專利名稱：水下機(jī)器人熱覺傳感器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的水下機(jī)器人熱覺傳感器系統(tǒng)屬于智能機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，用于識(shí)別機(jī)器人手觸摸物體的材質(zhì)，特別適用于機(jī)器人的水下作業(yè)，探察水下物體的材質(zhì)，以便打撈物體。
現(xiàn)有的熱覺傳感器，一般不適于水下使用。例如，中國專利CN90103382.0《機(jī)器人的熱覺及其控制》提出了一種方案，模擬人體內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的血液趨于保持人體穩(wěn)定地高于環(huán)境某一特定溫度，當(dāng)人手接觸不同導(dǎo)熱物體時(shí)，由于導(dǎo)熱不同，人手溫降也不同。利用這一原理，測(cè)量機(jī)器人機(jī)械手的溫降，用以判定抓取的是什么材質(zhì)物體。該方案是在機(jī)械手內(nèi)裝熱覺敏感頭，機(jī)械手包括兩個(gè)可開閉的手爪，其開閉由計(jì)算機(jī)控制，計(jì)算機(jī)通過接口、手爪馬達(dá)控制單元，控制手爪馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，手爪馬達(dá)通過兩平行連桿帶動(dòng)兩手爪開閉，計(jì)算機(jī)上裝有相應(yīng)的工作軟件，進(jìn)行所需的全部計(jì)算工作，熱覺敏感頭、熱覺敏感頭加熱單元、信號(hào)檢測(cè)單元以及電纜組成熱覺傳感器，信號(hào)檢測(cè)電路由電橋、前置放大器和限幅器組成，敏感頭的熱敏電阻作為電橋電路一個(gè)測(cè)量臂。
這種方案在工作時(shí)需要預(yù)熱，熱覺傳感器系統(tǒng)在整個(gè)工作過程中一直在通電，在信號(hào)檢測(cè)電路中采用一個(gè)熱覺敏感頭的熱覺傳感器，受周圍環(huán)境溫度變化影響嚴(yán)重，同一材質(zhì)重復(fù)測(cè)試時(shí)一致性差，如果將這種熱覺傳感器應(yīng)用于水下機(jī)器人，克服不了水流動(dòng)引起的溫度下降不規(guī)則性和熱間隙電阻變化的影響，容易造成機(jī)器人誤判材質(zhì)，這種熱覺傳感器適于在空氣環(huán)境中使用，不適合在水中使用。
本發(fā)明的目的是提出一種能在水下應(yīng)用的機(jī)器人熱覺傳感器系統(tǒng)，使水下機(jī)器人能夠識(shí)別水環(huán)境中的材料種類，例如塑料、鋼和陶瓷等十多種材質(zhì)的物體。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的水下機(jī)器人熱進(jìn)傳感器系統(tǒng)的方案是在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上選用工業(yè)鉑電阻作熱覺敏感頭的熱敏電阻元件，將鉑電阻封裝在熱覺敏感頭上，外層涂有防水層，作業(yè)時(shí)使用兩個(gè)這樣的熱覺敏感頭，一個(gè)裝在機(jī)器人手爪上，在該手爪上設(shè)有工作觸發(fā)開關(guān)，使該傳感器在工作時(shí)才接通檢測(cè)電路電源，另一個(gè)懸在機(jī)器人作業(yè)環(huán)境中，或者裝在機(jī)器人手爪上的不接觸被測(cè)物體的位置(例如手背)，將這兩個(gè)熱覺敏感頭上的熱敏電阻作為檢測(cè)電橋的兩個(gè)工作臂，再利用計(jì)算機(jī)等處理裝置對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，即可判別機(jī)器人手中觸摸到的物體是什么材質(zhì)。