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基于Arduino的工业机器人脚压传感智能安全系统
1萨彦岭Sarkar, 2Gautam Ghosh、 3Amitrakshar Mohanta, 4Atreye Ghosh、 5Saptarshi Mitra
国家技术研究所，Durgapur 713209，印度
电子邮件:1sayansarkarnitdgp@gmail.com 2gautam.mail.net@gmail.com 3amitrakshar@icloud.com 4atreyeghosh@gmail.com 5saptarshi14mitra@gmail.com
摘要
机器学习是自动化的一个重要方面。关于自动化的研究提出了一个基本的问题:机器能学会像人类一样行动和行动吗?安全高效的机器人人机交互——被称为“协作机器人”或“cobotics”——具有转换生产和组装线的能力。随着时间的推移，涉及机器人的工业事故(如SKH metals, Manesar, 2015年8月)的可能性增加了。使用机器人的公司已经发展出更多的安全计划，但它们也有一些缺陷。一种实时的MEMS传感器(PZT材料)，经济方法是通过关闭机器人系统或使机器人进入人体，从而确保机器人工作空间的安全。在操作过程中，如果在机械臂上检测到故障，则通过人机接口(HMI)通知机舱操作员。Arduino在进入工作空间时，当操作人员踩到压电垫(Doormat)时，会将机器人绊倒。传统的安全开关可以被绕过，因为它是手动的amp;有时会出现问题，需要快速响应故障排除操作，但是我们建议的设计比传统设计的失败率要小一些。基于“或”逻辑的Arduino UNO amp; Relay的统一，即使在他没有触发安全开关的情况下，也能保护人员不受任何意外的机器人行为的影响。机器人臂的状态可以通过物联网的集成进行远程监控。它的程序设定了一个计算阈值的脚压力对应于60公斤的身体质量的电路跳闸，以避免错误的触发。由于这个操作是过程工厂的一部分，操作人员可以增加其他类似过程的速度，以补偿生产的损失。
关键词：压电传感器、自动化、保护、Arduino UNO、人机界面(HMI)、人机交互、物联网(物联网)
1、介绍
自动化进入制造行业已经危及到人类工人的安全。机器人可以在HDT机器人技术公司的高级项目主管performMassey中工作。当机器人处于工作状态时，与工业机器人有关的事故时有发生。据职业介绍，在过去的30年里，工业机器人在美国造成近33人死亡，许多人受伤。
安全与卫生管理局[1]-[3]。IFR机器人预测，在2016- 2017年，工业机器人的需求将达到26万，比前一年增长12%。与这些机器人交互的人员数量将会增加，用于安装、测试、教学、维护和维修。这些大量的机器人建立起来，从事更复杂的过程，甚至在本质安全的机器人的情况下，也会导致潜在的危险。甚至在工业环境中使用机器人的最新安全规定也要求严格要求;例如，最大末端执行器线速度为250毫米/秒。当维修人员暂停[4]-[7]时，机器人控制器可能会受到无线电频率干扰(RFI)噪声的影响。在传感特性(范围、人类检测能力等)、耐久性和成本的基础上，对一些传感技术进行了综述。其中，有四种技术在机器人安全上具有优越的性能:1)超声微波3)红外电容[8]。每一个传感单元都有一定的优点和缺点。当传感器可以安装在相当高的高度上时，基于超声波传感器的方法是有效的，这样所有的反射面都超出了在许多应用中无法实现的最小距离，因为机器人被其他移动设备包围着。微波设置是昂贵的，并且不提供精确的测量速度非常低的速度。它没有考虑到传感器的切向和横向速度。因此，可能无法探测到穿越敏感区域横向行走的入侵者[8]。红外传感器比传统传感器昂贵。环境因素对电容式传感器有不利的影响。随着湿度或温度的变化，桥电路的平衡将被断开，可能产生一个错误的触发器[8]。限位开关是一种机电设备，在一定程度上起到作用。但它也有一些缺点:比普通设备更短的接触寿命(ii)运动机械部件磨损最终导致应用不友好。而主要的缺点是微开关(静电驱动)是高驱动电压。近距离传感器对环境非常敏感，因此在很多情况下是没有帮助的。可能有人认为，CCTV的监控或现代3D传感将会起到同样的作用[8]，但它不仅会降低成本，而且会给错误留下空间。这些缺点被迫采用了一种新型传感器，它相对于标准传感器来说是成本有效的。在许多情况下，机器人工作环境中缺少集中的工作人员(没有触发死开关)或快速响应故障排除行动导致了致命的事故。
