摘要 紋理是物體表面微觀結(jié)構(gòu)分布特征的體現(xiàn)，為了提取不同物體表面微觀結(jié)構(gòu)特性，提出一種基于Galfenol材料的新型磁致伸縮觸覺感知系統(tǒng)。基于磁致伸縮逆效應(yīng)、懸臂梁撓度理論等建立紋理觸覺傳感器輸出電壓與紋理表面微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)選取5種織物樣本測(cè)試，測(cè)試的輸出電壓明顯不同，然后利用MATLAB軟件提取輸出電壓中與紋理有關(guān)的峰值平均電壓和功率譜密度，表明在粗糙度大于6.0的范圍內(nèi)，傳感器可以識(shí)別物體的粗糙度;在細(xì)密度大于6時(shí)，細(xì)密度的識(shí)別具有較高的靈敏度。最后通過測(cè)試觸覺傳感器的線性度為0.019%，靈敏度為97.31 mV/mm，重復(fù)性小于0.33%，驗(yàn)證紋理觸覺傳感器的穩(wěn)定性，滿足設(shè)計(jì)要求。

　　關(guān) 鍵 詞 紋理觸覺傳感器;磁致伸縮逆效應(yīng);Galfenol;撓度;功率譜密度

　　《重型汽車》(雙月刊)創(chuàng)刊于1987年，是由中國(guó)重汽技術(shù)中心主辦的國(guó)家級(jí)期刊,面向國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行,是國(guó)內(nèi)重型汽車行業(yè)唯一一份公開發(fā)行的權(quán)威刊物,集技術(shù)性與綜合性、理論性與實(shí)用性為一體,在汽車類期刊中占具重要地位。

　　近年來，觸覺傳感器的發(fā)展一直是機(jī)器人領(lǐng)域的熱門話題。與動(dòng)態(tài)環(huán)境交互的機(jī)器人系統(tǒng)，在利用高級(jí)視覺技術(shù)識(shí)別對(duì)象屬性時(shí)，會(huì)存在被遮擋、光線不足和精度低等影響因素，所以完成機(jī)器人與動(dòng)態(tài)環(huán)境交互一直是一項(xiàng)至關(guān)重要但很困難的任務(wù)。而觸覺感知能捕獲多個(gè)接觸點(diǎn)，接觸區(qū)域信息豐富還能獲得直接的反饋[1-4]。觸覺裝置的性能主要取決于觸覺傳感器。觸覺傳感器基于敏感元件換能原理進(jìn)行分類，一般可以分為：壓電式傳感器、電容式傳感器、光電式傳感器、超聲式傳感器、電磁式傳感器、壓阻式傳感器和有機(jī)可彎曲、拉伸傳感器等[5-7]。這些傳感器可以提供一些觸覺或觸摸信息，這些信息可以表征物體的重量、剛度、彈性和摩擦力等。實(shí)際上物理對(duì)象特征描述可以分為3大類，分別描述的是物體的形狀信息、內(nèi)部屬性和材料屬性[8-9]。其中物體的材料屬性又可以通過剛度、導(dǎo)熱性和紋理特征來表征。人手之所以能夠識(shí)別物體的粗糙度紋理特征，主要是由人手皮膚中豐富的機(jī)械刺激感知小體來決定的。在服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)中，表面紋理特征被認(rèn)為是用于評(píng)估和識(shí)別物體的重要信息。

　　目前，由于非視覺紋理傳感器的設(shè)計(jì)難度較大，對(duì)精細(xì)幾何紋理的樣本有效測(cè)量仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。磁致伸縮材料具有飽和磁場(chǎng)小，延展性好，抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn)，可承受各種機(jī)械載荷，如壓力、張力和沖力等。而且磁致伸縮逆效應(yīng)表明，磁致伸縮材料的磁導(dǎo)率可以通過外部沖擊而改變。同時(shí)觸覺傳感器輸出特性與物體紋理的關(guān)系一直不清楚，并且觸覺傳感器的輸出電壓的理論模型尚未建立。因此本論文首先提出基于Galfenol材料設(shè)計(jì)，制作了一種新型的用于紋理探測(cè)的觸覺傳感器系統(tǒng)。其次根據(jù)磁致伸縮逆效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、和歐拉-伯努利梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論等，建立了紋理觸覺傳感器的輸出電壓模型。通過分析測(cè)試數(shù)據(jù)提取峰值電壓、功率譜密度表征物體紋理屬性。