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的水下機(jī)器人熱覺傳感器系統(tǒng)方案的優(yōu)點(diǎn)是省掉了熱敏元件的加熱電路，兩個(gè)熱覺敏感頭上的熱敏電阻工作時(shí)直接接在檢測(cè)電橋電路中，工作時(shí)兩個(gè)熱覺敏感頭上的熱敏電阻處于相同的水流環(huán)境中，受水流環(huán)境的作用是一樣的，因此克服了環(huán)境變化帶來的影響，機(jī)器人在水下探察作業(yè)時(shí)，能準(zhǔn)確判別出所觸摸到的物體的材質(zhì)，誤判率低。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的水下機(jī)器人熱覺傳感器系統(tǒng)作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。


圖1水下機(jī)器人熱覺傳感器系統(tǒng)傳感器配置及工作原理2水下機(jī)器人熱覺傳感器系統(tǒng)電橋檢測(cè)電路圖本發(fā)明的水下機(jī)器人熱覺傳感器系統(tǒng)的第一個(gè)實(shí)施例如圖1所示，它包括有機(jī)器人的兩個(gè)手爪瓣(1)和(2)、手爪馬達(dá)、手爪馬達(dá)控制器、手爪馬達(dá)控制器接口、XYZ馬達(dá)、XYZ馬達(dá)控制器、XYZ馬達(dá)控制器接口、信號(hào)檢測(cè)電路、A/D變換器、計(jì)算機(jī)以及連接電纜，兩手爪瓣(1)和(2)的運(yùn)動(dòng)通過平行連桿(5)受手爪馬達(dá)的帶動(dòng)，信號(hào)檢測(cè)電路為電橋式電壓信號(hào)檢測(cè)電路，兩個(gè)手爪瓣(1)和(2)、手爪馬達(dá)、手爪馬達(dá)控制器、手爪馬達(dá)控制器接口、XYZ馬達(dá)、XYZ馬達(dá)控制器、XYZ馬達(dá)控制器接口、以及信號(hào)檢測(cè)電路等都由計(jì)算機(jī)控制，計(jì)算機(jī)上裝有相應(yīng)的工作軟件，進(jìn)行所需的全部計(jì)算工作。如果機(jī)器人只用于識(shí)別物體，無抓取物體使命，其手瓣可只有一個(gè)。
本發(fā)明的水下機(jī)器人熱覺傳感器系統(tǒng)的特征在于熱覺敏感頭的熱敏電阻不采用內(nèi)加熱電阻，而是采用兩個(gè)相同型號(hào)的熱覺敏感頭，一個(gè)是直接安裝在機(jī)器人手爪瓣(1)掌面上的工作熱覺敏感頭(3)，另一個(gè)是作為環(huán)境熱覺敏感頭(4)，環(huán)境熱覺敏感頭(4)可浮在工作環(huán)境的水中，或者裝在手爪瓣(1)或(2)背面上，它還兼作測(cè)量機(jī)器人的工作環(huán)境水溫的溫度傳感器，用于監(jiān)測(cè)工作環(huán)境的即時(shí)溫度，工作熱覺敏感頭(3)的熱敏電阻Rx和環(huán)境熱覺敏感頭(4)的熱敏電阻Ry均采用工業(yè)鉑電阻。兩個(gè)熱敏電阻Rx和Ry直接接在信號(hào)檢測(cè)電路的電橋電路中，它們分別為電橋電路的兩個(gè)工作臂，信號(hào)檢測(cè)電路由電橋和前置放大器組成，圖2所示給出了電橋和前置放大器電路，電橋電路的四個(gè)工作臂為電阻R1、R2、Rx和Ry，其中，電阻Rx為工作熱覺敏感頭(3)的熱敏電阻，電阻Ry為環(huán)境熱覺敏感頭(4)的熱敏電阻，電阻R1和R2為電橋電路的配合電阻，電阻R3、R4、R5、R6、以及運(yùn)算放大器A組成前置放大器電路，在機(jī)器人手爪瓣(1)掌面上還裝有觸頭開關(guān)(6)，其在機(jī)器人手爪瓣(1)掌面接觸物體時(shí)能自動(dòng)接通信號(hào)檢測(cè)電路的工作電源，而當(dāng)機(jī)器人手爪瓣(1)掌面不接觸物體時(shí)能使信號(hào)檢測(cè)電路的電源自動(dòng)斷開。
本發(fā)明水下機(jī)器人熱覺傳感器系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)電路的電橋元件參數(shù)可選用電阻R1＝R2＝300Ω～1.2KΩ.鉑電阻Rx和Ry的0℃標(biāo)稱電阻值從100Ω～800Ω(溫度范圍0℃～30℃)，電橋電路的工作電壓采用3.5～9.0V。本實(shí)施例中電橋電路參數(shù)選R1和R2是1.1KΩ，Rx和Ry是100Ω(溫度在0℃時(shí))。電橋電路的工作電壓是9.0V，Rx、Ry的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)＜0.3s。
