多感觉机械手实验指导书

1、目 录前 言 1实验一 机械手操作实验5实验二 接近觉实验9实验三 接触觉实验15实验四 滑动觉实验19实验五 热觉实验23实验六 力觉实验28实验七 基于力觉、热觉的信息融合和目标识别实验33实验八 基于多感觉的自适应抓取实验41前 言本实验装置是一种具有接近觉、接触觉、滑动觉、力觉、热觉等五种感觉的两自由度智能机械手，所有感觉集中于手爪部位，通过手爪对模拟工件的操作，实现感觉信息的测量。在该实验装置上，可单独完成以下机器人感觉实验：·接近觉实验·接触觉实验·滑动觉实验·力觉实验·热觉实验·示教和再现操作（工作方式类同于一般示教再现

2、机器人）·自适应抓取实验（抓取鸡蛋、玻璃瓶等易碎物）·多信息融合算法实践作为实验装置，它使学生直接面对科学研究前沿，除多个实验可做生动的演示外，在信息处理部分可以融入自己的算法思想。在技术上，它具有控制方式灵活、人机界面友好、实验系统结构开放等特点。可作为“机械制造及其自动化”、“自动化”、“电子信息工程”等本科专业机器人技术课程的实验装置，也可用作相关专业研究生实践及研究开发平台。机械手本体力觉传感器热觉传感器电脑接近觉、接触觉、滑觉传感器升降示教、实验控制面板(操作)面板）虚拟仪器SYSTEM OK传感器信息演示界面整个实验装置由机械手本体、控制器、计算机等三部分组成，

3、系统组成示意图如图0-1所示。图0-1 实验装置结构组成简图机械手本体由多感觉手爪（其中力传感器装在腕部）、升降筒、支撑力柱和底座工作平台等组成，手爪的张开与闭合及手臂的升降均由步进电机驱动。手爪为丝杠螺母传动，带动一平移夹持机构实现手爪开合。升降是滚珠丝杠传动，螺母与升降筒固定在一起，由直线导轨保持其运动精度。控制器由控制面板（含液晶显示）、传感器信号处理板、机械手控制板、电机驱动器、直流电源等组成。控制面板（含液晶显示）是人机界面，由按键输入，液晶输出。传感器信号处理板完成各种感觉信息的模拟信号处理，分别输出到PC机和机械手控制板。机械手控制板包括感觉信号的A/D转换、键盘输入处理和各种实

4、验功能的实现（含手爪及升降电机的控制）。计算机是各种感觉信息的演示界面，用LABVIEW软件开发，能用多个窗口观察各个感觉信息的实时变化，并进行多感觉信息融合算法的实践。实验主菜单界面首先将介绍具体的软件运行界面，以及菜单的使用方法。在打开多感觉机械手实验装置软件后，将直接弹出如图0-2所示的实验菜单界面：标题框菜单框图0-2 实验菜单界面由图0-2可知，实验菜单界面主要由标题框和菜单框组成。其中菜单框共包含7个菜单项，每个菜单项分别是一个实验的入口，要进入某个实验只需单击相应的菜单项，本实验系统可以提供的实验分别是：1.自适应抓取实验在自适应抓取实验中，将完成同时对4个传感器的数据采集并显示

5、数据的波形，而且可以实现将某个传感器信号窗口进行放大观察的功能。2.未知材料特征值提取实验在未知材料特征提取实验中主要完成对未知材料的力觉特征和热觉特征的提取，并且提供一组参数，这些参数将在后续的多信息融合实验中用来判断机械手所抓取的工件的材质。3.多信息融合实验在多信息融合实验中将使用未知材料特征提取实验中所获取的数据进行处理和判断，并给出机械手所抓物体属于某种材料的概率。4.接近觉实验在接近觉实验中，将实现对单一的接近觉传感器信号的数据采集和分析。5.触滑觉实验在触滑觉实验中，将实现对单一的触滑觉传感器信号的数据采集和分析。6.力觉实验在力觉实验中，将实现对单一的力觉传感器信号的数据采集和

6、分析。7.热觉实验在热觉实验中，将实现对单一的热觉传感器信号的数据采集和分析。在完成实验以后要退出实验菜单，可按下实验菜单界面的最下方的退出键，如果要重新开始运行，可以点击位于windows工具栏上的空箭头按钮（如图0-3所示），它将再次启动程序。重新开始按钮图0-3 实验菜单界面注意：除了可以在实验菜单中手工的选择做某个实验，也可以由控制箱选择作某个实验，即在控制箱上通过按键选择作何种实验，可以通过单片机和计算机的通信可以实现软件自动选择作的实验。为了让软件自动实现实验的选择，必须确保从控制箱的串行通信线正确的接到计算机的COM 1口。假如串行通信线未成功连接，计算机将需要手工的选择作何种实

