工業(yè)機(jī)器人課程學(xué)習(xí)課件第5章-工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)

目錄第一章工業(yè)機(jī)器人概論第二章工業(yè)機(jī)器人的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)第三章工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)第四章工業(yè)機(jī)器人的動力系統(tǒng)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)第六章工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)第七章工業(yè)機(jī)器人編程與調(diào)試工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)主要內(nèi)容5.1工業(yè)機(jī)器人感知技術(shù)概述（了解）5.2工業(yè)機(jī)器人傳感器概述（了解）5.3工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部傳感器（掌握）5.4工業(yè)機(jī)器人外部傳感器（掌握）5.5工業(yè)機(jī)器人視覺技術(shù)（了解）工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)主要內(nèi)容工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)概述：機(jī)器人感知系統(tǒng)擔(dān)任著機(jī)器人神經(jīng)系統(tǒng)的角色，將機(jī)器人各種內(nèi)部狀態(tài)信息和環(huán)境信息從信號轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人自身或者機(jī)器人之間能夠理解和應(yīng)用的數(shù)據(jù)、信息甚至知識，它與機(jī)器人控制系統(tǒng)和決策系統(tǒng)組成機(jī)器人的核心。機(jī)器人任何行動都要從感知環(huán)境開始，如果這個過程遇到障礙，那么它以后的所有行動都沒有依托。沒有傳感器組成的感知系統(tǒng)的支持，就相當(dāng)于人失去了眼睛、鼻子等感覺器官。一個機(jī)器人的智能在很大程度上取決于它的感覺系統(tǒng)。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)概述：第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.1工業(yè)機(jī)器人感知技術(shù)概述

機(jī)器人感知系統(tǒng)通常由多種傳感器或視覺系統(tǒng)組成。目前，構(gòu)成機(jī)器人感知和控制的傳感器種類繁多，具體包括視覺、聽覺、觸覺、力覺、距離覺、平衡覺等類型傳感器。

傳感器用于為機(jī)器人系統(tǒng)提供輸入信息，由這些傳感器組成的“感覺”外部環(huán)境的系統(tǒng)就構(gòu)成了機(jī)器人的感知系統(tǒng)，它將機(jī)器人內(nèi)部狀態(tài)信息（位置、姿態(tài)、線速度、角速度、加速度、角加速度、平衡）和外部環(huán)境信息轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人系統(tǒng)自身、機(jī)器人相互之間能夠理解和應(yīng)用的數(shù)據(jù)、信息、知識的系統(tǒng)，包括各種機(jī)器人專用傳感器、信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換、處理器構(gòu)成的硬件部分和傳感器識別、校準(zhǔn)、信息融合與傳感數(shù)據(jù)庫所構(gòu)成的軟件部分。

對于不同傳感器，原理雖各不相同，但無論是那種原理的傳感器，最后都需要將被測信號轉(zhuǎn)換為電阻、電容、電感等電量信號，經(jīng)過信號處理變?yōu)橛嬎銠C(jī)能夠識別、傳輸?shù)男盘?；對于?zhí)行器，則需要將控制數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為電流、電壓信號。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.1工業(yè)機(jī)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)人與機(jī)器人的感覺研究機(jī)器人，首先從模仿人開始。通過考察人的勞動發(fā)現(xiàn)，人類是通過5種熟知的感官（視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺）接收外界信息的，這些信息通過神經(jīng)傳遞給大腦，大腦對這些分散的信息進(jìn)行加工、綜合后發(fā)出行為指令，調(diào)動肌體（如手足等）執(zhí)行某些動作。如果希望機(jī)器人代替人類勞動，可以將當(dāng)今的計算機(jī)看做與大腦相當(dāng)，機(jī)器人的機(jī)構(gòu)本體（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）可與肌體相當(dāng)，機(jī)器人的各種外部傳感器可與五官相當(dāng)。計算機(jī)是人類大腦或智力的外延，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是人類四肢的外延，傳感器視人類五官的外延。機(jī)器人要獲得環(huán)境信息，同人類一樣需要通過感覺器官。機(jī)器人的感覺要使機(jī)器人擁有智能，對環(huán)境變化作出反應(yīng)，首先，必須使機(jī)器人具有感知環(huán)境的能力，用傳感器采集信息是機(jī)器人智能化的第一步；其次，如何采取適當(dāng)?shù)姆椒?，將多個傳感器獲取的環(huán)境信息加以綜合處理，控制機(jī)器人進(jìn)行智能作業(yè)，則是提高機(jī)器人智能程度的重要體現(xiàn)。因此，傳感器及其信息處理系統(tǒng)，是構(gòu)成機(jī)器人智能的重要部分，它為機(jī)器人智能作業(yè)提供決策依據(jù)。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)人與機(jī)器人的第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)器人的感覺包括：

