方法使用效果的好壞與t1的選擇有很大關(guān)系，一般，t1設(shè)在熱傳導(dǎo)穩(wěn)定的起始時刻比較好，因為此刻等待時間還不長，且信號也已穩(wěn)定，具體實現(xiàn)時這一時刻可利用觸覺信號發(fā)生后作適當(dāng)延時后觸發(fā)。當(dāng)取得后，作分析比較，可得到相應(yīng)目標物的導(dǎo)熱性。這一方法可在有限幾種樣本內(nèi)得到理想的結(jié)果，如，銅、膠木、木頭等。圖5-2 熱覺信息的判別 A Vi圖5-3 溫度檢出與補償本裝置中熱覺傳感器的探頭是溫敏電阻，圖5-3中HEAT1、HEAT2接溫度傳感器，COMP1、COMP2接補償電阻，電路的工作信號Vi由電壓基準LM336經(jīng)運放電壓跟隨后取得，電壓值2.5V。電路由三個運放組成差分放大形式，IC10直接感

32、知傳感器接觸物體時的溫度變化，由于環(huán)境溫度改變的影響，加了一個置于周圍環(huán)境的探頭作為補償元件，以差分的形式接入IC12。 A圖5-4 放大濾波、電平轉(zhuǎn)換 圖5-4是信號放大、偏置調(diào)節(jié)濾波和輸出電路，調(diào)節(jié)偏置電壓由調(diào)節(jié)電阻P2完成，P3用于調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。C13起濾波作用。THERMO2為010V的信號，提供給控制電路，THERMO1為05V的信號，輸送到采集卡。四、操作步驟：1、將多感覺機械手實驗裝置與上位機通過采集卡聯(lián)接。2、控制箱操作熟悉操作面板，選擇熱覺實驗?zāi)Ｊ?，顯示如下：Mode：THEROMETOR 通過手臂“上升”、“下降”鍵和手爪“張開”、“合攏”鍵將機械手調(diào)整至合適的實驗位置，也

33、即是手爪正常合攏可以實現(xiàn)對目標物體的抓取，然后利用“模式”鍵選擇熱覺實驗?zāi)Ｊ?，按下“確認”鍵后，機械手將自動完成熱覺的實驗內(nèi)容。具體順序是：機械手先回到準備位置上位機采樣數(shù)據(jù)將相應(yīng)的實驗窗口激活，顯示電壓波形變化機械手下降手爪合攏接近覺信號有效后手爪減速合攏觸覺信號有效后手爪停止動作機械手進行熱覺判斷并將判斷結(jié)果送顯示，完成后顯示“OK！”。Mode：THEROMETORThe Object Is BL判斷結(jié)果顯示如下：表明物體為第一類物體（如木） Mode：THEROMETORThe Object Is AL 表明物體為第二類物體（如鋁）Mode：THEROMETORThe Object I

34、s CU 表明物體為第三類物體（如銅）Mode：THEROMETORThe Object Is FE 表明物體為第四類物體（如鐵）3、上位機操作。 熱覺實驗界面如圖5-5所示：圖5-5 熱覺實驗界面熱覺實驗界面的各項功能顯示在圖5-5中，熱覺信號將會顯示在熱覺波形記錄儀上，系統(tǒng)還可以根據(jù)用戶輸入的熱覺信號閾值判斷機械手是否已經(jīng)抓取物體，并給出機器人工作狀態(tài)和分析的結(jié)果。五、實驗步驟1、準備與調(diào)試。l 在實驗主菜單上選擇熱覺實驗。l 在多感覺機械手實驗裝置的硬件裝置上選擇熱覺實驗。l 設(shè)定熱覺閾值，熱覺閾值已經(jīng)由軟件系統(tǒng)設(shè)定了默認值，用戶可以改變閾值，設(shè)定范圍是00hFFh。l 觀察熱覺波形變化

35、。l 在實驗完成以后點擊“退出”鍵可以退回主菜單。2、不同材料的工件做熱覺實驗，測得物體的導(dǎo)熱性，進一步推得物體的材質(zhì)。實驗六 力覺實驗一、實驗?zāi)康牧私鈾C器人力覺的工作原理。二、實驗裝置多感覺機械手實驗裝置PCI6024E采集卡計算機三、實驗原理 機器人力覺傳感器裝于機械手的腕部，為一彈性十字梁結(jié)構(gòu)，如圖6-1所示，其內(nèi)園與機械手的爪部相連，外緣與機械手的臂部相連，十字梁上粘貼有8個應(yīng)變片，構(gòu)成全橋電橋電路。當(dāng)機械手抓取物體時，彈性十字梁變形，電橋輸出對應(yīng)的電壓。上端蓋連接體彈性十字梁封裝板下端蓋X 圖6-1 力傳感器結(jié)構(gòu)圖 圖6-2 PVDF腕力傳感器裝配結(jié)構(gòu)圖1、5Y2、63、74、8這里