7、验，即通过菜单上的按键来实现实验的选择。实验一 机械手操作实验一、实验目的了解机械手的控制结构和示教方式。二、实验装置多感觉机械手实验装置三、实验原理机械手控制结构（框图）如图1-1所示。89c55单片机2864数据存储8155接口8253接口ADC08098253接口感觉信息模拟输入输出脉冲频率信号控制步进电机转角及速度输出脉冲个数的计数图1-1 多感觉机械手控制系统结构示意图图中，8155接口负责机械手张开极限和升降极限位置的I/O检测、对液晶的输出显示控制；ADC0809完成对各种感觉信号的AD转换并输入到计算机；2864芯片用于存储各个实验的经验数据，两块8253完成对步进电机的脉冲信

8、号输出及其计数。图1-2 控制器面板机械手示教工作：在示教工作模式下，利用面板（图1-2）上的相应键操纵手臂、手爪，使之完成预期的轨迹。操作者可通过液晶显示了解当前工作区位置、示教内容（工作点数）、当前机械手位置等信息。示教模式工作流程如图1-3示：图1-3 示教工作流程四、操作步骤：1熟悉操作面板，通过面板上的“模式”按钮选择示教工作模式，显示如下：Mode：TEACH2按确认键，进入示教模式，显示如下：Mode：TEACHA00 A：2AF0 G：0000其中A00表明当前工作区为A区（可通过工作区键切换至B、C、D区），目前无工作点数（00），工作点最大可保存60点，不能超出；A：2AF

9、0表明手臂当前位置；G：0000表明手爪当前位置。3示教过程中可以利用手爪的开、合，手臂的升、降点动和连续动作实现任务。如：手臂上升到指定位置后，显示：Mode：TEACHA00 A：20A0 G：0000 按下“记忆”键，系统将机械手此运动过程保存下来供再现使用，显示如下：Mode：TEACHA00 DOWN！Mode：TEACHA01 A：20A0 G：0000此时，表明系统已完成记忆工作，可继续进行示教工作。4在示教模式下，若想删除该工作区中的记忆内容，利用“删除”键实现。该功能键按下后，将当前示教区最后一个示教工作点删除，如此反复操作，可删除当前示教区所有工作点，以备新的示教程序使用。

10、显示如下：Mode：TEACHA01 DELETE！Mode：TEACHA00 A：20A0 G：00005当示教完成后，利用“模式”选择键切换到再现模式下，显示如下：Mode：PALYBACKA06 表明当前再现任务工作区为A区，工作区示教点数为6。6按下“确认”键后机械手将先执行回原点（寻找绝对原点）操作，然后按照示教顺序完成示教任务。显示如下：Mode：PALYBACKA06 STEP01STEP01表明当前机械手正在完成第一个示教点的工作任务，然后依次是02、03、04、05、06，然后停止。再次按下“确认”键后重复上述操作过程。实验二 接近觉实验一、实验目的了解机器人接近觉的工作原理

11、。二、实验装置多感觉机械手实验装置PCI6024E采集卡计算机三、实验原理接近觉采用红外反射光强法，其工作原理如下。红外反射光强法接近觉的测量原理，如图2-1所示。由红外发光管发射经过调制的信号，红外光敏管接收经目标物反射的红外调制信号，环境红外光干扰的消除由信号调制和专用红外滤光片保证。设输出信号Vout代表反射光强，则Vout是探头至工件间距离x的函数： Vout=f(x，p)式中p表示工件的反射系数。当工件为p值一致的物体时，x和Vout一一对应。典型的响应为非线性曲线，如图2-2所示，x距离的推算根据预先对各种目标物的接近觉测量实验数据通过插值得到。反射系数p与目标物表面颜色、粗糙度等

12、有关，当目标物颜色较深、接近黑色或透明时，反射光很弱。若以输出信号达到某一阈值作为“接近”时，则对不同目标物，因其表面的颜色和粗糙度是不同，“接近”的距离是不同的。红外光强法接近觉对大多数目标物是能找到“接近”感觉的，所以这一并不十分精确的简单测距系统用做机器人的接近觉是完全能够胜任的。图2-2 接近觉响应曲线图2-1 红外光强法接近觉原理接近觉信号处理电路分为发射部分和接收部分。信号调制与发射部分采用方波调制，电路见图2-3，调制信号（方波）由NE555产生，其调制频率由R1、R2、C2确定，改变电阻R2可改变占空比。调制频率约为500Hz。图中虚线框为接近传感器的红外发光管部分。 发射A

