摘要 紋理是物體表面微觀結構分布特征的體現，為了提取不同物體表面微觀結構特性，提出一種基于Galfenol材料的新型磁致伸縮觸覺感知系統。基于磁致伸縮逆效應、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構的關系。實驗選取5種織物樣本測試，測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，傳感器可以識別物體的粗糙度;在細密度大于6時，細密度的識別具有較高的靈敏度。最后通過測試觸覺傳感器的線性度為0.019%，靈敏度為97.31 mV/mm，重復性小于0.33%，驗證紋理觸覺傳感器的穩定性，滿足設計要求。

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

　　《重型汽車》(雙月刊)創刊于1987年，是由中國重汽技術中心主辦的國家級期刊,面向國內外公開發行,是國內重型汽車行業唯一一份公開發行的權威刊物,集技術性與綜合性、理論性與實用性為一體,在汽車類期刊中占具重要地位。

　　近年來，觸覺傳感器的發展一直是機器人領域的熱門話題。與動態環境交互的機器人系統，在利用高級視覺技術識別對象屬性時，會存在被遮擋、光線不足和精度低等影響因素，所以完成機器人與動態環境交互一直是一項至關重要但很困難的任務。而觸覺感知能捕獲多個接觸點，接觸區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。實際上物理對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、導熱性和紋理特征來表征。人手之所以能夠識別物體的粗糙度紋理特征，主要是由人手皮膚中豐富的機械刺激感知小體來決定的。在服務機器人系統中，表面紋理特征被認為是用于評估和識別物體的重要信息。

　　目前，由于非視覺紋理傳感器的設計難度較大，對精細幾何紋理的樣本有效測量仍然是一項具有挑戰性的任務。磁致伸縮材料具有飽和磁場小，延展性好，抗拉強度高的特點，可承受各種機械載荷，如壓力、張力和沖力等。而且磁致伸縮逆效應表明，磁致伸縮材料的磁導率可以通過外部沖擊而改變。同時觸覺傳感器輸出特性與物體紋理的關系一直不清楚，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材料設計，制作了一種新型的用于紋理探測的觸覺傳感器系統。其次根據磁致伸縮逆效應、霍爾效應、和歐拉-伯努利梁結構動力學理論等，建立了紋理觸覺傳感器的輸出電壓模型。通過分析測試數據提取峰值電壓、功率譜密度表征物體紋理屬性。

　　1 紋理觸覺傳感系統

　　本紋理觸覺傳感器主要由探針觸頭、Galfenol片、勵磁線圈和兩個霍爾元件構成。本研究中的Galfenol材料選用的是取向<100>，織構化多晶的Fe83Ga17合金薄板。Galfenol片的兩端分別安裝一個霍爾元件。該霍爾元件分別完成信號采集和樣本破壞性檢測。勵磁線圈提供了沿著梁的長度方向的偏置磁場。探針觸頭直接接觸移動被測物體從而引起Galfenol片自由端上下振動。整個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、帶編碼器的驅動直流電機、傳送帶、信號采集單元和計算機等設備。在圖1b)中，信號采集單元選用的是12位模數轉換器，通過該轉換器獲取觸覺傳感器的輸出信號。被測物體利用傳送帶和直流電機實現往復運動。同時直流電機還可以控制傳送帶的速度、位移和方向。在實驗過程中，該紋理觸覺傳感器是安裝在人形機械手支架上，通過支架的支撐和壓縮帶動觸覺傳感器觸摸移動平臺上的紋理物體(樣本)。移動平臺的運動方向選取的是在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械支架上的電機提供的。當觸覺傳感器觸摸不同紋理的物體時，探針接觸到垂直方向的紋理高度，進而引起懸臂梁產生撓度。基于磁致伸縮逆效應，Galfenol片的磁通密度會發生改變，然后利用霍爾元件得到傳感器的輸出電壓。尤其當被測物體紋理觸摸過程中發生損壞時，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試的準確，該感知系統采用兩種方式收集觸覺傳感器信號，一種是通過示波器直觀顯示，另一種是由采集卡和模數轉換模塊將數據上傳計算機。

　　2 紋理觸覺傳感器輸出模型

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

　　[UH=kHISB]， (1)