熱覺敏感頭(3)和(4)的結(jié)構(gòu)框架與CN90103382.0專利說明書公開的結(jié)構(gòu)基本相同，不同點(diǎn)是在熱覺敏感頭體的下部增加了觸頭開關(guān)(6)(見圖1中的手爪瓣(1)圖示)，反作用彈簧(7)的作用是在熱覺敏感頭(3)不工作時(shí)使觸頭開關(guān)(6)處于常開狀態(tài)，工作熱覺敏感頭(3)和環(huán)境熱覺敏感頭(4)的表面涂一防水薄層，該薄層采用摻有銅粉的硅橡膠作為防水層，使得具有彈性，故工作時(shí)與物體接觸緊密，且導(dǎo)熱性能好。
在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中預(yù)先裝有傳感器對(duì)鋼、玻璃和陶器等十余種材料的信號(hào)檢測(cè)電路隨水中環(huán)境溫度變化的輸出特征值數(shù)據(jù)，每種材料的特征值數(shù)據(jù)反映該種材料在對(duì)應(yīng)溫度下的信號(hào)檢測(cè)電路輸出特征值。供機(jī)器人識(shí)別未知材料時(shí)與計(jì)算機(jī)內(nèi)存中預(yù)先存入的數(shù)據(jù)比較，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)未知材料的識(shí)別。具體來講，本實(shí)施例中，各種材料的特征值是信號(hào)檢測(cè)電路對(duì)相應(yīng)材料在對(duì)應(yīng)溫度下信號(hào)檢測(cè)電路開始工作后5s時(shí)的輸出電壓值，例如鋼的特征值在27±3℃時(shí)是-3.115±0.355V，塑料的特征值在27±3℃時(shí)是+1.600±0.200V。
下面對(duì)本發(fā)明水下機(jī)器人熱覺傳感器系統(tǒng)的工作過程作一簡(jiǎn)要描述。機(jī)器人在水中未執(zhí)行探測(cè)或抓取物體時(shí)，觸頭開關(guān)(6)來受壓，反作用彈簧(7)使得信號(hào)檢測(cè)電路的電源處于尚未接通狀態(tài)，電橋輸出為零。當(dāng)水中的機(jī)器人執(zhí)行探測(cè)或抓取水中物體使命時(shí)，機(jī)器人的兩手爪瓣(1)和(2)的開閉受計(jì)算機(jī)控制，計(jì)算機(jī)通過手爪馬達(dá)控制器接口和XYZ馬達(dá)控制器接口給手爪馬達(dá)控制器和XYZ馬達(dá)控制器控制信號(hào)，起動(dòng)手爪馬達(dá)和XYZ馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)和兩手爪瓣(1)和(2)開閉，夾持或觸摸物體，此時(shí)手爪瓣(1)內(nèi)的工作熱覺敏感頭(3)接觸被夾持物，同時(shí)觸動(dòng)觸頭開關(guān)(6)，開啟信號(hào)檢測(cè)電路的電源，使工作熱覺敏感頭(3)和環(huán)境熱覺敏感頭(4)上的鉑電阻升溫。由于手爪瓣(1)已經(jīng)接觸了被觸摸的物體，手爪瓣(1)上的工作熱覺敏感頭(3)的熱量向被夾持物流動(dòng)，使工作熱覺敏感頭(3)熱敏電阻的溫度與環(huán)境熱覺敏感頭(4)熱敏電阻的溫度不同，使電橋電路失去平衡，從而輸出一個(gè)模擬電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)A/D變換后輸入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)利用環(huán)境熱覺敏感頭(4)熱敏電阻采集水溫，并對(duì)采集到的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，從而識(shí)別出機(jī)器人的手爪所抓住的或觸摸到的是何種材質(zhì)的物體。
