一种形状可控的机器人仿生触须触觉传感器及检测方法

摘要

本发明涉及一种形状可控的机器人仿生触须触觉传感器及检测方法，传感器包括压电片、基片、形状记忆合金、探头，形状记忆合金分为两部分，两部分分别连接在压电片和基片上，另一端连接探头形成悬臂梁结构；本发明还提供利用该传感器构成的检测系统及传感方法，该方法先将上述传感器作为一个电机耦合系统进行参数辨识，得到传感器电阻抗与被测对象机械阻抗之间的关系，再结合压电片上的电压和电流，获取传感器所产生的力和运动的频谱，最终得到感知被测对象机械特征和触觉信息的传感方程表达式，通过电信号驱动形状记忆合金来控制传感器触须的形状，从而使其适应狭窄、弯曲的管道等特殊环境(如血管、肠道、输送管道、排气散热孔等)和任务的约束。

说明书

技术领域

本发明涉及一种触觉传感器，特别是涉及一种针对机器人环境感知的形状可控的触须触觉传感器。

背景技术

机器人通过传感器感知周围环境信息，以便在未知环境中开展任务。目前机器人主要依赖视觉传感器来进行环境的感知，但视觉感知容易受光照、雾霾、粉尘、盲区等因素的干扰，造成其可靠性下降甚至在特定场合无法适用。而自然界中一些动物如老鼠、海豹等却可以通过胡须在洞穴、浑水等恶劣环境中感知环境和猎物信息，从而在不依赖视觉的情况下开展移动、捕猎等任务。受此启发，仿生触须传感器开始得到发展并成为目前机器人感知技术的一个新的研究热点。如专利CN101718535B发明了一种基于激光来感知机器人与障碍物夹角的触须传感器。专利CN105841856A发明了一种基于十字型弹性梁和应变计的三维力位移与三维力触须传感器。专利CN106802131A发明了一种基于FBG光纤的触须传感器测距系统。

然而现有触须触觉传感器通常基于被动式的触须，其形状一旦确定就无法改变，只适用于开放环境，而无法通过改变形状来适应受限环境，如细长管道等狭窄、弯曲的环境。此外，现有触须传感器虽然能感知对象的位置和接触力，但还无法提供对象表面的刚度、质量、阻尼等机械特征信息。这些信息的缺失对于机器人开展对象识别、操作等任务带来了困难。最后，现有触须传感器采用复杂的结构来实现位置和接触力感知，这也进一步导致了其成本高、难以小型化等问题。

发明内容

针对上述缺陷，本发明公开了形状可控的机器人仿生触须触觉传感器及检测方法，通过电信号驱动形状记忆合金来控制传感器触须的形状，从而使其适应狭窄、弯曲的管道等特殊环境(如血管、肠道、输送管道、排气散热孔等)和任务的约束。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种形状可控的机器人仿生触须触觉传感器，所述传感器包括压电片、基片、形状记忆合金以及探头，所述压电片和基片贴合为一个整体，所述形状记忆合金分为两部分，两部分间通过绝缘体连接为一个整体；所述两部分形状记忆合金分别连接在压电片和基片上，形成悬臂梁结构；所述形状记忆合金的另一端连接探头；所述压电片为具有压电效应的材料制成；所述基片为金属材料制成。

在所述形状记忆合金上安装有温度传感器。

一种形状可控的机器人仿生触须触觉传感器，所述传感器包括压电片、基片、形状记忆合金以及探头，所述压电片和基片贴合为一个整体，所述形状记忆合金上贴附有一刚度高于所述形状记忆合金的金属，两部分间通过绝缘体连接为一个整体；所述形状记忆合金和金属分别连接在压电片和基片上，形成悬臂梁结构；所述形状记忆合金的另一端连接探头。一种形状可控的机器人仿生触须触觉传感器检测方法，所述方法在压电片的上下电极上施加电压E_P,与压电片构成回路，产生电流I_P；在其中一部分的形状记忆合金的两端施加电压,与所述该部分形状记忆合金触须构成回路，并产生电流，使所述传感器发生形变。