36、的腕力傳感器結(jié)構(gòu)，它在連接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用一種變形限制措施，由于連接體與彈性十字梁的軸向間隙很小，限制了傳感器的扭轉(zhuǎn)變形，從而使其具有良好的抗過載能力，這就大大減少了由于手爪受撞擊使力傳感器受損的程度。圖6-3 壓電應(yīng)變片在十字梁上的布置具體結(jié)構(gòu)如圖6-2所示。應(yīng)變片在傳感器彈性十字梁上的粘貼位置如圖6-3所示，共有8個壓電應(yīng)變片，分別貼在四根梁的兩側(cè)端面上，其中1、2、3、4在上端面，5、6、7、8在下端面，1與3，2與4，5與7，6與8串聯(lián)在一起，構(gòu)成電橋的四個橋臂電阻。由于十字梁的輪緣處由剛性差的薄壁梁支撐，故傳感器受力后十字梁有較簡單的受力模型，可提高力靈敏度，并減小其它受力方向?qū)Ψ?/p>

37、向的干擾。 力傳感器的處理電路框圖如圖6-4所示。電橋差動放大濾波A/D輸出圖6-4 力傳感器的處理電路框圖力覺傳感器為避免環(huán)境對其干擾，增設(shè)了一個前置放大電路，如圖6-5，經(jīng)過第一級放大將原信號放大1000倍。第二級用于偏置調(diào)整和輸出，放大5倍（圖6-6）。 圖6-5 第一級放大 B（進二次 A 電路）圖6-6 偏置調(diào)整和輸出經(jīng)過前置放大后，還須進行二次放大，電路相對比較簡單，只有輸入級、偏置調(diào)整、放大倍數(shù)調(diào)整及電平轉(zhuǎn)換。如圖6-7，輸入級為共模對稱形式，不會因為信號接反導(dǎo)致電路損壞。P4用于調(diào)節(jié)偏置電壓，P5調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。圖中輸出FORCE1為05V，接采集卡，F(xiàn)ORCE2為010V，接控

38、制線路。圖6-7 力覺二次放大、濾波、輸出四、操作步驟：1、將多感覺機械手實驗裝置與上位機通過采集卡聯(lián)接。2、控制箱操作熟悉操作面板，選擇力覺實驗?zāi)Ｊ?，顯示如下：Mode：FORCE 通過手臂“上升”、“下降”鍵和手爪“張開”、“合攏”鍵將機械手調(diào)整至合適的實驗位置，也即是手爪正常合攏可以實現(xiàn)對目標物體的抓取，然后利用“模式”鍵選擇力覺實驗?zāi)Ｊ?，按下“確認”鍵后，機械手將自動完成力覺的實驗內(nèi)容。具體順序是：機械手先回到準備位置若上位機需要采樣數(shù)據(jù)則將上位機相應(yīng)的實驗窗口激活機械手下降手爪合攏接近覺有效后減速合攏觸覺信號有效后停止合攏機械手夾持物體上升至一定高度后停止動作，此過程中滑覺信號工作機

39、械手進行力覺判斷，并將判斷結(jié)果送顯示機械手下降到原高度打開手爪，放開物體，完成后顯示”O(jiān)K！”。判斷結(jié)果顯示如下：Mode：FORCEThe Object Is BL 表明判斷結(jié)果為第一類物體（如木）Mode：FORCEThe Object Is AL表明判斷結(jié)果為第二類物體（如鋁）Mode：FORCEThe Object Is FE 表明判斷結(jié)果為第三類物體（如鐵）Mode：FORCEThe Object Is CU 表明判斷結(jié)果為第四類物體（如銅）3、上位機操作。 力覺實驗界面如圖6-7所示：圖6-7 力覺實驗界面力覺實驗界面的各項功能顯示在圖2-6中，力覺信號將會顯示在力覺波形記錄儀上，