　　1 紋理觸覺傳感系統(tǒng)

　　本紋理觸覺傳感器主要由探針觸頭、Galfenol片、勵(lì)磁線圈和兩個(gè)霍爾元件構(gòu)成。本研究中的Galfenol材料選用的是取向<100>，織構(gòu)化多晶的Fe83Ga17合金薄板。Galfenol片的兩端分別安裝一個(gè)霍爾元件。該霍爾元件分別完成信號(hào)采集和樣本破壞性檢測(cè)。勵(lì)磁線圈提供了沿著梁的長(zhǎng)度方向的偏置磁場(chǎng)。探針觸頭直接接觸移動(dòng)被測(cè)物體從而引起Galfenol片自由端上下振動(dòng)。整個(gè)觸覺傳感器的尺寸是70 mm × 20 mm × 20 mm，重量為20 g，如圖1a)所示。該觸覺傳感系統(tǒng)除了傳感器之外，還包括示波器、電源、仿手指的支撐架、帶編碼器的驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)、傳送帶、信號(hào)采集單元和計(jì)算機(jī)等設(shè)備。在圖1b)中，信號(hào)采集單元選用的是12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過該轉(zhuǎn)換器獲取觸覺傳感器的輸出信號(hào)。被測(cè)物體利用傳送帶和直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)直流電機(jī)還可以控制傳送帶的速度、位移和方向。在實(shí)驗(yàn)過程中，該紋理觸覺傳感器是安裝在人形機(jī)械手支架上，通過支架的支撐和壓縮帶動(dòng)觸覺傳感器觸摸移動(dòng)平臺(tái)上的紋理物體(樣本)。移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向選取的是在x軸方向。為了保證觸覺傳感器與紋理表面的充分接觸，在z軸方向施加正向力。該力是通過類人形機(jī)械支架上的電機(jī)提供的。當(dāng)觸覺傳感器觸摸不同紋理的物體時(shí)，探針接觸到垂直方向的紋理高度，進(jìn)而引起懸臂梁產(chǎn)生撓度。基于磁致伸縮逆效應(yīng)，Galfenol片的磁通密度會(huì)發(fā)生改變，然后利用霍爾元件得到傳感器的輸出電壓。尤其當(dāng)被測(cè)物體紋理觸摸過程中發(fā)生損壞時(shí)，Galfenol片固定端的霍爾元件輸出電壓更明顯，這是由該霍爾元件的安裝位置決定的。

　　為了保證物體紋理測(cè)試的準(zhǔn)確，該感知系統(tǒng)采用兩種方式收集觸覺傳感器信號(hào)，一種是通過示波器直觀顯示，另一種是由采集卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)上傳計(jì)算機(jī)。

　　2 紋理觸覺傳感器輸出模型

　　觸覺傳感器的輸出信號(hào)是通過霍爾元件采集的，霍爾元件檢測(cè)Galfenol懸臂梁內(nèi)部磁通密度變化，因此得到輸出電壓與磁通密度關(guān)系為

　　[UH=kHISB]， (1)

　　式中：[UH]是霍爾元件的輸出電壓;[kH]是霍爾常數(shù);[IS]是通過霍爾單元的控制電流;[B]是Galfenol內(nèi)部的磁通密度。

　　該霍爾元件型號(hào)為ss491B，它的參考輸出電壓為2.5 V。為了確保紋理測(cè)量的精度，其參考輸出電壓利用外圍電路調(diào)整為0 V。即紋理觸覺傳感器的輸出電壓直接表示為

　　[U=UH=kHISB]。 (2)

　　根據(jù)Galfenol的線性本構(gòu)方程和偏置磁場(chǎng)[H=Nib/l]，Galfenol內(nèi)部的磁通密度B為

　　[B=dEε+Nib(μ-d2E)/l]， (3)

