機(jī)器人技術(shù)機(jī)器人環(huán)境感覺技術(shù)PPT課件

1、傳感器的種類傳感器的種類 1.根據(jù)傳感器位置分類 內(nèi)部傳感器：檢測(cè)機(jī)器人本身狀態(tài)（手臂間角度等）的傳感器。 外部傳感器：檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境（是什么物體，離物體的距離有多遠(yuǎn)等）及狀況（抓取的物體滑落等）的傳感器。外部傳感器分為末端執(zhí)行器傳感器和環(huán)境傳感器。 末端執(zhí)行器傳感器：主要裝在作為末端執(zhí)行器的手上，檢測(cè)處理精巧作業(yè)的感覺信息。相當(dāng)于觸覺。 環(huán)境傳感器：用于識(shí)別物體和檢測(cè)物體與機(jī)器人的距離。相當(dāng)于視覺。 2.根據(jù)傳感器功能分類 視覺、觸覺、位置及位移、溫度、濕度 第1頁(yè)/共99頁(yè)4.1 工業(yè)機(jī)器人的視覺視覺系統(tǒng)的硬件組成 視覺系統(tǒng)可以分為圖像輸入(獲取)、圖像處理、圖像理解、圖像存儲(chǔ)和圖像輸

2、出幾個(gè)部分(見圖4.1)。 實(shí)際系統(tǒng)可以根據(jù)需要選擇其中的若干部件。 第2頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.1 視覺系統(tǒng)的硬件組成 第3頁(yè)/共99頁(yè)1. 1. 視覺傳感器視覺傳感器是將景物的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。大多數(shù)機(jī)器人視覺都不必通過(guò)膠卷等媒介物,而是直接把景物攝入。過(guò)去經(jīng)常使用光導(dǎo)攝像等電視攝像機(jī)作為機(jī)器人的視覺傳感器, 近年來(lái)開發(fā)了CCD(電荷耦合器件)和MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)器件等組成的固體視覺傳感器。固體傳感器又可以分為一維線性傳感器和二維線性傳感器,目前二維線性傳感器已經(jīng)能做到四千個(gè)像素以上。由于固體視覺傳感器具有體積小、 重量輕等優(yōu)點(diǎn), 因此應(yīng)用日趨廣泛。 第4頁(yè)/共99頁(yè)由視覺傳感

3、器得到的電信號(hào), 經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào), 稱為數(shù)字圖像。一般地,一個(gè)畫面可以分成256256像素、 512512像素或10241024像素,像素的灰度可以用4位或8位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示。一般情況下, 這么大的信息量對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是足夠的。要求比較高的場(chǎng)合,還可以通過(guò)彩色攝像系統(tǒng)或在黑白攝像管前面加上紅、綠、藍(lán)等濾光器得到顏色信息和較好的反差。 如果能在傳感器的信息中加入景物各點(diǎn)與攝像管之間的距離信息,顯然是很有用的。每個(gè)像素都含有距離信息的圖像, 稱之為距離圖像。目前,有人正在研究獲得距離信息的各種辦法, 但至今還沒有一種簡(jiǎn)單實(shí)用的裝置。 第5頁(yè)/共99頁(yè)2. 2. 攝像機(jī)和光源控制機(jī)器人的視

4、覺系統(tǒng)直接把景物轉(zhuǎn)化成圖像輸入信號(hào), 因此取景部分應(yīng)當(dāng)能根據(jù)具體情況自動(dòng)調(diào)節(jié)光圈的焦點(diǎn), 以便得到一張容易處理的圖像。為此應(yīng)能調(diào)節(jié)以下幾個(gè)參量: (1) 焦點(diǎn)能自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)要看的物體。 (2) 根據(jù)光線強(qiáng)弱自動(dòng)調(diào)節(jié)光圈。 (3) 自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)攝像機(jī), 使被攝物體位于視野中央。 (4) 根據(jù)目標(biāo)物體的顏色選擇濾光器。 此外, 還應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)光源的方向和強(qiáng)度, 使目標(biāo)物體能夠看得更清楚。 第6頁(yè)/共99頁(yè)3. 3. 計(jì)算機(jī)由視覺傳感器得到的圖像信息要由計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和處理, 根據(jù)各種目的輸出處理后的結(jié)果。20世紀(jì)80年代以前,由于微計(jì)算機(jī)的內(nèi)存量小,內(nèi)存的價(jià)格高, 因此往往另加一個(gè)圖像存儲(chǔ)器來(lái)儲(chǔ)存圖像數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在,

