一種氣動(dòng)肌肉徑向碰撞感測(cè)方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種氣動(dòng)肌肉徑向碰撞感測(cè)方法及系統(tǒng)。所述方法包括周期性檢測(cè)差壓傳感器的差壓信號(hào)，若所述差壓信號(hào)的值大于預(yù)設(shè)閾值，則確認(rèn)所述氣動(dòng)肌肉發(fā)生碰撞；將所述大于預(yù)設(shè)閾值的差壓信號(hào)調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，獲取所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的幅頻特性曲線；根據(jù)所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的幅頻特性曲線，提取第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率；將所述第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率注入第一管腔系統(tǒng)的氣動(dòng)肌肉的長(zhǎng)度l1與所述第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率f之間的計(jì)算式，計(jì)算出氣動(dòng)肌肉發(fā)生碰撞的位置。本發(fā)明實(shí)施例克服了僅將管腔效應(yīng)視為一種負(fù)面影響的技術(shù)偏見，提出了一種基于管腔效應(yīng)的新的碰撞感測(cè)方法及系統(tǒng)，可以簡(jiǎn)化仿生機(jī)器人碰撞感測(cè)結(jié)構(gòu)，降低感測(cè)成本。
【專利說(shuō)明】一種氣動(dòng)肌肉徑向碰撞感測(cè)方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及碰撞檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種氣動(dòng)肌肉徑向碰撞感測(cè)方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]氣動(dòng)肌肉是一種新型的驅(qū)動(dòng)器，由橡膠管和金屬編織網(wǎng)組成。通過(guò)給氣動(dòng)肌肉充氣，氣動(dòng)肌肉收縮，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。以氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂為例，如果手臂與周圍環(huán)境產(chǎn)生了碰撞，安裝在操作部位的接觸式傳感器并不能感知碰撞的發(fā)生?，F(xiàn)有的機(jī)械臂的臂架的碰撞檢測(cè)方案主要有兩種，第一種為在整個(gè)手臂上安裝多個(gè)傳感器，形成一個(gè)類似皮膚的神經(jīng)感知網(wǎng)，該方案成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計(jì)算困難；第二種是在臂架上添加壓力腔，測(cè)量壓力腔的絕對(duì)壓力來(lái)檢測(cè)碰撞，這種方法的前提是壓力腔內(nèi)部的絕對(duì)壓力在碰撞發(fā)生之前是恒定的，只有在碰撞發(fā)生時(shí)，絕對(duì)壓力才會(huì)變化。氣動(dòng)肌肉在工作時(shí)，內(nèi)部絕對(duì)壓力會(huì)不斷變化，因此無(wú)法直接通過(guò)測(cè)量絕對(duì)壓力來(lái)判斷氣動(dòng)肌肉是否發(fā)生碰撞。
[0003]管腔是指?jìng)鞲衅髂てc被測(cè)壓力點(diǎn)之間的引壓管和傳感器腔室。管腔效應(yīng)是指管腔的存在會(huì)使傳感器測(cè)得的壓力與被測(cè)壓力點(diǎn)的真實(shí)壓力之間出現(xiàn)幅值的偏差和相位的滯后。管腔效應(yīng)是在研究壓力傳感器的動(dòng)態(tài)特性中提出的理論知識(shí)，不同管腔系統(tǒng)對(duì)壓力測(cè)量的影響不同。傳感器和管腔組成的測(cè)量系統(tǒng)的固有頻率主要取決于管腔的固有頻率，因?yàn)閭鞲衅鞯墓逃蓄l率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于管腔的固有頻率。論文《動(dòng)態(tài)差壓檢測(cè)系統(tǒng)的共模誤差研究》、《壓力傳感器頻率響應(yīng)的分析》、《引壓管路對(duì)動(dòng)態(tài)差壓檢測(cè)影響的分析》等都對(duì)管腔效應(yīng)進(jìn)行了研究，但是都是將管腔效應(yīng)視為一種負(fù)面的影響，是引起壓力傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差的主要因素。