13、D C 图2-3 接近觉信号调制与发射图2-4 接近觉信号接收与解调信号接收及解调电路如图2-4所示，虚线框中为红外光敏三极管。图中第一级用于检测所接收的红外光强度，电路中C3起直流隔离作用，抑制环境噪声（环境光）的影响，后续电路由模拟开关和运放组成的混合电路实现解调功能。IC5A，IC5C为双向模拟开关，控制信号由图中C、D提供，控制逻辑相反。在正负半周分别控制不同的电路接入IC4B运放，使正负对称的方波在输出时变为其绝对值，经低通滤波完成输出直流信号与接近距离的对应关系。解调过程波形分析如图2-5所示。 图2-5 接近觉信号解调过程波形四、操作步骤：1将多感觉机械手实验装置与上位机通过采集

14、卡联接。2控制箱操作。熟悉操作面板，选择接近觉实验模式，显示如下：Mode：PROXIMITY 通过手臂“上升”、“下降”键和手爪“张开”、“合拢”键将机械手调整至合适的实验位置，也即是手爪正常合拢可以实现对目标物体的抓取，然后利用“模式”键选择接近觉实验模式，按下“确认”键后，机械手将自动完成接近觉的实验内容。具体顺序是：机械手先回到准备位置上位机采样数据将相应的实验窗口激活，显示电压波形变化机械手下降手爪合拢至接近觉信号有效为止，若接近觉信号始终满足条件则当触觉信号有效时也可令机械手停止动作，显示“OK！”。3、上位机操作。接近觉实验的界面如图2-6所示：接近觉界面的各项功能如图2-6所示

15、，在接近觉波形记录仪中将显示接近觉信号，而触滑觉信号将显示在触滑觉波形记录仪中。在本实验中之所以要显示触滑觉信号是要在实验中揭示当接近觉信号达到阈值电压时，触觉信号还未发生。在机器人工作状态栏中可以根据用户输入的接近觉阈值电压，判断机械手是否接近，并给出机械手的工作状态，给出分析的结果。图2-6 接近觉实验界面五、实验步骤1、准备与调试。l 在实验主菜单上选择接近觉实验。l 在多感觉机械手实验装置的硬件装置上选择接近觉实验。l 设定接近觉阈值，接近觉阈值已经由软件系统设定了默认值，用户可以改变阈值，其设定范围时00hFFh。l 观察接近觉波形变化。l 在实验完成以后点击“退出”键可以退回主菜单

16、。2、用形状、尺寸相同，颜色不同的工件分别做接近觉实验，观察分析实验结果。3、用表面粗糙度不同的工件分别做接近觉实验，观察分析实验结果。4、设置不同的接近觉阈值，接近觉阈值已经由软件系统设定了默认值，用户可以改变阈值，但一般应保证输出波形在3v7v之间，观察接近觉位置的具体变化。调整如下：按下“阈值”键，出现如下显示信息：Prox：20 以上表明接近觉当前阈值为20，采用16进制，阈值范围为00FFH。若想调整可通过“移位”键和“加1”键实现。例：将该阈值改为32，操作如下：按下“加1”键，出现如下显示：Prox：30按下“移位”键，通过声音提示，确认移位有效，再按“加1”键，将个位调整到1，

17、显示如下：Prox：31 如要保留此设定值的话，按下“确认”键，此操作将修改值保存到EEPROM中，若不想在今后的实验中使用该阈值，则不需按“确认”键，在系统关机后，此阈值即丢失。注：由于下面的传感器实验都存在阈值设定的问题，其修改方式相同，后不在赘述， 而不同的传感器阈值可通过阈值键切换，阈值键按下后将依次出现下述显示内容：Touc：40 触觉阈值Sl i d：15滑觉阈值 The1：1A 热觉阈值1The2：1F 热觉阈值2The3：28 热觉阈值3Fo r1：15 力觉阈值1Fo r2：30力觉阈值2Fo r3：45 力觉阈值3实验三 接触觉实验一、实验目的了解机器人接触觉的工作原理。二

18、、实验装置多感觉机械手实验装置PCI6024E采集卡计算机三、实验原理接触觉、滑觉信号是从同一信号源中分离出来的，即属于一体多能的传感器类型，接触觉是指单点的触感，所以能否在同一触滑觉传感器中有效分离接触觉、滑觉信号是问题的关键所在。换句话说，接触觉、滑觉信号取源于同一信号源这一问题解决的关键取决于它们之间有无各自明显的特征。本实验装置的接触觉、滑觉复合传感器选用高分子有机压电材料PVDF做传感器的敏感材料，它对接触和滑动的信号响应是有明显区别的，关键在于该传感器的包封表皮(与工件接触面)必须既能够传递接触力，而且当表皮上有相对滑动发生时能引发表皮的诱导微振动。图3-1 a)、b)是典型的接触