第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)器人的感覺第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.2工業(yè)機(jī)器人傳感器技術(shù)概述1.傳感器的定義傳感器是一種以一定精度測量出物體的物理、化學(xué)變化（如位移、力、加速度、溫度等），并將這些變化變換成與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、易于精確處理和測量的某種電信號（如電壓、電流和頻率）的檢測部件或裝置，通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路和輔助電源四部分組成，第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.2工業(yè)機(jī)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.2工業(yè)機(jī)器人傳感器技術(shù)概述2.工業(yè)傳感器分類機(jī)器人傳感器有多種分類方法，如接觸式傳感器或非接觸式傳感器、內(nèi)部信息傳感器或外部傳感器、無源傳感器或有源傳感器、無擾傳感器或擾動傳感器等?！墙佑|式傳感器以某種電磁射線（可見光、X射線、紅外線、雷達(dá)波和電磁射線等）、聲波、超聲波的形式來測量目標(biāo)的響應(yīng)?！佑|式傳感器則以某種實(shí)際接觸（如觸碰、力或力矩、壓力、位置、溫度、磁量、電量等）形式來測量目標(biāo)的響應(yīng)。最普通的觸覺傳感器就是一個簡單的開關(guān)，當(dāng)它接觸零部件時，開關(guān)閉合?！鴥?nèi)部信息傳感器是以機(jī)器人本身的坐標(biāo)軸來確定其位置，安裝在機(jī)器人自身中，用來感知機(jī)器人自己的狀態(tài)，采集機(jī)器人本體、關(guān)節(jié)和手爪的位移、速度、加速度等來自機(jī)器人內(nèi)部的信息，以調(diào)整和控制機(jī)器人的行動。內(nèi)部傳感器通常由位置、加速度、速度及壓力傳感器等組成?！獠總鞲衅饔糜跈C(jī)器人對周圍環(huán)境、目標(biāo)物的狀態(tài)特征獲取信息，使機(jī)器人和環(huán)境發(fā)生交互作用，采集機(jī)器人和外部環(huán)境以及工作對象之間相互作用的信息，從而使機(jī)器人對環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.2工業(yè)機(jī)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)信號傳感器強(qiáng)度點(diǎn)光電池、光倍增管、一維陣列、二維陣列面二維陣列或其等效（低維數(shù)列掃描）距離點(diǎn)發(fā)射器（激光、平面光）/接收器（光倍增管、一維陣列、二維陣列、兩個一維或二維陣列、聲波掃描）面發(fā)射器（激光、平面光）/接收器（光倍增管、二維陣列）、二維陣列或其等效聲感點(diǎn)聲音傳感器面聲音傳感器的二維陣列或其等效力點(diǎn)力傳感器觸覺點(diǎn)微型開關(guān)、觸覺傳感器的二維陣列或其等效面觸覺傳感器的二維陣列或其等效溫度點(diǎn)熱電偶、紅外線傳感器面紅外線傳感器的二維陣列或其等效5.2工業(yè)機(jī)器人傳感器技術(shù)概述2.工業(yè)傳感器分類第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)信號傳感器強(qiáng)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.2工業(yè)機(jī)器人傳感器技術(shù)概述3.工業(yè)傳感器性能指標(biāo)1）靈敏度靈敏度是指傳感器的輸出信號達(dá)到穩(wěn)定時，輸出信號變化與輸入信號變化的比值。假如傳感器的輸出和輸入呈線性關(guān)系，其靈敏度可表示為假如傳感器的輸出與輸入呈非線性關(guān)系，其靈敏度就是該曲線的導(dǎo)數(shù)。傳感器輸出量的量綱和輸入量的量綱不一定相同。若輸出和輸入具有相同的量綱，則傳感器的靈敏度也稱為放大倍數(shù)。一般來說，傳感器的靈敏度越大越好，這樣可以使傳感器的輸出信號精確度更高、線性程度更好。但是過高的靈敏度有時會導(dǎo)致傳感器的輸出穩(wěn)定性下降，所以應(yīng)根據(jù)機(jī)器人的要求選擇大小適中的傳感器靈敏度。式中：s為傳感器的靈敏度；?y為傳感器輸出信號的增量；?x為傳感器輸入信號的增量。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.2工業(yè)機(jī)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)3.工業(yè)傳感器性能指標(biāo)2）線性度線性度反映傳感器輸出信號與輸入信號之間的線性程度。假設(shè)傳感器的輸出信號為y，輸入信號為x，則輸出信號

與輸入信號

之間的線性關(guān)系可表示為若k為常數(shù)，或者近似為常數(shù)，則傳感器的線性度較高；如果k是一個變化較大的量，則傳感器的線性度較差。機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)該選用線性度較高的傳感器。實(shí)際上，只有在少數(shù)情況下，傳感器的輸出和輸入才呈線性關(guān)系。在大多數(shù)情況下，k為x的函數(shù)，即如果傳感器的輸入量變化不太大，且a0、a1…an都遠(yuǎn)小于a0，那么可以取k=a0，近似地把傳感器的輸出和輸入看成線性關(guān)系。常用的線性化方法有割線法、最小二乘法、最小誤差法等。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)3.工業(yè)傳感第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)3.工業(yè)傳感器性能指標(biāo)3）測量范圍測量范圍是指被測量的最大允許值和最小允許值之差。一般要求傳感器的測量范圍必須覆蓋機(jī)器人有關(guān)被測量的工作范圍。如果無法達(dá)到這一要求，可以設(shè)法選用某種轉(zhuǎn)換裝置，但這樣會引入某種誤差，使傳感器的測量精度受到一定的影響。4）精度精度是指傳感器的測量輸出值與實(shí)際被測量值之間的誤差。在機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的工作精度要求選擇合適的傳感器精度。應(yīng)該注意傳感器精度的使用條件和測量方法。使用條件應(yīng)包括機(jī)器人所有可能的工作條件，如不同的溫度、濕度、運(yùn)動速度、加速度，以及在可能范圍內(nèi)的各種負(fù)載作用等。用于檢測傳感器精度的測量儀器必須具有比傳感器高一級的精度，進(jìn)行精度測試時也需要考慮最壞的工作條件。