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“机电装备设计”实验二
基于力觉、热觉的信息融合
和目标识别
实验指导书
实验班级______________
实 验 者______________
所学专业______________
实验日期______________
实验教师______________
实验成绩______________
内蒙古工业大学机械学院
先进制造实验室
1、实验目的
1、了解和实践多信息融合算法;
2、通过基于力觉、热觉的信息融合实现其目标物体的识别。
2、实验内容及要求:
用力觉和热觉信息实现目标物材分类;
位置材料特征提取;
特征提取实验;
4、多感觉信息融合。
3、实验装置
多感觉机械手实验装置PCI6024E采集卡计算机
4、实验原理
4.1、实验装置
1、实验装置简介
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。
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。整个实验装置由机械手本体、控制器、计算机等三部分组成,系统组成示意图如图1所示。
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。
2、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(双击E:\机械手-0\机械手\机械手安装软件robot.exe),将直接弹出如图2所示的实验菜单界面:
由图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。
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3所示),它将再次启动程序。
4.2热觉实验原理
热觉传感器由一加热元件与温度传感器组成,其结构如图4所示。
图4 热觉传感器的结构示意图
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,在机器人中称作热觉。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5~10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。
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