19、觉和滑觉响应曲线。b）a）a）接触信号 b）滑动信号图3-1 接触觉和滑觉典型响应信号PVDF质地柔软，压电电压常数高，频响宽，所以用它可以制作形态各异而灵敏度 又很好的触滑觉复合传感器，图3-2是将接近觉探头安装于触滑觉传感器之中的三感觉传感器组合体的结构图，传感器的外形则被设计成机械手爪的手指形状，以便直接安装。图3-2 三感觉组合传感器结构图3-3是触滑觉传感器的信号调理电路框图，电荷放大器的功能是将微弱的压电信号放大，滤波的作用是滤去信号源中的高频杂波。另外50Hz工频的干扰也是不可忽略的，所以滤波电路一般由一低通滤波器和50Hz的陷波电路组成。在信号送A/D转换前，还需进行电平转换与

20、限幅，以便与A/D输入电压要求匹配。图3-3 触滑觉传感器信号处理电路框图 图3-4 电荷放大器的输入级触觉信息的数据处理时，用均值作为触觉信息的特征，即：实时监控触觉信号的变化，当特征值（均值）大于指定的触觉阈值时，认为传感器已与物体接触，平时的噪声通过下述方式抑制：无接触时噪声的抑制用判别式：式中: ：采样得到的触觉信号值；s： 噪声水平。 图3-5 电压跟随与滤波四、操作步骤：1、将多感觉机械手实验装置与上位机通过采集卡联接。2、控制箱操作熟悉操作面板，选择触觉实验模式，显示如下：Mode：TOUCH 通过手臂“上升”、“下降”键和手爪“张开”、“合拢”键将机械手调整至合适的实验位置，也

21、即是手爪正常合拢可以实现对目标物体的抓取，然后利用“模式”键选择触觉实验模式，按下“确认”键后，机械手将自动完成触觉的实验内容。具体顺序是：机械手先回到准备位置上位机采样数据将相应的实验窗口激活，显示电压波形变化机械手下降手爪合拢至触觉信号有效机械手停止动作，显示“OK！”。3、上位机操作。接触觉实验的界面如图3-6所示：触滑觉界面的各项功能如图3-6所示，在触滑觉波形记录仪中将显示触滑觉信号，而接近觉信号将显示在接近觉波形记录仪中。在本实验中之所以要显示接近觉信号是要在实验中揭示当接近觉信号达到阈值电压以后，触觉信号立即就会发生。在机器人工作状态栏中可以根据用户输入的触滑觉阈值电压，判断机械

22、手是否接近，并给出机械手的工作状态，给出分析的结果。图3-6 触滑觉实验界面五、实验步骤1、准备与调试l 实验主菜单上选择触滑觉实验。l 在多感觉机械手实验装置的硬件装置上选择接触觉实验。l 设定接触觉阈值，接触觉阈值已经由软件系统设定了默认值，用户可以改变阈值，其设定范围是00hFFh。最好设定在4F以内。l 观察接触觉波形变化。l 在实验完成以后点击“退出”键可以退回主菜单。2、用不同尺寸的物体做接触觉实验，观察机械手合拢时的动作过程3、设置不同的接触觉阈值（设置方法同接近觉），重复步骤2，观察机械手合拢时的动作过程，比较在不同阈值下机械手合拢时接触过程的区别，分析为什么？实验四 滑动觉实

23、验一、实验目的了解机器人滑动觉的工作原理二、实验装置多感觉机械手实验装置PCI6024E采集卡计算机三、实验原理滑觉传感器与触觉传感器为同一传感器，用压电材料PVDF做敏感材料，其工作原理见实验三，滑动觉的信号处理方法如下。滑觉信号的典型响应与接触觉信号相比，它有交变性和交变持续性，那么我们可以用交变信号离散数据的特征值方差作为滑动觉信号的标志。当然这样的处理也存在一些问题：第一，接触过程的方差与滑动时方差并无太大差别，因为接触过程中振动也很剧烈；第二，滑移一般是操作过程需要严格控制的，不允许有长时间的滑动以产生连续交变信号。为解决上述问题，有以下二种途径可供选择：其一，接触和滑动有逻辑上的先

24、后关系，即先接触后滑动，滑动是手爪对工件的提升过程中产生的，该过程不会有第二个接触信号产生，所以仍可用方差作为滑觉特征值；其二，选择适当的采样周期，使得采到的滑动信号中拥有一系列的峰值点。图4-1 滑动的检测如图4-1所示的P、Q等点，当计算机检测到输出信号具有多个拐点，且拐点间的值之差满足一定要求时（排除噪声干扰，确认是由诱导振动所引起），表明已有滑动产生。用前一种方法可以实现无滑移的抓取动作，因为只要当物体有滑动趋势时，滑觉信号就生成了。后一种方法的滑动信号是通过找峰值点得到的，而这些峰值点只有当包封表皮有诱导微振动时才可能产生，所以用这一方法检测的滑动输出必然伴有工件与手指间的相对滑动。