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)3.工業(yè)傳感第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)3.工業(yè)傳感器性能指標(biāo)5）重復(fù)性在相同測量條件下，對同一被測量進(jìn)行連續(xù)多次測量所得結(jié)果之間的一致性。若一致性好，傳感器的測量誤差就越小，重復(fù)性越好。對于多數(shù)傳感器來說，重復(fù)性指標(biāo)都優(yōu)于精度指標(biāo)，這些傳感器的精度不一定很高，但只要溫度、濕度、受力條件和其它參數(shù)不變，傳感器的測量結(jié)果也不會有較大變化，同樣，對于傳感器的重復(fù)性也應(yīng)考慮使用條件和測試方法的問題。對于示教-再現(xiàn)型機(jī)器人，傳感器的重復(fù)性至關(guān)重要，它直接關(guān)系到機(jī)器人能否準(zhǔn)確再現(xiàn)示教軌跡。6）分辨率分辨率是指傳感器在整個測量范圍內(nèi)所能識別的被測量的最小變化量，或者所能辨別的不同被測量的個數(shù)。如果它辨別的被測量最小變化量越小，或者被測量個數(shù)越多，則分辨率越高；反之，則分辨率越低。無論是示教-再現(xiàn)型機(jī)器人，還是可編程型機(jī)器人，都對傳感器的分辨率有一定的要求。傳感器的分辨率直接影響機(jī)器人的可控程度和控制品質(zhì)。一般需要根據(jù)機(jī)器人的工作任務(wù)規(guī)定傳感器分辨率的最低限度要求。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)3.工業(yè)傳感第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)3.工業(yè)傳感器性能指標(biāo)7）響應(yīng)時間響應(yīng)時間是傳感器的動態(tài)性能指標(biāo)，是指傳感器的輸入信號變化后，其輸出信號隨之變化并達(dá)到一個穩(wěn)定值所需要的時間。在某些傳感器中，輸出信號在達(dá)到某一穩(wěn)定值以前會發(fā)生短時間的振蕩。傳感器輸出信號的振蕩對于機(jī)器人控制系統(tǒng)來說非常不利，它有時可能會造成一個虛設(shè)位置，影響機(jī)器人的控制精度和工作精度，所以傳感器的響應(yīng)時間越短越好。響應(yīng)時間的計算應(yīng)當(dāng)以輸入信號起始變化的時刻為始點(diǎn)，以輸出信號達(dá)到穩(wěn)定值的時刻為終點(diǎn)。實(shí)際上，還需要規(guī)定一個穩(wěn)定值范圍，只要輸出信號的變化不再超出此范圍，即可認(rèn)為它已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定值。8）抗干擾能力機(jī)器人的工作環(huán)境是多種多樣的，在有些情況下可能相當(dāng)惡劣，因此對于機(jī)器人用傳感器必須考慮其抗干擾能力。由于傳感器輸出信號的穩(wěn)定是控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提，為防止機(jī)器人系統(tǒng)的意外動作或發(fā)生故障，設(shè)計傳感器系統(tǒng)時必須采用可靠性設(shè)計技術(shù)。通常抗干擾能力是通過單位時間內(nèi)發(fā)生故障的概率來定義的，因此它是一個統(tǒng)計指標(biāo)。在選擇工業(yè)機(jī)器人傳感器時，需要根據(jù)實(shí)際工況、檢測精度、控制精度等具體的要求來確定所用傳感器的各項性能指標(biāo)，同時還需要考慮機(jī)器人工作的一些特殊要求，比如重復(fù)性、穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾性要求等，最終選擇出性價比較高的傳感器。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)3.工業(yè)傳感第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3機(jī)器人內(nèi)部傳感器機(jī)器人內(nèi)部信息傳感器以自己的坐標(biāo)系統(tǒng)確定其位置。內(nèi)部傳感器一般安裝在機(jī)器人的機(jī)械手上，而不是安裝在周圍環(huán)境中。機(jī)器人內(nèi)部傳感器包括位移和位置傳感器、速度傳感器、力傳感器等。5.3.1位置和位移傳感器工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的位置控制是機(jī)器人最基本的控制要求，而對位置和位移的檢測也是機(jī)器人最基本的感覺要求。位置和位移傳感器根據(jù)其工作原理和組成的不同有多種形式。位移傳感器種類繁多，這里只介紹一些常用的。圖5-2列出現(xiàn)有的各種位移傳感器。位移傳感器要檢測的位移可為直線移動，也可為角轉(zhuǎn)動。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3機(jī)器第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1位置和位移傳感器1）電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器由一個繞線電阻（或薄膜電阻）和一個滑動觸點(diǎn)組成?；瑒佑|點(diǎn)通過機(jī)械裝置受被檢測量的控制，當(dāng)被檢測的位置量發(fā)生變化時，滑動觸點(diǎn)也發(fā)生位移，從而改變滑動觸點(diǎn)與電位器各端之間的電阻值和輸出電壓值。傳感器根據(jù)這種輸出電壓值的變化，可以檢測出機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置和位移量。按照傳感器的結(jié)構(gòu)，電位器式位移傳感器可分為兩大類，一類是直線型電位器式位移傳感器，另一類是旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器。電位器式位移傳感器具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、尺寸小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。它的輸入/輸出特性可以是線性的。這種傳感器不會因為失電而丟失其已感覺到的信息。當(dāng)電源因故斷開時，電位器的觸點(diǎn)將保持原來的位置不變，只要重新接通電源，原有的位置信號就會重新出現(xiàn)。電位器式位移傳感器的一個主要缺點(diǎn)是容易磨損，當(dāng)滑動觸點(diǎn)和電位器之間的接觸面有磨損或有塵埃附著時會產(chǎn)生噪聲，使電位器的可靠性和壽命受到一定的影響。