5、 除了某些大規(guī)模視覺系統(tǒng)之外, 一般都使用微計(jì)算機(jī)或小型機(jī)。除了通過(guò)顯示器顯示圖形之外,還可以用打印機(jī)或繪圖儀輸出圖像，且使用轉(zhuǎn)換精度為8位A/D轉(zhuǎn)換器就可以了。但由于數(shù)據(jù)量大, 要求轉(zhuǎn)換速度快, 目前已在使用100 MB 以上的8位AD轉(zhuǎn)換芯片。 第7頁(yè)/共99頁(yè)4. 4. 圖像處理機(jī)一般計(jì)算機(jī)都是串行運(yùn)算的, 要處理二維圖像很費(fèi)時(shí)間。 在要求較高的場(chǎng)合, 可以設(shè)置一種專用的圖像處理機(jī),以便縮短計(jì)算時(shí)間。 圖像處理只是對(duì)圖像數(shù)據(jù)做了一些簡(jiǎn)單、重復(fù)的預(yù)處理, 數(shù)據(jù)進(jìn)入計(jì)算機(jī)后, 還要進(jìn)行各種運(yùn)算。 第8頁(yè)/共99頁(yè)機(jī)器人視覺的應(yīng)用1. 1. 弧焊過(guò)程中焊槍對(duì)焊縫的自動(dòng)對(duì)中圖4.2所示為具有視覺

6、焊縫對(duì)中的弧焊機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 圖像傳感器直接安裝在機(jī)器人末端執(zhí)行器。焊接過(guò)程中,圖像傳感器對(duì)焊縫進(jìn)行掃描檢測(cè), 獲得焊前區(qū)焊縫的截面參數(shù)曲線， 計(jì)算機(jī)根據(jù)該截面參數(shù)計(jì)算出末端執(zhí)行器相對(duì)焊縫中心線的偏移量,然后發(fā)出位移修正指令,調(diào)整末端執(zhí)行器直到偏移量=0為止。瑞典ASEA公司研制的Opotocator 弧焊用視覺系統(tǒng), 安裝在距工件175 mm高度,視野寬度32 mm,分辨率0.06 mm; 安裝在IRL62弧焊機(jī)器人上能達(dá)到對(duì)中精度為0.40 mm。這種傳感器還可測(cè)量出鋼板厚度,能自動(dòng)調(diào)節(jié)弧焊電流, 從而保證焊接質(zhì)量, 并使厚度為0.80 mm的薄鋼板焊接成為可能。弧焊機(jī)器人裝上視覺系統(tǒng)

7、后給編程帶來(lái)了方便, 編程時(shí)只需嚴(yán)格按圖樣進(jìn)行。 在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的焊縫變形、裝卡及傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差均可由視覺系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)并加以補(bǔ)償。 第9頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.2 具有視覺焊縫對(duì)中的弧焊機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第10頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.3 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人弧焊工作焊縫的自動(dòng)跟蹤原理圖 第11頁(yè)/共99頁(yè)2. 裝配作業(yè)中的應(yīng)用圖4.4所示為一個(gè)吸塵器自動(dòng)裝配實(shí)驗(yàn)系統(tǒng), 由2臺(tái)關(guān)節(jié)機(jī)器人和7臺(tái)圖像傳感器組成。組裝的吸塵器部件包括底盤、氣泵和過(guò)濾器等, 都自由堆放在右側(cè)備料區(qū),該區(qū)上方裝設(shè)三臺(tái)圖像傳感器(、), 用以分辨物料的種類和方位。機(jī)器人的前部為裝配區(qū),這里有4臺(tái)圖像傳感器A、B、C和D, 用來(lái)對(duì)裝配過(guò)程進(jìn)

8、行監(jiān)控。使用這套系統(tǒng)裝配一臺(tái)吸塵器只需2分鐘。 第12頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.4 吸塵器自動(dòng)裝配實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 第13頁(yè)/共99頁(yè)3. 3. 機(jī)器人非接觸式檢測(cè)在機(jī)器人腕部配置視覺傳感器,可用于對(duì)異形零件進(jìn)行非接觸式測(cè)量, 如圖4.5所示。這種測(cè)量方法除了能完成常規(guī)的空間幾何形狀、形體相對(duì)位置的檢測(cè)外,如配上超聲、激光、 x射線探測(cè)裝置, 則還可進(jìn)行零件內(nèi)部的缺陷探傷、 表面涂層厚度測(cè)量等作業(yè)。 第14頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.5 具有視覺系統(tǒng)的機(jī)器人進(jìn)行非接觸式測(cè)量 第15頁(yè)/共99頁(yè)4. 4. 利用視覺的自主機(jī)器人系統(tǒng)日本日立中央研究所研制的具有自主控制功能的智能機(jī)器人, 可以用來(lái)完成按圖裝配產(chǎn)品的作業(yè),

9、圖4.6所示為其工作示意圖。它的兩個(gè)視覺傳感器作為機(jī)器人的眼睛,一個(gè)用于觀察裝配圖紙，并通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)理解圖中零件的立體形狀及裝配關(guān)系; 另一個(gè)用于從實(shí)際工作環(huán)境中識(shí)別出裝配所需的零件,并對(duì)其形狀、位置、姿態(tài)等進(jìn)行識(shí)別。此外,多關(guān)節(jié)機(jī)器人還帶有觸覺。 利用這些傳感器信息,可以確定裝配順序和裝配方法, 逐步將零件裝成與圖紙相符的產(chǎn)品。 第16頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.6 日立自主控制機(jī)器人工作示意圖 第17頁(yè)/共99頁(yè)從功能上看,這種機(jī)器人具有圖形識(shí)別功能和決策規(guī)劃功能, 前者可以識(shí)別一定的目標(biāo)(如宏指令)、裝配圖紙、多面體等; 后者可以確定操作序列, 包括裝配順序、手部軌跡、抓取位置等。這樣,只要對(duì)機(jī)