这类事故的例子就像德国大众汽车公司(Volkswagen)、德国公司(Germany amp; SKH Metals)在2015年8月13日发生的印度事件一样。理想情况下，机器人应该对人类安全，而不管失败。本文利用压电传感器进行了实验研究，由于其成本效益、易于实现和动态特性，可以作为解决这一问题的良好解决方案。Arduino UNO，一个RISC(简化指令集计算机)基于成本有效的微控制器用于检测压电系统的逻辑响应。基于IoT的集成用于传输数据以及机器和远程操作的状态检查。物联网是物理对象的网络，包括电子设备、软件、传感器和网络连接，使这些对象能够收集和交换数据。远程触发是必要的，因为事故发生的概率与机器人环境中操作者花费的时间成正比。基于Android的商业应用“Arduino Wi -Fi控制”在机器人环境中启动或停止(触发机器人的刹车)。通过图解法对改进后的程序与老程序进行对比研究，结果表明其有效性。
2、机器人工作空间的分类。
图1建议种植面积的俯视图
在设计一个安全系统时，所有的极端情况都应该得到解决。修改后的安全系统和操作程序设计的方式是，在干预后，需要最小的努力恢复过程流。
不同的制度被划分为便于讨论机器人的安全性，如图1所示。
1级:工作空间边界
2级:机器人的工作空间内的区域。(如有异常行为)
3级:机械臂半径范围内的空间(正常运行期间)
铁丝栅栏通常用于一级保护。它限制未经授权的人员，保护工人不受任何在异常操作时抛出的炮弹。二级和三级一直难以实施安全措施。
3、基于传感器的方法
用传感器实时控制机器人是解决安全问题最可行的方法。这个概念涉及到数据
由能够感知机器人工作空间变化的传感器记录，并据此动态调整机器人的行为。
实验的两个主要类别是。
a)通用(机器人序列独立)，
b)映射(机器人序列依赖)。
一般的传感器/系统主要是独立于机器人操作的序列。因此，相同的传感器布置可以在不同的区域使用，并进行少量的修改。通用传感系统具有通用性，易于应用，且缺乏教学步骤。而在测绘传感器中，对操作的信息(即空间坐标、速度等)对系统进行了训练。
安全系统必须与以下标准兼容，如可靠、高度免疫的错误触发、对RF和功率峰值的免疫、易于安装、旁路证明和经济[9]。其中大多数都满足于压电式传感器。压电电压的产生过程需要在这样的位置传感器的定位，当一个人员进入围栏区域时，就会产生驱动信号。在机器人工作空间的入口处放置了一个压电垫(门垫)。压电垫的最佳尺寸85厘米times;60厘米的入口处放置fenced机器人工作空间。压电传感器产生与施加压力成正比的电压。为了实现这一目的，采用了半柔性的PZT-5A(锆-钛酸铅)来产生电压[10]。
图2 单PZT传感器
所产生的电压信号可能包括一些交流电压，可以通过使用桥式整流器来处理。
4、系统模型
压电材料由于外力引起的机械畸变，产生电压。电行为和压电耦合[10]是这一系统建模时要考虑的两个重要因素。
A、应用程序的压力
单片压电材料可以在纵向和横向两种情况下经历变形。所产生的电压是恢复原始形状和材料尺寸的驱动力。
B、电压产生机制
电压产生是由于机械畸变导致晶体阵列中电荷分离的结果。在压电材料的晶格结构中，每个单元格的中心都有一个离子，在变形过程中它会被移位和偏离。这种失调导致了电荷分离和样品两端之间的电位差。最终，如果电路关闭，这个电位差会导致电流流过。因此，脚的压力转化为电信号。这种现象称为直接压电效应。
C、现场和应力方向规范。
对压电材料的耦合有不同的模式，最常用的是“31”和“33”。在“31”模式下，“1”方向上的横向应变与“3”方向上的感应电场垂直，而在“33”模式下，应变和电场方向是平行的。一个值得注意的事实是3-3模式的机电耦合大于3-1模式。但由于其简单和易于集成，3-1模式仍被广泛使用。
D、Arduino单片机
Arduino是一个用于电子原型的开源计算设备。
(i) Arduino板(硬件部分):
Arduino Uno板是基于ATmega328，高性能的Atmel 8位AVR risc微控制器[11]。该设备运行在1.8-5.5伏之间。它有14个数字输入/输出插脚，如图3所示，有6个模拟输入，一个16mhz的陶瓷谐振器，一个USB连接，一个电源插座，一个ICSP报头和一个复位按钮。Arduino Uno可以通过USB连接或外部电源供电。