　　式中：[d]是磁機(jī)耦合壓磁系數(shù);[E]是楊氏模量;[ε]是懸臂梁長(zhǎng)度方向總的應(yīng)變;[N]是勵(lì)磁線圈的匝數(shù);[ib]是線圈中的勵(lì)磁電流;[μ]是磁導(dǎo)率;[l]是Galfenol片的長(zhǎng)度。

　　在圖1a)中，梁的縱軸是[x]，橫軸是[z]，因此[xz]平面是梁的中性面。通過假設(shè)1)梁為歐拉-伯努利梁;2)Galfenol片沿[x]軸的磁場(chǎng)均勻分布;3)忽略剪切力對(duì)梁形變的影響，推導(dǎo)得出撓度函數(shù)。該方程組為

　　[ω=-F6EI(3lx2-x3)] ， (4)

　　[ωfree=-Fl33EI] ， (5)

　　[ω=ωfree2l3(3lx2-x3)]， (6)

　　式中：[x]代表梁上任意點(diǎn)與自由端之間的距離;[F]是施加到梁的自由端的正向力;[I]是截面慣性矩;[ωfree]是在[x=l]處的撓度值，即梁的最大撓度。其中方程(6)是由方程(4)除以方程(5)推導(dǎo)得出的。

　　利用中性層曲率表示梁的彎曲公式同時(shí)忽略剪切力，[x]軸上任意點(diǎn)的梁的應(yīng)變可表示為

　　[εx=yρ(x)=yd2ωdx2] ， (7)

　　式中：[y]為梁的表面與中性面的垂直距離，其值等于梁厚度的二分之一;[ρ(x)]代表在[x]軸任意點(diǎn)的撓度曲線的曲率。由式(7)可以看出，應(yīng)變與撓度有關(guān)，撓度反映了懸臂梁的振幅大小，而振幅大小由被測(cè)物體的紋理決定。不同紋理面的微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不同，基于特定的數(shù)學(xué)模型和幾何約束條件可以建立紋理的觸覺表達(dá)式[10]。

　　在織物動(dòng)態(tài)粗糙度編碼中，觸發(fā)紋理觸覺傳感器和速度刺激的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡近似為正弦曲線。當(dāng)在某時(shí)刻，物體刺激的第一個(gè)脊與觸覺傳感器的探針觸頭接觸時(shí)，剪切力和正向力都施加在探針觸頭上。在力的作用下，安裝在梁兩端的霍爾元件產(chǎn)生了電壓脈沖。隨著物體刺激的移動(dòng)，脊一個(gè)接一個(gè)撞擊探針觸頭，產(chǎn)生了一系列電壓脈沖。該脈沖序列揭示了主頻率，其與掃描速度和紋理表面間距有關(guān)，關(guān)系如式(8)所示：

　　[f=νλ] 。 (8)

　　對(duì)于探針觸頭，在沒有動(dòng)態(tài)效應(yīng)的情況下，在探索(或測(cè)試)期間由接觸表面構(gòu)成觸覺傳感器Galfenol片的偏轉(zhuǎn)。根據(jù)紋理觸覺傳感器的觸頭跟蹤的偏移表面近似為正弦曲線，其可表示為

　　[ωfree=Asin(2πft+φ)] ， (9)

　　式中：[A]是正弦曲線的幅值，代表被測(cè)物體紋理脊的高度;[φ]是一個(gè)反應(yīng)被測(cè)物體接觸深度的值。將式(8)代入式(9)得到

　　[ωfree=Asin(2πνλt+φ)]。 (10)

　　將式(10)代入式(7)，然后積分得到梁長(zhǎng)度方向總的應(yīng)變，其表達(dá)式為

　　[ε=lεxdx=3hA4lsin(2πνλt+φ)] 。 (11)

　　將式(11)代入式(3)和式(2)，得到觸覺傳感器的輸出電壓，表達(dá)式為

　　[U=kHIS[4Nib(μ-d2E)+3dEhAsin(2πνλt+φ)]4l] ，

　　(12)