40、系統(tǒng)還可以根據(jù)用戶輸入的力覺信號閾值判斷機械手是否已經(jīng)抓取物體，并給出機器人工作狀態(tài)和分析的結(jié)果。五、實驗步驟1、準備與調(diào)試。l 在實驗主菜單上選擇力覺實驗。l 在多感覺機械手實驗裝置的硬件裝置上選擇力覺實驗。l 設(shè)定力覺閾值，力覺閾值已經(jīng)由軟件系統(tǒng)設(shè)定了默認值，用戶可以改變閾值，設(shè)定范圍是00hFFh。l 觀察力覺波形變化。l 估計物體的重量（在控制箱的液晶屏上顯示，單位為克）。l 在實驗完成以后點擊“退出”鍵可以退回主菜單2、不同材料的工件（大小一樣）做力覺實驗，根據(jù)力覺輸出的相對值（穩(wěn)定狀態(tài)），從樣本中進一步推得物體的材質(zhì)。實驗七 基于力覺、熱覺的信息融合和目標識別實驗一、實驗?zāi)康牧私夂?/p>

41、實踐多信息融合算法及其在目標物體識別中的應(yīng)用。二、實驗裝置多感覺機械手實驗裝置PCI6024E采集卡計算機三、實驗原理1、用力覺和熱覺信息實現(xiàn)目標物材質(zhì)分類的Bayes方法設(shè)工件的材質(zhì)屬于各類Ai(i =1,2,3,4 分別對應(yīng)銅、鐵、鋁、膠木)的先驗概率P(Ai)相等，即： 對于每種材質(zhì)，傳感器j (j=1,2 對應(yīng)力覺、熱覺傳感器)測量值Xj假設(shè)滿足高斯分布，i對應(yīng)工件的材質(zhì)，即各測量值的先驗概率密度為： i=1,2,3,4 j=1,2 實際融合時，對應(yīng)第九章第一節(jié)中各條件概率P(Bj/Ai)可用如下方法得到，即假定觀測值發(fā)生在先驗概率分布中均值上的概率視為1，則實際觀測值的概率為以均值為

42、中心軸的兩側(cè)概率分布之和，這一方法可由圖7-1直觀地表示。設(shè)機器人某次作業(yè)時，對某未知工件的操作，力覺得到的觀測值為B1、熱覺觀測值為B2，則： （1）圖7-1 力覺、熱覺對四種材質(zhì)目標物的先驗概率分布 （2） 由此可以得出各傳感器j的觀測Bj后工件分屬各類Ai的后驗概率，由Bayes條件概率公式可表示為： j=1,2 i=1,2,3,4 （3） 力覺、熱覺信息融合后的結(jié)果可表示為： i=1,2,3,4 （4）由（3）、（4）式可以算出工件分屬各類的概率：、 i=1,2,3,4，其中前二個分別對應(yīng)力覺、熱覺單獨觀測的結(jié)果，后者為兩傳感器融合的結(jié)果，得到后驗概率后再根據(jù)以下二條規(guī)則來確定工件的材

43、質(zhì)類別： ·規(guī)則1：目標類別應(yīng)具有最大的后驗概率 ·規(guī)則2：目標類別與其它類別的后驗概率的差值必須大于某一閾值2、證據(jù)理論法 采用證據(jù)理論方法時，同樣假設(shè)每種材質(zhì)類別Ai，傳感器j，(i=1,2,3,4 j=1，2)，實際測量的觀察值Xj滿足高斯分布N，即先驗概率為：j=1，2 定義傳感器j與類別的相關(guān)系數(shù)為： 的含義同Bayes方法的，在這里寫為更一般的表示式，顯然。 對各傳感器的基本可信度分配m1和m2，我們按照如下方法計算可信數(shù)： 傳感器與目標類別的最大相關(guān)系數(shù) 傳感器j與各相關(guān)系數(shù)的分布系數(shù) 傳感器j的可靠系數(shù) 傳感器j賦予類別i的基本可信數(shù) 傳感器j的不確定性概率

44、值其中，在計算傳感器的不確定性（）時，主要考慮了傳感器自身的不可靠性因素和傳感器與目標類別間相關(guān)的不可靠因素。 按上述定義得到兩個基可信度后，可通過第九章第二節(jié)中的Dempster合并規(guī)則來進行融合，得到，融合后的基本可信度m(i)：i=1,2,3,4和不確定性概率為： 其中 證據(jù)區(qū)間Bel(x)，pl(x)根據(jù)基本可信度函數(shù)計算得出，即： 針對機器人的每一次操作(抓目標物)，可得到有關(guān)目標物體的力覺值和熱覺值，通過上述求法，得到融合前后傳感器數(shù)據(jù)對每一目標類別的證據(jù)區(qū)間和不確定性概率，據(jù)此可由以下規(guī)則來確定目標物的材質(zhì)類別： ·規(guī)則1：目標類別應(yīng)具有最大的基本可信度值 ·

