移动机器人碰撞接触力传感器的设计

梁春苗

(中煤科工集团西安研究院， 陕西 西安 710077)

0 前 言

移动机器人是能够沿规定的路径行驶，还具有编程和停车选择装置、安全保护装置以及各种物料移载功能的搬运机器人.移动机器人在国外从20世纪50年代在仓储业开始使用，目前已经在制造业、港口、码头等领域得到普遍应用，国内大型国有企业中物流上也在普遍应用.

目前移动机器人碰撞后能感知碰撞并能确定碰撞位置，但是对于碰撞力的大小尚不能准确感知.而本文作者研制了一种碰撞接触传感器，以压电薄膜为感应元件，通过外加电路进行电荷信号向电压信号的转换完成信号的采集.当移动机器人与障碍物碰撞后，传感器不但能感知碰撞，而且还能准确感知碰撞力的大小，这些感知信息能指导移动机器人做出精确的避让力度响应，对于防范冲击力产生的危害也具有重要的理论和实际意义.

图1 碰撞接触式传感器横断面结构图

1 传感器的结构设计

碰撞接触式传感器的横截面如图1所示，中间两圈颜色较深的就是压电电缆的芯线1和地线3，芯线1和地线之间有一层PVDF材料的压电薄膜，芯线盒地线外面有一层保护橡胶层5，绝缘层4将橡胶层和压电电缆隔离.由于移动机器人在运动中存在一定的惯性，在检测到碰撞信号做出反应后，还会向前冲一小段距离，所以在保护橡胶两边都加上一层缓冲海绵层7，以防止发生刚性碰撞.保护橡胶层是和压电电缆配套使用的，被橡胶层包裹的压电电缆中下部有一个缓冲空腔，它的作用是使压电电缆受到的应力分布均匀.

2 信号调理及数据采集

信号调理电路由两部分组成，一是电荷放大，二是电压放大.当压电电缆在受到碰撞的瞬间会产生电荷信号，通过信号调理电路中的第一级电荷放大电路将压电电缆上产生的电荷信号转换为电压信号，第二级为电压放大，理论上的放大倍数为100，但由于是脉冲信号，衰减的幅度比较大，因此末端输出时仅为0～4.5 V左右，便于数据采集.电路的主要部分如图2～图4所示.

图2 电荷放大器电荷转换部分电路

图3 电荷放大器电源部分电路

图4 电压放大电路

3 碰撞接触传感器的标定

碰撞接触传感器的标定原理如图5所示.力锤受冲击后可以得到冲击参数，将这些参数作为已知量，当用力锤敲击压电电缆时，依据力的作用力与反作用力原理，力锤敲击压电电缆后作用在力锤上的力和压电电缆上的力理论上相等，虽然敲击力是随时间变化的动态力，但是实质上仍然是把相同的力施加在两个不同的力传感器上.力锤和压电电缆撞击后形成一个冲力，在力锤和压电电缆的输出上都加上了一个A/D数据采集卡，可完全记录这个瞬态过程，将这个瞬态过程以数字量的形式存储后就可以建立接触传感器最大冲力和传感器最大电压之间的关系式.

图5 标定原理框图 图6 实验中使用的碰撞接触传感器

4 数据分析

实验中使用的碰撞接触传感器如图6所示.图7、图8是两组不同缓冲材料包裹的接触传感器采集的数据点集及二次拟合曲线，可见曲线的趋势大致相同.第一组数据二次拟合曲线的拟合关系式为：y=0.007 8x2+0.126 6x-0.011；第二组数据二次拟合曲线的拟合关系式为：y=-0.006 3x2+0.102 4x-0.067 4；对数据处理结果进行分析可见，两组拟合曲线曲率不同，原因是接触传感器在移动机器人上缓冲的特殊需要，须具有较大的抗冲击强度，且不易产生破坏，因此采用具有一定缓冲能力的橡胶、海绵等缓冲层，这些缓冲材料都不是纯粹的弹性体，在受到冲击力后会产生不同程度的塑性变形，从而导致力和接触传感器输出电压之间呈非线性关系.经过进一步测试传感器的性能，测得的碰撞力精度在±0.2 N范围内，可以满足移动机器人的使用要求.

图7 二次拟合曲线(第一组) 图8 二次拟合曲线(第二组)

5 结束语

本文基于压电薄膜(PVDF)的压电敏感特性研制了一种碰撞力传感器，完成了传感器的结构设计及电荷放大电路、数据采集和处理系统的设计，并进行了实验，实验结果表明该传感器能感知碰撞力的大小，碰撞力测量精度可满足实际应用要求，为移动机器人的精确避让决策提供了依据.

参考文献

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