本發(fā)明提出通過(guò)差壓傳感器測(cè)量氣動(dòng)肌肉管腔系統(tǒng)的差壓信號(hào)來(lái)感知碰撞，并基于管腔效應(yīng)和流體阻抗法的有關(guān)知識(shí)計(jì)算碰撞位置。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]針對(duì)上述缺陷，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種氣動(dòng)肌肉徑向碰撞感測(cè)方法及系統(tǒng)，克服僅將管腔效應(yīng)視為一種負(fù)面影響的技術(shù)偏見，提出了一種基于管腔效應(yīng)的新的碰撞感測(cè)方法及系統(tǒng)，可以簡(jiǎn)化仿生機(jī)器人碰撞感測(cè)結(jié)構(gòu)，降低感測(cè)成本。
[0005]本發(fā)明提供的一種氣動(dòng)肌肉徑向碰撞感測(cè)方法，包括:
[0006]周期性檢測(cè)差壓傳感器的差壓信號(hào)，若所述差壓信號(hào)的值大于預(yù)設(shè)閾值，則確認(rèn)所述氣動(dòng)肌肉發(fā)生碰撞，并記錄大于預(yù)設(shè)閾值的差壓信號(hào)和發(fā)生碰撞的時(shí)間；
[0007]將所述大于預(yù)設(shè)閾值的差壓信號(hào)調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，解析所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，獲取所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的幅頻曲線圖；
[0008]根據(jù)所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的幅頻曲線圖，提取第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率，所述第一管腔系統(tǒng)包括連接氣動(dòng)肌肉的第一端部的第一引壓管的內(nèi)腔、所述差壓傳感器中連接所述第一引壓管的內(nèi)腔以及氣動(dòng)肌肉的第一端部至發(fā)生碰撞的位置處對(duì)應(yīng)的內(nèi)腔所組成的連通腔室；
[0009]將所述第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率注入第一管腔系統(tǒng)的氣動(dòng)肌肉的長(zhǎng)度I1與所述第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率f之間的計(jì)算式，計(jì)算出氣動(dòng)肌肉發(fā)生碰撞的位置并顯示計(jì)算結(jié)果。
[0010]本發(fā)明提供的一種氣動(dòng)肌肉徑向碰撞感測(cè)系統(tǒng)，包括:
[0011]—根氣動(dòng)肌肉，所述氣動(dòng)肌肉具有相對(duì)設(shè)置的一個(gè)第一端部和一個(gè)第二端部；
[0012]一根第一引壓管，所述第一引壓管具有相對(duì)的一個(gè)第一接口和一個(gè)第二接口，所述第一接口連接所述氣動(dòng)肌肉的所述第一端部；
[0013]一根第二引壓管，所述第二引壓管具有一個(gè)第三接口、一個(gè)第四接口及一個(gè)第五接口，所述第三接口連接所述氣動(dòng)肌肉的所述第二端部；
[0014]一個(gè)差壓傳感器，所述差壓傳感器的兩個(gè)接口分別連接所述第一引壓管的第二接口和所述第二引壓管的第四接口；
[0015]一個(gè)信號(hào)采集處理系統(tǒng)，所述信號(hào)采集處理系統(tǒng)連接所述差壓傳感器的信號(hào)線；
[0016]一根氣管，所述氣管具有相對(duì)的一個(gè)第一通氣口和一個(gè)第二通氣口 ；
[0017]一個(gè)氣泵，所述氣泵的出氣口連接所述氣管的第一通氣口 ；
[0018]一個(gè)電磁比例閥，所述電磁比例閥安裝在所述第二引壓管的第五接口與所述氣管的第二通氣口之間，所述電磁比例閥用于調(diào)節(jié)氣動(dòng)肌肉內(nèi)部的壓強(qiáng)；
[0019]兩個(gè)支撐件，所述支撐件包括一個(gè)主體板及由所述主體板垂直延伸出來(lái)的一個(gè)側(cè)板，所述兩個(gè)支撐件的兩個(gè)側(cè)板分別連接所述氣動(dòng)肌肉的第一端部和第二端部以固持所述氣動(dòng)肌肉。