10、器人發(fā)出類似于人的表達(dá)形式的宏指令, 機(jī)器人則會(huì)自動(dòng)考慮執(zhí)行這些指令的具體工作細(xì)節(jié)。該機(jī)器人已成功地進(jìn)行了印刷板檢查和晶體管、電動(dòng)機(jī)等裝配工作。 第18頁(yè)/共99頁(yè)4.2 工業(yè)機(jī)器人的觸覺 為使機(jī)器人準(zhǔn)確地完成工作,需時(shí)刻檢測(cè)機(jī)器人與對(duì)象物體的配合關(guān)系。 機(jī)器人觸覺可分成接觸覺、接近覺、壓覺、滑覺和力覺五種, 如圖4.7所示。觸頭可裝配在機(jī)器人的手指上, 用來(lái)判斷工作中各種狀況。 第19頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.7 機(jī)器人觸覺 第20頁(yè)/共99頁(yè)機(jī)器人的接觸覺1. 1. 接觸覺傳感器圖4.8所示的接觸覺傳感器由微動(dòng)開關(guān)組成, 根據(jù)用途不同配置也不同, 一般用于探測(cè)物體位置、探索路徑和安全保護(hù)。這類配

11、置屬于分散裝置,即把單個(gè)傳感器安裝在機(jī)械手的敏感位置上。 第21頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.8 4.8 接觸覺傳感器(a) 點(diǎn)式; (b) 棒式; (c) 緩沖器式; (d) 平板式; (e) 環(huán)式 第22頁(yè)/共99頁(yè)圖4.9所示為二維矩陣接觸覺傳感器的配置方法, 一般放在機(jī)器人手掌的內(nèi)側(cè)。圖中柔軟導(dǎo)體可以使用導(dǎo)電橡膠、浸含導(dǎo)電涂料的氨基甲酸乙酯泡沫或炭素纖維等材料。陣列式接觸覺傳感器可用于測(cè)定自身與物體的接觸位置、被握物體中心位置和傾斜度, 甚至還可以識(shí)別物體的大小和形狀。 第23頁(yè)/共99頁(yè)圖4.9 矩陣式接觸覺傳感器 第24頁(yè)/共99頁(yè)2. 2. 接觸覺應(yīng)用圖4.10(a)所示為一個(gè)具有接觸覺識(shí)

12、別功能的機(jī)器人,共有四個(gè)自由度(兩個(gè)移動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)), 由一臺(tái)微機(jī)控制,各軸運(yùn)動(dòng)是由直流電機(jī)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)。手部裝有壓電橡膠接觸覺傳感器, 識(shí)別軟件具有搜索和識(shí)別的功能。 第25頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.10 具有接觸搜索識(shí)別功能的機(jī)器 第26頁(yè)/共99頁(yè)(1) 搜索過(guò)程。機(jī)器人有一扇形截面柱狀操作空間, 手爪在高度方向進(jìn)行分層搜索, 對(duì)每一層可根據(jù)預(yù)先給定的程序沿一定軌跡進(jìn)行搜索。搜索過(guò)程中,假定在位置遇到障礙物, 則手爪上的接觸覺傳感器就會(huì)發(fā)出停止前進(jìn)的指令, 使手臂向后縮回一段距離到達(dá)位置。如果已經(jīng)避開了障礙物, 則再前進(jìn)至, 又伸出到, 再運(yùn)動(dòng)到處與障礙物再次相碰。根據(jù)、 的位置計(jì)算機(jī)就能判斷被搜

13、索物體的位置。再按、 的順序接近就能對(duì)搜索的目標(biāo)物進(jìn)行抓取, 如圖4.10(b)所示。 第27頁(yè)/共99頁(yè)(2) 識(shí)別功能。圖4.11是一個(gè)配置在手上的由34個(gè)觸覺元件組成的表面陣列觸覺傳感器,識(shí)別對(duì)象為一長(zhǎng)方體。假定手與搜索對(duì)象的已知接觸目標(biāo)模式為x*,手的每一步搜索得到的接觸信息構(gòu)成了接觸模式xi,機(jī)器人根據(jù)每一步搜索的接觸模式x1、x2、x3不斷計(jì)算、估計(jì)、調(diào)整手的位姿, 直到目標(biāo)模式與接觸模式相符合為止。 第28頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.11 用接觸覺陣列傳感器引導(dǎo)隨機(jī)搜索 第29頁(yè)/共99頁(yè)每一步搜索過(guò)程由三部分組成: 接觸覺信息的獲取、 量化和對(duì)象表面形心位置的估算; 對(duì)象邊緣特征的提取

