本發(fā)明涉及機(jī)電系統(tǒng)工作狀態(tài)信息檢測(cè)方法，更具體地，涉及一種基于手機(jī)客戶端的機(jī)械手裝置臨場(chǎng)感知信號(hào)檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：
自1946年第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問世以來，為現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。另一方面，原子能實(shí)驗(yàn)室的惡劣環(huán)境要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室于1947年開發(fā)了遙控機(jī)械手，這是真正意義上的第一臺(tái)機(jī)器人。隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，仿生感知機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，并不斷發(fā)展壯大。交互技術(shù)包括人與機(jī)器人的交互以及機(jī)器人與環(huán)境的交互。前者的意義在于由人去實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在未知環(huán)境中難以做到的規(guī)劃和決策，后者的意義在于由機(jī)器人去實(shí)現(xiàn)人所不能到達(dá)的環(huán)境中的作業(yè)任務(wù)。臨場(chǎng)感技術(shù)則是人－機(jī)器人－環(huán)境交互的核心。臨場(chǎng)感遙操作機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)，將極大地改善機(jī)器人的作業(yè)能力，人們可以將自己的智慧同機(jī)器人的適應(yīng)能力相結(jié)合而完成有害環(huán)境或遠(yuǎn)距離環(huán)境中的作業(yè)任務(wù)。經(jīng)檢索，在有關(guān)機(jī)械手應(yīng)用的現(xiàn)有技術(shù)中，多數(shù)都見于加工車間環(huán)境或者醫(yī)療環(huán)境。例如，CN1961848A公開了一種“基于氣動(dòng)肌肉的柔性外骨骼肘關(guān)節(jié)”，實(shí)現(xiàn)人體上臂肘關(guān)節(jié)的單自由度的旋轉(zhuǎn)，通過對(duì)關(guān)節(jié)中氣動(dòng)肌肉的控制，作為上肢肘關(guān)節(jié)肌肉萎縮或者殘疾人士的醫(yī)療康復(fù)輔助器械。CN104666047A公開了一種“基于生物信息感知的雙側(cè)鏡像康復(fù)系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)偏癱患者的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)功能康復(fù),調(diào)動(dòng)偏癱患者健康側(cè)肢體的功能協(xié)助患側(cè)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。在探究性實(shí)驗(yàn)研究過程中，常常需要做一些具有一定危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)動(dòng)作，將臨場(chǎng)感知機(jī)械手運(yùn)用在探究性實(shí)驗(yàn)中，完成一些危險(xiǎn)操作，可以有效保障實(shí)驗(yàn)人員的人身安全。上述專利雖然可實(shí)現(xiàn)臨場(chǎng)感知機(jī)械手的動(dòng)作，但尚不能直接應(yīng)用與探究性實(shí)驗(yàn)且沒有遠(yuǎn)程控制功能；此外，實(shí)驗(yàn)中往往需要根據(jù)機(jī)械手的狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析和機(jī)械手動(dòng)作的進(jìn)一步操控，然而現(xiàn)有的機(jī)械手并未對(duì)電壓、電荷等電氣參數(shù)給予足夠的關(guān)注，對(duì)機(jī)械手感應(yīng)到的微弱信號(hào)的放大處理精度往往不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的就是在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于手機(jī)客戶端的機(jī)械手裝置臨場(chǎng)感知信號(hào)檢測(cè)方法，從而使得該機(jī)械手被應(yīng)用到探究性實(shí)驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)軟抓取、移動(dòng)、釋放、翻轉(zhuǎn)、振蕩等操作時(shí)，其電氣參數(shù)能夠被更準(zhǔn)確地獲取。