一种形状可控的机器人仿生触须触觉传感器检测系统，所述检测系统包括控制与信号处理模块、信号发生与采集模块、功率放大模块、机器人仿生触须触觉传感器、电流检测模块以及电压检测模块；

其中，所述控制与信号处理模块依次连接信号发生与采集模块、功率放大模块，将电压信号发送到所述机器人仿生触须触觉传感器上；

所述电流检测模块以及电压检测模块采集机器人仿生触须触觉传感器上的电流、电压信号，通过信号发生与采集模块发送到控制与信号处理模块。

所述电压检测模块测量传感器压电片上的电压E_P，对其进行衰减、滤波、偏置的预处理后送入信号发生与采集模块。

所述电流检测模块11测量传感器压电片上的电流I_P，对其进行放大、滤波、偏置的预处理后送入信号发生与采集模块。

所述控制与信号处理模块计算机器人仿生触须触觉传感器上压电片的电阻抗Z_e，并将电阻抗转换成触须探头接触对象的机械阻抗Z_m，以及探头与对象间的接触力和接触点的运动；

控制与信号处理模块根据任务要求控制信号发生与采集模块生成需要施加到机器人仿生触须触觉传感器上的电压信号波形，并通过功率放大模块产生电压E_P、E_S1和E_S2施加到机器人仿生触须触觉传感器。

一种形状可控的机器人仿生触须触觉传感器传感方法，该方法先将机器人仿生触须触觉传感器作为一个电机耦合系统进行参数辨识，得到传感器电阻抗与被测对象机械阻抗之间的关系，再结合压电片上的电压和通过的电流，获取传感器所产生的力和运动的频谱，最终得到感知被测对象机械特征和触觉信息的传感方程表达式。

首先，列出所述传感器集中点力作用处的位于与施加在压电片上电压间关系的表达式，并将其从时域转化为频域，得到所述表达式的动态方程；

通过F’(ω)＝–F(ω)表示传感器所产生的力，其方向与作用于传感器上的力相反；所述传感器机械阻抗Z_m＝F’(ω)/V(ω)和传感器电阻抗Z_e＝E(ω)/I(ω)的关系：

其中，I(ω)为电流信号频谱，V(ω)为速度信号频谱，E(ω)为电压信号频谱；α、β、γ为描述电阻抗和机械阻抗数学关系的参数，通过傅里叶逆变换求出；

最终结合(9)式、(12)式根据传感器电压E_P、电流I_P以及电阻抗Z_e来获取触须末端探头处的接触力F’(ω)、运动V和接触对象的机械阻抗Z_m。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明所采用的技术方案是：将两片形状记忆合金通过绝缘的方式粘接在一起形成一根触须，通过对形状记忆合金触须施加可控的电压在其内部产生电流，从而使其发热产生可控变形。此外，通过对压电片施加电压产生振动激励与接触对象进行交互，并对其电压、电流和电阻抗进行实时同步测量，利用传感器的机电耦合模型来计算触须末端所接触对象的机械阻抗以及接触力、接触点的运动，并进一步提取对象的质量、阻尼和刚度等机械特征。

与现有技术相比，本发明通过引入形状记忆合金、压电片等智能材料，实现了对触须形状的主动控制，以及对触须末端所接触对象的机械特征的智能检测。其带来的有益效果包括：触须形状可主动控制以适应狭窄、弯曲管道等特殊受限环境；通过将一块压电片同时既作为驱动单元又作为传感单元简化了传感器的结构，降低了成本，便于小型化；无需在接触点安装力、位移传感器，通过压电片电压、电流和电阻抗的检测来非侵入式获取触须末端接触对象的机械阻抗、接触力、接触点运动等信息。

