机械运动传感器与机械动作姿态修正的相关性研究

【摘要】    人工机械运动传感器是一种机电转换装置，属于测试技术中的关键部件，作用是将原始测量的机械量作为传感器的输入量，通过信号采集传输形成另一个适合于变换的机械量后由机电变换部分转换为与之成比例的电量。运动传感信号应用智能识别和智能分析技术，使自动机械装置能更加智能的执行动作，降低动作损耗，实现精确的空间位移。

【关键词】    传感器    分析    位移

引言：

正常的机械运动是在正常姿态下机械牵拉、液压、机械轴和机械关节有充分的转动能力，能够稳定地进行加速减速以及停止。通过传感信号的输入，经过计算机系统的信号分析后输出指令来进行运动姿态调节。机械动作是各组机械动力辅助装置按一定顺序响应形成运动链，力学的改变对整体的运动链产生影响，导致机械运动姿态的变化。正确的机械动作姿势可以确保机械装载设备和零件维持精确和稳定运行，不良姿态或同一动作的重复、机械形变、电机故障、 磨损等各种原因造成的动作轨迹偏差，都会使机械运动功能下降，引发机械运动功能故障以及后续一连串动作错误。

一、技术发展

便携插入式传感器在机器人工业中的应用越来越多，可用于测量机械运动功能和动作指标，以确定单个运动机构与整体之间机械性能的关联以及基于运动计的动作延时和动作阻碍的检测分析。通过测量由于重力引起的加速度，你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度，测量牵引力产生的加速度，可以分析出设备移动的方式或电和零件振动，对于控制姿态也是至关重要的。机械运动中的关键运动指标中，应用传感器将振动转变为电信号的传感器，把抖动引起的机械振动转换成电信号，经过模数转换器转换成二进制数据，进行数据组织、存储、运算处理。也可以测量非主动运动下的牵拉、平移、旋转等被动机械运动，通过验证的传感测量数据进行评估，包括动作频度，液压和磨损度以及机械连接部发热，断裂和电机出力问题。位移和液压的测量主要与机械动力有关，机械运动传感器可以通过计算获取的数据来计算机械动作姿态。

机械运动传感器，它使用模拟式加速度计和三轴加速度计来提供连续的动态位移监测。与动作幅度最大的连接面，把相关的加速度值传输给操作系统，通过判断其大小变化计算获取每分钟产生动作时延和位移变量差异值，将这些数据绘制成数据曲线，以创建机械运动控制的数据图形。以前已使用可测量运动结果的传感器来识别分析机械运动的准确度和轨迹。

機械运动传感数据采集后，为传感数据建立时间追踪片段，根据运动波形的来识别机械部件的运动情况，以确认机器人运动形态的正确率和精准度。建立了一个多元线性回归模型，以动作时延换算值为因变量，机械动作持续时间、动作类型、电压、动力、幅度等为自变量。为了控制机械磨损随时间变化产生的强度影响，对单轴机械组件进行单独分析，进一步识别那些因素对机械连接点产生直接影响，特别是对两个相连机械机构的时间控制上，更多地关注电机和电压的持续时间。

非动作机械动作障碍主要特征是动作形态异常，诸如静止性抖动，过度磨损或崩裂，动作延时，但是也与金属疲劳和材料工艺相关联，机械运动传感器的使用可以成为动作形态异常提供某些关键测量数据。探索性分析的主要发现表明，动作时延和位移变量差异值与金属疲劳，磨损和电机出力等的有关，高峰值电机出力与机械抖动和发热相关联。可以通过多组传感数据分析，以及对运动形态的分拆计算，以及随后此轮调整后的动作形态改变，仍然受到与畸形数据和变量数据偏差较高的困扰。机械动作形态改变由混杂因素造成，单一解读和研究一个机械动作不能获取完整的动作形态异原因，在一组动作中进行分段研究能识别出诸多不利因素，甚至是发热导致的部件损害。

二、传感器的应用

传感器通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件等部分组成，主要加速度传感器主要的类型有压阻式、压电式、电容式、电感式等，常用的三轴加速度传感器是加速度传感器中用来测量空间加速度的传感器，将空间加速度在X、Y、Z三个轴上进行分解，在一定的技术上三个单轴就可以变成一个三轴。特点是能够在预先不知道物体运动方向的场合下，准确且全面的测量出物体的空间加速度。加速度传感器根据输出信号的不同分为模拟式和数字式，模拟式输出值为电压，数字式输出值为数字信号，模拟式适用于一些采集后能在后台分析的数据。三轴加速度的数值可以计算出三个姿态角，根据俯仰角、左右偏侧角、竖直方向转角三个姿态角不仅可以得到机械运动的具体姿态。考虑到微机电系统传感器容易受到噪声影响，还需要利用卡尔曼滤波算法对估算的倾斜角进行优化处理，部分消除噪声对加速度传感器测量值的影响，提高测量准确性。

一组机械运动传感器包括加速度传感器，陀螺仪，磁力计等设置在一个机械设备上，为了完整识别一个动作，参与的传感数据传递可以达到20个或更多。机械运动传感器是通过传感元件将机械运动过程中、机械运动开始前和达到静止状态的一段时间范围内产生的各项指标数据通过转化和滤波电路等转化为合适的输出信号。对于表面覆盖的传感器，传感单元越多获得的数据也越丰富。传感数据较多的情况下，可以在逻辑上把一组内几个机械运动传感器合并成一综合单位的传感器小组，只输出一组可分析的叠加信号，这种形式收集的数据集合可以较好的应用在传感精度高的弯曲机械关节面上。