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1位置和位移傳感器①直線型電位器式位移傳感器直線型電位器式位移傳感器的工作臺與傳感器的滑動觸點(diǎn)相連，當(dāng)工作臺左、右移動時，滑動觸點(diǎn)也隨之左、右移動，從而改變與電阻接觸的位置，通過檢測輸出電壓的變化量，確定以電阻中心為基準(zhǔn)位置的移動距離。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1位置和位移傳感器②旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器由于電阻值隨著回轉(zhuǎn)角而改變，因此基于上述同樣的理論可構(gòu)成角度傳感器。應(yīng)用時機(jī)器人的關(guān)節(jié)軸與傳感器的旋轉(zhuǎn)軸相連，這樣根據(jù)測量的輸出電壓UOUT的數(shù)值，即可計算出關(guān)節(jié)對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度。旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器的電阻元件呈圓弧狀，滑動觸點(diǎn)在電阻元件上做圓周運(yùn)動。由于滑動觸點(diǎn)等的限制，傳感器的工作范圍只能小于360°第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1位置和位移傳感器2）光電編碼器光電編碼器是集光、機(jī)、電技術(shù)于一體的數(shù)字化傳感器，它利用光電轉(zhuǎn)換原理將旋轉(zhuǎn)信息轉(zhuǎn)換為電信息，并以數(shù)字代碼輸出，可以高精度地測量轉(zhuǎn)角或直線位移。光電編碼器具有測量范圍大、檢測精度高、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人的位置檢測及其他工業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。一般把該傳感器裝在機(jī)器人各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸上，用來測量各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度。根據(jù)檢測原理，編碼器可分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式編碼器采用電刷輸出，以電刷接觸導(dǎo)電區(qū)和絕緣區(qū)分別表示代碼的1和0狀態(tài)；非接觸式編碼器的敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時以透光區(qū)和不透光區(qū)表示代碼的1和0狀態(tài)。根據(jù)測量方式，編碼器可分為直線型（如光柵尺、磁柵尺）和旋轉(zhuǎn)型兩種，目前機(jī)器人中較為常用的是旋轉(zhuǎn)型光電式編碼器。根據(jù)測出的信號，編碼器可分為絕對式和增量式兩種。以下主要介紹絕對式編碼器和增量式編碼器。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1位置和位移傳感器①絕對式光電編碼器絕對式編碼器是一種直接編碼式的測量元件，它可以直接把被測轉(zhuǎn)角或位移轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的代碼，指示的是絕對位置而無絕對誤差，在電源切斷時不會失去位置信息。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴，且不易做到高精度和高分辨率。絕對位置的的分辨率（分辨角）a取決于二進(jìn)制編碼的位數(shù)，即碼道的個數(shù)n。分辨率a的計算公式為第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1位置和位移傳感器①絕對式光電編碼器如有10個碼道，則此時角度分辨率可達(dá)0.350。目前市場上使用的光電編碼器的碼盤數(shù)為4～18道。在應(yīng)用中通?？紤]伺服系統(tǒng)要求的分辨率和機(jī)械傳動系統(tǒng)的參數(shù)，以選擇合適的編碼器。二進(jìn)制編碼器的主要缺點(diǎn)是碼盤上的圖案變化較大，在使用中容易產(chǎn)生誤讀。在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用格雷碼代替二進(jìn)制編碼。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1位置和位移傳感器①增量式光電編碼器增量式光電編碼器能夠以數(shù)字形式測量出轉(zhuǎn)軸相對于某一基準(zhǔn)位置的瞬間角位置，此外還能測出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。光電編碼器的分辨率（分辨角）a是以編碼器軸轉(zhuǎn)動一周所產(chǎn)生的輸出信號的基本周期數(shù)來表示的，即脈沖數(shù)每轉(zhuǎn)（PPR）。碼盤旋轉(zhuǎn)一周輸出的脈沖信號數(shù)目取決于透光縫隙數(shù)目的多少，碼盤上刻的縫隙越多，編碼器的分辨率就越高。假設(shè)碼盤的透光縫隙數(shù)目為n線，則分辨率a的計算公式為第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)在工業(yè)應(yīng)用中，根據(jù)不同的應(yīng)用對象，通?？蛇x擇分辨率為500~6000PPR的增量式光電編碼器，最高可以達(dá)到幾萬PPR。增量式光電編碼器的優(yōu)點(diǎn)有原理構(gòu)造簡單、易于實(shí)現(xiàn)、機(jī)械平均壽命長，可達(dá)到幾萬小時以上、分辨率高、抗干擾能力較強(qiáng)、信號傳輸距離較長、可靠性較高；其缺點(diǎn)是它無法直接讀出轉(zhuǎn)動軸的絕對位置信息。5.3.1位置和位移傳感器①增量式光電編碼器第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)在工業(yè)應(yīng)用中第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)速度傳感器是工業(yè)機(jī)器人中較重要的的內(nèi)部傳感器之一。由于在機(jī)器人中主要需測量的是機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)行速度，故這里僅介紹角速度傳感器。目前廣泛使用的角速度傳感器有測速發(fā)電動機(jī)和增量式光電編碼器兩種。