磁致伸縮觸覺傳感器與織物表面紋理檢測*

萬麗麗，王博文，袁進(jìn)峰

(1.河北工業(yè)大學(xué) 省部共建電工裝備與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130；2.天津交通職業(yè)學(xué)院 物流工程學(xué)院，天津 300110；3.天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300350)

0 引 言

智能機(jī)器人為實(shí)現(xiàn)操作的精細(xì)化，應(yīng)能解決復(fù)雜作業(yè)環(huán)境下觸覺信息的感知、度量及融合等關(guān)鍵問題，解決這些科學(xué)問題需要應(yīng)用新型敏感材料，設(shè)計(jì)新型觸覺傳感器，發(fā)現(xiàn)新的觸覺感知目標(biāo)檢測方法[1～3]。觸覺傳感器作為智能機(jī)器人感知周圍環(huán)境的重要器件，不僅可以傳遞各種接觸力的信息[4～6]，也能感知物體的剛度、硬度、質(zhì)感、光滑度、粗糙度等重要參數(shù)。根據(jù)傳感器設(shè)計(jì)與觸摸機(jī)理，目前觸覺傳感器主要側(cè)重于接觸力的測量，缺少傳感器與生物組織間接觸刺激的分析，在生物組織特性參數(shù)(硬度、彈性模量、粗糙度等)的測量研究比較缺乏。新型Fe-Ga磁致伸縮材料具有磁導(dǎo)率高、應(yīng)力靈敏度高、飽和磁場較低等優(yōu)點(diǎn)，且能承受壓力、拉伸、沖擊等多種機(jī)械載荷[7～10]。該材料可與壓力直接耦合，機(jī)電耦合效率高，片狀Fe-Ga懸臂梁的換能密度可達(dá)22 mW/cm3，在傳感、驅(qū)動(dòng)和振動(dòng)發(fā)電等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[11～14]。

本文設(shè)計(jì)了基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的磁致伸縮觸覺傳感器，建立了振動(dòng)信號(hào)作用下磁致伸縮觸覺傳感器的輸出模型，并將該觸覺傳感器應(yīng)用于織物紋理檢測，實(shí)現(xiàn)織物紋理的分類識(shí)別。

1 磁致伸縮觸覺傳感器結(jié)構(gòu)與輸出模型

1.1 觸覺傳感器結(jié)構(gòu)

基于生物手指觸摸樣本的機(jī)理，結(jié)合靜態(tài)力檢測的磁致伸縮觸感器的結(jié)構(gòu)[15]，設(shè)計(jì)了能檢測振動(dòng)信號(hào)的磁致伸縮觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。磁致伸縮觸覺傳感器主要由鐵鎵片材(尺寸40 mm×5 mm×0.7 mm)、剛性探針、永磁體和檢測裝置構(gòu)成。鐵鎵片材一端固定于樹脂外殼內(nèi)，一端與剛性探針觸頭相連,構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu)?；魻栐N于固定端外殼外部，作為信號(hào)采集裝置，2塊永磁體與導(dǎo)磁體固定于鐵鎵材料上方，樹脂外殼內(nèi)部，為鐵鎵片材提供偏置磁場。

圖1 磁致伸縮觸覺傳感器結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的磁致伸縮觸覺傳感器整體尺寸和重量分別為55 mm×10 mm×10 mm和20 g。應(yīng)用探針連續(xù)接觸檢測樣本，刺激鐵鎵片材自由端上下振動(dòng)，帶動(dòng)片材內(nèi)部磁疇變化，感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，導(dǎo)致磁致伸縮觸覺傳感器的輸出信號(hào)變化，因此，可以通過設(shè)計(jì)的磁致伸縮觸覺傳感器來檢測目標(biāo)物體的表面紋理信息。