柱形机械面的长度和传感器分布比例要符合力学结构，正确设置传感器类型和固着方式将提高传感数据有效率。在力学点和振动最大点上部署传感器，要考虑传感器的特性和使用寿命，能通过引用计算获取到所需测量数据的，应考虑将传感器部署在因运动对传感器损耗小的位置上。经济指标也是机械运动传感器技术应用的关键部分。

三、信号数据应用与分析

振动频率作为计算机械动作稳定的重要指标，保存和评估各种类型的机器和驱动器的特征性振动，冲击和振动参数，有助于优化机械传动系统的效率，并为这些参数确定合适的目标值和平均值。

机械振动波动大的机械机构，不同机械部位存在差异，如机械髋关节的左侧连接点和右侧连接点。横向机械连轴至少需要两个运动传感器，以便获得连轴被动运动磨损数值。在每个机械连轴上安装传感器可以使数据分析系统从传感器数据得出的准确的机械运动形态和磨损情况匹配。

传感在物理信号变化期间自产生电信号，物理变化影响的自极化在热电材料，导致电电流变化。最常用的自供电传感器是热电偶，基于形成结两个电子导体的塞贝克系数之差提供电压。然而电信号是短暂的，并迅速衰减到零值的变化不适用于长时间的温度监测。使用太阳能单片光照导致局部发热致电，使用这种光电特性来创建热传感数据集，可以作为一种持续测量的替代方法。在一个动作执行周期内空闲间隔60秒执行1次重复一组机械运动，同时由机械运动传感器采集动作数据，应用服务器计算指导输入电机动力完成这些任务。这些任务包括机械关节交替运动，大幅度机械转动以及复归机械转动到初始位置。记录机械动作类型、功率、各项运动数据指标和异常状态量。

重复的一系列机械动作，对原始传感器数据进行预处理和比对，使用MATLAB确定原始信号中缺少数据的间隔，以适当的采样率重新采样时间序列，对齐来自不同传感器的信号，计算出有效时间和有效数据。经过传感数据分析对振动、机械卡顿阻碍、动作延时的异常情况进行评估。振动和机械卡顿阻碍的严重程度评分范围为带故障可用、故障停用、故障病累其他机械组件、全运动系统故障。除了对运动过程中机械故障的直接因素进行关注，也要重点关注动作延时问题，动作延时与机械疲劳有高相关性。

四、传感数据的影响因素

传感器的信号数据准确率由各种复杂因素构成，通信质量和元器件适用范围是对测量数据造成，在研究中提示环境因素和工作时长对传感器数据影响较大。例如温度测量传感器，当照亮测量的区域时，传感器信号最大，并且随着距离拉远和测量光度的减小而减小，以此反应光学热源与热量，不同位置照射时样品上的温度不均匀分布。相对湿度较高和较低环境下，测量的灵敏度均保持较高，具有较高的温度响应在低湿度下。

温度传感器就温度范围在-250至850度的较大范围内呈现线性，在量程内应用范围较广，适用于热图绘制，还可以对湿度的变化做出反应，简单的结构对于大规模低成本制造特别有用。传感器动力学随湿度变化，温度传感器节点在校准过程中，固定在线性平台上，紧紧机械表面放置的热敏电阻和热电偶同时由热板加热，并由空气冷却，信号端连接到数字万用表进行校准。

在较高的相对湿度下，温度的变化会引起明显的瞬时峰值升高和下降降低在较低的信号饱和之前。在较低的相对湿度下，这种现象不太明显。不同相对湿度下电性能的相应变化，当降低相对湿度时，传感器的总电阻大大增加，通过降低相对湿度而增加的电解质体积电阻或电荷转移电阻会引起传感器开路电位的变化。

不仅是温度传感器受外部因素影响较大，光敏感应元件、盐度传感器、气体传感器、特殊敏感分子传感器等都容易受到外部因素影响。应用多种不同类型的传感器，通过多维数据的有效分析可以识别和修正传感数据，提高传感器的灵敏度和准确性。不同的深度和外部空间环境会对深水测量装置产生影响，例如盐度传感器等就是受海面气象情况影响较大的传感器，会直接降低数据的稳定和敏感度。对于缓解复杂而产出大量噪音的数据组，要适当的在实验室中进行模拟，利用实验室环境下的数据有效分析生产环境中取得的实测数据。

五、结束语

通过数字信号技术实现的远程直接参与方法的转变，包括不断扩大的传感器集合，机器学习到大数据集，应用物联网技术实现使快速的双向数据通信，采取多节点测量機械运动姿势以及在运动过程中连续感测温度和幅度。基于单组传感器的数据完善域预测模型可以实现单个机械组件个性化测试策略，从而提高性能并降低成本。

参考文献

[1] 常用传感器技术及应用（第2版）. 电子工业出版社，2020.

[2] 工业机器人机械系统. 上海交通大学出版社，2018.

[3] MATLAB信号处理. 清华大学，2017.

[4] 机器人控制. 清华大学出版社，2020.

[5] 机器人学导论. 机械工业，2018.

吴谋凡（1983年），男，福鼎，高级工程师，国网福建省福鼎市供电有限公司调控中心，主要从事多维数据应用系统、智能化设备、定位制导技术、能量波分析、环境监测设备、跨平台应用系统等方向的研究开发工作。本项目由国网福建省电力有限公司科技项目资助，资助项目“物联网闪映单兵电子单元的研究与开发”。