14、和姿勢(shì)估算; 運(yùn)動(dòng)計(jì)算及執(zhí)行運(yùn)動(dòng)。 要判定搜索結(jié)果是否滿足形心對(duì)中、姿勢(shì)符合要求,則還可設(shè)置一個(gè)目標(biāo)函數(shù), 要求目標(biāo)函數(shù)在某一尺度下最優(yōu), 用這樣的方法可判定對(duì)象的存在和位姿情況。 第30頁(yè)/共99頁(yè)機(jī)器人的接近覺接近覺是指機(jī)器人能感覺到距離幾毫米到十幾厘米遠(yuǎn)的對(duì)象物或障礙物, 能檢測(cè)出物體的距離、相對(duì)傾角或?qū)ο笪锉砻娴男再|(zhì)。這是非接觸式感覺。 接近覺傳感器可分為6種: 電磁式(感應(yīng)電流式)、光電式(反射或透射式)、靜電容式、氣壓式、超聲波式和紅外線式, 如圖4.12所示。 第31頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.12 接近覺傳感器 第32頁(yè)/共99頁(yè)電磁式傳感器在一個(gè)線圈中通入高頻電流, 就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),

15、這個(gè)磁場(chǎng)接近金屬物時(shí), 會(huì)在金屬物中產(chǎn)生感應(yīng)電流, 也就是渦流。 渦流大小隨對(duì)象物體表面和線圈距離的大小而變化, 這個(gè)變化反過(guò)來(lái)又影響線圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度。磁場(chǎng)強(qiáng)度可用另一組線圈檢測(cè)出來(lái), 也可以根據(jù)激磁線圈本身電感的變化或激勵(lì)電流的變化來(lái)檢測(cè)。 圖4.13是它的原理圖。 這種傳感器的精度比較高, 而且可以在高溫下使用。由于工業(yè)機(jī)器人的工作對(duì)象大多是金屬部件, 因此電磁式接近覺傳感器應(yīng)用較廣, 在焊接機(jī)器人中可用它來(lái)探測(cè)焊縫。 第33頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.13 電磁式接近覺傳感原理圖 第34頁(yè)/共99頁(yè)光反射式接近覺傳感器由于光的反射量受到對(duì)象物體的顏色、 粗糙度和表面傾角的影響, 精度較差, 應(yīng)用范

16、圍小。 靜電容式接近覺傳感器是根據(jù)傳感器表面與對(duì)象物體表面所形成的電容隨距離變化的原理制成的。將這個(gè)電容串接在電橋中, 或者把它當(dāng)作RC振蕩器中的元件, 都可以檢測(cè)距離。氣壓式接近覺傳感器的原理如圖4.14所示, 由一根細(xì)的噴嘴噴出氣流。 如果噴嘴靠近物體, 則內(nèi)部壓力會(huì)發(fā)生變化, 這一變化可用壓力計(jì)測(cè)量出來(lái)。 圖中曲線表示在氣壓P的情況下, 壓力計(jì)的壓力與距離d之間的關(guān)系。它可用于檢測(cè)非金屬物體, 尤其適用于測(cè)量微小間隙。 第35頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.14 氣壓式接近覺傳感原理圖 第36頁(yè)/共99頁(yè)機(jī)器人的壓覺圖4.15所示為陣列式壓覺傳感器。圖(a)由條狀的導(dǎo)電橡膠排成網(wǎng)狀, 每個(gè)棒上附上一

17、層導(dǎo)體引出,送給掃描電路; 圖(b)則由單向?qū)щ娤鹉z和印制電路板組成, 電路板上附有條狀金屬箔, 兩塊板上的金屬條方向互相垂直; 圖(c)為與陣列式傳感器相配的陣列式掃描電路。 第37頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.15 陣列式壓覺傳感器(a) 網(wǎng)狀排列的導(dǎo)電橡膠； (b) 單向?qū)щ娤鹉z和印刷電路板； (c) 陣列式掃描電路 第38頁(yè)/共99頁(yè)比較高級(jí)的壓覺傳感器是在陣列式觸點(diǎn)上附一層導(dǎo)電橡膠, 并在基板上裝有集成電路, 壓力的變化使各接點(diǎn)間的電阻發(fā)生變化, 信號(hào)經(jīng)過(guò)集成電路處理后送出, 如圖4.16所示。 第39頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.16 高級(jí)分布式壓覺傳感器 第40頁(yè)/共99頁(yè)圖4.17所示為變形檢測(cè)器

18、, 用壓力使橡膠變形, 可用普通橡膠作傳感器面, 用光學(xué)和電磁學(xué)等手段檢測(cè)其變形量。和直接檢測(cè)壓力的方法相比, 這種方法可稱為間接檢測(cè)法。 第41頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.17 變形檢測(cè)器 第42頁(yè)/共99頁(yè)第43頁(yè)/共99頁(yè)機(jī)器人的滑覺機(jī)器人的握力應(yīng)滿足物體既不產(chǎn)生滑動(dòng)而握力又為最小臨界握力。 如果能在剛開始滑動(dòng)之后便立即檢測(cè)出物體和手指間產(chǎn)生的相對(duì)位移, 且增加握力就能使滑動(dòng)迅速停止, 那么該物體就可用最小的臨界握力抓住。 第44頁(yè)/共99頁(yè)檢測(cè)滑動(dòng)的方法有以下幾種: (1) 根據(jù)滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)檢測(cè), 如圖4.18(a)所示。(2) 把滑動(dòng)的位移變成轉(zhuǎn)動(dòng), 檢測(cè)其角位移, 如圖4.18(b)所