1.2 振動(dòng)信號(hào)作用下觸覺傳感器的輸出模型

磁致伸縮觸覺傳感器基于懸臂梁結(jié)構(gòu)，敏感材料鐵鎵片材受到振動(dòng)刺激，探針引起片材產(chǎn)生橫向彎曲,橫向位移表示為

uz(x,z,t)=ω(x,t)

(1)

式中ω(x,t)為片材上任意一點(diǎn)的撓度。鐵鎵片材的軸向位移為ux(x,z,t)，橫截面轉(zhuǎn)角為Ψ(x,t)。截取片材上dx微元，分析在振動(dòng)刺激作用下片材橫截面所受內(nèi)力，分別為軸力FN、剪力FS和彎矩M，微元受力分析如圖2所示。

圖2 鐵鎵片材微元的內(nèi)力與慣性力

鐵鎵片材受到探針刺激，分析得出片材產(chǎn)生橫向振動(dòng)，振動(dòng)發(fā)生在垂直方向，忽略水平方向慣性力。基于整個(gè)微元的動(dòng)態(tài)平衡，推導(dǎo)出內(nèi)力的動(dòng)態(tài)平衡方程為

(2)

鐵鎵片材的磁致伸縮材料為線磁致伸縮[16]，橫向的彎曲和軸向的伸長不能引起寬度的變形，寬度方向應(yīng)力為0，得到片材截面應(yīng)變分量與片材位移分量的關(guān)系為

(3)

基于鐵鎵片材磁特性分析，當(dāng)外加偏置在0～10 kA/m，鐵鎵片材內(nèi)部的應(yīng)變隨磁場強(qiáng)度的變化曲線呈線性[17]，得到

(4)

式中B(t)為鐵鎵片材內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度，Hb為偏置磁場，其方向沿鐵鎵片材的長度方向(x軸)；μ，d分別為鐵鎵片材的磁導(dǎo)率和磁機(jī)耦合壓磁系數(shù)。

整理式(4)得到鐵鎵片材的磁感應(yīng)強(qiáng)度表達(dá)式為

B(t)=dEεx+(μ-d2E)Hb

(5)

磁致伸縮觸覺傳感器的敏感材料鐵鎵片材長寬比與長厚比分別為8和57，屬于歐拉伯努利梁結(jié)構(gòu)。當(dāng)懸臂梁自由端受到沿z軸方向的振動(dòng)信號(hào)作用，將繞著固定端沿力的方向旋轉(zhuǎn)。截取鐵鎵片材dx微元，應(yīng)變分析如圖3所示。

圖3 彎曲鐵鎵片材的應(yīng)變

微元發(fā)生形變后長度變?yōu)閐s，根據(jù)幾何關(guān)系得到鐵鎵片材dx的彎曲應(yīng)變?yōu)?/p>

εx0(x)=-z/ρ=-z×dθ/dx

(6)

將鐵鎵片材撓度函數(shù)θ≈tanθ=dω(x)/dx代入式(6)，推導(dǎo)出片材z方向任意處的軸向應(yīng)變?yōu)?/p>

εx0(x)=-d2ω(x,t)/dx2×z

(7)

鐵鎵片材產(chǎn)生的撓度源于作用于探針上的振動(dòng)刺激，不同的振動(dòng)刺激引起探針產(chǎn)生不同的追蹤軌跡，設(shè)計(jì)的探針觸頭為球形，接觸物體表面紋理的追蹤軌跡可表示為

y=hsin(2πt/T)

(8)

式中h為追蹤軌跡的幅值，與探針的接觸深度有關(guān)；T為追蹤軌跡的周期，與樣本紋理的空間周期相關(guān)。

根據(jù)生物手指觸摸物體表面紋理受力分析，推導(dǎo)出手指觸摸紋理的最大深度為

(9)