[0020]本發(fā)明實(shí)施例中，碰撞感測(cè)模塊周期性檢測(cè)差壓傳感器的差壓信號(hào)，若所述差壓信號(hào)的值大于預(yù)設(shè)閾值，則確認(rèn)所述氣動(dòng)肌肉發(fā)生碰撞，并記錄大于預(yù)設(shè)閾值的差壓信號(hào)和發(fā)生碰撞的時(shí)間；將所述大于預(yù)設(shè)閾值的差壓信號(hào)調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，解析所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，獲取所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的幅頻曲線圖；根據(jù)所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的幅頻曲線圖，提取第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率，所述第一管腔系統(tǒng)包括連接氣動(dòng)肌肉的第一端部的第一引壓管的內(nèi)腔、所述差壓傳感器中連接所述第一引壓管的內(nèi)腔以及氣動(dòng)肌肉的第一端部至發(fā)生碰撞的位置處對(duì)應(yīng)的內(nèi)腔所組成的連通腔室；將所述第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率注入第一管腔系統(tǒng)的氣動(dòng)肌肉的長(zhǎng)度I1與所述第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率f之間的計(jì)算式，計(jì)算出氣動(dòng)肌肉發(fā)生碰撞的位置并顯示計(jì)算結(jié)果。
[0021]通過(guò)實(shí)施本發(fā)明實(shí)施例，提出了一種基于管腔效應(yīng)的新的碰撞感測(cè)方法及系統(tǒng)，克服了僅將管腔效應(yīng)視為一種負(fù)面影響的技術(shù)偏見，可以簡(jiǎn)化仿生機(jī)器人碰撞感測(cè)結(jié)構(gòu)，降低感測(cè)成本。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0022]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0023]圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例提供的一種氣動(dòng)肌肉徑向碰撞感測(cè)方法的流程示意圖；
[0024]圖2是本發(fā)明第二實(shí)施例提供的一種氣動(dòng)肌肉徑向碰撞感測(cè)方法的流程示意圖；
[0025]圖3是本發(fā)明第二實(shí)施例提供的所述第一管腔系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖4是本發(fā)明第二實(shí)施例提供的所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的幅頻特性曲線示意圖；
[0027]圖5是本發(fā)明第三實(shí)施例提供的一種氣動(dòng)肌肉徑向碰撞感測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖6本發(fā)明第三實(shí)施例提供的一種信號(hào)采集處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖7是本發(fā)明第三實(shí)施例提供的一種信號(hào)調(diào)整電路的電路原理圖；
[0030]圖8是本發(fā)明第三實(shí)施例提供的一種放大電路的電路原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0032]本發(fā)明實(shí)施例中的差壓傳感器通過(guò)第一、第二引壓管分別連接氣動(dòng)肌肉的第一端部和第二端部，所述差壓傳感器能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量所述氣動(dòng)肌肉管腔系統(tǒng)的壓差，未發(fā)生碰撞的情況下，所述差壓傳感器檢測(cè)到的差壓信號(hào)近似為零，發(fā)生碰撞時(shí)，由于管腔系統(tǒng)的流體阻抗影響，所述差壓傳感器能夠檢測(cè)到變化的差壓信號(hào)，并將所述差壓信號(hào)發(fā)送至碰撞感測(cè)模塊，所述碰撞感測(cè)模塊可以包括具有信號(hào)處理能力的軟件與硬件的集合，如由電路模塊、微控制器、上位機(jī)等組成的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)，所述碰撞感測(cè)模塊周期性檢測(cè)接收到的所述差壓信號(hào)，并將大于預(yù)設(shè)閾值的差壓信號(hào)調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，同時(shí)記錄碰撞發(fā)生時(shí)間；所述碰撞感測(cè)模塊進(jìn)一步解析所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，獲取所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的幅頻特性曲線后，提取所述第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率，并將所述第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率注入到第一管腔系統(tǒng)的氣動(dòng)肌肉的長(zhǎng)度I1與所述第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率f之間的計(jì)算式，計(jì)算出氣動(dòng)肌肉發(fā)生碰撞的位置；其中，所述氣動(dòng)肌肉管腔系統(tǒng)由差壓傳感器的內(nèi)腔、第一、第二引壓管的內(nèi)腔及連接所述第二引壓管的電磁比例閥的內(nèi)腔組成。