測速發(fā)電動機(jī)是應(yīng)用最廣泛，能直接得到代表轉(zhuǎn)速的電壓且具有良好實(shí)時性的一種速度測量傳感器。增量式光電編碼器既可以用來測量增量角位移又可以測量瞬時角速度。速度傳感器的輸出有模擬式和數(shù)字式兩種。5.3.2速度傳感器第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)速度傳感器是第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)1.測速發(fā)電動機(jī)測速發(fā)電動機(jī)是一種用于檢測機(jī)械轉(zhuǎn)速的電磁裝置，它能把機(jī)械轉(zhuǎn)速變換為電壓信號，其輸出電壓與輸入的轉(zhuǎn)速成正比，其實(shí)質(zhì)是一種微型直流發(fā)電動機(jī)，它的繞組和磁路經(jīng)精確設(shè)計，其結(jié)構(gòu)原理如圖5-11所示。直流測速發(fā)電動機(jī)的工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)通過線圈的磁通量恒定時，位于磁場中的線圈旋轉(zhuǎn)使線圈兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與線圈轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，即5.3.2速度傳感器第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)1.測速發(fā)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)改變旋轉(zhuǎn)方向時輸出電動勢的極性即相應(yīng)改變。在被測機(jī)構(gòu)與測速發(fā)電機(jī)同軸聯(lián)接時，只要檢測出輸出電動勢，就能獲得被測機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速，故又稱速度傳感器。測速發(fā)電機(jī)廣泛用于各種速度或位置控制系統(tǒng)。在自動控制系統(tǒng)中作為檢測速度的元件，以調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速或通過反饋來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度；在解算裝置中可作為微分、積分元件，也可作為加速或延遲信號用或用來測量各種運(yùn)動機(jī)械在擺動或轉(zhuǎn)動以及直線運(yùn)動時的速度。5.3.2速度傳感器1.測速發(fā)電動機(jī)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)改變旋轉(zhuǎn)方向第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)如5.3.1所述，增量式光電編碼器在工業(yè)機(jī)器人中既可以用來作為位置傳感器測量關(guān)節(jié)相對位置，又可以作為速度傳感器測量關(guān)節(jié)速度，作為速度傳感器時既可以在模擬方式下使用，又可以在數(shù)字方式下使用。1）模擬方式在這種方式下，必須有一個頻率—電壓（F/V）變換器，用來把編碼器測得的脈沖頻率轉(zhuǎn)換成與速度成正比的模擬電壓。F/V變換器必須有良好的零輸入、零輸出特性和較小的溫度漂移，這樣才能滿足測試要求。2)數(shù)字方式數(shù)字方式測速是指基于數(shù)學(xué)公式，利用計算機(jī)軟件計算出速度。由于角速度是轉(zhuǎn)角對時間的一階導(dǎo)數(shù)，如果能測得單位時間Δt內(nèi)編碼器轉(zhuǎn)過的角度Δθ，則編碼器在該時間段內(nèi)的平均速度為5.3.2速度傳感器2.增量式光電編碼器第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)如5.3.1第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)力覺傳感器是指工業(yè)機(jī)器人的指、肢和關(guān)節(jié)等運(yùn)動中所受力或力矩的感知。工業(yè)機(jī)器人在進(jìn)行裝配、搬運(yùn)、研磨等作業(yè)時需要對工作力或力矩進(jìn)行控制。例如裝配時需完成將軸類零件插入孔里、調(diào)準(zhǔn)零件的位置、擰緊螺釘?shù)纫幌盗胁襟E，在擰緊螺釘過程中需要有確定的擰緊力矩；搬運(yùn)時機(jī)器人手爪對工件需要合理的握緊力。握力太小不足以搬動工件，太大則會損壞工件；研磨時需要有合適的砂輪進(jìn)給力以保證研磨質(zhì)量。目前使用最廣泛的是電阻應(yīng)變片式六維力和力矩傳感器，如圖5-12所示，它能同時獲取三維空間的三維力和力矩信息，廣泛應(yīng)用于力/位置控制、軸孔配合、輪廓跟蹤及雙機(jī)器人協(xié)調(diào)等機(jī)器人控制領(lǐng)域。在實(shí)踐應(yīng)用中，傳感器兩端通過法蘭盤與工業(yè)機(jī)器人腕部連接。當(dāng)機(jī)器人腕部受力時，其內(nèi)部測力或力矩元件發(fā)生不同程度的變形，使敏感點(diǎn)的應(yīng)變片發(fā)生應(yīng)變，輸出電信號，通過一定的數(shù)學(xué)關(guān)系式就可解算出x、y、z三個坐標(biāo)上的分力和分力矩。5.3.3力覺傳感器第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)力覺傳感器是第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)

現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人，絕大數(shù)沒有外部傳感器。但是，對于新一代機(jī)器人，特別是各種移動機(jī)器人，則要求具有自校正能力和反應(yīng)環(huán)境適應(yīng)變化的能力。已有越來越多的機(jī)器人具有各種外部傳感器，而視覺傳感器將在5.5節(jié)介紹。1.觸覺傳感器觸覺是人與外界環(huán)境直接接觸時的重要感覺功能，研制滿足要求的觸覺傳感器是機(jī)器人發(fā)展中的技術(shù)關(guān)鍵之一。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和各種有機(jī)材料的出現(xiàn)，已經(jīng)提出了多種多樣的觸覺傳感器的研制方案，但目前大都屬于實(shí)驗室階段，達(dá)到產(chǎn)品化的不多。觸覺傳感器按功能大致可分為接觸覺傳感器、力—力矩覺傳感器、壓覺傳感器和滑覺傳感器等。觸覺傳感器用以判斷機(jī)器人(主要指四肢)是否接觸到外界物體或測量被接觸物體的特征的傳感器。