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種基于手機(jī)客戶端的臨場(chǎng)感知機(jī)械手裝置的電壓檢測(cè)方法，所述機(jī)械手裝置包括手機(jī)客戶端1、微控制單元控制器2、電機(jī)控制單元9、機(jī)械手單元15和PVDF信號(hào)處理單元6，所述手機(jī)客戶端1與主控制器2通過藍(lán)牙通訊連接；所述機(jī)械手單元15包括薄膜傳感器PVDF25，該薄膜傳感器PVDF25的輸出信號(hào)提供給所述PVDF信號(hào)處理單元6，所述方法包括：(1)采集PVDF信號(hào)，所述PVDF信號(hào)表示觸覺和滑覺；(2)對(duì)所述PVDF信號(hào)進(jìn)行第一處理；(3)對(duì)經(jīng)過第一處理的PVDF信號(hào)進(jìn)行第二處理，提取出經(jīng)過放大的觸覺和滑覺信號(hào)。進(jìn)一步地，所述主控制器2包括：同步-異步收發(fā)機(jī)3、中央處理器4、AD采集單元7、電平輸出單元8和脈沖寬度調(diào)制單元14，所述同步-異步收發(fā)機(jī)接收來自所述手機(jī)客戶端1的信號(hào)，并與所述中央處理器4進(jìn)行雙向通信；所述AD采集單元7接收來自所述PVDF信號(hào)處理單元6的輸出信號(hào)并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后輸出到所述中央處理器4，所述中央處理器4向所述電平輸出單元8和所述脈沖寬度調(diào)制單元14輸出信號(hào)。進(jìn)一步地，所述電機(jī)控制單元9包括：水平絲杠11、垂直絲杠13、水平步進(jìn)電機(jī)10和垂直步進(jìn)電機(jī)12，其中所述水平步進(jìn)電機(jī)10和所述垂直步進(jìn)電機(jī)12接收來自所述電平輸出單元8的輸出信號(hào)并分別控制所述水平絲杠11旋轉(zhuǎn)推動(dòng)水平滑塊移動(dòng)和所述垂直絲杠13旋轉(zhuǎn)推動(dòng)垂直滑塊移動(dòng)。進(jìn)一步地，所述機(jī)械手單元15包括機(jī)械手、夾取舵機(jī)16和旋轉(zhuǎn)舵機(jī)17，所述夾取舵機(jī)16和所述旋轉(zhuǎn)舵機(jī)17分別接收來自所述脈沖寬度調(diào)制單元14的輸出信號(hào)。進(jìn)一步地，所述手機(jī)客戶端1包括藍(lán)牙模塊和MCU控制器。進(jìn)一步地，所述機(jī)械手是由步進(jìn)電機(jī)18、聯(lián)軸器19、豎直絲杠20、金屬支架21、水平絲杠22、臨場(chǎng)感知機(jī)械手23、步進(jìn)電機(jī)24、PVDF傳感器25和固定底座26。進(jìn)一步地，所述臨場(chǎng)感知機(jī)械手23的所有支架配件均采用3mm厚度的鋁板。進(jìn)一步地，所述PVDF信號(hào)處理單元6包括依次串聯(lián)的第一濾波單元、第二濾波單元、前置放大單元、電荷放大電路、反相放大單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元和電荷變換單元。進(jìn)一步地，所述步驟(2)進(jìn)一步包括：(21)PVDF傳感器釋放電荷信號(hào)，所述電荷信號(hào)被所述前置放大單元放大；(22)通過所述電荷放大電路增強(qiáng)信號(hào)；(23)對(duì)被增強(qiáng)的信號(hào)利用所述反相放大單元調(diào)整信號(hào)相位；(24)對(duì)經(jīng)過調(diào)整信號(hào)相位的輸出信號(hào)繼續(xù)通過所述模數(shù)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以捕獲的數(shù)字信號(hào)。