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為了使機(jī)械手的操作更為準(zhǔn)確，需要在機(jī)械手上安裝觸覺傳感器，以獲得觸覺信息，并準(zhǔn)確地對物體進(jìn)行分類。鐵鎵合金（Galfenol）有飽和磁場低、磁滯小、線性度好、力學(xué)性能好、應(yīng)力靈敏度高等優(yōu)點，且制作的傳感器結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、精度高、成本低。

當(dāng)鐵鎵合金受到外加載荷時，內(nèi)部的磁化狀態(tài)會隨載荷的變化而變化，這種效應(yīng)即為磁致伸縮逆效應(yīng)。外加載荷力的大小，可通過測量載荷附近的磁場變化得到，因而鐵鎵材料可以作為傳感器的敏感材料。

河北工業(yè)大學(xué)的研究人員以絲狀鐵鎵合金為敏感材料，利用磁致伸縮材料的逆效應(yīng)，應(yīng)用懸臂梁的原理，制作觸覺傳感單元。

圖1 觸覺傳感單元結(jié)構(gòu)圖

圖1為磁致伸縮觸覺傳感單元結(jié)構(gòu)圖。傳感單元主要由霍爾元件、鐵鎵絲、觸頭、永磁體和外殼組成。在3D打印的傳感單元外殼上裝有三根長度為6mm、直徑為0.5mm的鐵鎵絲，永磁體放置在鐵鎵絲的正下方，為傳感器提供偏置磁場，霍爾傳感器（美國新澤西州霍尼韋爾公司，SS491B型）豎直緊貼在鐵鎵絲的后方，觸頭安裝在鐵鎵絲的邊緣上，高于傳感單元的外殼，觸頭的高度為6mm。傳感單元的尺寸為長8mm，寬6mm，高5mm。

研究人員將制作的觸覺傳感單元集成為磁致伸縮2×2觸覺傳感器陣列，應(yīng)用電磁學(xué)理論、逆磁致伸縮效應(yīng)和歐拉伯努利動力學(xué)原理，建立了觸覺傳感單元的輸出特性模型。測試了觸覺傳感單元的靜態(tài)性能和動態(tài)性能，傳感單元測力范圍為0~3N。當(dāng)壓力小于1.5N時，靈敏度為151mV/N；在1.5~3N區(qū)間，靈敏度約為109mV/N。在2~4Hz范圍內(nèi)對動態(tài)力具有動態(tài)響應(yīng)快、靈敏度高的特點。

圖2 觸覺傳感器陣列

研究人員把觸覺傳感器陣列裝備在二指機(jī)械手上，對日常生活中的飲料瓶進(jìn)行抓取實驗，采用支持向量機(jī)算法，通過選擇特征值的數(shù)量和訓(xùn)練集與分類集的比例，對選取的實驗樣品進(jìn)行了分類識別。

圖3 機(jī)械手抓取物體測試系統(tǒng)

試驗結(jié)果表明，根據(jù)觸覺傳感器陣列的輸出電壓及接觸的觸點數(shù)目，可以識別抓取的飲料樣品，且對所選取的樣品有很好的區(qū)分度。為進(jìn)一步證明，對裝滿水的樣品進(jìn)行測試，獲得了更高的識別精度。選擇了機(jī)械手在抓取過程中能夠提取的特征值，應(yīng)用支持向量機(jī)算法，分別對不同特征值個數(shù)和不同訓(xùn)練集與測試集比例進(jìn)行分類識別。實驗結(jié)果表明，當(dāng)訓(xùn)練集與分類集比例為9:1且選擇三個特征值時，分類識別準(zhǔn)確率越高，為87.5%。

本文編自《電工技術(shù)學(xué)報》，作者為黃珊、王博文、趙智忠、王亮、翁玲，論文標(biāo)題為“應(yīng)用于機(jī)械手的磁致伸縮觸覺傳感器陣列與物體識別”。