19、示。(3) 根據(jù)滑動(dòng)時(shí)手指與對(duì)象物體間動(dòng)靜摩擦力來(lái)檢測(cè), 如圖4.18(c)所示。(4) 根據(jù)手指壓力分布的改變來(lái)檢測(cè), 如圖4.18(d)所示。 第45頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.18 滑動(dòng)引起的物理現(xiàn)象(a) 振動(dòng)； (b) 轉(zhuǎn)動(dòng)； (c) 剪動(dòng)力; (d) 移位 第46頁(yè)/共99頁(yè)圖4.19所示是一種測(cè)振式滑覺傳感器。傳感器尖端用一個(gè)0.05 mm的鋼球接觸被握物體, 振動(dòng)通過(guò)杠桿傳向磁鐵, 磁鐵的振動(dòng)在線圈中感應(yīng)交變電流并輸出。在傳感器中設(shè)有橡膠阻尼圈和油阻尼器?；瑒?dòng)信號(hào)能清楚地從噪聲中被分離出來(lái)。 但其檢測(cè)頭需直接與對(duì)象物接觸, 在握持類似于圓柱體的對(duì)象物時(shí), 就必須準(zhǔn)確選擇握持位置, 否則

20、就不能起到檢測(cè)滑覺的作用; 而且其接觸為點(diǎn)接觸, 可能因造成接觸壓力過(guò)大而損壞對(duì)象表面。 第47頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.19 測(cè)振式滑覺傳感器 第48頁(yè)/共99頁(yè)圖4.20所示的柱型滾輪式滑覺傳感器比較實(shí)用。小型滾輪安裝在機(jī)器人手指上, 其表面稍突出手指表面, 使物體的滑動(dòng)變成轉(zhuǎn)動(dòng)。 滾輪表面貼有高摩擦因數(shù)的彈性物質(zhì), 一般用橡膠薄膜。 用板型彈簧將滾輪固定, 可以使?jié)L輪與物體緊密接觸, 并使?jié)L輪不產(chǎn)生縱向位移。滾輪內(nèi)部裝有發(fā)光二極管和光電三極管, 通過(guò)圓盤形光柵把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)。 第49頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.20 柱型滾輪式滑覺傳感器 (a) 機(jī)器人夾持器； (b) 傳感器 第50頁(yè)/共99

21、頁(yè)滾輪式傳感器只能檢測(cè)一個(gè)方向的滑動(dòng)。圖4.21所示為南斯拉夫貝爾格萊德大學(xué)研制的機(jī)器人專用滑覺傳感器。它由一個(gè)金屬球和觸針組成, 金屬球表面分成許多個(gè)相間排列的導(dǎo)電和絕緣小格。 觸針頭很細(xì), 每次只能觸及一格。當(dāng)工件滑動(dòng)時(shí), 金屬球也隨之轉(zhuǎn)動(dòng), 在觸針上輸出脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)的頻率反映了滑移速度, 脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)滑移的距離。接觸器觸頭面積小于球面上露出的導(dǎo)體面積, 它不僅可做得很小, 而且提高了檢測(cè)靈敏度。 球與被握物體相接觸, 無(wú)論滑動(dòng)方向如何, 只要球一轉(zhuǎn)動(dòng), 傳感器就會(huì)產(chǎn)生脈沖輸出。該球體在沖擊力作用下不轉(zhuǎn)動(dòng), 因此抗干擾能力強(qiáng)。 第51頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.21 球形滑覺傳感器第5

22、2頁(yè)/共99頁(yè)從機(jī)器人對(duì)物體施加力的大小看, 握持方式可分為三類: (1) 剛力握持機(jī)器人手指用一個(gè)固定的力, 通常是用最大可能的力握持物體。 (2) 柔力握持根據(jù)物體和工作目的不同, 使用適當(dāng)?shù)牧ξ粘治矬w。 握力可變或是自適應(yīng)控制的。 (3) 零力握持可握住物體但不用力, 即只感覺到物體的存在。 它主要用于探測(cè)物體、探索路徑、識(shí)別物體的形狀等目的。第53頁(yè)/共99頁(yè)機(jī)器人的力覺機(jī)器人作業(yè)是一個(gè)其與周圍環(huán)境的交互過(guò)程。作業(yè)過(guò)程有兩類: 一類是非接觸式的, 如弧焊、噴漆等, 基本不涉及力; 另一類工作是通過(guò)接觸才能完成的, 如擰螺釘、點(diǎn)焊、裝配、 拋光、加工等。目前已有將視覺和力覺傳感器用于非事