式中r=G/2sinθ,G為物體表面凹槽的寬度，L為物體表面脊的寬度，手指皮膚接觸物體樣本表面為弧形，r為弧形半徑，θ為皮膚與凹槽邊緣相交的角度。

設(shè)計(jì)的檢測振動(dòng)刺激的探針為球形，類似生物手指結(jié)構(gòu)，將式(9)代入式(8)，得到探針追蹤物體表面紋理的表達(dá)式為

(10)

磁致伸縮觸覺傳感器的探針因直接與鐵鎵片材的自由端相連，則探針的追蹤軌跡函數(shù)為懸臂梁的最大撓度，進(jìn)一步推導(dǎo)出鐵鎵片材任一點(diǎn)的撓度函數(shù)為

ω(x,t)=y(3lx2-x3)/2l3

(11)

將式(11)代入式(7)，得到鐵鎵片材的應(yīng)變?yōu)?/p>

(12)

將式(12)代入式(5)，推導(dǎo)出鐵鎵片材在振動(dòng)信號(hào)作用下的磁感應(yīng)強(qiáng)度?；诨魻栃?yīng)，得到振動(dòng)信號(hào)作用下的磁致伸縮觸覺傳感器的輸出模型為

(13)

式中KH為霍爾系數(shù)，IS為磁感應(yīng)強(qiáng)度傳遞系數(shù)。

式(13)為磁致伸縮觸覺傳感器在振動(dòng)信號(hào)作用下的輸出模型，該模型能表征被測物體表面紋理特征參量。分析式(13)，得到觸覺傳感器輸出電壓的信號(hào)也是正余弦信號(hào)，與紋理面追蹤軌跡一致。磁致伸縮觸覺傳感器的輸出電壓與鐵鎵材料自身的材料參數(shù)有關(guān)，同時(shí)能反映紋理表面的自身因素A*和T(紋理間距)。根據(jù)式(13)，確定鐵鎵材料的參數(shù)和霍爾器件參數(shù)，可以計(jì)算不同紋理樣本追蹤軌跡的輸出信號(hào)。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

磁致伸縮觸覺傳感器振動(dòng)測試系統(tǒng)主要由直流電源、懸臂梁式的鐵鎵片材觸覺傳感器、施加壓力裝置和數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成。其中，直流電源為觸覺傳感器提供偏置磁場，實(shí)現(xiàn)偏置磁場數(shù)值的調(diào)節(jié)；施加壓力的裝置包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器和直線電機(jī)。直線電機(jī)通過信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)控制輸出桿，輸出桿為鐵鎵片材觸覺傳感器提供振動(dòng)信號(hào)，安裝于輸出桿的石英傳感器實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的測量。數(shù)據(jù)采集裝置采用動(dòng)態(tài)信號(hào)測試分析系統(tǒng)采集觸覺傳感器的輸出信號(hào)，測試系統(tǒng)實(shí)物如圖4所示。

圖4 磁致伸縮觸覺傳感器振動(dòng)測試系統(tǒng)

2.1 動(dòng)態(tài)力作用下觸覺傳感器輸出特性分析

生物手指在觸摸物體時(shí)，感知物體表面紋理時(shí)所施加的接觸力大約為2 N，頻率為1～5 Hz[17]，則設(shè)定動(dòng)力源為F(t)=2sin(10 πt)，實(shí)驗(yàn)得到動(dòng)力源和磁致伸縮觸覺傳感器的輸出電壓曲線如圖5所示。

圖5 振動(dòng)信號(hào)作用下輸出電壓與時(shí)間的關(guān)系

圖5中實(shí)線表示觸覺傳感器輸出電壓曲線，虛線表示直線電機(jī)提供的動(dòng)力源曲線。結(jié)果表明，動(dòng)力源與輸出信號(hào)都是正弦信號(hào)，證明設(shè)計(jì)的檢測振動(dòng)信號(hào)的磁致伸縮觸覺傳感器能夠表征振動(dòng)信號(hào)。磁致伸縮觸覺傳感器將應(yīng)用于樣本表面紋理檢測，樣本表面紋理結(jié)構(gòu)不同，探針傳遞動(dòng)態(tài)應(yīng)力不同，為進(jìn)一步證明磁致伸縮觸覺傳感器表征紋理的精確度，將磁致伸縮觸覺傳感器的輸出電壓信號(hào)與石英傳感器(動(dòng)力源)的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為力的輸出信號(hào)，如圖6所示。