45、規(guī)則2：目標類別與其它類別的基本可信度值的差必須大于某一閾值。 ·規(guī)則3：不確定性概率必須小于某一閾值。 ·規(guī)則4：目標類別的基本可信度值必須大于不確定性概率。上述實驗原理在計算機上完成具體實驗，在機械手控制器上采用的融合方法為加權(quán)平均法，即，根據(jù)力覺和熱覺測得的信息，由預(yù)先經(jīng)驗給出的加權(quán)系數(shù)算出對應(yīng)每一種目標物的可能性，以可能性大的準則給出判斷結(jié)果。四、操作步驟：1、將多感覺機械手實驗裝置與上位機通過采集卡聯(lián)接。2、控制箱操作熟悉操作面板，選擇信息融合實驗?zāi)Ｊ?，顯示如下：Mode：CONCREAT 通過手臂“上升”、“下降”鍵和手爪“張開”、“合攏”鍵將機械手調(diào)整至合適的

46、實驗位置，也即是手爪正常合攏可以實現(xiàn)對目標物體的抓取，然后利用“模式”鍵選擇信息融合實驗?zāi)Ｊ?，按下“確認”鍵后，機械手將自動完成信息融合的實驗內(nèi)容。具體順序是：機械手先回到準備位置若上位機需要采樣數(shù)據(jù)則將上位機相應(yīng)的實驗窗口激活機械手下降手爪合攏接近覺有效后減速合攏觸覺信號有效后停止合攏機械手進行熱覺判斷機械手夾持物體上升至一定高度后停止動作，此過程中滑覺信號工作機械手進行力覺判斷信息融合并將融合結(jié)果送顯示機械手下降到原高度打開手爪，放開物體，完成后顯示“OK！”。判斷結(jié)果顯示：Mode：CONCREATThe Object Is BL 表明判斷結(jié)果為第一類物體Mode：CONCREATThe

47、 Object Is AL表明判斷結(jié)果為第二類物體Mode：CONCREATThe Object Is FE 表明判斷結(jié)果為第三類物體Mode：CONCREATThe Object Is CU 表明判斷結(jié)果為第四類物體五、實驗步驟1、 未知材料特征提取 1）、上位機操作在未知材料特征提取的實驗中，將完成對所抓物體的力覺特征值和熱覺特征值的提取工作，以便為下一章多信息融合實驗準備好實驗數(shù)據(jù)。在實驗中主要的任務(wù)是當(dāng)需要確定某個物體的特征的概率分布時，必須多次重復(fù)抓取物體，一般超過10次，本實驗的軟件將可以會提供實驗進行的次數(shù)，每次試驗所提取的特征值，以及特征值概率分布的兩個重要參數(shù)：均值和方差。有

48、了這些參數(shù)將為下一個多信息融合實驗做好準備。未知材料特征值提取實驗的界面如圖7-2所示：在圖7-2中有兩個波形記錄儀，位于左邊的是力覺波形記錄儀，右邊的是熱覺波形記錄儀，以及三個按鍵，分別是“開始采集”、“退出本次數(shù)據(jù)采集”、“退出特征提取試驗”。在未知材料特征值提取實驗界面中十分重要的是右邊所列的幾組參數(shù):、右邊最上一個參數(shù)是特征提取實驗進行的次數(shù)，由于要提取一個特征需要多做幾次重復(fù)的實驗，通過多次抓取同一個物體，就可以確定未知材料的特征的概率分布。、在中間的一組參數(shù)就是根據(jù)多次特征提取所獲得的特征參數(shù)的概率分布，即力覺和熱覺特征值的均值與方差。、最下面的一組參數(shù)前兩個分別是最近一次測得的力覺和熱覺特征參數(shù)的值，最后一個是力覺的基準電壓。力覺波形記錄儀熱覺波形記錄儀物體特征值概率分布當(dāng)前數(shù)據(jù)采集所提取的特征值特征提取實驗進行次數(shù)圖7-2 未知材料特征值提取實驗界面2）、特征提取