引言
在自然界中，昆虫能够熟练利用它们的触须感知周围的环境、进行信息的交流。如何使移动机器人具备同样敏锐的触须系统，提高机器人的自主性，真正由实验室走向工程应用，一直是人们不懈追求的目标。
1992年，澳大利亚学者Russel RA设计了基于啮齿动物触须结构的触须传感器，通过电位计测量外界物体所处的位置。2002年，Miriam Fend实验小组改进了电位计触须传感器，利用电容式麦克风来获取触须端部的变形信息。2004年，DaeEunKim实验小组研制了电磁式触须传感器， 通过测量空间磁场的改变来获取外部物体的信息。
本文作者设计出了新型的基于PSD的触须传感器，传感器在结构和性能方面都有所提高。触须采用了细长的弹性触须，可实现对物体轮廓和所处位置的测量。作为以上工作的延续，针对柔性触须与物体接触时，接触点产生变形、滑移，接触位置不易确定的难点，提出了一种测量机器人触须与被测物体接触位置的新方法，即通 过测量触须的振动频率来得出触须与物体的接触位置。
1、测量原理
机器人在运动过程中，其触须左右返复的摆动。当触须接触到外界的物体，触须会产生弯曲变形，在触须根部产生相应的微小位移，表征触须的弯曲程度;另一方 面，触须还处在微小振动状态中，振动信号包含了更多的外界信息，如，接触物的纹理、粗糙度等信息。
与传统的刚性触须模型不同，新型的机器人触须由于采用了细长的弹性触须，触须在与物体的接触过程中，往往会产生弯曲变形，且触须与物体的接触点会产生滑移。因此，采用刚性触须的那种由电位计测量触须转角，结合机器人运动位移控制，采用几何公式来推导接触位置的设想是行不通的。
由仿生学可知，昆虫为了获取更多的外界信息，昆虫的触须常处在返复不停的摆动状态。为了测量振动信号，文作者建立了一个新的运动模型，将机器人触须模型看作一端固支的悬臂梁。当触须与物体处于非接触的状态时，触须具有恒定的固有振动频率;而随着触须与外界对象的接触及接触位置的变化，悬臂梁的边界条件发生了变化，由此触须的固有振动频率也发生了变化。
由理论分析可知，接触状态的频率w,和非接触的状态频率W2之间存在以下的关系：
(1)
式中:为接触位置到触须根部长度与触须长度之比(O≤z≤1)。由此可知，通过测量触须接触状态的频率W2和非接触状态的频率Wo，即可确定触须与物体的接触位置z。
2、运动分析
为了便于分析，触须看作为无质量的、直的轻质弹性梁。为了改善触须的振动特性，降低振动频率，在触须的端部加上一小质量的物体。移动机器人在前进的过程中，旋转电机驱动触须左右的摆动，探测前进方向及其两侧是否存在障碍物，触须与物体的接触简化为点接触。
当触须在摆动的过程中碰到了接触物，由PSD传感器测到触须受到冲击的信号，系统立即发出指令停止电机运行，而触须由于惯性将在平衡位置作来回的往复振 动，如图1所示。
由时间t2开始，触须与物体发生了接触。由于自身的惯性，触须的运动并不会因电机的停止而立即停止，而是继续向前运动，直到时间h运动速度降为零为止;时 间t2至时间t9为触须的弹性回复阶段，在时间t9时，运动速度达到最大;在时间t1至t5的运动过程中，触须与物体始终保持接触的状态，因此，该时间段可称为接触周期。
同样，由时间t3至t4，为触须的惯性运动阶段，运动速度逐渐降为零;时间t4至t5为触须的弹性回复阶段，运动速度逐渐达到最大;在时间t3至t5的运 动过程中，触须与物体始终保持非接触的状态，该时间段可称为非接触周期。
随着触须振动在接触周期与非接触周期交替的变化，触须振动产生的波形如图2所示。时间t1处为阶跃信号，是由触须与物体接触时的冲击造成的，可作为旋转电机的停止信号。图中，时间t1至t3的半波形为接触周期波形，其振动的频率的大小取决与触须与物体的接触位置:;时间t3至t5的半波形为非接触周期波形，是触须自由振动时的半个振动周期的波形。
由侧得的触须振动波形，即可得到触须接触周期和非接触周期的振动频率、振动周期，由此求得触须的接触位置z。
3、实验结果
整个实验系统由PC机、DMC2000运动卡、采样卡、基于PSD的新型触须传感器、步进电机及接口电路所组成。触须材料选用了长度10cm、直径 0.5mm的弹性细丝，其质量可忽略不计;在触须的端部附加上了质量2～3g的小重物;数据采集卡选用了研华PG-812,A/D为12位，量程 为±10v，采样频率为30kHz。
触须的固有频率约为4Hz，由公式(1)可知，随着z值(O≤z≤1)的增大，频率w2与频率wo的比值也逐步的增加。当z=0.9时，Wz/w0的值约 为12。由此可知，此时系统的采样频率至少应为50Hz。本系统的软件利用VC的多线程编程技术，采样频率可达200Hz以上，完全满足了实验的要求。图3为触须接触与非接触周期交替状态下的振动波形，采样频率为100Hz，触须的接触位置z=Q.5。
图4为触须接触与非接触周期交替状态下的振动波形，采样频率为70Hz，触须的接触位置z=0.7。
实验测得的触须振动波形与图2的理论分析的波形完全一致，由图3、图4的波形对比可以看出:随着触须与物体接触位置z的变化，振动频率w2与频率w0的比值也发生了显著的变化。通过测量触须与物体不同接触位置z的振动波形，根据实验的数据绘制了w2/W0与接触位置:的关系曲线，如图5所示。由此，可以很方便地得出触须与物体所接触的位置z。
4、结论
大量实验的数据和结果都证明了这一测量方法是可行性的，实验结果的重复性很好，完全可以根据实验的结果实现机器人触须与被测物体接触位置z的实际标定。对 照国外的同类实验，传感器更为精巧。由于触须质量可忽略不计，实验效果更为显著，可以保证实验结果的唯一性。
