基于pvdf的欠驅(qū)動多點手滑嗅覺系統(tǒng)設(shè)計

基于pvdf的欠驅(qū)動多點手滑嗅覺系統(tǒng)設(shè)計

0傳感器系統(tǒng)集成機器人智能操作的關(guān)鍵之一是進行軟掃描，即無損壞和損壞。通常情況下,機械手任務(wù)是抓取和操作,控制夾持力來防止目標物體與機械手之間發(fā)生相對滑動和形變。至今為止由于其系統(tǒng)是非線性,機構(gòu)方面未能突破難題。在上述研究中,機械手與環(huán)境的交互通過傳感器系統(tǒng)來實現(xiàn)無損傷抓取。觸覺傳感器是接觸式傳感器典型的代表,其集成接觸覺和力覺傳感器,具有成本低、響應(yīng)快等特性,適合于機器人傳感系統(tǒng)。本研究提出一種結(jié)構(gòu)簡單、體積小,易集成的聚偏二氟乙烯(PVDF)壓電式傳感器。1系統(tǒng)實驗裝置在機器人領(lǐng)域里,機械手完成精細、復雜作業(yè)任務(wù),應(yīng)具有決策權(quán),自動適應(yīng)環(huán)境,穩(wěn)定抓取對象。但是,獲得機器人與對象、環(huán)境相互作用時的一系列物理特征具有重要意義,比如,抓取對象的體積、外形、機械手與對象相互作用的摩擦系數(shù)。機械手具備觸覺信息,并能在環(huán)境中采集相關(guān)參數(shù),進行復雜操控任務(wù)。系統(tǒng)實驗裝置,如圖1所示。其主要由欠驅(qū)動多指手、直流無刷電機、Copley控制器、滑觸覺傳感系統(tǒng)4部分組成。2嘴唇旋轉(zhuǎn)機構(gòu)理想機械手設(shè)計應(yīng)具備以下特點:(1)簡化機器人整體系統(tǒng)的組裝;(2)提高整體系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性;(3)降低整體系統(tǒng)應(yīng)用成本。本研究應(yīng)用欠驅(qū)動多指手作為機器人與外界環(huán)境交互的夾持器。欠驅(qū)動多指手是由3只手指、手掌、手指旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)等構(gòu)成,如圖2所示。手指(1)通過耦合連桿(4)與絲杠(6)聯(lián)接,手指旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(5)能夠改變手指方位。包括手指位置旋轉(zhuǎn)自由度在內(nèi),該多指手共有11個自由度。3個手指呈120°均勻分布在手掌上,一只手指固定,其他二指可自由旋轉(zhuǎn)并且輔助前面的一指完成各種抓取任務(wù)。每個手指的三指節(jié)之間集成欠驅(qū)動機構(gòu),均由包絡(luò)抓取機構(gòu)和精確捏取機構(gòu)組成。包絡(luò)抓取機構(gòu)(3)采用兩套串聯(lián)的四連桿機構(gòu),并且與移動板(7)耦合,驅(qū)動三手指的張開和合攏;精確捏取機構(gòu)(2)采用兩套串聯(lián)的平行四邊形連桿機構(gòu),用于保持手指末端的姿態(tài)。通過手指旋轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)包絡(luò)抓取與精確捏取兩種不同抓取方式之間的轉(zhuǎn)換。手指之間應(yīng)用欠驅(qū)動的目的是簡化系統(tǒng)機構(gòu),本研究采用直流無刷電機(8)驅(qū)動三手指運動。本研究在欠驅(qū)動多指手末端指節(jié)安裝傳感器(9),做成30mm×12mm的平面,并且在傳感器與手指之間加上一層絕緣橡膠表皮保護層,以免造成對傳感器的損壞。3滑動傳感器設(shè)計滑觸覺傳感器設(shè)計由滑觸覺傳感器、電荷轉(zhuǎn)換、低通濾波、工頻陷波、輸出放大、Copley控制器組成,如圖3所示。3.1壓電薄膜的應(yīng)力本研究研制出集觸覺和滑覺與一體的復合傳感器,傳感器采用高分子壓電材料PVDF作為敏感元件,具有信號無明顯滯后現(xiàn)象,頻率響應(yīng)范圍廣,靈敏度比一般壓電材料高等特征。