[0033]本發(fā)明實(shí)施例提供一種氣動(dòng)肌肉徑向碰撞感測(cè)方法及系統(tǒng)，提出了一種基于管腔效應(yīng)的新的碰撞感測(cè)方法及系統(tǒng)，克服了僅將管腔效應(yīng)視為一種負(fù)面影響的技術(shù)偏見，可以簡(jiǎn)化仿生機(jī)器人碰撞感測(cè)結(jié)構(gòu)，降低感測(cè)成本。下面分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。
[0034]請(qǐng)參閱圖1，為本發(fā)明第一實(shí)施例提供的一種氣動(dòng)肌肉徑向碰撞感測(cè)方法流程示意圖。其中，圖1所示的氣動(dòng)肌肉徑向碰撞感測(cè)方法是從碰撞感測(cè)模塊的角度描述的。如圖1所示，本氣動(dòng)肌肉徑向碰撞感測(cè)方法可以包括以下步驟:
[0035]101:周期性檢測(cè)差壓傳感器的差壓信號(hào)，若所述差壓信號(hào)的值大于預(yù)設(shè)閾值，則確認(rèn)所述氣動(dòng)肌肉發(fā)生碰撞，并記錄大于預(yù)設(shè)閾值的差壓信號(hào)和發(fā)生碰撞的時(shí)間；
[0036]102:將所述大于預(yù)設(shè)閾值的差壓信號(hào)調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，解析所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，獲取所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的幅頻曲線圖；
[0037]本實(shí)施例中，將所述大于預(yù)設(shè)閾值的差壓信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，對(duì)所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的幅頻特性曲線。
[0038]103:根據(jù)所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的幅頻特性曲線，提取第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率，所述第一管腔系統(tǒng)包括連接氣動(dòng)肌肉的第一端部的第一引壓管的內(nèi)腔、所述差壓傳感器中連接所述第一引壓管的內(nèi)腔以及氣動(dòng)肌肉的第一端部至發(fā)生碰撞的位置處對(duì)應(yīng)的內(nèi)腔所組成的連通腔室；
[0039]104:將所述第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率注入第一管腔系統(tǒng)的氣動(dòng)肌肉的長(zhǎng)度I1與所述第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率f之間的計(jì)算式，計(jì)算出氣動(dòng)肌肉發(fā)生碰撞的位置并顯不計(jì)算結(jié)果。
[0040]圖1所描述的碰撞感測(cè)方法中，克服了僅將管腔效應(yīng)視為一種負(fù)面影響的技術(shù)偏見，提出了一種基于管腔效應(yīng)的新的碰撞感測(cè)方法，可以簡(jiǎn)化仿生機(jī)器人碰撞感測(cè)結(jié)構(gòu)，降低感測(cè)成本。
[0041]請(qǐng)參閱圖2，為本發(fā)明第二實(shí)施例提供的一種氣動(dòng)肌肉徑向碰撞感測(cè)方法流程示意圖。其中，圖2所示的氣動(dòng)肌肉徑向碰撞感測(cè)方法是從碰撞感測(cè)模塊的角度描述的。如圖2所示，本氣動(dòng)肌肉徑向碰撞感測(cè)方法可以包括以下步驟:
[0042]201，周期性檢測(cè)差壓傳感器的差壓信號(hào)，若所述差壓信號(hào)的值大于預(yù)設(shè)閾值，則確認(rèn)所述氣動(dòng)肌肉發(fā)生碰撞，并記錄大于預(yù)設(shè)閾值的差壓信號(hào)和發(fā)生碰撞的時(shí)間；
[0043]202，將所述大于預(yù)設(shè)閾值的差壓信號(hào)調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，解析所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，獲取所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的幅頻特性曲線；