進(jìn)一步地，所述步驟(3)包括：設(shè)置電荷變換單元包括放大系數(shù)為A0的放大器和能夠?qū)﹄娙莸哪M值進(jìn)行數(shù)字化的AD轉(zhuǎn)換器，設(shè)Cd為所述臨場(chǎng)感知機(jī)械手23內(nèi)各元器件的分布電容，Rc為所述臨場(chǎng)感知機(jī)械手23內(nèi)各元器件的總阻抗(上述分布電容和總阻抗的取值可以根據(jù)機(jī)械手制造后的出廠測(cè)試環(huán)節(jié)精密測(cè)量得到)，Ci與Ri為所述臨場(chǎng)感知機(jī)械手23的輸入電容和輸入阻抗，CF為所述臨場(chǎng)感知機(jī)械手23的密勒電容，RF為所述臨場(chǎng)感知機(jī)械手23的輸出阻抗，經(jīng)過數(shù)字化以后的電荷信號(hào)的值為QD，放大器的等效輸入電容C為：利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)等效輸入電容C通過所述AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到等效輸入電容的數(shù)字化表示CD；根據(jù)Q＝CU，可知：所述臨場(chǎng)感知機(jī)械手23的輸出電壓Uo的數(shù)字化表示為：其中，Rc//Ri表示其中兩個(gè)電阻串聯(lián)后的總阻抗。本發(fā)明的有益效果包括：(1)本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)臨場(chǎng)感知機(jī)械手的軟抓取、移動(dòng)、釋放、翻轉(zhuǎn)、振蕩等操作，而且通過手機(jī)客戶端輸入命令，利用藍(lán)牙技術(shù)遠(yuǎn)程遙控臨場(chǎng)感知機(jī)械手軟抓取、移動(dòng)等指令，完成預(yù)期動(dòng)作，操作便捷，安全可靠。(2)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎簡單,便于檢修和更換，為探究性實(shí)驗(yàn)提供可遠(yuǎn)程操作的新技術(shù)設(shè)備，有效地保障實(shí)驗(yàn)人員的人身安全。附圖說明：圖1是基于仿生感知的化學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)框圖；圖2是手機(jī)客戶端及藍(lán)牙傳輸?shù)耐ㄐ帕鞒虉D；圖3是臨場(chǎng)感知機(jī)械手設(shè)計(jì)圖；圖4是PVDF傳感器整體信號(hào)調(diào)理電路圖；圖5是電荷放大器實(shí)際等效電路圖；圖6是觸滑覺信號(hào)感知原理圖；圖7是模糊軟抓取控制流程圖；圖8是法向載荷為2N時(shí)觸滑覺信號(hào)；圖9是作用于木材時(shí)觸滑覺信號(hào)。圖10是根據(jù)本發(fā)明的電壓檢測(cè)方法的流程圖。具體實(shí)施方式：為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。如圖1所示，基于手機(jī)客戶端的臨場(chǎng)感知機(jī)械手裝置的電壓檢測(cè)方法，所述機(jī)械手裝置包括手機(jī)客戶端1、微控制單元控制器2、電機(jī)控制單元9、機(jī)械手15和PVDF信號(hào)處理單元6，所述手機(jī)客戶端1與主控制器2通過藍(lán)牙通訊連接；所述機(jī)械手單元15包括薄膜傳感器PVDF25，該薄膜傳感器PVDF25的輸出信號(hào)提供給所述PVDF信號(hào)處理單元6，所述方法包括：(1)采集PVDF信號(hào)，所述PVDF信號(hào)表示觸覺和滑覺；(2)對(duì)所述PVDF信號(hào)進(jìn)行第一處理；(3)對(duì)經(jīng)過第一處理的PVDF信號(hào)進(jìn)行第二處理，提取出經(jīng)過放大的觸覺和滑覺信號(hào)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚的是，可以根據(jù)所述觸覺和滑覺信號(hào)，進(jìn)行軟抓取模糊控制，例如通過基于模糊理論的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)上述控制。所述主控制器2包括：同步-異步收發(fā)機(jī)3、中央處理器4、AD采集單元7、電平輸出單元8和脈沖寬度調(diào)制單元14，所述同步-異步收發(fā)機(jī)接收來自所述手機(jī)客戶端1的信號(hào)，并與所述中央處理器4進(jìn)行雙向通信；所述AD采集單元7接收來自所述PVDF信號(hào)處理單元6的輸出信號(hào)并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后輸出到所述中央處理器4，所述中央處理器4向所述電平輸出單元8和所述脈沖寬度調(diào)制單元14輸出信號(hào)。