接觸覺傳感器有微動開關(guān)、導(dǎo)電橡膠、含碳海綿、碳素纖維、氣動復(fù)位式裝置等類型。5.4機(jī)器人外部傳感器第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)①微動開關(guān)它由彈簧和觸頭構(gòu)成。觸頭接觸外界物體后離開基板，造成信號通路斷開，從而測到與外界物體的接觸。這種常閉式（未接觸時一直接通）微動開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是使用方便、結(jié)構(gòu)簡單，缺點(diǎn)是易產(chǎn)生機(jī)械振蕩和觸頭易氧化。②導(dǎo)電橡膠式它以導(dǎo)電橡膠為敏感元件。當(dāng)觸頭接觸外界物體受壓后，壓迫導(dǎo)電橡膠，使它的電阻發(fā)生改變，從而使流經(jīng)導(dǎo)電橡膠的電流發(fā)生變化。這種傳感器的缺點(diǎn)是由于導(dǎo)電橡膠的材料配方存在差異，出現(xiàn)的漂移和滯后特性也不一致，優(yōu)點(diǎn)是具有柔性。③含碳海綿式它在基板上裝有海綿構(gòu)成的彈性體，在海綿中按陣列布以含碳海綿。接觸物體受壓后,含碳海綿的電阻減小,測量流經(jīng)含碳海綿電流的大小，可確定受壓程度。這種傳感器也可用作壓力覺傳感器。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、彈性好、使用方便。缺點(diǎn)是碳素分布均勻性直接影響測量結(jié)果和受壓后恢復(fù)能力較差。④碳素纖維式以碳素纖維為上表層，下表層為基板，中間裝以氨基甲酸酯和金屬電極。接觸外界物體時碳素纖維受壓與電極接觸導(dǎo)電。優(yōu)點(diǎn)是柔性好，可裝于機(jī)械手臂曲面處，但滯后較大。⑤氣動復(fù)位式它有柔性絕緣表面，受壓時變形，脫離接觸時則由壓縮空氣作為復(fù)位的動力。與外界物體接觸時其內(nèi)部的彈性圓泡(鈹銅箔)與下部觸點(diǎn)接觸而導(dǎo)電。優(yōu)點(diǎn)是柔性好、可靠性高，但需要壓縮空氣源。1.觸覺傳感器種類第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)①微動開關(guān)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)應(yīng)力定義為“單位面積上所承受的附加內(nèi)力”。應(yīng)力應(yīng)變就是應(yīng)力與應(yīng)變的統(tǒng)稱。最簡單的應(yīng)力應(yīng)變傳感器就是電阻應(yīng)變片，直接貼裝在被測物體表面就可以，應(yīng)力的話是通過標(biāo)定轉(zhuǎn)換應(yīng)變來的。物體受力產(chǎn)生變形時，特別是彈性元件，體內(nèi)各點(diǎn)處變形程度一般并不相同。用以描述一點(diǎn)處變形的程度的力學(xué)量是該點(diǎn)的應(yīng)變。應(yīng)力應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。當(dāng)被測物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過測量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測量即受力的大小。2.應(yīng)力傳感器3.接近度傳感器接近度傳感器，檢測物體接近程度的傳感器。接近度可表示物體的來臨、靠近或出現(xiàn)、離去或失蹤等。接近度傳感器在生產(chǎn)過程和日常生活中廣泛應(yīng)用，它除可用于檢測計數(shù)外，還可與繼電器或其他執(zhí)行元件組成接近開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動控制和操作人員的安全保護(hù)，特別是工業(yè)機(jī)器人在發(fā)現(xiàn)前方有障礙物時，可限制機(jī)器人的運(yùn)動范圍，以避免與障礙物發(fā)生碰撞等。接近度傳感器的制造方法有多種，可分為磁感應(yīng)器式和振蕩器式兩類。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)應(yīng)力定義為“第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)1.磁感應(yīng)器式接近度傳感器按構(gòu)成原理又可分為線圈磁鐵式、電渦流式和霍耳式。①線圈磁鐵式：它由裝在殼體內(nèi)的一塊小永磁鐵和繞在磁鐵上的線圈構(gòu)成，當(dāng)被測物體進(jìn)入永磁鐵的磁場時，就在線圈里感應(yīng)出電壓信號。②電渦流式：它由線圈、激勵電路和測量電路組成（見電渦流式傳感器），它的線圈受激勵而產(chǎn)生交變磁場，當(dāng)金屬物體接近時就會由于電渦流效應(yīng)而輸出電信號。③霍耳式：它由霍耳元件或磁敏二極管、三極管構(gòu)成（見半導(dǎo)體磁敏元件），當(dāng)磁敏元件進(jìn)入磁場時就產(chǎn)生霍耳電勢，從而能檢測出引起磁場變化的物體的接近。2.振蕩器式接近度傳感器它有兩種形式。一種形式利用組成振蕩器的線圈作為敏感部分（見圖），進(jìn)入線圈磁場的物體，會吸收磁場能量而使振蕩器停振，從而改變晶體管集電極電流來推動繼電器或其他控制裝置工作。另一種形式采用一塊與振蕩回路接通的金屬板作為敏感部分，當(dāng)物體（例如人）靠近金屬板時便形成耦合“電容器”，從而改變振蕩條件而導(dǎo)致振蕩器停振。這種傳感器又稱為電容式繼電器，常用于宣傳廣告中實(shí)現(xiàn)電燈或電動機(jī)的接通或斷開、門和電梯的自動控制、防盜報警、安全保護(hù)裝置以及產(chǎn)品計數(shù)等。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)1.磁感應(yīng)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)器人其它外部傳感器1.聲覺傳感器該傳感器主要用于感受和解釋在氣體（非接觸式感受）、液體或固體（接觸感受）中的聲波。聲波傳感器的復(fù)雜程度可從簡單的聲波存在檢測到復(fù)雜的聲波頻率分析和對連續(xù)自然語言中單獨(dú)語音和詞匯的辨識。聲音識別系統(tǒng)已越來越多地獲得應(yīng)用。2.溫度傳感器溫度傳感器有接觸式和非接觸式兩種，均可用于工業(yè)機(jī)器人。當(dāng)機(jī)器人自主運(yùn)行時，或者不需要人在場時，或者需要知道溫度信號時，溫度感覺特性是很用的。有必要提高溫度傳感器（如測量鋼水溫度）的精度及區(qū)域反應(yīng)能力。兩種常用的溫度傳感器為熱敏電阻和熱電偶。這兩種傳感器必須和被測物體保持實(shí)際接觸，熱敏電阻的阻值與溫度成正比變化。熱電偶能夠產(chǎn)生一個與兩溫度差成正比的小電壓。3.滑覺傳感器這種傳感器主要檢測物體的滑動。