附图说明

图1为触须触觉传感器的结构示意图；

图2为传感器电气和机械配置图；

图3为传感器受控变形进入弯曲狭窄管道进行触觉探测示意图；

图4为电气系统模块示意图；

图5为触须传感器探头末端施加机械负载示意图；

图6为施加空载和已知负载时传感器的电阻抗曲线；

图7为辨识得到的α、β、γ的曲线；

图8为传感器对未知“测试负载”进行检测获取的电阻抗曲线；

图9为传感器检测到的未知“测试负载”机械阻抗测量值与实际值的对比；

图10为电气系统处理程序的执行流程图。

图中的符号说明：1.压电片；2.基片；3.第一部分形状记忆合金触须；4.第二部分形状记忆合金触须；5.触须探头；6.控制与信号处理模块；7.信号发生与采集模块；8.功率放大模块；9.触须传感器；10.电压检测模块；11.电流检测模块。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明的实施方式是通过对触须上的形状记忆合金部分施加电压来控制触须的变形，并在压电片上施加电压信号使其产生高频振动激励，同时实时检测压电片的电压和电流信号，计算其电阻抗信号，并将电阻抗转换成触须探头处的机械阻抗信号。当触须探头与物体接触时，所检测到的机械阻抗值将发生改变，从中可以提取出接触的时间、位置、接触力、运动等信息，并可以进一步提取对象的质量、阻尼和刚度等机械特征信息。

图1是表示本发明的实施方式的传感器结构示意图。本实施方式的传感器部分具有：压电片1；基片2；第一部分形状记忆合金触须3；第二部分形状记忆合金触须4；触须探头5。其中压电片1是具有压电效应的材料，如压电陶瓷、压电晶体、压电聚合物等。基片2用于贴附压电片1，可以是金属等材料。形状记忆合金触须3和4是具有形状记忆效应的材料，如镍钛合金等，通过加热可以改变其形状。形状记忆合金触须3和4之间通过绝缘的方式粘接在一起，形成一根触须。形状记忆合金触须3和4的一端固定于压电片1和基片2上，形成悬臂梁结构。触须探头5连接在形状记忆合金触须3和4的另一端，用于和对象接触。

图2是本发明实施方式的传感器电气和机械配置图。传感器的压电片1和基片2的左侧末端固定构成悬臂梁。压电片1的上下两个电极上施加电压E_P,与压电片1构成回路，并产生电流I_P。形状记忆合金触须3左右两端电极上施加电压E_S1,与形状记忆合金触须3构成回路，并产生电流I_S1。形状记忆合金触须4左右两端电极上施加电压E_S2,与形状记忆合金触须4构成回路，并产生电流I_S2。形状记忆合金触须3和4分别进行高温形状记忆处理，使其记忆形状分别向+Y和-Y方向弯曲，当两者被粘接在一起形成触须时变形相互抵消，使触须处于直的状态(如图1)。而当形状记忆合金触须3和4的其中一根通电，另一根未通电时，通电的那根发热产生变形，触须向该侧弯曲，从而达到控制触须形状的目的，使传感器能够进入弯曲狭窄的管道(如血管、肠道、输送管道、排气散热孔等)进行检测，如图3所示。通过在形状记忆合金触须3和4上加装温度传感器，还可实现对触须形状的精确控制。另外，也可将其中一根形状记忆合金触须换成刚度较高的无形状记忆效应的材料，起到偏置回弹的作用，而仅用一根形状记忆合金触须来进行变形控制。

图4是本发明实施方式的电气系统模块示意图。控制与信号处理模块6根据任务要求控制信号发生与采集模块7生成需要施加到传感器上的电压信号波形，并通过功率放大模块8产生电压E_P、E_S1和E_S2施加到触须传感器9。电压E_P用于控制触须传感器9产生振动激励与接触对象进行交互，E_S1和E_S2用于控制触须传感器9产生变形。电压检测模块10测量传感器压电片上的电压E_P，对其进行一定的衰减、滤波、偏置等预处理后送入信号发生与采集模块7。电流检测模块11测量传感器压电片上的电流I_P，对其进行一定的放大、滤波、偏置等预处理后送入信号发生与采集模块7。控制与信号处理模块6控制信号发生与采集模块7对压电片电压E_P和电流I_P信号进行同步实时采样，计算压电片的电阻抗Z_e，并将电阻抗转换成触须探头接触对象的机械阻抗Z_m，以及探头与对象间的接触力和接触点的运动。具体的转换原理为：