所述電機(jī)控制單元9包括：水平絲杠11、垂直絲杠13、水平步進(jìn)電機(jī)10和垂直步進(jìn)電機(jī)12，其中所述水平步進(jìn)電機(jī)10和所述垂直步進(jìn)電機(jī)12接收來自所述電平輸出單元8的輸出信號(hào)并分別控制所述水平絲杠11旋轉(zhuǎn)推動(dòng)水平滑塊移動(dòng)和所述垂直絲杠13旋轉(zhuǎn)推動(dòng)垂直滑塊移動(dòng)。所述機(jī)械手單元15包括機(jī)械手、夾取舵機(jī)16和旋轉(zhuǎn)舵機(jī)17，所述夾取舵機(jī)16和所述旋轉(zhuǎn)舵機(jī)17分別接收來自所述脈沖寬度調(diào)制單元14的輸出信號(hào)。如圖2所示，所述手機(jī)客戶端1包括藍(lán)牙模塊和MCU控制器。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，可以采用HC-06藍(lán)牙模塊，還可以采用Eclipse集成開發(fā)環(huán)境基于所述MCU控制器開發(fā)設(shè)計(jì)手機(jī)客戶端，通過HC-06藍(lán)牙模塊向所述MCU控制器發(fā)送指令，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作，通過PID算法控制滑塊水平、垂直運(yùn)動(dòng)，和機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)和夾取動(dòng)作。利用手機(jī)的加速度傳感器和陀螺儀，將人手的搖晃動(dòng)作、旋轉(zhuǎn)動(dòng)作、手指抓取動(dòng)作轉(zhuǎn)化為相應(yīng)指令，使機(jī)械手模仿人手同步完成相同的動(dòng)作，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。同時(shí)，通過藍(lán)牙傳輸將機(jī)械手的觸覺、滑覺、熱覺等狀態(tài)傳送至智能手機(jī)，例如，在APP上，用聲音、震動(dòng)、顏色等實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)再現(xiàn)。如圖3所示，所述機(jī)械手是由步進(jìn)電機(jī)18、聯(lián)軸器19、豎直絲杠20、金屬支架21、水平絲杠22、臨場(chǎng)感知機(jī)械手23、步進(jìn)電機(jī)24、PVDF傳感器25和固定底座26。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，臨場(chǎng)感知機(jī)械手23的水平和垂直運(yùn)動(dòng)由兩向運(yùn)動(dòng)的水平步進(jìn)電機(jī)和垂直步進(jìn)電機(jī)控制完成，旋轉(zhuǎn)和夾取通過控制機(jī)械手的舵機(jī)進(jìn)行完成。所述臨場(chǎng)感知機(jī)械手23的所有支架配件均采用3mm厚度的鋁板，具有良好的穩(wěn)定性；絲杠導(dǎo)軌長度可以根據(jù)實(shí)際情況改變，以滿足不同場(chǎng)合的要求；所述臨場(chǎng)感知機(jī)械手23的轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)處均采用進(jìn)口杯式軸承，不僅可以使轉(zhuǎn)向更加靈活，而且還可以使舵機(jī)的轉(zhuǎn)向在同一圓心，所述臨場(chǎng)感知機(jī)械手23的張合通過MG996金屬舵機(jī)控。如圖4所示，所述PVDF信號(hào)處理單元6包括依次串聯(lián)的第一濾波單元、第二濾波單元、前置放大單元、電荷放大電路、反相放大單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元和電荷變換單元。因此，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述步驟(2)進(jìn)一步包括：(21)PVDF傳感器釋放電荷信號(hào)，所述電荷信號(hào)被所述前置放大單元放大；(22)通過所述電荷放大電路增強(qiáng)信號(hào)；(23)對(duì)被增強(qiáng)的信號(hào)利用所述反相放大單元調(diào)整信號(hào)相位；(24)對(duì)經(jīng)過調(diào)整信號(hào)相位的輸出信號(hào)繼續(xù)通過所述模數(shù)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以捕獲的數(shù)字信號(hào)。所述第一濾波單元采用100Hz巴特沃茲有源低通濾波器，第二濾波單元采用雙T型帶阻濾波器。