圖6 動(dòng)力源與磁致伸縮觸覺傳感器輸出力信號(hào)的關(guān)系

當(dāng)石英傳感器輸出的正弦信號(hào)為0.8 N，0.5 s時(shí)，磁致伸縮觸覺傳感器輸出信號(hào)幅值為0.8 N，周期為0.5 s，觸覺傳感器測量動(dòng)態(tài)力具有很好的傳感精度。當(dāng)石英傳感器輸出的正弦信號(hào)為1.6 N，0.25 s時(shí)，磁致伸縮觸覺傳感器輸出力的信號(hào)與動(dòng)力源的信號(hào)重合，因此,證明磁致伸縮觸覺傳感器測量動(dòng)態(tài)力具有良好的傳感精度，適用于樣本紋理檢測。由于測試的動(dòng)態(tài)力頻率范圍為1～4 Hz，限定了觸覺傳感器測試的樣本范圍。

2.2 檢測紋理的觸覺傳感器輸出特性分析

基于式(13)振動(dòng)信號(hào)作用下磁致伸縮觸覺傳感器的輸出模型，得到磁致伸縮觸覺傳感器輸出電壓峰值與振動(dòng)信號(hào)幅值的關(guān)系，如圖7所示，表征輸出電壓與物體表面紋理高度的關(guān)系。

圖7 輸出電壓峰值與接觸力峰值的關(guān)系

圖7中帶箭頭線代表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖形，實(shí)線為式(13)計(jì)算得到。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著接觸力峰值從0 N增加到4 N，輸出的峰值電壓增加，呈線性關(guān)系，與式(13)的關(guān)系一致。隨著峰值接觸力增加，剛性探針觸頭接觸紋理深度增加，鐵鎵片材撓度增加，材料內(nèi)部磁疇偏轉(zhuǎn)，基于磁致伸縮逆效應(yīng)，內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，得出輸出電壓增加，理論分析與實(shí)驗(yàn)分析一致，但曲線存在一定誤差，因?qū)嶒?yàn)測試過程中,電機(jī)輸出桿直接作用于鐵鎵片材，未考慮探針實(shí)際接觸深度，因此，制作樣機(jī)時(shí)，剛性探針觸頭與硅膠材料緊緊包裹，不要存在空隙，保證探針與樣本的充分接觸。圖7結(jié)果表明，當(dāng)接觸力峰值為4 N時(shí)，輸出電壓的峰值為475 mV。證明接觸力的峰值即紋理表面參數(shù)對(duì)磁致伸縮觸覺傳感器的輸出電壓有很大影響。

3 織物紋理檢測與分類

磁致伸縮觸覺傳感器檢測系統(tǒng)主要由磁致伸縮觸覺傳感器、機(jī)械手COHAND201、滑臺(tái)模組、信號(hào)采集系統(tǒng)構(gòu)成。磁致伸縮觸覺傳感器作為傳感單元，安裝于機(jī)械手的遠(yuǎn)指節(jié)，檢測樣本粘在滑臺(tái)模組上，步進(jìn)電機(jī)控制滑臺(tái)速度，實(shí)現(xiàn)織物樣本檢測。磁致伸縮觸覺傳感器將織物紋理刺激轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，輸出信號(hào)通過信號(hào)采集單元上傳計(jì)算機(jī)，同時(shí)顯示于Tektronix DPO3014示波器，檢測系統(tǒng)原理如圖8所示。