[0044]本實(shí)施例中，如圖3所示，圖3中的三條曲線分別為所述氣動(dòng)肌肉在20mm、100mm、200mm三個(gè)不同位置發(fā)生碰撞時(shí)，所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的幅頻特性曲線圖。
[0045]203，根據(jù)所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的幅頻特性曲線，提取第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率，所述第一管腔系統(tǒng)包括連接氣動(dòng)肌肉的第一端部的第一引壓管的內(nèi)腔、所述差壓傳感器中連接所述第一引壓管的內(nèi)腔以及氣動(dòng)肌肉的第一端部至發(fā)生碰撞的位置處對(duì)應(yīng)的內(nèi)腔所組成的連通腔室；
[0046]由于所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率與所述管腔系統(tǒng)的固有頻率相同時(shí)產(chǎn)生共振，因此所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的幅值會(huì)出現(xiàn)峰值，所以所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的幅頻特性曲線圖中的峰值所在位置的頻率就是所述管腔系統(tǒng)的固有頻率，這里所述管腔系統(tǒng)包括第一、第二、第三管腔系統(tǒng)，所述第二管腔系統(tǒng)包括所述氣動(dòng)肌肉從發(fā)生碰撞位置處至所述第二端部的內(nèi)腔、所述第二引壓管的內(nèi)腔及所述差壓傳感器中與所述第二引壓管的第四接口對(duì)應(yīng)的內(nèi)腔所組成的連通腔室，所述第三管腔系統(tǒng)包括所述電磁比例閥的反射回路與所述第二管腔系統(tǒng)組成的連通腔室;
[0047]提取本實(shí)施例中步驟202中所述三條曲線中的所述第一管腔系統(tǒng)的固有頻率，分別為 288Hz、282Hz、274Hz ；
[0048]204，獲取所述第一管腔系統(tǒng)的氣動(dòng)肌肉的長(zhǎng)度I1與所述第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率f之間的關(guān)系；
[0049]本實(shí)施例中，獲取所述第一管腔系統(tǒng)的氣動(dòng)肌肉的長(zhǎng)度I1與所述第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率f之間的關(guān)系具體包括:
[0050]如圖4所示，為將第一管腔系統(tǒng)等效為異徑管腔系統(tǒng)的示意圖，所述異徑管腔系統(tǒng)由氣動(dòng)肌肉、所述第一引壓管及所述差壓傳感器的內(nèi)腔組成(差壓傳感器內(nèi)腔的直徑接近所述第一引壓管內(nèi)腔的直徑，差壓傳感器內(nèi)腔的長(zhǎng)度則非常短，因此近似等效，存在第一偏差)，基于流體阻抗理論，計(jì)算出異徑管腔系統(tǒng)的第一計(jì)算式
? I] - P{) cosh( jo)l' ! a)-Z ,Q, sinh( /W1 / a)
[0051]I
I Q} =..-P1, sinh( jcol' / a) I Z1 + Qv cosh( jojl' / a) 和第二計(jì)算式
^Py-Pi cosh(X /a)-Zt Qx sinh(/a)/, /a)
I = -Pi sinh( /&>/? / a) i Z + Qi cosh(./W? / a)
[0052]其中，PpQci分別為所述氣動(dòng)肌肉發(fā)生碰撞的位置對(duì)應(yīng)的內(nèi)腔處的壓強(qiáng)和流量的傅里葉變換，PpQ1分別為所述第一端部對(duì)應(yīng)的內(nèi)腔處的壓強(qiáng)和流量的傅里葉變換，P2、Q2分別為所述差壓傳感器的內(nèi)腔處的壓強(qiáng)和流量的傅里葉變換；lp I2分別為所述第一管腔系統(tǒng)的所述氣動(dòng)肌肉的長(zhǎng)度和所述第一引壓管的長(zhǎng)度，a為聲速，Zc^Ze2分別為所述氣動(dòng)肌肉和所述第一引壓管的特性阻抗；
[0053]根據(jù)所述異徑管腔系統(tǒng)的所述第一計(jì)算式、所述第二計(jì)算式及流體阻抗參數(shù)計(jì)算式Zi = PiAii,計(jì)算出包含有流體阻抗參數(shù)的第三計(jì)算式
ζ _ 2{)-]ΖιΛ tan(^/, ?α) ζ
—/Zn ?￡ΙΠ(?""/| / U) + Z ?
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7 _ Z1 -JZr2 lan(^/2 i α) ?