25、当方差作为滑动信号的特征时，处理方法如下：设是计算机所采集到的接触觉、滑觉信号的离散值，则接触的特征值为： k=1,2,3 用方差作为滑觉的特征值，表达式为： k=1,2,3 计算机检测触滑觉信号是一个动态的连续过程，即按一定采样周期，当采到的信号达256个时开始计算均值，以后每采到一个新数据即将最前面的那个数据更新，从而保证得到的为最新结果。滑动标志的生成与接触觉一样采用阈值法，即当滑觉特征值大于对应的阈值时，认为滑动发生。四、操作步骤：1、将多感觉机械手实验装置与上位机通过采集卡联接。2、控制箱操作熟悉操作面板，选择滑觉实验模式，显示如下：Mode：SLID 通过手臂“上升”、“下降”键和

26、手爪“张开”、“合拢”键将机械手调整至合适的实验位置，也即是手爪正常合拢可以实现对目标物体的抓取，然后利用“模式”键选择滑觉实验模式，按下确认键后，机械手将自动完成滑觉的实验内容。具体顺序是：机械手先回到准备位置上位机采样数据将相应的实验窗口激活，显示电压波形变化机械手下降机械手减速上升等待滑觉刺激发现滑觉刺激机械手合拢一定距离继续等待滑觉刺激，若有重复合拢动作若无，待减速上升到位后停止动作。显示”OK！”3、上位机操作。 滑动觉实验的界面如图4-2所示：图4-2 触滑觉实验界面触滑觉界面的各项功能如图4-2所示，在触滑觉波形记录仪中将显示触滑觉信号，而接近觉信号将显示在接近觉波形记录仪中。在

27、本实验中之所以要显示接近觉信号是要在实验中揭示当接近觉信号达到阈值电压以后，触觉信号立即就会发生，在接触以后开始向上提升抓物体，在这时有可能会发生滑动，当触滑觉波形记录仪出现第二个波峰时说明物体发生滑动。在机器人工作状态栏中可以根据用户输入的触滑觉阈值电压，判断机械手是否接近，并给出机械手的工作状态，给出分析的结果。五、实验步骤1、准备与调试。l 在实验主菜单上选择触滑觉实验l 在多感觉机械手实验装置的硬件装置上选择滑动觉实验l 设定滑动觉阈值，滑动觉阈值已经由软件系统设定了默认值，用户可以改变阈值，设定范围是20h4Fh。l 观察滑动觉波形变化。l 在实验完成以后点击“退出”键可以退回主菜单

28、。2、抓取过程中用手指做模拟滑动，观察发生的现象并作出分析。 注：为保护传感器表皮，滑动刺激应选用比较光滑的物体。可以在滑动觉传感器上做模拟滑动实验，其滑动过程的响应曲线将在对应的虚拟仪器窗口显示。对一些比重较大的物体，在设置较小的预夹紧力前提下，在抓取过程中将发生滑动，所以也可用实物做滑动觉实验。对一些较轻物体可以观察无滑动抓取过程的滑动觉响应过程。推荐用一次性塑料杯倒置夹取完成此实验实验五 热觉实验一、实验目的了解机器人热觉的工作原理二、实验装置多感觉机械手实验装置PCI6024E采集卡计算机三、实验原理：热觉传感器由一加热元件与温度传感器组成，其结构如图5-1所示。图5-1 热觉传感器的

29、结构示意图包封表皮金属壳体基底材料加热元件温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器加热元件基底材料金属壳体加热元件基底材料加热元件基底材料加热元件基底材料金属壳体引 线加热元件用恒功率的方式将传感器体加热到一定温度（比环境温度高一定值），当物体接触传感器表面时，发生热传导，使传感器的表面温度降低，由温度传感器检测传感器表面温度的变化，这种变化与物体的导热性能有关，犹如人手对物体的冷热感觉，在机器人中称做热觉。热觉的响应过程较慢，当传感器与目标物接触时，由于传感器表面温度高于目标物温度，热量从传感器传导至目标物，传感器表面温度下降，热觉输出信号幅值增大。随着热传导过程的继续，目标物的被

30、接触表面温度上升，热传递减弱，热觉信号到峰值后又开始下降，导热性好的物体热觉信号峰值高，导热性差的物体则反之，这一过程根据不同的目标物约需510秒。若用常规的峰值检出法判断目标物的导热性（以峰值的大小作为热觉的判断特征），其实时性很差，作者在多次实验后发现，用热觉信号上升斜率作为特征值来判别目标物的导热性，其判别效果也相当好，且热觉识别时间可大大缩短，这一方法可用图5-2来描述，图中为两种不同导热系数目标物的热觉响应曲线，它们有不同的峰值，这些峰值的检出需要等待的时间为t0，若用信号上升斜率来判别，则选择t1时刻后的内信号幅值的变化。导热性好的目标物大，反之小，利用值也可和目标物的导热性建立对