當(dāng)機(jī)器人抓住特性未知的物體時，必須確定最適合的握力值。為此，需要檢測出握力不夠時所產(chǎn)生的物體滑動信號，然后利用這個信號，在不損壞物體的情況下，牢牢地抓住該物體?，F(xiàn)在應(yīng)用的滑覺傳感器主要有兩種：一是利用光學(xué)系統(tǒng)的滑覺傳感器，二是利用晶體接收器的滑覺傳感器。前者的滑動檢測靈敏度等隨滑動方向不同而異，后者的檢測靈敏度則與滑覺方向無關(guān)。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)器人其它外第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)隨著自動化生產(chǎn)對效率和精度控制要求的不斷提高，人工檢測已經(jīng)無法滿足工業(yè)需求，解決的方法就是采用自動檢測。自從上世紀(jì)七十年代機(jī)器視覺系統(tǒng)產(chǎn)品出現(xiàn)以來，其已經(jīng)逐步向處理復(fù)雜檢測，引導(dǎo)機(jī)器人和自動測量幾個方面發(fā)展，逐漸地消除了人為因素，降低了錯誤發(fā)生的概率。機(jī)器視覺系統(tǒng)，是一種非接觸式的光學(xué)傳感系統(tǒng)，同時集成軟硬件，綜合現(xiàn)代計算機(jī)、光學(xué)、電子技術(shù)，能夠自動地從所采集到的圖像中獲取信息或者產(chǎn)生控制動作。機(jī)器視覺系統(tǒng)的具體應(yīng)用需求千差萬別，視覺系統(tǒng)本身也可能有多種不同的形式，但都包括三個步驟:首先，利用光源照射被測物體，通過光學(xué)成像系統(tǒng)采集視頻圖像，相機(jī)和圖像采集卡將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像；然后，計算機(jī)通過圖像處理軟件對圖像進(jìn)行處理，分析獲取其中的有用信息，這是整個機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心；最后，圖像處理獲得的信息最終用于對對象（被測物體、環(huán)境）的判斷，并形成對應(yīng)的控制指令，發(fā)送給相應(yīng)的機(jī)構(gòu)。5.5機(jī)器人視覺技術(shù)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)隨著自動化生第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.5機(jī)器人視覺技術(shù)在整個過程中，被測對象的信息反映為圖像信息，進(jìn)而經(jīng)過分析，從中得到特征描述信息，最后根據(jù)獲得的特征進(jìn)行判斷和動作。最典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)一般包括:光源、光學(xué)成像系統(tǒng)、相機(jī)、圖像采集卡、圖像處理硬件平臺、圖像和視覺信息處理軟件、通信模塊，如圖5-13所示。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.5機(jī)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.5機(jī)器人視覺技術(shù)采用機(jī)器視覺系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)器人將具有以下優(yōu)勢：可靠性：非接觸測量，不僅滿足狹小空間裝配過程的檢測，同時提高了系統(tǒng)安全性；精度高：可提高測量精度，人工目測受測量人員主觀意識的影響，而機(jī)器視覺這種精確的測量儀器排出這種干擾，提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性；靈活性：視覺系統(tǒng)能夠進(jìn)行各種不同的測量。當(dāng)使用環(huán)境變化以后，只需軟件做相應(yīng)變化或者升級以適應(yīng)新的需求即可。自適應(yīng)性：機(jī)器視覺可以不斷獲取多次運(yùn)動后的圖像信息，反饋給運(yùn)動控制器，直至最終結(jié)果準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)閉環(huán)控制。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.5機(jī)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)習(xí)題1.工業(yè)機(jī)器人傳感器分為哪幾類？它們分別起說明作用？2.常用的機(jī)器人內(nèi)傳感器和外傳感器有哪幾種？3.選擇工業(yè)機(jī)器人傳感器時主要考慮哪些因素？4.光電編碼器可用于測量的模擬量有哪些？5.假設(shè)檢測角度精度為0.1°，試問絕對式編碼器的碼道個數(shù)為多少？6.假設(shè)檢測角度精度為0.1°，試問增量式光電編碼器的透光縫隙數(shù)為多少？7.說明接近度傳感器的工作原理。8.機(jī)器視覺系統(tǒng)包括哪些組成部分？第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)習(xí)題

目錄第一章工業(yè)機(jī)器人概論第二章工業(yè)機(jī)器人的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)第三章工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)第四章工業(yè)機(jī)器人的動力系統(tǒng)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)第六章工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)第七章工業(yè)機(jī)器人編程與調(diào)試工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)主要內(nèi)容5.1工業(yè)機(jī)器人感知技術(shù)概述（了解）5.2工業(yè)機(jī)器人傳感器概述（了解）5.3工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部傳感器（掌握）5.4工業(yè)機(jī)器人外部傳感器（掌握）5.5工業(yè)機(jī)器人視覺技術(shù)（了解）工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)主要內(nèi)容工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)概述：機(jī)器人感知系統(tǒng)擔(dān)任著機(jī)器人神經(jīng)系統(tǒng)的角色，將機(jī)器人各種內(nèi)部狀態(tài)信息和環(huán)境信息從信號轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人自身或者機(jī)器人之間能夠理解和應(yīng)用的數(shù)據(jù)、信息甚至知識，它與機(jī)器人控制系統(tǒng)和決策系統(tǒng)組成機(jī)器人的核心。