　　式中：[A]和[λ]為與被測(cè)物體的紋理有關(guān)的參數(shù)，分別代表紋理表面脊的高度和寬度，隨著接觸不同的紋理物體，以上2個(gè)參數(shù)是變化的;[h]是Galfenol片的厚度或者稱為高度。另外，紋理觸覺傳感器的模型還包括一些與霍爾器件和Galfenol材料相關(guān)的參量。其中[A]，[λ]，和[ν]，是最重要的影響著觸覺傳感器輸出特性的3個(gè)因素。根據(jù)式(12)，當(dāng)霍爾元件和梁的材料已確定，通過計(jì)算得出傳感器觸摸不同織物的輸出電壓，并且該模型對(duì)物體紋理識(shí)別能提供重要的指導(dǎo)。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　設(shè)計(jì)的觸覺傳感器中Fe83Ga17合金片長(zhǎng)度為l = 69 mm， 厚度為h = 0.7 mm， 楊氏模量為E = 70 GPa， 磁機(jī)耦合壓磁系數(shù)是d=34 T/GPa[11]。其它參數(shù)，勵(lì)磁線圈匝數(shù)N = 200， 勵(lì)磁電流[ib=0.2 A]， 霍爾常數(shù)[kH=0.005 63]， 霍爾單元控制電流[IS=10 mA]。設(shè)定紋理表面和傳感器觸頭的相對(duì)速度分別為1 cm/s， 2 cm/s，3 cm/s，4 cm/s，5 cm/s。實(shí)驗(yàn)中選取牛仔布、尼龍絲帶、薄紗、紗布和粗布作為測(cè)試對(duì)象，每個(gè)測(cè)試對(duì)象紋理表面是均勻一致的，其測(cè)試樣本參數(shù)如表1。每種樣品在相同條件下進(jìn)行6次實(shí)驗(yàn)，通過改變速度，每個(gè)樣品測(cè)出30組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)測(cè)試速度為2 cm/s時(shí)，所得5種樣本的測(cè)試數(shù)據(jù)，經(jīng)過濾波得到樣本紋理的振動(dòng)信號(hào)如圖2所示。從圖2可以看出，當(dāng)紋理觸覺傳感器接觸以2 cm/s的速度移動(dòng)的織物樣本時(shí)，傳感器的輸出電壓是隨著織物表面脊高和間距而上下移動(dòng)的。在圖2中，a)圖和b)圖的輸出電壓分別在50 ～ 60 mV，和55 ～60 mV;然而c)圖和d)圖的電壓分別在恒定電壓60 mV和65 mV附近變化;a)～d)圖的測(cè)試樣本主觀感知紋理相似，但觸覺傳感器可以通過輸出電壓來區(qū)分。e)圖的輸出電壓達(dá)到170 mV，觸覺傳感器的輸出電壓隨著紋理的差異越大增加越明顯。圖2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[12]相比，通過紋理觸覺傳感器設(shè)計(jì)的優(yōu)化，輸出特性明顯增強(qiáng)。當(dāng)織物物體移動(dòng)速度為2 cm/s時(shí)，觸覺傳感器的輸出電壓會(huì)因紋理不同而輸出不同。因此，表面紋理對(duì)觸覺紋理傳感器的輸出電壓有很大的影響。

　　粗糙表面比光滑表面更厚重，因此接觸表面之間輸出振動(dòng)信號(hào)的幅值相對(duì)較大，幅值的平均值可以代表粗糙度尺寸[13-15]。為了表征物體粗糙度，利用MATLAB軟件對(duì)觸覺觸感器輸出信號(hào)進(jìn)行特征提取。圖3中的峰值平均值和粗糙度之間的關(guān)系是通過MATLAB軟件編程處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出。圖3顯示當(dāng)粗糙度小于6時(shí)， 峰值平均電壓增加緩慢。當(dāng)粗糙度在6 ～ 7.5之間時(shí)，峰值電壓?jiǎn)握{(diào)增加，而且速度增加很快。以上結(jié)果表明，該紋理觸覺傳感器在測(cè)量粗糙度大于6.0的物體時(shí)，精度會(huì)更高。