31、应关系。这一方法使用效果的好坏与t1的选择有很大关系，一般，t1设在热传导稳定的起始时刻比较好，因为此刻等待时间还不长，且信号也已稳定，具体实现时这一时刻可利用触觉信号发生后作适当延时后触发。当取得后，作分析比较，可得到相应目标物的导热性。这一方法可在有限几种样本内得到理想的结果，如，铜、胶木、木头等。图5-2 热觉信息的判别 A Vi图5-3 温度检出与补偿本装置中热觉传感器的探头是温敏电阻，图5-3中HEAT1、HEAT2接温度传感器，COMP1、COMP2接补偿电阻，电路的工作信号Vi由电压基准LM336经运放电压跟随后取得，电压值2.5V。电路由三个运放组成差分放大形式，IC10直接感

32、知传感器接触物体时的温度变化，由于环境温度改变的影响，加了一个置于周围环境的探头作为补偿元件，以差分的形式接入IC12。 A图5-4 放大滤波、电平转换 图5-4是信号放大、偏置调节滤波和输出电路，调节偏置电压由调节电阻P2完成，P3用于调节放大倍数。C13起滤波作用。THERMO2为010V的信号，提供给控制电路，THERMO1为05V的信号，输送到采集卡。四、操作步骤：1、将多感觉机械手实验装置与上位机通过采集卡联接。2、控制箱操作熟悉操作面板，选择热觉实验模式，显示如下：Mode：THEROMETOR 通过手臂“上升”、“下降”键和手爪“张开”、“合拢”键将机械手调整至合适的实验位置，也

33、即是手爪正常合拢可以实现对目标物体的抓取，然后利用“模式”键选择热觉实验模式，按下“确认”键后，机械手将自动完成热觉的实验内容。具体顺序是：机械手先回到准备位置上位机采样数据将相应的实验窗口激活，显示电压波形变化机械手下降手爪合拢接近觉信号有效后手爪减速合拢触觉信号有效后手爪停止动作机械手进行热觉判断并将判断结果送显示，完成后显示“OK！”。Mode：THEROMETORThe Object Is BL判断结果显示如下：表明物体为第一类物体（如木） Mode：THEROMETORThe Object Is AL 表明物体为第二类物体（如铝）Mode：THEROMETORThe Object I

34、s CU 表明物体为第三类物体（如铜）Mode：THEROMETORThe Object Is FE 表明物体为第四类物体（如铁）3、上位机操作。 热觉实验界面如图5-5所示：图5-5 热觉实验界面热觉实验界面的各项功能显示在图5-5中，热觉信号将会显示在热觉波形记录仪上，系统还可以根据用户输入的热觉信号阈值判断机械手是否已经抓取物体，并给出机器人工作状态和分析的结果。五、实验步骤1、准备与调试。l 在实验主菜单上选择热觉实验。l 在多感觉机械手实验装置的硬件装置上选择热觉实验。l 设定热觉阈值，热觉阈值已经由软件系统设定了默认值，用户可以改变阈值，设定范围是00hFFh。l 观察热觉波形变化

35、。l 在实验完成以后点击“退出”键可以退回主菜单。2、不同材料的工件做热觉实验，测得物体的导热性，进一步推得物体的材质。实验六 力觉实验一、实验目的了解机器人力觉的工作原理。二、实验装置多感觉机械手实验装置PCI6024E采集卡计算机三、实验原理 机器人力觉传感器装于机械手的腕部，为一弹性十字梁结构，如图6-1所示，其内园与机械手的爪部相连，外缘与机械手的臂部相连，十字梁上粘贴有8个应变片，构成全桥电桥电路。当机械手抓取物体时，弹性十字梁变形，电桥输出对应的电压。上端盖连接体弹性十字梁封装板下端盖X 图6-1 力传感器结构图 图6-2 PVDF腕力传感器装配结构图1、5Y2、63、74、8这里

36、的腕力传感器结构，它在连接件的结构设计上采用一种变形限制措施，由于连接体与弹性十字梁的轴向间隙很小，限制了传感器的扭转变形，从而使其具有良好的抗过载能力，这就大大减少了由于手爪受撞击使力传感器受损的程度。图6-3 压电应变片在十字梁上的布置具体结构如图6-2所示。应变片在传感器弹性十字梁上的粘贴位置如图6-3所示，共有8个压电应变片，分别贴在四根梁的两侧端面上，其中1、2、3、4在上端面，5、6、7、8在下端面，1与3，2与4，5与7，6与8串联在一起，构成电桥的四个桥臂电阻。由于十字梁的轮缘处由刚性差的薄壁梁支撑，故传感器受力后十字梁有较简单的受力模型，可提高力灵敏度，并减小其它受力方向对方