具體來說，所述PVDF信號(hào)處理單元6的工作過程例如為：PVDF傳感器釋放電荷信號(hào)，因此在信號(hào)處理過程中首先將電荷放大器作為前置放大電路，針對(duì)PVDF具有輸出高阻抗的特點(diǎn)，根據(jù)阻抗匹配原則，在電荷放大電路的反饋電阻選擇10M歐姆電阻，以增強(qiáng)信號(hào)。輸出端接入一級(jí)反相放大器用來調(diào)整信號(hào)相位，信號(hào)繼續(xù)通過后端比較器電路，將PVDF信號(hào)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以捕獲的數(shù)字信號(hào)，通過單片機(jī)內(nèi)部算法，實(shí)現(xiàn)智能感知。其中，比較器閾值限定了PVDF有效信號(hào)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。由于人體動(dòng)作頻率普遍低于100Hz，因此設(shè)計(jì)100Hz巴特沃茲有源低通濾波器，去掉干擾信號(hào)。最后連接50Hz工頻陷波電路，采用雙T型帶阻濾波器，去掉工頻干擾。如圖5所示，設(shè)置電荷變換單元包括放大系數(shù)為A0的放大器和能夠?qū)﹄娙莸哪M值進(jìn)行數(shù)字化的AD轉(zhuǎn)換器，設(shè)Cd為所述臨場(chǎng)感知機(jī)械手23內(nèi)各元器件的分布電容，Rc為所述臨場(chǎng)感知機(jī)械手23內(nèi)各元器件的總阻抗(上述分布電容和總阻抗的取值可以根據(jù)機(jī)械手制造后的出廠測(cè)試環(huán)節(jié)精密測(cè)量得到)，Ci與Ri為所述臨場(chǎng)感知機(jī)械手23的輸入電容和輸入阻抗，CF為所述臨場(chǎng)感知機(jī)械手23的密勒電容，RF為所述臨場(chǎng)感知機(jī)械手23的輸出阻抗，經(jīng)過數(shù)字化以后的電荷信號(hào)的值為QD，放大器的等效輸入電容C為：利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)等效輸入電容C進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到等效輸入電容的數(shù)字化表示CD。根據(jù)Q＝CU，可知：所述臨場(chǎng)感知機(jī)械手23的輸出電壓Uo的數(shù)字化表示為：其中，Rc//Ri表示其中兩個(gè)電阻串聯(lián)后的總阻抗。如圖6所示，根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例，利用PVDF具有觸覺、滑覺，熱覺感知功能，從PVDF信號(hào)中可以提取出觸覺和滑覺信號(hào)(例如，上述得到的觸覺和/或滑覺的電壓信號(hào))，進(jìn)行模糊控制軟抓取的模擬。如圖7所示，給出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的軟抓取模糊控制方法，其通過傳感器輸出電壓值無法準(zhǔn)確判斷物體的相對(duì)滑動(dòng)情況，又因被抓物體的隨機(jī)性大，控制模型的設(shè)計(jì)難度很大。通過主控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷，分析出不同感覺信號(hào)，分別采取相應(yīng)的措施來控制舵機(jī)進(jìn)而調(diào)控仿生感知機(jī)械手實(shí)現(xiàn)軟抓取。圖8為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的臨場(chǎng)感知機(jī)械手的法向載荷為2N時(shí)的觸滑覺信號(hào)，圖9為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的臨場(chǎng)感知機(jī)械手作用于木材時(shí)的觸滑覺信號(hào)。通過手機(jī)客戶端可輸入指令，通過藍(lán)牙通信，可以有效控制機(jī)械手抓取、移動(dòng)等動(dòng)作；PVDF可以實(shí)時(shí)測(cè)量物體與仿生感知機(jī)械手之間的壓力與摩擦力，實(shí)現(xiàn)壓覺信息反饋控制，保證機(jī)械手以合適的力夾取物體，不發(fā)生物體脫落或破碎；絲杠導(dǎo)軌長度可以根據(jù)實(shí)際情況改變，可滿足不同探究性實(shí)驗(yàn)要求。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。