本發(fā)明的水下機(jī)器人熱覺傳感器系統(tǒng)的第二個(gè)實(shí)施例是工作熱覺敏感頭(3)的熱敏電阻Rx和環(huán)境熱覺敏感頭(4)的熱敏電阻Ry都采用內(nèi)加熱電阻，其內(nèi)加熱電阻可采用氧化釕或PTC(正溫度系數(shù))半導(dǎo)體陶瓷。第三實(shí)施例是對(duì)信號(hào)檢測(cè)電路輸出電壓進(jìn)行微分，將信號(hào)檢測(cè)電路開始工作后1s左右的微分值作為相應(yīng)材料的特征值，其它與第一實(shí)施例相同。
本發(fā)明的水下機(jī)器人熱覺傳感器系統(tǒng)除了用于探察水下物體的材質(zhì)外，還可以使機(jī)器人在水下定向挑取指定材質(zhì)的物體。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明的水下機(jī)器人熱覺傳感器系統(tǒng)包括有機(jī)器人的兩個(gè)手爪瓣(1)和(2)、手爪馬達(dá)、手爪馬達(dá)控制器、手爪馬達(dá)控制器接口、XYZ馬達(dá)、XYZ馬達(dá)控制器、XYZ馬達(dá)控制器接口、計(jì)算機(jī)、以及信號(hào)檢測(cè)電路、A/D變換器，兩手爪瓣(1)和(2)的運(yùn)動(dòng)通過平行連桿(5)受手爪馬達(dá)的帶動(dòng)，其信號(hào)檢測(cè)電路為電橋式電壓信號(hào)檢測(cè)電路，信號(hào)檢測(cè)電路由電橋和前置放大器組成，計(jì)算機(jī)上裝相應(yīng)的工作軟件，本發(fā)明的特征在于采用兩個(gè)相同型號(hào)的熱覺敏感頭，一個(gè)直接安裝在機(jī)器人手爪瓣(1)掌面上的工作熱覺敏感頭(3)，另一個(gè)位于工作環(huán)境的水中的環(huán)境熱覺敏感頭(4)，兩個(gè)熱覺敏感頭(3)和(4)的熱敏電阻Rx和Ry直接接在檢測(cè)電路的電橋電路中，作為電橋電路的兩個(gè)工作臂，環(huán)境熱覺敏感頭(4)兼作測(cè)量機(jī)器人的工作環(huán)境水溫的溫度傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下機(jī)器人熱覺傳感器系統(tǒng)其特征在于所述的工作熱覺敏感頭(3)的熱敏電阻Rx和環(huán)境熱覺敏感頭(4)的熱敏電阻Ry均為工業(yè)鉑電阻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的水下機(jī)器人熱觸覺傳感器系統(tǒng)其特征在于所述的環(huán)境熱覺敏感頭(4)裝在機(jī)器人手爪瓣(1)的手背上或者懸在工作環(huán)境的水中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的水下機(jī)器人熱覺傳感器系統(tǒng)其特征在于在手爪瓣(1)的掌面上裝有觸頭開關(guān)(6)。
全文摘要
水下機(jī)器人熱覺傳感器系統(tǒng)用于判定水下物體的材質(zhì)。其特征是選用工業(yè)鉑電阻作為熱敏電阻，封裝在熱覺敏感頭上，外層涂防水層，采用兩個(gè)同型號(hào)熱覺敏感頭，一個(gè)裝在機(jī)器人手爪上，用于觸摸被識(shí)別的物質(zhì)，手爪上設(shè)有工作觸發(fā)開關(guān)，另一個(gè)位于機(jī)器人作業(yè)環(huán)境中，并兼作溫度傳感器，兩個(gè)熱覺敏感頭上的熱敏電阻作為檢測(cè)電橋的兩個(gè)工作臂，再通過處理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，即可判別機(jī)器人手中觸摸到的是什么物體。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是省掉了熱敏元件的加熱電路，克服了環(huán)境變化帶來的影響，誤判率低。
文檔編號(hào)B25J13/08GK1119273SQ9411520
公開日1996年3月27日 申請(qǐng)日期1994年9月22日 優(yōu)先權(quán)日1994年9月22日
發(fā)明者張福學(xué), 李擎 申請(qǐng)人:北京信息工程學(xué)院