37、向的干扰。 力传感器的处理电路框图如图6-4所示。电桥差动放大滤波A/D输出图6-4 力传感器的处理电路框图力觉传感器为避免环境对其干扰，增设了一个前置放大电路，如图6-5，经过第一级放大将原信号放大1000倍。第二级用于偏置调整和输出，放大5倍（图6-6）。 图6-5 第一级放大 B（进二次 A 电路）图6-6 偏置调整和输出经过前置放大后，还须进行二次放大，电路相对比较简单，只有输入级、偏置调整、放大倍数调整及电平转换。如图6-7，输入级为共模对称形式，不会因为信号接反导致电路损坏。P4用于调节偏置电压，P5调节放大倍数。图中输出FORCE1为05V，接采集卡，FORCE2为010V，接控

38、制线路。图6-7 力觉二次放大、滤波、输出四、操作步骤：1、将多感觉机械手实验装置与上位机通过采集卡联接。2、控制箱操作熟悉操作面板，选择力觉实验模式，显示如下：Mode：FORCE 通过手臂“上升”、“下降”键和手爪“张开”、“合拢”键将机械手调整至合适的实验位置，也即是手爪正常合拢可以实现对目标物体的抓取，然后利用“模式”键选择力觉实验模式，按下“确认”键后，机械手将自动完成力觉的实验内容。具体顺序是：机械手先回到准备位置若上位机需要采样数据则将上位机相应的实验窗口激活机械手下降手爪合拢接近觉有效后减速合拢触觉信号有效后停止合拢机械手夹持物体上升至一定高度后停止动作，此过程中滑觉信号工作机

39、械手进行力觉判断，并将判断结果送显示机械手下降到原高度打开手爪，放开物体，完成后显示”OK！”。判断结果显示如下：Mode：FORCEThe Object Is BL 表明判断结果为第一类物体（如木）Mode：FORCEThe Object Is AL表明判断结果为第二类物体（如铝）Mode：FORCEThe Object Is FE 表明判断结果为第三类物体（如铁）Mode：FORCEThe Object Is CU 表明判断结果为第四类物体（如铜）3、上位机操作。 力觉实验界面如图6-7所示：图6-7 力觉实验界面力觉实验界面的各项功能显示在图2-6中，力觉信号将会显示在力觉波形记录仪上，

40、系统还可以根据用户输入的力觉信号阈值判断机械手是否已经抓取物体，并给出机器人工作状态和分析的结果。五、实验步骤1、准备与调试。l 在实验主菜单上选择力觉实验。l 在多感觉机械手实验装置的硬件装置上选择力觉实验。l 设定力觉阈值，力觉阈值已经由软件系统设定了默认值，用户可以改变阈值，设定范围是00hFFh。l 观察力觉波形变化。l 估计物体的重量（在控制箱的液晶屏上显示，单位为克）。l 在实验完成以后点击“退出”键可以退回主菜单2、不同材料的工件（大小一样）做力觉实验，根据力觉输出的相对值（稳定状态），从样本中进一步推得物体的材质。实验七 基于力觉、热觉的信息融合和目标识别实验一、实验目的了解和

41、实践多信息融合算法及其在目标物体识别中的应用。二、实验装置多感觉机械手实验装置PCI6024E采集卡计算机三、实验原理1、用力觉和热觉信息实现目标物材质分类的Bayes方法设工件的材质属于各类Ai(i =1,2,3,4 分别对应铜、铁、铝、胶木)的先验概率P(Ai)相等，即： 对于每种材质，传感器j (j=1,2 对应力觉、热觉传感器)测量值Xj假设满足高斯分布，i对应工件的材质，即各测量值的先验概率密度为： i=1,2,3,4 j=1,2 实际融合时，对应第九章第一节中各条件概率P(Bj/Ai)可用如下方法得到，即假定观测值发生在先验概率分布中均值上的概率视为1，则实际观测值的概率为以均值为

42、中心轴的两侧概率分布之和，这一方法可由图7-1直观地表示。设机器人某次作业时，对某未知工件的操作，力觉得到的观测值为B1、热觉观测值为B2，则： （1）图7-1 力觉、热觉对四种材质目标物的先验概率分布 （2） 由此可以得出各传感器j的观测Bj后工件分属各类Ai的后验概率，由Bayes条件概率公式可表示为： j=1,2 i=1,2,3,4 （3） 力觉、热觉信息融合后的结果可表示为： i=1,2,3,4 （4）由（3）、（4）式可以算出工件分属各类的概率：、 i=1,2,3,4，其中前二个分别对应力觉、热觉单独观测的结果，后者为两传感器融合的结果，得到后验概率后再根据以下二条规则来确定工件的材

