机械手滑觉检测与信息处理分析

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摘要:本文采用小波分析法获得信号的时域和频域内的特性。采用FSR-402压阻传感器检测机械手夹取过程是否产生滑动，通过LabVIEW软件对信号进行小波变换等处理，对反馈信号进行一系列实验，设定阈值，判断夹取过程是否产生滑动，通过上位机控制对机械手步进电机进行驱动，使得机械手对滑动物体进一步夹紧并保持一定的夹持力。

关键词:机械手；小波分析；LabVIEW；阈值；触滑觉传感器

1引言

随着现代工厂自动化和智能化以及工业4.0的发展，机械手爪在工业生产过程中有了更高要求。在机械手的触觉滑觉研究方法中，主要有触觉传感器自适应模糊控制、多感知空间控制和力外环控制等。我们采用小波分析技术对滑动信号进行变换，将细节系数作为特征值，同时设定合理的阈值判断有无产生滑动并做进一步处理。滑动信号的特点是随机和非平稳性的，用傅里叶变换难以得到其良好的局部特性，采用小波变换的方法可以很好的得到信号在时域和频域上的特征。

2传感器的选型与检测装置

2.1滑觉传感器。触觉检测是机械手基本的检测环节，而滑觉检测传感器是实现机械手柔性抓取的关键。机械手传感器具有模仿人手的接触觉、滑动觉和温度觉等等，目前常用的有压电式、压阻式等，也有将PVDF压电式与光电原理结合起来的触滑觉传感器[1]。我们实验中考虑到PVDF压电传感器的触觉信号和滑觉信号比较难以分离，我们选用FSR-402压阻传感器，该传感器可以对接触物表面进行静态和动态压力测量，可以较好的区分触觉信号和滑觉信号，同时其工作温度在-25℃～70℃，对环境抗干扰能力强。2.2USB数据采集卡与采集装置。数据采集卡（DAQ）是从传感器等设备收集模拟或者数字信号的装置，如果说传感器相当于人的触觉等感知层，那么采集卡就相当于人的神经网络传输中枢-脊椎，而上位机就相当于人的大脑。我们本次所使用的采集卡通过USB接入上位机，有16路单端/8路差分模拟输入通道，2路单端模拟输出通道，6路数字输入/输出通道，PWM输入频率在1-1MHz，输出频率在1-1MHz，占空比1%-99%，同时工作温度在-20℃~70℃，能较好适应严苛环境。。我们的采集卡通过USB连接到上位机，由其供应5V直流电源，我们从采集卡引出5V的电源线给压阻传感器供电。由于该款采集卡简化了增益编程功能等，模拟量输入信号需要事先调整到0-3.3V以内，在这种情况下我们设计了信号调理电路将较大的电压信号通过降压变换到0-3.3V范围内以满足要求。我们将传感器串联一个10KΩ的电阻，通过信号线向AD输入电压变化的范围。

3信号的小波变换与LabVIEW处理

3.1基于小波变换的信号处理。相比于傅里叶变换不得不用大量级数去拟合突变信号，通过小波变换，我们可以很好处理滑动产生的瞬时时变信号并从中提取出有用的信息，在处理过程中，我们需要将连续的小波变换进行离散化，通过采集的数据可以看到滑觉信号分布在信号的高频部分，经过小波变换后可以分解得到信号的高频成分，也就是细节分量。首先我们要定义一些信号和用到的滤波器[2]：x[n]：离散的输入信号g[n]：低通滤波器h[n]：高通滤波器↓Q：降采样滤波器通过阶层架构，我们可以看到怎么将一个离散信号进行小波变换：架构中的第α层：小波分析中，常用到来自低通滤波器的近似分量和来自高通滤波器的细节分量，高频分量包含信息的细节和差别[3-4]，在机械手检测滑动过程中，一旦滑动发生高频部分会出现明显的频谱信息，我们用小波变换的细节分量作为特征值并设定合理的阈值来判断有无滑动。3.2LabVIEW软件采集与处理实验。我们通过设置把LabVIEW提供的动态连接库函数将数据采集卡附有的.dll库函数形式文件连接起来，实现对采集卡的控制和信号采集[5-6]。我们分别设置高通滤波器序列值为-0.707和0.707，低通滤波器的序列值设为0.707和0.707，将输入信号分别与高低通滤波器卷积后再进行抽样分别得到细节分量和近似分量，若我们小波分解2层，就将近似分量继续分解为高频细节分量和低频近似分量，如要继续分解以此类推[7-8]。通过一系列实验可以看到，传感器接触物体时，细节分量为较小波动的负值，传感器与物体分离时，细节分量为较小波动的正值。夹持物体发生滑动时，细节分量有较大幅值变化，并且有正负范围的波动。可以看到滑动和夹持两类细节分量的较大差别，通过设定合理的阈值可以判断滑动的有无。

4结束语

实验中需要对两个影响因素进行考虑，传感器接触或分离物体（夹持开始或分离）时需要缓慢进行，否则较大的突变会引起较大的细节分量的波动，这也是应用中需要改进的夹取速度的问题。另外，传感器表面需要黏贴增大阻力的物质以便有更好的滑动检测效果。我们探究传感器和物体的相对关系时，通过细节分量可以判断是接触还是分离，当细节分量为较小波动的负值时，传感器与物体接触，当细节分量为较小波动的正值时，传感器与物体分离。而如果作为特征值的细节分量超过我们设定的阈值，并且有较大的正负波动时，判断为有滑动产生，此时就该驱动步进电机使夹持装置进一步夹紧，如果细节分量小于我们设定的阈值，则认为没有滑动产生。

作者:王海旭 陈伟 何玉辉 李云 单位:四川信息职业技术学院