本发明中的触须传感器作为一个压电耦合系统可以由如下机电耦合动态方程表示：

其中M_s、M_p、K_s和K_p分别是结构质量矩阵、压电片质量矩阵、结构刚度矩阵和压电片刚度矩阵。向量r(t)和f(t)分别是位移的广义坐标和点外力的广义坐标。向量e(t)和q(t)分别是电压的广义坐标和压电片电极上的电荷的广义坐标。t为时间。C_p是压电电容矩阵。Θ是机电耦合矩阵。B_f和B_q是力矩阵。

考虑压电片上施加单一值的电压，以及接触力为触须末端集中点力的情况，则q(t)、e(t)、f(t)和C_p降为标量且B_q成为单位矩阵。集中点力作用处的位移u(t)以及施加电荷处的电压E(t)可表示为：

对方程(1)进行傅里叶变换将其从时域转换为频域，得到：

其中ω为频率，R(ω)、F(ω)、E(ω)、Q(ω)分别为r(t)、f(t)、e(t)、q(t)的频域表示。由式(2)和(3)可以得到位移u(t)的频域表示U(ω)以及电荷的频域表示Q(ω)：

其中为传感器的机械阻抗矩阵。将公式(4)中的标量参数表示为：

可以得到如下矩阵形式的动态方程：

此外由于可以推出如下关系：

B(ω)＝C(ω)(7)

将电流I(ω)＝jωQ(ω)和速度V(ω)＝jωU(ω)代入式(6)并整理得到：

式(8)中F’(ω)＝–F(ω)表示传感器所产生的力，其方向与作用于传感器上的力相反。从式(8)可以推出对象机械阻抗Z_m＝F’(ω)/V(ω)和传感器电阻抗Z_e＝E(ω)/I(ω)的关系：

其中：

式(9)表明在α、β、γ已知的情况下，可以通过测量传感器的电阻抗Z_e来获取对象的机械阻抗Z_m。且这种方式是非侵入式的，不需要在触须末端安装力/位移传感器，不会产生负载效应而造成误差。

由于Z_m可以表示为：

其中m、c、k分别为对象的质量、阻尼和刚度。因此，可以进一步从测量的传感器电阻抗Z_e获取对象的质量、阻尼和刚度等信息。

根据式(8-10)可以进一步得到如下公式：

即通过测量压电片上的电压E(ω)和通过的电流I(ω)，根据式(12)就能获取传感器施加到对象的力F’(ω)和运动V(ω)的频谱。利用傅里叶逆变换可以进一步获得力、速度和位移的时域信号f’(t)、v(t)和u(t)：

上述方法所需要的α、β、γ可以根据式(10)通过理论计算得到，在实际应用中可以采用辨识的方法得到。这种方法需要n个(n>3)已知机械阻抗的测试对象。式(9)可以进一步推导得到：

记录传感器检测n个测试对象Z_mi(i＝1,…,n)时的电阻抗Z_ei(i＝1,…,n),形成式(15)所示的超定方程组：

通过求解可以得到α、β、γ的最小二乘解。

α、β、γ确定后，根据式(9)和(12)，就可以通过测量传感器的电压(E_P)、电流(I_P)以及电阻抗Z_e来获取触须末端探头处的接触力F’、运动V和接触对象的机械阻抗Z_m，并根据式(11)进一步获取对象的质量、阻尼和刚度等机械特征信息。

最后对上述方法的有效性进行验证。图5是传感器触须探头末端施加机械负载示意图。表1是验证过程中所施加负载的列表，包括空载、6个已知负载以及1个未知测试负载。图6是施加空载和6个已知负载时传感器的电阻抗Z_e曲线。图7是利用式(15)辨识得到的α、β、γ的曲线。图8是利用传感器对未知的“测试负载”进行检测获取的电阻抗Z_e曲线。图9是利用式(9)转换得到的机械阻抗Z_m测量值与实际值的对比。可以发现检测到的负载机械阻抗能有效的反映其实际值。

表1.传感器触须探头末端施加负载列表

由于α、β、γ与触须的形状有关，传感器使用前需在不同的触须形状下进行标定，在使用时根据触须形状选择使用对应的α、β、γ值来计算对象的机械阻抗。

本发明的电气系统处理程序的执行流程图见图10。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。