機械手滑覺檢測與信息處理分析

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摘要:本文采用小波分析法獲得信號的時域和頻域內的特性。采用FSR-402壓阻傳感器檢測機械手夾取過程是否產生滑動，通過LabVIEW軟件對信號進行小波變換等處理，對反饋信號進行一系列實驗，設定閾值，判斷夾取過程是否產生滑動，通過上位機控制對機械手步進電機進行驅動，使得機械手對滑動物體進一步夾緊并保持一定的夾持力。

關鍵詞:機械手；小波分析；LabVIEW；閾值；觸滑覺傳感器

1引言

隨著現代工廠自動化和智能化以及工業4.0的發展，機械手爪在工業生產過程中有了更高要求。在機械手的觸覺滑覺研究方法中，主要有觸覺傳感器自適應模糊控制、多感知空間控制和力外環控制等。我們采用小波分析技術對滑動信號進行變換，將細節系數作為特征值，同時設定合理的閾值判斷有無產生滑動并做進一步處理。滑動信號的特點是隨機和非平穩性的，用傅里葉變換難以得到其良好的局部特性，采用小波變換的方法可以很好的得到信號在時域和頻域上的特征。

2傳感器的選型與檢測裝置

2.1滑覺傳感器。觸覺檢測是機械手基本的檢測環節，而滑覺檢測傳感器是實現機械手柔性抓取的關鍵。機械手傳感器具有模仿人手的接觸覺、滑動覺和溫度覺等等，目前常用的有壓電式、壓阻式等，也有將PVDF壓電式與光電原理結合起來的觸滑覺傳感器[1]。我們實驗中考慮到PVDF壓電傳感器的觸覺信號和滑覺信號比較難以分離，我們選用FSR-402壓阻傳感器，該傳感器可以對接觸物表面進行靜態和動態壓力測量，可以較好的區分觸覺信號和滑覺信號，同時其工作溫度在-25℃～70℃，對環境抗干擾能力強。2.2USB數據采集卡與采集裝置。數據采集卡（DAQ）是從傳感器等設備收集模擬或者數字信號的裝置，如果說傳感器相當于人的觸覺等感知層，那么采集卡就相當于人的神經網絡傳輸中樞-脊椎，而上位機就相當于人的大腦。我們本次所使用的采集卡通過USB接入上位機，有16路單端/8路差分模擬輸入通道，2路單端模擬輸出通道，6路數字輸入/輸出通道，PWM輸入頻率在1-1MHz，輸出頻率在1-1MHz，占空比1%-99%，同時工作溫度在-20℃~70℃，能較好適應嚴苛環境。。我們的采集卡通過USB連接到上位機，由其供應5V直流電源，我們從采集卡引出5V的電源線給壓阻傳感器供電。由于該款采集卡簡化了增益編程功能等，模擬量輸入信號需要事先調整到0-3.3V以內，在這種情況下我們設計了信號調理電路將較大的電壓信號通過降壓變換到0-3.3V范圍內以滿足要求。我們將傳感器串聯一個10KΩ的電阻，通過信號線向AD輸入電壓變化的范圍。

3信號的小波變換與LabVIEW處理

3.1基于小波變換的信號處理。相比于傅里葉變換不得不用大量級數去擬合突變信號，通過小波變換，我們可以很好處理滑動產生的瞬時時變信號并從中提取出有用的信息，在處理過程中，我們需要將連續的小波變換進行離散化，通過采集的數據可以看到滑覺信號分布在信號的高頻部分，經過小波變換后可以分解得到信號的高頻成分，也就是細節分量。首先我們要定義一些信號和用到的濾波器[2]：x[n]：離散的輸入信號g[n]：低通濾波器h[n]：高通濾波器↓Q：降采樣濾波器通過階層架構，我們可以看到怎么將一個離散信號進行小波變換：架構中的第α層：小波分析中，常用到來自低通濾波器的近似分量和來自高通濾波器的細節分量，高頻分量包含信息的細節和差別[3-4]，在機械手檢測滑動過程中，一旦滑動發生高頻部分會出現明顯的頻譜信息，我們用小波變換的細節分量作為特征值并設定合理的閾值來判斷有無滑動。3.2LabVIEW軟件采集與處理實驗。我們通過設置把LabVIEW提供的動態連接庫函數將數據采集卡附有的.dll庫函數形式文件連接起來，實現對采集卡的控制和信號采集[5-6]。我們分別設置高通濾波器序列值為-0.707和0.707，低通濾波器的序列值設為0.707和0.707，將輸入信號分別與高低通濾波器卷積后再進行抽樣分別得到細節分量和近似分量，若我們小波分解2層，就將近似分量繼續分解為高頻細節分量和低頻近似分量，如要繼續分解以此類推[7-8]。通過一系列實驗可以看到，傳感器接觸物體時，細節分量為較小波動的負值，傳感器與物體分離時，細節分量為較小波動的正值。夾持物體發生滑動時，細節分量有較大幅值變化，并且有正負范圍的波動。可以看到滑動和夾持兩類細節分量的較大差別，通過設定合理的閾值可以判斷滑動的有無。

4結束語

實驗中需要對兩個影響因素進行考慮，傳感器接觸或分離物體（夾持開始或分離）時需要緩慢進行，否則較大的突變會引起較大的細節分量的波動，這也是應用中需要改進的夾取速度的問題。另外，傳感器表面需要黏貼增大阻力的物質以便有更好的滑動檢測效果。我們探究傳感器和物體的相對關系時，通過細節分量可以判斷是接觸還是分離，當細節分量為較小波動的負值時，傳感器與物體接觸，當細節分量為較小波動的正值時，傳感器與物體分離。而如果作為特征值的細節分量超過我們設定的閾值，并且有較大的正負波動時，判斷為有滑動產生，此時就該驅動步進電機使夾持裝置進一步夾緊，如果細節分量小于我們設定的閾值，則認為沒有滑動產生。

作者:王海旭 陳偉 何玉輝 李云 單位:四川信息職業技術學院