23、先定位的軸孔裝配, 其中, 視覺完成大致的定位, 裝配過(guò)程靠孔的倒角作用不斷產(chǎn)生的力反饋得以順利完成。又如高樓清潔機(jī)器人, 當(dāng)它擦干凈玻璃時(shí), 顯然用力不能太大也不能太小, 這要求機(jī)器人作業(yè)時(shí)具有力控制功能。當(dāng)然, 對(duì)于機(jī)器人的力傳感器, 不僅僅是上面描述的機(jī)器人末端執(zhí)行器與環(huán)境作用過(guò)程中發(fā)生的力測(cè)量, 還有如機(jī)器人自身運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中的力反饋測(cè)量、 機(jī)器手爪抓握物體時(shí)的握力測(cè)量等。 第54頁(yè)/共99頁(yè)通常將機(jī)器人的力傳感器分為以下三類: (1) 裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器上的力傳感器, 稱為關(guān)節(jié)力傳感器。 它測(cè)量驅(qū)動(dòng)器本身的輸出力和力矩, 用于控制中的力反饋。 (2) 裝在末端執(zhí)行器和機(jī)器人最后一個(gè)關(guān)節(jié)之

24、間的力傳感器, 稱為腕力傳感器。 腕力傳感器能直接測(cè)出作用在末端執(zhí)行器上的各向力和力矩。 (3) 裝在機(jī)器人手爪指關(guān)節(jié)上(或指上)的力傳感器, 稱為指力傳感器。 它用來(lái)測(cè)量夾持物體時(shí)的受力情況。 第55頁(yè)/共99頁(yè)第56頁(yè)/共99頁(yè)圖4.22所示為Draper實(shí)驗(yàn)室研制的六維腕力傳感器的結(jié)構(gòu)。 它將一個(gè)整體金屬環(huán)周壁銑成按120周向分布的三根細(xì)梁。 其上部圓環(huán)上有螺孔與手臂相聯(lián), 下部圓環(huán)上的螺孔與手爪聯(lián)接, 傳感器的測(cè)量電路置于空心的彈性構(gòu)架體內(nèi)。該傳感器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單, 靈敏度也較高, 但六維力(力矩)的獲得需要解耦運(yùn)算, 傳感器的抗過(guò)載能力較差, 較易受損。 第57頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.22

25、 Draper的腕力傳感器 第58頁(yè)/共99頁(yè)圖4.23所示是SRI(Stanford Research Institute)研制的六維腕力傳感器。 它由一只直徑為75 mm的鋁管銑削而成, 具有八個(gè)窄長(zhǎng)的彈性梁, 每一個(gè)梁的頸部開有小槽以使頸部只傳遞力, 扭矩作用很小。在梁的另一頭兩側(cè)貼有應(yīng)變片, 若應(yīng)變片的阻值分別為R1、R2, 則將其連成如圖4.24所示的形式輸出, 由于R1、R2所受應(yīng)變方向相反, 因此Vout輸出比使用單個(gè)應(yīng)變片時(shí)大一倍。 第59頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.23 SRI腕力傳感器 第60頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.24 SRI腕力傳感器應(yīng)變片連接方式 第61頁(yè)/共99頁(yè)第62頁(yè)/共9

26、9頁(yè)圖4.25是日本大和制衡株式會(huì)社林純一在JPL實(shí)驗(yàn)室研制的腕力傳感器基礎(chǔ)上提出的一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)。它是一種整體輪輻式結(jié)構(gòu), 傳感器在十字梁與輪緣聯(lián)接處有一個(gè)柔性環(huán)節(jié), 在四根交叉梁上總共貼有32個(gè)應(yīng)變片(圖中以小方塊表示), 組成8路全橋輸出, 六維力的獲得須通過(guò)解耦計(jì)算。這一傳感器一般將十字交叉主桿與手臂的聯(lián)接件設(shè)計(jì)成彈性體變形限幅的形式, 可有效起到過(guò)載保護(hù)作用, 是一種較實(shí)用的結(jié)構(gòu)。 第63頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.25 林純一的腕力傳感器 第64頁(yè)/共99頁(yè)圖4.26所示是一種非徑向中心對(duì)稱三梁腕力傳感器, 傳感器的內(nèi)圈和外圈分別固定于機(jī)器人的手臂和手爪, 力沿與內(nèi)圈相切的三根梁進(jìn)行傳遞。

27、每根梁的上下、左右各貼一對(duì)應(yīng)變片,這樣,這非徑向的三根梁共粘貼6對(duì)應(yīng)變片, 分別組成六組半橋, 對(duì)這六組電橋信號(hào)進(jìn)行解耦可得到六維力(力矩)的精確解。 這種力覺傳感器結(jié)構(gòu)有較好的剛性, 最先由卡納基梅隆大學(xué)提出。在我國(guó), 華中科技大學(xué)也曾對(duì)此結(jié)構(gòu)的傳感器進(jìn)行過(guò)研究。 第65頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.26 非徑向中心對(duì)稱三梁腕力傳感器 第66頁(yè)/共99頁(yè)4.3 工業(yè)機(jī)器人的位置及位移 電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器由一個(gè)線繞電阻(或薄膜電阻)和一個(gè)滑動(dòng)觸點(diǎn)組成。 其中滑動(dòng)觸點(diǎn)通過(guò)機(jī)械裝置受被檢測(cè)量的控制。當(dāng)被檢測(cè)的位置量發(fā)生變化時(shí),滑動(dòng)觸點(diǎn)也發(fā)生位移, 從而改變了滑動(dòng)觸點(diǎn)與電位器各端之間的電阻值