图3 Arduino标有[11]
(ii) Arduino IDE(软件部分):
Arduino环境是一个基于java的开源软件，运行在各种平台上，如Windows、Mac OS X和Linux。Arduino集成开发环境(IDE)附带一个名为“连线”的软件库，使许多常见的输入/输出操作变得更加容易。
E、Arduino WIFI模块
ESP8266是一种低成本的Wi-Fi芯片，具有完整的TCP/IP栈和单片机，并配有完整的命令库[12]。这使得通过串行通信与Wi-Fi网络容易集成。它由外部电池或Arduino UNO的3.3V模拟pin供电。该模块便于微控制器连接Wi-Fi网络，并实现简单的TCP/IP连接。ESP8266的两种模式是(i)站模式(ii)接入点模式。作为一个站点，该系统连接到一个无线网络并从因特网上读取数据。作为访问点，ESP拥有一个小的HTML网站，而Arduino UNO则从传感器读取机器的状态。这种模式显示了Wi-Fi芯片承载和接收数据的能力。
图4 ESP 8266 WIFI 模块
F、低功率Wi-Fi设备(6LowPAN)
根据图5所示，6LoWPAN是一种低功耗、ip驱动和大量的网格系统支持的技术，是物联网应用的一个很好的选择。正如全名所暗示的，“IPv6高于低功率无线个人区域网络”[13]。6LoWPAN是一种网络技术或适应层，它允许在小的链路层框架内有效地传输IPv6数据包，如IEEE 802.15.4所定义的。该协议直接与Z-Wave和ZigBee IP竞争。因特网上的上行链路由访问点(AP)作为IPv6路由器处理。6LoWPAN网络使用一个边缘路由器连接到IPv6网络，该路由器处理6LoWPAN设备与Internet(或其他IPv6网络)之间的数据交换。通过与IP通信，6LoWPAN网络通过简单的IP路由器连接到其他网络。连接到其他IP网络可以通过任意的链路提供，如以太网、Wi-Fi或3G/4G。
图5 6LOWPAN WiFi模块网络架构[13]
G、输出电压估计和进一步分析。
正常步行周期的人类步态模式[10]清楚地说明了压电垫和人脚之间的相互作用。图6是一种典型的“脚压与时间”的图，在1步态(cycle)中测量一个人的一个肢体，其重量为60公斤，以每秒钟约0.8步的速度行走，并减去重力加速度。[10]考虑到施加压力的垫面面积为5厘米，5厘米= 25cm2，压力变化如图所示。平均步距为0.6m，鞋跟的最大标高约为0.2m，在45o时，观测到的加速度峰值已通过地面反应力的测量得到证实。因此，不同的行走条件引起不同特征的加速度信号。步态分析描述了一种标准化的加速度信号，可以作为参考激励，对传感器的机电响应进行数值计算。如果输出电压高于指定电平(固定电压)，则系统将启动，相应的操作程序将启动。
图6 在特定的环境下测量脚的压力
假设PZT bimorph值为150 KPa(人脚压力)，电压V是根据众所周知的公式[10]产生的。
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V D u Sv u P |
(1) |
其中D为压电材料的厚度，Sv为材料的电压灵敏度，P为施加的机械压力。
压电陶瓷双压电晶片零件样品用于实验、D = 1厘米,Sv = 27times;10-3V-m / N,P = 150 kpa。[10]因此从(1)中，V的估计值约为82V。
图7 Comsol仿真amp;对应的电压产生的matlab模型图[10]
上述系统在Matlab-Simulink环境中模拟，如图7所示，与之前的计算结果相似。在工业应用中，压电垫应该足够大，可以容纳任何一只脚在垫子上，这样就可以防止非法侵入。采用固定阈值电压(如60公斤)防止假触发。必须确保身体质量。最高压力可根据操作员的体重变化多达200 Kpa。当产生的电压最大值为100V时，需要使用电压调节电路。PZT材料的高电压信号通过使用20:1(输入电阻/输出电阻)电阻分配器，并发送给Arduino。根据设计方法，可以得出20:1的电阻分压器是最适合在规定范围内输出的。在Arduino输入之前，将安装一个5.1V 1瓦的二极管，以防止电路板产生任何高电压。
F、实验装置
在实验室设置中，用拇指压测试电路的性能，并分析压电传感器
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