圖8 磁致伸縮觸覺傳感檢測系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)選取日常服裝常見材料，織物表面紋理清晰的5種織物作為樣本，分別是尼龍絲帶(nylon ribbon)、牛仔布(jeans)、粗布(coarse cloth)、薄紗(textile)、紗布(gauze)。根據(jù)滑臺(tái)尺寸，每塊樣本尺寸為15 cm×1.5 cm。測試得到5種織物的時(shí)域信號(hào)，應(yīng)用傅里葉變換得到織物的頻域特征，提取功率譜密度(power spectral density,PSD)，得到5種織物樣本的PSD，如圖9所示。不同線條代表不同的特征組，在同一類型表面上采集的時(shí)域信號(hào)有差異，但頻域上有相似的PSD包絡(luò)，證明頻域分析織物信號(hào)的可行性。從圖9中的結(jié)果看出，不同織物樣本顯示不同的PSD包絡(luò)。

圖9 5種樣本表面的PSD

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅具有極強(qiáng)的非線性映射能力，而且對(duì)外界的刺激和輸入信息具有聯(lián)想記憶的能力，使其在圖像處理、語音處理、模式識(shí)別等方面具有重要應(yīng)用[18～20]?？椢锉砻婕y理特征比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)織物進(jìn)行分類，設(shè)計(jì)的模型如圖10所示。

圖10 織物分類的反向傳輸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

圖10所示模型輸入向量為提取的織物PSD，為提高模型的學(xué)習(xí)效率，應(yīng)用主成分分析方法提取PSD特征的不相關(guān)主成分，保持99 %以上的累計(jì)貢獻(xiàn)率，將PSD特征向量維數(shù)降至39維。根據(jù)隱含層節(jié)點(diǎn)選取原則，分別設(shè)置隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為6，8，10，12，14，16進(jìn)行訓(xùn)練。設(shè)計(jì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型目的是實(shí)現(xiàn)5種織物的分類，則輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)為5，輸出向量值范圍為[0，1]。隱含層激活函數(shù)選用Sigmoid函數(shù)，輸出層的激活函數(shù)設(shè)置為SoftMax函數(shù)。模型訓(xùn)練過程中設(shè)置訓(xùn)練次數(shù)為1 000，訓(xùn)練目標(biāo)為1×10-7，學(xué)習(xí)率為0.01，顯示間隔次數(shù)為33，訓(xùn)練函數(shù)為Trainscg算法，訓(xùn)練得到隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)量為14時(shí)，5種樣本的分類效果最好，分類的平均準(zhǔn)確度為93 %，分類結(jié)果的混淆矩陣如圖11所示。

圖11 5種樣本分類結(jié)果的混淆矩陣

從圖11中結(jié)果表明，Nylon cloth的識(shí)別率為95%，Jeans識(shí)別正確率為90 %，Textile識(shí)別正確率為95 %，Coarse cloth識(shí)別正確率為85 %，Gause識(shí)別正確率為100 %。其中，Jeans和Coarse cloth的識(shí)別存在誤差，分類出現(xiàn)錯(cuò)誤。但是，從整體上看，本文設(shè)計(jì)的傳感器和提出的分類方法對(duì)表面材料的分類識(shí)別是有效的。

4 結(jié) 論

以提高智能機(jī)器人的精細(xì)操作為前提，以實(shí)現(xiàn)物體紋理感知和分類為目的，基于磁致伸縮效應(yīng)，建立振動(dòng)信號(hào)作用下磁致伸縮觸覺傳感器的輸出模型并進(jìn)行輸出特性分析。將設(shè)計(jì)的磁致伸縮觸覺傳感器檢測系統(tǒng)應(yīng)用于織物紋理檢測，提取織物PSD特征，應(yīng)用3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，實(shí)現(xiàn)5種織物的分類。證明設(shè)計(jì)的磁致伸縮觸覺傳感器檢測系統(tǒng)能夠感知物體紋理信息并實(shí)現(xiàn)紋理分類。