28、和輸出電壓值, 根據(jù)這種輸出電壓值的變化, 可以檢測(cè)出機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置和位移量。 第67頁(yè)/共99頁(yè)電位器式位移傳感器具有很多優(yōu)點(diǎn)。它的輸入輸出特性(即輸入位移量與電壓量之間的關(guān)系)可以是線性的,也可以根據(jù)需要選擇其他任意函數(shù)關(guān)系的輸入輸出特性; 它的輸出信號(hào)選擇范圍很大,只需改變電阻器兩端的基準(zhǔn)電壓,就可以得到比較小的或比較大的輸出電壓信號(hào)。這種位移傳感器不會(huì)因?yàn)槭щ姸茐钠湟迅杏X到的信息。當(dāng)電源因故斷開時(shí),電位器的滑動(dòng)觸點(diǎn)將保持原來(lái)的位置不變, 只需重新接通電源, 原有的位置信息就會(huì)重新出現(xiàn)。另外,它還具有性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 尺寸小，重量輕，精度高等優(yōu)點(diǎn)。電位器式位移傳感器的一個(gè)主要缺

29、點(diǎn)是容易磨損。由于滑動(dòng)觸點(diǎn)和電阻器表面的磨損, 使電位器的可靠性和壽命受到一定的影響, 正因如此,電位器式位移傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用受到了極大的局限, 近年來(lái)隨著光電編碼器價(jià)格的降低而逐漸被取代。 第68頁(yè)/共99頁(yè)按照電位器式位移傳感器的結(jié)構(gòu), 可以把它分成兩大類: 一類是直線型電位器, 另一類是旋轉(zhuǎn)型電位器。 直線型電位器主要用于檢測(cè)直線位移, 其電阻器采用直線型螺線管或直線型碳膜電阻, 滑動(dòng)觸點(diǎn)也只能沿電阻的軸線方向做直線運(yùn)動(dòng)。直線型電位器的工作范圍和分辨率受電阻器長(zhǎng)度的限制。線繞電阻、電阻絲本身的不均勻性會(huì)造成電位器式傳感器的輸入輸出關(guān)系的非線性。 第69頁(yè)/共99頁(yè)旋轉(zhuǎn)型電位器的電阻

30、元件呈圓弧狀, 滑動(dòng)觸點(diǎn)也只能在電阻元件上做圓周運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)型電位器有單圈電位器和多圈電位器兩種。 由于滑動(dòng)觸點(diǎn)等的限制, 單圈電位器的工作范圍只能小于360;對(duì)分辨率也有一定限制。 對(duì)于多數(shù)應(yīng)用情況來(lái)說(shuō), 這并不會(huì)妨礙它的使用。假如需要更高的分辨率和更大的工作范圍, 可以選用多圈電位器。 圖4.27為一種典型的電位器式測(cè)試電路。當(dāng)輸入電壓VCC加在電位器的兩個(gè)輸入端時(shí),電位器的輸出信號(hào)Vout與滑動(dòng)觸點(diǎn)的位置成比例。 圖4.28所示為兩種典型的商用旋轉(zhuǎn)式電位器。 第70頁(yè)/共99頁(yè)第71頁(yè)/共99頁(yè)光電傳感器第72頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.28 典型的商用旋轉(zhuǎn)式電位器 第73頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.29

31、 旋轉(zhuǎn)電位器的結(jié)構(gòu)原理圖(a) 導(dǎo)電塑料型； (b) 線圈型 第74頁(yè)/共99頁(yè)光電編碼器 1. 1. 絕對(duì)型光電編碼器絕對(duì)型編碼器即使發(fā)生電源中斷, 也能正確地給出角度位置。 絕對(duì)型編碼器產(chǎn)生供每種軸用的獨(dú)立的和單值的碼字。 與相對(duì)型編碼器不同,它的每個(gè)讀數(shù)都與前面的讀數(shù)無(wú)關(guān)。絕對(duì)型編碼器最大的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)電源中斷時(shí), 器件可記錄發(fā)生中斷的地點(diǎn), 當(dāng)電源恢復(fù)時(shí),它可把記錄情況通知系統(tǒng)。 絕對(duì)型編碼器通常由三個(gè)主要元件構(gòu)成: 多路(或通道)光源(如發(fā)光二極管); 光敏元件; 光電碼盤。 第75頁(yè)/共99頁(yè)圖4.30是絕對(duì)型光電編碼器的編碼原理圖, 碼盤上有5條碼道。所謂碼道, 就是碼盤上的同心圓

32、。 按照二進(jìn)制分布規(guī)律, 把每條碼道加工成透明和不透明區(qū)域相間的形式。 碼盤的一側(cè)安裝光源,另一側(cè)安裝一排徑向排列的光電管, 每個(gè)光電管對(duì)準(zhǔn)一條碼道。當(dāng)光源照射碼盤時(shí), 如果是透明區(qū), 則光線被光電管接收, 并轉(zhuǎn)變成電信號(hào), 輸出信號(hào)為“1”; 如果是不透明區(qū), 則光電管接收不到光線, 輸出信號(hào)為“0”。被測(cè)工作軸帶動(dòng)碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí), 光電管輸出的信息就代表了軸的對(duì)應(yīng)位置, 即絕對(duì)位置。 第76頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.30 絕對(duì)型光電編碼器 第77頁(yè)/共99頁(yè)第78頁(yè)/共99頁(yè)光電編碼盤大多采用格雷碼編碼盤,格雷碼的特點(diǎn)是每一相鄰數(shù)碼之間僅改變一位二進(jìn)制數(shù), 這樣,即使制作和安裝不十分準(zhǔn)確, 產(chǎn)生的誤