43、质类别： ·规则1：目标类别应具有最大的后验概率 ·规则2：目标类别与其它类别的后验概率的差值必须大于某一阈值2、证据理论法 采用证据理论方法时，同样假设每种材质类别Ai，传感器j，(i=1,2,3,4 j=1，2)，实际测量的观察值Xj满足高斯分布N，即先验概率为：j=1，2 定义传感器j与类别的相关系数为： 的含义同Bayes方法的，在这里写为更一般的表示式，显然。 对各传感器的基本可信度分配m1和m2，我们按照如下方法计算可信数： 传感器与目标类别的最大相关系数 传感器j与各相关系数的分布系数 传感器j的可靠系数 传感器j赋予类别i的基本可信数 传感器j的不确定性概率

44、值其中，在计算传感器的不确定性（）时，主要考虑了传感器自身的不可靠性因素和传感器与目标类别间相关的不可靠因素。 按上述定义得到两个基可信度后，可通过第九章第二节中的Dempster合并规则来进行融合，得到，融合后的基本可信度m(i)：i=1,2,3,4和不确定性概率为： 其中 证据区间Bel(x)，pl(x)根据基本可信度函数计算得出，即： 针对机器人的每一次操作(抓目标物)，可得到有关目标物体的力觉值和热觉值，通过上述求法，得到融合前后传感器数据对每一目标类别的证据区间和不确定性概率，据此可由以下规则来确定目标物的材质类别： ·规则1：目标类别应具有最大的基本可信度值 ·

45、规则2：目标类别与其它类别的基本可信度值的差必须大于某一阈值。 ·规则3：不确定性概率必须小于某一阈值。 ·规则4：目标类别的基本可信度值必须大于不确定性概率。上述实验原理在计算机上完成具体实验，在机械手控制器上采用的融合方法为加权平均法，即，根据力觉和热觉测得的信息，由预先经验给出的加权系数算出对应每一种目标物的可能性，以可能性大的准则给出判断结果。四、操作步骤：1、将多感觉机械手实验装置与上位机通过采集卡联接。2、控制箱操作熟悉操作面板，选择信息融合实验模式，显示如下：Mode：CONCREAT 通过手臂“上升”、“下降”键和手爪“张开”、“合拢”键将机械手调整至合适的

46、实验位置，也即是手爪正常合拢可以实现对目标物体的抓取，然后利用“模式”键选择信息融合实验模式，按下“确认”键后，机械手将自动完成信息融合的实验内容。具体顺序是：机械手先回到准备位置若上位机需要采样数据则将上位机相应的实验窗口激活机械手下降手爪合拢接近觉有效后减速合拢触觉信号有效后停止合拢机械手进行热觉判断机械手夹持物体上升至一定高度后停止动作，此过程中滑觉信号工作机械手进行力觉判断信息融合并将融合结果送显示机械手下降到原高度打开手爪，放开物体，完成后显示“OK！”。判断结果显示：Mode：CONCREATThe Object Is BL 表明判断结果为第一类物体Mode：CONCREATThe

47、 Object Is AL表明判断结果为第二类物体Mode：CONCREATThe Object Is FE 表明判断结果为第三类物体Mode：CONCREATThe Object Is CU 表明判断结果为第四类物体五、实验步骤1、 未知材料特征提取 1）、上位机操作在未知材料特征提取的实验中，将完成对所抓物体的力觉特征值和热觉特征值的提取工作，以便为下一章多信息融合实验准备好实验数据。在实验中主要的任务是当需要确定某个物体的特征的概率分布时，必须多次重复抓取物体，一般超过10次，本实验的软件将可以会提供实验进行的次数，每次试验所提取的特征值，以及特征值概率分布的两个重要参数：均值和方差。有

48、了这些参数将为下一个多信息融合实验做好准备。未知材料特征值提取实验的界面如图7-2所示：在图7-2中有两个波形记录仪，位于左边的是力觉波形记录仪，右边的是热觉波形记录仪，以及三个按键，分别是“开始采集”、“退出本次数据采集”、“退出特征提取试验”。在未知材料特征值提取实验界面中十分重要的是右边所列的几组参数:、右边最上一个参数是特征提取实验进行的次数，由于要提取一个特征需要多做几次重复的实验，通过多次抓取同一个物体，就可以确定未知材料的特征的概率分布。、在中间的一组参数就是根据多次特征提取所获得的特征参数的概率分布，即力觉和热觉特征值的均值与方差。、最下面的一组参数前两个分别是最近一次测得的力觉和热觉特征参数的值，最后一个是力觉的基准电压。力觉波形记录仪热觉波形记录仪物体特征值概率分布当前数据采集所提取的特征值特征提取实验进行次数图7-2 未知材料特征值提取实验界面2）、特征提取