?-/ 2c,
-/Z1 tan(⑴/’ /a) + Zr0 ("
[0054]其中，Zi為所述流體阻抗參數(shù)，i的值為O或I或2，即Ztl為所述氣動(dòng)肌肉發(fā)生碰撞位置對(duì)應(yīng)的內(nèi)腔處的流體阻抗，Z1為所述第一端部對(duì)應(yīng)的內(nèi)腔處的流體阻抗，Z2為所述差壓傳感器的內(nèi)腔處的流體阻抗，發(fā)生碰撞位置處的流體阻抗Ztl的值為零，差壓傳感器中封閉的膜片處對(duì)應(yīng)的流體阻抗Z2趨近于無(wú)窮大；
[0055]根據(jù)所述包含有流體阻抗參數(shù)的第三計(jì)算式和τ,、Z2的值，計(jì)算出所述第一管腔系統(tǒng)的氣動(dòng)肌肉的長(zhǎng)度I1與所述第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率f之間的計(jì)算式為
[0056]I1 = a arctan (Zc2/ (Zcltan (2 π l2f/a))) /2 π f
[0057]當(dāng)聲速a = 340m/s,特性阻抗比Ze2/Zel = 16,所述第一引壓管的長(zhǎng)度I2 = 0.293m時(shí)，計(jì)算得到所述第一管腔系統(tǒng)的氣動(dòng)肌肉的長(zhǎng)度I1與所述第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率f之間的計(jì)算式為
[0058]I1 = 54.14arctan (16/tan (0.005415f) /f
[0059]205，將所述第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率注入第一管腔系統(tǒng)的氣動(dòng)肌肉的長(zhǎng)度I1與所述第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率f之間的計(jì)算式，計(jì)算出氣動(dòng)肌肉發(fā)生碰撞的位置并顯示計(jì)算結(jié)果。
[0060]本實(shí)施例中，將所述第一管腔系統(tǒng)的固有頻率288Hz、282Hz、274Hz分別注入所述第一管腔系統(tǒng)的氣動(dòng)肌肉的長(zhǎng)度I1與所述第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率f之間的計(jì)算式，計(jì)算出碰撞位置分別為33.84mm、117.5mm、187.6mm。
[0061]以上計(jì)算結(jié)果與實(shí)際碰撞位置進(jìn)行比較，誤差分別為13.84mm、17.5mm、-12.4mm,
這是由于實(shí)驗(yàn)中碰撞位置誤差、異徑管腔系統(tǒng)模型誤差以及所述第一偏差的影響，導(dǎo)致精度不高。但作為一種新的碰撞感測(cè)方法，在測(cè)量精度要求不高的場(chǎng)合已經(jīng)能夠滿足應(yīng)用，且通過(guò)減小各類誤差可以提高感測(cè)精度。
[0062]圖2所描述的碰撞感測(cè)方法中，克服了僅將管腔效應(yīng)視為一種負(fù)面影響的技術(shù)偏見，提出基于管腔效應(yīng)和流體阻抗理論計(jì)算碰撞位置的新的碰撞感測(cè)方法，可以簡(jiǎn)化仿生機(jī)器人碰撞感測(cè)結(jié)構(gòu)，降低感測(cè)成本。
[0063]如圖5所示，為本發(fā)明第三實(shí)施例提供一種氣動(dòng)肌肉徑向碰撞感測(cè)系統(tǒng)100，其包括:一個(gè)氣動(dòng)肌肉10、一根第一引壓管20、一根第二引壓管30、一個(gè)差壓傳感器40、一個(gè)信號(hào)米集處理系統(tǒng)50、一根氣管60、一個(gè)氣泵70、一個(gè)電磁比例閥80以及兩個(gè)支撐件90。
[0064]本實(shí)施例中，所述氣動(dòng)肌肉10為圓柱形空管，且具有相對(duì)設(shè)置的一個(gè)第一端部101和一個(gè)第二端部102 ；
[0065]所述第一引壓管20具有相對(duì)的一個(gè)第一接口和一個(gè)第二接口，所述第一接口連接所述氣動(dòng)肌肉10的第一端部對(duì)應(yīng)的接口 ；
[0066]所述第二引壓管30具有一個(gè)第三接口、一個(gè)第四接口及一個(gè)第五接口，所述第三接口連接所述氣動(dòng)肌肉10的第二端部對(duì)應(yīng)的接口 ；
[0067]所述差壓傳感器40的兩個(gè)接口分別連接所述第一引壓管20的第二接口和所述第二引壓管30的第四接口 ；
[0068]所述信號(hào)采集處理系統(tǒng)50連接所述差壓傳感器的信號(hào)線；
[0069]所述氣管60具有相對(duì)的一個(gè)第一通氣口和一個(gè)第二通氣口 ；
[0070]所述氣泵70的出氣口連接所述氣管的第一通氣口 ；
[0071]所述電磁比例閥80安裝在所述第二引壓管的第五接口與所述氣管的第二通氣口之間，所述電磁比例閥用于調(diào)節(jié)氣動(dòng)肌肉內(nèi)部的壓強(qiáng)；
[0072]所述支撐件90包括一個(gè)主體板及由所述主體板垂直延伸出來(lái)的一個(gè)側(cè)板，所述兩個(gè)支撐件的兩個(gè)側(cè)板分別連接所述氣動(dòng)肌肉的第一端部和第二端部以固持所述氣動(dòng)肌肉。
[0073]如圖6所示，本實(shí)施例中，所述信號(hào)采集處理系統(tǒng)50包括微控制器單元、復(fù)位電路、電源電路、信號(hào)調(diào)整電路、放大電路、Α/D轉(zhuǎn)換電路、電平轉(zhuǎn)換電路、收發(fā)模塊、上位機(jī)；其中，所述微控制器單元包括處理器芯片及其外圍電路；