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

　　該霍爾元件型號為ss491B，它的參考輸出電壓為2.5 V。為了確保紋理測量的精度，其參考輸出電壓利用外圍電路調整為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Galfenol的線性本構方程和偏置磁場[H=Nib/l]，Galfenol內部的磁通密度B為

　　[B=dEε+Nib(μ-d2E)/l]， (3)

　　式中：[d]是磁機耦合壓磁系數;[E]是楊氏模量;[ε]是懸臂梁長度方向總的應變;[N]是勵磁線圈的匝數;[ib]是線圈中的勵磁電流;[μ]是磁導率;[l]是Galfenol片的長度。

　　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1)梁為歐拉-伯努利梁;2)Galfenol片沿[x]軸的磁場均勻分布;3)忽略剪切力對梁形變的影響，推導得出撓度函數。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)推導得出的。

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

　　[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]軸任意點的撓度曲線的曲率。由式(7)可以看出，應變與撓度有關，撓度反映了懸臂梁的振幅大小，而振幅大小由被測物體的紋理決定。不同紋理面的微觀結構復雜程度不同，基于特定的數學模型和幾何約束條件可以建立紋理的觸覺表達式[10]。

　　在織物動態粗糙度編碼中，觸發紋理觸覺傳感器和速度刺激的相對運動軌跡近似為正弦曲線。當在某時刻，物體刺激的第一個脊與觸覺傳感器的探針觸頭接觸時，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生了電壓脈沖。隨著物體刺激的移動，脊一個接一個撞擊探針觸頭，產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，關系如式(8)所示：

　　[f=νλ] 。 (8)

　　對于探針觸頭，在沒有動態效應的情況下，在探索(或測試)期間由接觸表面構成觸覺傳感器Galfenol片的偏轉。根據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，代表被測物體紋理脊的高度;[φ]是一個反應被測物體接觸深度的值。將式(8)代入式(9)得到

　　[ωfree=Asin(2πνλt+φ)]。 (10)

　　將式(10)代入式(7)，然后積分得到梁長度方向總的應變，其表達式為

　　[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，表達式為

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

　　(12)

　　式中：[A]和[λ]為與被測物體的紋理有關的參數，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個參數是變化的;[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個因素。根據式(12)，當霍爾元件和梁的材料已確定，通過計算得出傳感器觸摸不同織物的輸出電壓，并且該模型對物體紋理識別能提供重要的指導。

　　3 實驗結果與分析

　　設計的觸覺傳感器中Fe83Ga17合金片長度為l = 69 mm， 厚度為h = 0.7 mm， 楊氏模量為E = 70 GPa， 磁機耦合壓磁系數是d=34 T/GPa[11]。其它參數，勵磁線圈匝數N = 200， 勵磁電流[ib=0.2 A]， 霍爾常數[kH=0.005 63]， 霍爾單元控制電流[IS=10 mA]。設定紋理表面和傳感器觸頭的相對速度分別為1 cm/s， 2 cm/s，3 cm/s，4 cm/s，5 cm/s。實驗中選取牛仔布、尼龍絲帶、薄紗、紗布和粗布作為測試對象，每個測試對象紋理表面是均勻一致的，其測試樣本參數如表1。每種樣品在相同條件下進行6次實驗，通過改變速度，每個樣品測出30組實驗數據。當測試速度為2 cm/s時，所得5種樣本的測試數據，經過濾波得到樣本紋理的振動信號如圖2所示。從圖2可以看出，當紋理觸覺傳感器接觸以2 cm/s的速度移動的織物樣本時，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分。e)圖的輸出電壓達到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的實驗結果與文獻[12]相比，通過紋理觸覺傳感器設計的優化，輸出特性明顯增強。當織物物體移動速度為2 cm/s時，觸覺傳感器的輸出電壓會因紋理不同而輸出不同。因此，表面紋理對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信號的幅值相對較大，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軟件對觸覺觸感器輸出信號進行特征提取。圖3中的峰值平均值和粗糙度之間的關系是通過MATLAB軟件編程處理實驗數據得出。圖3顯示當粗糙度小于6時， 峰值平均電壓增加緩慢。當粗糙度在6 ～ 7.5之間時，峰值電壓單調增加，而且速度增加很快。以上結果表明，該紋理觸覺傳感器在測量粗糙度大于6.0的物體時，精度會更高。