關于機械手的滑動檢測裝置設計

王金海

摘 要：在研究在智能機械手技術方面，我國當前依然處在相對不成熟的階段，所以本文對于智能機械手的柔性抓取技術進行分析，同時探究機械手滑覺信號檢測方法和信號處理技術，提供給發展更先進的機械手柔性抓取技術重要的參考。

關鍵詞：機械手；滑動檢測裝置；離散小波變換；最小抓取力

在不同的環境中，應用機械手的范圍和數量在不斷的擴大，并且安全可靠的操作是機械手必須要實現的方面。本文致力于探詢可以柔性抓取的智能機械手，對于某物進行抓取時，可遵循不同對象相應的變動夾持力，不會對于物體造成傷害。

1機械手的滑動檢測裝置的設計方案

（1）滑覺傳感器的選擇方案

機器人觸滑覺傳感器對于人皮膚功能進行模仿，之后基礎目標物體形成相互之間的作用以后，收集目標物體表面特征、物體性能信息。若想實現觸滑覺傳感器具有較高的性能，在設計時，應該確保選用最佳的傳感器，保障觸滑覺傳感器的特征可以滿足：具有較高的柔韌性以及耐磨性，同時沖擊強度理想；對于動態力改變具有較高的敏感度；可以對于各工作環境產生的溫度改變情況具有較高的適應度；具有較高的安全可靠性同時，最大限度的減少成本。當前研究智能機械手技術時，PVDF壓電傳感器、PZT壓阻傳感器、壓阻傳感器是應用甚為廣泛的三種傳感器，但是優缺點各異。通常是采取三者中選一的方式，此次研究是展開三種傳感器對觸覺信號和滑覺信號分別實驗，對于各自的對于滑覺信號和觸覺信號靈敏度狀態進行觀察，最終選出最佳的滑覺傳感器。

（2）信號處理方案

在進行信號處理時，如果想對于滑動信號進行良好的識別，應該于時域和頻域上同一時間分析信號，將滑動信號的頻域特征進行找出。現下常應用對滑覺信號進行短時傅里葉變換和小波變換的方式展開分析信號，具有良好的應用效果。經這兩種方案，能夠對于滑動信號的頻域特征同其他信號之間不同性進行觀察，經相應的實驗把滑動信號的特征值和滑動閾值找到，對這兩項指標進行對比。如果特征值同設定滑動閾值相比較大，則表明具有滑動，反之如果特征值比滑動閾值小，則顯示出未形成滑動信號。

（3）反饋控制系統方案

科學的選用反饋控制系統方案至關重要。當前，具有廣泛應用的就是包括PWM控制直流電機以及模糊控制法。前者將檢測到的滑動信號作為依據，處理變換滑動信號以后，使得滑動特征值為處理后滑動信號的方差。如果滑動信號的特征值檢測結果顯示同預設滑動閾值相比遠遠超出，電機PWM模塊擋數提升一個，提升PWM脈沖寬度得到更大的占空比，再經直流電機的通電時間的增加實現機械手的抓取力度的提升。后者為實施模糊規則的模型方式，在解決非線性等問題方面產生更好的優勢以及便利性，但是具有相對繁雜性的控制策略。

（3）滑覺信號檢測系統總體控制方案

實際上，對于機械手的抓取力度進行控制為電機轉動的控制，對于電機轉動

圈數同夾持力產生的比重聯系進行觀察，可以對于電機轉動圈數進行控制，達到夾持力改變的效果。鑒于這種情況，應該遵循檢測的滑覺信號實施控制電機。一般的實施物體的夾取期間，先應該接觸被抓取物體，之后對于機械手進行良好的控制，達到預設初始夾持力效果。機械手以初始夾持力對于物體進行夾持以后，就需要固定好機械手張開角度，將物體緩慢的抬起期間，上位機對于滑覺信號展開采集，同時予以處理變換，并且對于下位機進行傳送處理后得出的滑動判斷結果。在其將有滑動信號命令接收之后會提升機械手夾持力度。如果已經不存在滑覺信號，就可以維持相同的夾持力，需要卸載的時候，可經對于電機反轉進行控制的舉措達到目標。系統總體硬件包括傳感器信號采集電路、滑覺傳感器、執行機系統以及單片機系統幾種。

2滑覺傳感器實驗研究和選型情況

機械手如果想要達到智能柔性抓取的成效，實施采集機械手與被抓物體滑動信號是至關重要的環節，而且為更加精準的對于滑動信號展開識別，就需要科學合理的選用傳感器。PVDF壓電傳感器能夠進行識別以及檢測滑覺信號，達到實驗要求標準，如果開啟室內電源，則電腦在通電狀態以后觀察到傳感器采集的電壓信號，盡管處在靜態環境中，依然會出現較顯著的波動，顯示出了PVDF壓電傳感器信號采集電路是非常易致使其受到干擾的，只能依靠復雜濾波電路應用，因此存在限制性問題；經實施PZT壓電傳感器實驗研究，通過對比觀察PVDF薄膜以及PZT壓電陶瓷，均為壓電傳感器，可以對于滑覺信號進行精準的檢測以及觸覺。但是一旦在機械手上進行應用，因PVDF薄膜屬于柔軟的質地，所以優勢更加明顯。同時PZT陶瓷壓電傳感器能夠對于聲音產生的振動產生較高敏感度，不容易適應工業應用期間較高噪聲比的環境。因此，采取PVDF薄膜的情況是較多的；壓阻傳感器具有較高的精度，同時頻率響應范圍較廣泛，靈敏度較高，設計電路簡單便捷等。綜合考慮各種因素，最終采取FSR-402壓阻傳感器實施實驗以及研究。

2滑覺信號檢測裝置的最終設計情況

（1）滑覺信號檢測裝置的硬件設計

全部滑覺信號檢測裝置涉及到FSR-402壓阻傳感器、壓阻傳感器需要串

聯的5MΩ電阻以及數據采集卡、上位機PC幾種。其中，數據采集卡為進行采集待測裝置發出的數字以及模擬信號，把所獲信號向PC進行傳遞，進而實施觀察以及分析工作。數據采集卡的模擬輸入阻抗是10MΩ，分辨率是12Bit（4096），具有+5V的供電壓力，具備要求標準的分辨率同時便于安裝。滑覺信號采集實驗裝置就是采取5kΩ的電阻與壓阻傳感器串聯，對于5kΩ定值電阻的電壓信號進行測量。采取砝碼（質量不同）壓在傳感器表面滑動，代替機械手的抓取力度方式展開實驗。

（2）滑覺信號檢測裝置的軟件設計

應用美國國家儀器公司生產的LabVIEW信號采集軟件，其涉及到日常控制以及測量系統所需各種模擬工具，最大限度的將成本進行節約，并確保提升工作效率。在將其應用到建立在PC基礎中的測量以及信號處理工作中時優勢凸顯。另外，采取滑覺信號的短時傅里葉變換方式，實現信號從時間域變換到頻率域，以便于對信號的頻譜結構進行了解，掌握改變的規律。

（3）設計反饋控制系統硬件

主控制器選擇應用單片機，其具有良好的實用性特點，同時可以節約成本。應用STC公司生產STC89C52單片機，可提供給很多的嵌入式控制系統更靈活的處理方案。另外，控制電機采取步進電機，即型號為28BYJ48。最后，模擬機械手裝置。

結語：

在科學技術不斷發展的形勢下，智能機械手在諸多的領域已經具有廣泛的應用，并且成為適應社會發展需求的重要趨勢。未來需要更大量的研究，提升機械手滑動檢測裝置的應用性能。

參考文獻：

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