[0074]所述復(fù)位電路、所述電源電路的輸出端連接所述處理器芯片的第一輸入端，所述差壓傳感器經(jīng)所述信號(hào)調(diào)整電路、所述放大電路、所述Α/D轉(zhuǎn)換電路及所述電平轉(zhuǎn)換電路連接所述處理器芯片的第二輸入端，所述處理器芯片的輸出端與所述上位機(jī)雙向通信。
[0075]如圖7所示，所述信號(hào)調(diào)整電路包括光耦Ul、電容Cl、電阻R21、電阻R22和三腳接線柱Jl，三腳接線柱Jl的I號(hào)管腳連接在正24V直流電源上，電容Cl的一端和三腳接線柱Jl的I號(hào)管腳串聯(lián)，電容Cl的另一端接地，三腳接線柱Jl的2號(hào)管腳通過(guò)電阻R21串聯(lián)在光耦Ul的正極，光耦Ul的負(fù)極和集電極接地，光耦Ul的發(fā)射極串聯(lián)電阻R22后接入正5V直流電源；
[0076]如圖8所示，所述放大電路包括運(yùn)放器Al、A2、電阻Rl、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R1、Rll和電容C。電阻R1、電阻R2、電阻R6和電阻R5依次首尾串聯(lián)，在電阻Rl和電阻R2之間的節(jié)點(diǎn)上電連接電阻R4，電阻R4的中間節(jié)點(diǎn)上電連接電阻R3，電阻R4串聯(lián)在運(yùn)放器Al的同相輸入端，運(yùn)放器Al的同相輸入端和運(yùn)放器A2的同相輸入端之間串聯(lián)滑動(dòng)變阻器R7和電阻R8，運(yùn)放器Al的反相輸入端和輸出端之間串聯(lián)電阻R9，運(yùn)放器A2的反相輸入端和輸出端之間串聯(lián)電阻R10，運(yùn)放器Al的輸出端和運(yùn)放器A2的輸出端之間串聯(lián)電阻Rll和電容C ;
[0077]所述Α/D轉(zhuǎn)換電路包括ADS7864芯片。
[0078]通過(guò)上述實(shí)施例的描述，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0079]本申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N基于管腔效應(yīng)的新的碰撞感測(cè)方法及系統(tǒng)，克服了僅將管腔效應(yīng)視為一種負(fù)面影響的技術(shù)偏見，可以簡(jiǎn)化仿生機(jī)器人碰撞感測(cè)結(jié)構(gòu)，降低感測(cè)成本。
[0080]本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解上述實(shí)施例的各種方法中的全部或部分步驟是可以通過(guò)程序來(lái)指令相關(guān)的硬件來(lái)完成，該程序可以存儲(chǔ)于一計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中，存儲(chǔ)介質(zhì)可以包括:閃存盤、只讀存儲(chǔ)器(Read-Only Memory,ROM)、隨機(jī)存取器(Random AccessMemory, RAM)、磁盤或光盤等。
[0081]以上對(duì)本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種氣動(dòng)肌肉徑向碰撞感測(cè)方法及系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在【具體實(shí)施方式】及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說(shuō)明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
【權(quán)利要求】
1.一種氣動(dòng)肌肉徑向碰撞感測(cè)方法，其特征在于，所述方法包括: 周期性檢測(cè)差壓傳感器的差壓信號(hào)，若所述差壓信號(hào)的值大于預(yù)設(shè)閾值，則確認(rèn)所述氣動(dòng)肌肉發(fā)生碰撞，并記錄大于預(yù)設(shè)閾值的差壓信號(hào)和發(fā)生碰撞的時(shí)間； 將所述大于預(yù)設(shè)閾值的差壓信號(hào)調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，解析所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，獲取所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的幅頻特性曲線； 根據(jù)所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的幅頻特性曲線，提取第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率，所述第一管腔系統(tǒng)包括連接氣動(dòng)肌肉的第一端部的第一引壓管的內(nèi)腔、所述差壓傳感器中連接所述第一引壓管的內(nèi)腔以及氣動(dòng)肌肉的第一端部至發(fā)生碰撞的位置處對(duì)應(yīng)的內(nèi)腔所組成的連通腔室； 將所述第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率注入第一管腔系統(tǒng)的氣動(dòng)肌肉的長(zhǎng)度I1與所述第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率f之間的計(jì)算式，計(jì)算出氣動(dòng)肌肉發(fā)生碰撞的位置并顯示計(jì)晳社里異知米。