33、差最多也只是最低位的一位數(shù)。在圖4.30中，五位二進(jìn)制碼盤分辨的最小角度(分辨率)為 25.1123605碼道越多,分辨率越高。目前, 碼盤碼道可做到十八條, 能分辨的最小角度為=360/2180.0014。 第79頁(yè)/共99頁(yè)2. 2. 相對(duì)型光電編碼器與絕對(duì)型光電編碼器一樣, 相對(duì)型光電編碼器也是由前述三個(gè)主要元件構(gòu)成的。兩者的工作原理基本相同, 所不同的是后者的光源只有一路或兩路。光電碼盤一般只刻有一圈或兩圈透明和不透明區(qū)域, 當(dāng)光透過(guò)碼盤時(shí), 光敏元件導(dǎo)通, 產(chǎn)生低電平信號(hào), 代表二進(jìn)制的“0”; 不透明的區(qū)域代表二進(jìn)制的“1”。因此,這種編碼器只能通過(guò)計(jì)算脈沖個(gè)數(shù)來(lái)得到輸入軸所轉(zhuǎn)過(guò)的

34、相對(duì)角度。 第80頁(yè)/共99頁(yè)由于相對(duì)型光電編碼器的碼盤加工相對(duì)容易, 因此其成本比絕對(duì)型編碼器的低, 而分辨率高。然而,只有使機(jī)器人首先完成校準(zhǔn)操作以后才能獲得絕對(duì)位置信息。通常,這不是很大的缺點(diǎn),因?yàn)檫@樣的操作一般只有在加上電源后才能完成。若在操作過(guò)程中電源意外地消失, 由于相對(duì)型編碼器沒有“記憶”功能, 故必須再次完成校準(zhǔn)。 如圖4.31所示,編碼器的分辨率通常由徑向線數(shù)n來(lái)確定。 這意味著, 編碼器能分辨的角度位置等于360n。典型的有100、128、200、256、500、512、1000、1024和2048線分辨率的編碼器。 第81頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.31 光學(xué)式增量型旋轉(zhuǎn)編碼器

35、第82頁(yè)/共99頁(yè)角速度傳感器1. 1. 旋轉(zhuǎn)編碼器當(dāng)使用旋轉(zhuǎn)編碼器時(shí),也可以用一個(gè)傳感器檢測(cè)角度和角速度, 比較方便。 1) 絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用因?yàn)檫@種編碼器的輸出表示的是旋轉(zhuǎn)角度的實(shí)際值, 所以若對(duì)單位時(shí)間前的值進(jìn)行記憶, 并取它與現(xiàn)時(shí)值之間的差值, 就可以求得角速度。 2) 相對(duì)型旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用這種編碼器單位時(shí)間內(nèi)輸出脈沖的數(shù)目與角速度成比例。 第83頁(yè)/共99頁(yè)2. 測(cè)速發(fā)電機(jī)圖4.32所示為測(cè)速發(fā)電機(jī)的構(gòu)造。測(cè)速發(fā)電機(jī)與普通發(fā)電機(jī)的原理相同, 除具有直流輸出型和交流輸出型以外, 還有感應(yīng)型。 對(duì)于直流輸出型,在其定子的永久磁鐵產(chǎn)生的靜止磁場(chǎng)中, 安裝著繞有線圈的轉(zhuǎn)子。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子

36、時(shí),就會(huì)產(chǎn)生交流電流, 因此, 經(jīng)過(guò)二極管整流后,就會(huì)變換成直流進(jìn)行輸出。輸出電壓與轉(zhuǎn)子的角速度成比例, 因此得到 uA 式中, A為常數(shù)。通常, 轉(zhuǎn)速為1000 rmin時(shí), 輸出的電壓可以達(dá)到7 V。 第84頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.32 測(cè)速發(fā)電機(jī)(a) 帶整流子的直流輸出測(cè)速發(fā)電機(jī)； (b) 交流輸出測(cè)速發(fā)電機(jī) 第85頁(yè)/共99頁(yè)4.4 多感覺智能機(jī)器人 多感覺傳感系統(tǒng)使機(jī)器人擁有一定的智能, 而多感覺信息融合技術(shù)在智能機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用, 則提高了機(jī)器人的認(rèn)知水平。 多感覺智能機(jī)器人的組成如圖4.33所示。它由機(jī)器人本體、控制及驅(qū)動(dòng)器、多傳感器系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和機(jī)器人示教盒組成, 其工作環(huán)境為固定工作平臺(tái)。多傳感器系統(tǒng)共有接近覺、 接觸覺、 滑覺、 溫度覺、 熱覺、 力覺、 視覺等七種感覺。 第86頁(yè)/共99頁(yè)圖 4.33 多感覺智能機(jī)器人的組成 第87