壓電是電介質(zhì)與力學性質(zhì)的耦合,沿一定方向在PVDF壓電膜表面施加力而使之變形,其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象,同時它的兩個表面上產(chǎn)生等量異號電荷;當外力去掉后,恢復不帶電狀態(tài)。在壓電彈性變形范圍內(nèi),電荷密度與作用力之間的關(guān)系是線性的,可用以下方程式表達:式中:A3—壓電薄膜表面積,d33—其厚度方向上的壓電應(yīng)力常數(shù),σ3—薄膜承受的應(yīng)力。PVDF壓電傳感器由PVDF薄膜和銅片用空心小鉚釘鉚接而成,引出正負電極,PVDF壓電傳感器用絕緣橡膠表皮封裝,如圖4所示。3.2pvdf壓電傳感器前置放大處理電路設(shè)計新型觸覺傳感器在機器人末端執(zhí)行器實現(xiàn)無損抓取具有重要意義,但是傳感器輸出微弱信號和內(nèi)部高阻抗等因素,因此設(shè)計PVDF壓電傳感器前置放大處理電路應(yīng)滿足以下條件:(1)將微弱電荷信號轉(zhuǎn)化為電壓信號;(2)將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出;(3)將電壓信號進行放大。調(diào)理放大器電路主要由電荷轉(zhuǎn)換電路、低通濾波電路、工頻陷波電路、放大輸出電路組成。3.2.1換電路工作原理PVDF壓電傳感器具有壓電效應(yīng),故可以把傳感器等效成靜電荷發(fā)生器或一種特殊的電容器。壓電傳感器測試中,電荷放大器是一種必不可少的信號處理電路,這部分的作用是將壓電傳感器的輸出電荷信號Q轉(zhuǎn)換成電壓信號U,同時與PVDF傳感器阻抗相匹配,實現(xiàn)阻抗變換,如圖5所示。電荷轉(zhuǎn)換電路為第1級,由AD544L電荷電壓轉(zhuǎn)換運算放大器、反饋電容C1和反饋電阻R1組成。本研究假設(shè)PVDF壓電應(yīng)變常數(shù)21×10-12C/N,以及R1負載電阻為無窮大,加單位力于傳感器,經(jīng)采集的信息傳遞給電荷轉(zhuǎn)化電路,計算出V01點理論電壓:根據(jù)式(3)得,通過調(diào)整反饋電容大小實現(xiàn)AD544L運放輸出靈敏度值的改變,權(quán)衡以下因素:噪聲、下限頻率、漂移和泄漏現(xiàn)象,本研究選擇了比較合適的反饋電容C1值。反饋電容和反饋電阻共同決定電荷放大器的下限頻率:第3級的電壓放大電路主要由一個最基本的負反饋反相放大器OP07構(gòu)成,其增益為:Rp1是最大阻值為100kΩ的可調(diào)電阻,其閉環(huán)增益A=-1~-2,因此,放大電路輸出的電壓信號放大倍數(shù)是可以通過改變Rp1的阻值來調(diào)節(jié),以便提供不同的增益。加單位力于傳感器,V02點輸出最大電壓為0.042V。其中R4+Rp1值不能太大,否則會產(chǎn)生較大的噪聲及漂移等干擾。3.2.2雙t形缺陷波器結(jié)構(gòu)由于欠驅(qū)動多指手進行抓取動作觸發(fā)傳感器產(chǎn)生觸覺、滑動信號,其頻率一般在0~100Hz之間。第3級由LM358運算放大器和RC元件可以構(gòu)成雙T形有源陷波器,如圖6所示,雙T形電路形式上對稱,由3個電阻和3個電容組成,其參數(shù)為R5=R6=2R7,R4=R5=0.5R6,陷波頻率為50Hz。第4級為2階低通濾波電路,如圖7所示,其參數(shù)設(shè)計必須滿足:R8=R9,C7=C8。,由基爾霍夫定律回路原理得:根據(jù)式(6)可以得到低通濾波器截止頻率:經(jīng)過濾波電路的信號放大了4倍。3.2.3屏蔽線的傳輸放大輸出如圖8所示,增益為:整個前置對傳感器信號放大了40倍,為了有效去除噪聲,需要用屏蔽線來傳輸信號,這樣明顯降低了傳輸信號的損耗,同時避免了外部無效信號的干擾。本研究根據(jù)上述硬件進行了測試,當物體接觸滑觸覺傳感器后,PVDF觸覺傳感器發(fā)出階躍信號,如圖9所示,若物體與傳感器之間有相對滑動,PVDF觸滑覺傳感器會產(chǎn)生交變電壓信號,如圖10所示。4系統(tǒng)接地方式欠驅(qū)動多指手對蘋果進行精確捏取和包絡(luò)抓取,如圖11和圖12所示。由實驗可知,機械振動、交流電源的工頻和電磁波高頻信號干擾、調(diào)理電路放大倍數(shù)等對PVDF觸滑覺傳感器信號采集造成影響,導致機械手誤操作,因此必須對實驗裝置進行接地以提高系統(tǒng)的抗干