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的幅頻特性曲線，提取第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率之后，所述方法還包括: 獲取所述第一管腔系統(tǒng)的氣動(dòng)肌肉的長(zhǎng)度I1與所述第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率f之間的關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述獲取所述第一管腔系統(tǒng)的氣動(dòng)肌肉的長(zhǎng)度I1與所述第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率f之間的關(guān)系包括: 將聲速a、特性阻抗比m及所述第一引壓管的長(zhǎng)度I2的值注入所述第一管腔系統(tǒng)的氣動(dòng)肌肉的長(zhǎng)度I1與所述第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率f之間的計(jì)算式I1 = a arctan (Zc2/ (Zcltan (2 π l2f/a))) /2 π f 計(jì)算得到所述構(gòu)成第一管腔系統(tǒng)的氣動(dòng)肌肉的長(zhǎng)度I1與所述第一管腔系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固有頻率f之間的計(jì)算式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1?3任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述將所述大于預(yù)設(shè)閾值的差壓信號(hào)調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，解析所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，獲取所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的幅頻特性曲線包括: 將所述大于預(yù)設(shè)閾值的差壓信號(hào)通過(guò)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，對(duì)所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換獲取所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的幅頻特性曲線。
5.一種氣動(dòng)肌肉徑向碰撞感測(cè)系統(tǒng),其特征在于,所述系統(tǒng)包括: 一根氣動(dòng)肌肉，所述氣動(dòng)肌肉具有相對(duì)設(shè)置的一個(gè)第一端部和一個(gè)第二端部； 一根第一引壓管，所述第一引壓管具有相對(duì)的一個(gè)第一接口和一個(gè)第二接口，所述第一接口連接所述氣動(dòng)肌肉的第一端部對(duì)應(yīng)的接口； 一根第二引壓管，所述第二引壓管具有一個(gè)第三接口、一個(gè)第四接口及一個(gè)第五接口，所述第三接口連接所述氣動(dòng)肌肉的第二端部對(duì)應(yīng)的接口 ； 一個(gè)差壓傳感器，所述差壓傳感器的兩個(gè)接口分別連接所述第一引壓管的第二接口和所述第二引壓管的第四接口； 一個(gè)信號(hào)采集處理系統(tǒng)，所述信號(hào)采集處理系統(tǒng)連接所述差壓傳感器的信號(hào)線； 一根氣管，所述氣管具有相對(duì)的一個(gè)第一通氣口和一個(gè)第二通氣口 ； 一個(gè)氣泵，所述氣泵的出氣口連接所述氣管的第一通氣口 ； 一個(gè)電磁比例閥，所述電磁比例閥安裝在所述第二引壓管的第五接口與所述氣管的第二通氣口之間，所述電磁比例閥用于調(diào)節(jié)氣動(dòng)肌肉內(nèi)部的壓強(qiáng)； 兩個(gè)支撐件，所述支撐件包括一個(gè)主體板及由所述主體板垂直延伸出來(lái)的一個(gè)側(cè)板，所述兩個(gè)支撐件的兩個(gè)側(cè)板分別連接所述氣動(dòng)肌肉的第一端部和第二端部以固持所述氣動(dòng)肌肉。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于， 所述信號(hào)采集處理系統(tǒng)包括微控制器單元、復(fù)位電路、電源電路、信號(hào)調(diào)整電路、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、電平轉(zhuǎn)換電路、收發(fā)模塊、上位機(jī)； 其中，所述微控制器單元包括處理器芯片及其外圍電路； 所述復(fù)位電路、所述電源電路的輸出端連接所述處理器芯片的第一輸入端，所述差壓傳感器經(jīng)所述信號(hào)調(diào)整電路、所述放大電路、所述A/D轉(zhuǎn)換電路及所述電平轉(zhuǎn)換電路連接所述處理器芯片的第二輸入端，所述處理器芯片的輸出端與所述上位機(jī)雙向通信。
【文檔編號(hào)】G01D21/00GK104296796SQ201410472329
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月16日
【發(fā)明者】鮑春雷, 王斌銳, 駱浩華, 金英連, 陳杭升 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院
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