機(jī)器人任何行動都要從感知環(huán)境開始，如果這個過程遇到障礙，那么它以后的所有行動都沒有依托。沒有傳感器組成的感知系統(tǒng)的支持，就相當(dāng)于人失去了眼睛、鼻子等感覺器官。一個機(jī)器人的智能在很大程度上取決于它的感覺系統(tǒng)。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)概述：第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.1工業(yè)機(jī)器人感知技術(shù)概述

機(jī)器人感知系統(tǒng)通常由多種傳感器或視覺系統(tǒng)組成。目前，構(gòu)成機(jī)器人感知和控制的傳感器種類繁多，具體包括視覺、聽覺、觸覺、力覺、距離覺、平衡覺等類型傳感器。

傳感器用于為機(jī)器人系統(tǒng)提供輸入信息，由這些傳感器組成的“感覺”外部環(huán)境的系統(tǒng)就構(gòu)成了機(jī)器人的感知系統(tǒng)，它將機(jī)器人內(nèi)部狀態(tài)信息（位置、姿態(tài)、線速度、角速度、加速度、角加速度、平衡）和外部環(huán)境信息轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人系統(tǒng)自身、機(jī)器人相互之間能夠理解和應(yīng)用的數(shù)據(jù)、信息、知識的系統(tǒng)，包括各種機(jī)器人專用傳感器、信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換、處理器構(gòu)成的硬件部分和傳感器識別、校準(zhǔn)、信息融合與傳感數(shù)據(jù)庫所構(gòu)成的軟件部分。

對于不同傳感器，原理雖各不相同，但無論是那種原理的傳感器，最后都需要將被測信號轉(zhuǎn)換為電阻、電容、電感等電量信號，經(jīng)過信號處理變?yōu)橛嬎銠C(jī)能夠識別、傳輸?shù)男盘?；對于?zhí)行器，則需要將控制數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為電流、電壓信號。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.1工業(yè)機(jī)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)人與機(jī)器人的感覺研究機(jī)器人，首先從模仿人開始。通過考察人的勞動發(fā)現(xiàn)，人類是通過5種熟知的感官（視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺）接收外界信息的，這些信息通過神經(jīng)傳遞給大腦，大腦對這些分散的信息進(jìn)行加工、綜合后發(fā)出行為指令，調(diào)動肌體（如手足等）執(zhí)行某些動作。如果希望機(jī)器人代替人類勞動，可以將當(dāng)今的計算機(jī)看做與大腦相當(dāng)，機(jī)器人的機(jī)構(gòu)本體（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）可與肌體相當(dāng)，機(jī)器人的各種外部傳感器可與五官相當(dāng)。計算機(jī)是人類大腦或智力的外延，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是人類四肢的外延，傳感器視人類五官的外延。機(jī)器人要獲得環(huán)境信息，同人類一樣需要通過感覺器官。機(jī)器人的感覺要使機(jī)器人擁有智能，對環(huán)境變化作出反應(yīng)，首先，必須使機(jī)器人具有感知環(huán)境的能力，用傳感器采集信息是機(jī)器人智能化的第一步；其次，如何采取適當(dāng)?shù)姆椒?，將多個傳感器獲取的環(huán)境信息加以綜合處理，控制機(jī)器人進(jìn)行智能作業(yè)，則是提高機(jī)器人智能程度的重要體現(xiàn)。因此，傳感器及其信息處理系統(tǒng)，是構(gòu)成機(jī)器人智能的重要部分，它為機(jī)器人智能作業(yè)提供決策依據(jù)。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)人與機(jī)器人的第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)器人的感覺包括：

第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)器人的感覺第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.2工業(yè)機(jī)器人傳感器技術(shù)概述1.傳感器的定義傳感器是一種以一定精度測量出物體的物理、化學(xué)變化（如位移、力、加速度、溫度等），并將這些變化變換成與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、易于精確處理和測量的某種電信號（如電壓、電流和頻率）的檢測部件或裝置，通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路和輔助電源四部分組成，第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.2工業(yè)機(jī)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.2工業(yè)機(jī)器人傳感器技術(shù)概述2.工業(yè)傳感器分類機(jī)器人傳感器有多種分類方法，如接觸式傳感器或非接觸式傳感器、內(nèi)部信息傳感器或外部傳感器、無源傳感器或有源傳感器、無擾傳感器或擾動傳感器等。▲非接觸式傳感器以某種電磁射線（可見光、X射線、紅外線、雷達(dá)波和電磁射線等）、聲波、超聲波的形式來測量目標(biāo)的響應(yīng)?！佑|式傳感器則以某種實(shí)際接觸（如觸碰、力或力矩、壓力、位置、溫度、磁量、電量等）形式來測量目標(biāo)的響應(yīng)。最普通的觸覺傳感器就是一個簡單的開關(guān)，當(dāng)它接觸零部件時，開關(guān)閉合?！鴥?nèi)部信息傳感器是以機(jī)器人本身的坐標(biāo)軸來確定其位置，安裝在機(jī)器人自身中，用來感知機(jī)器人自己的狀態(tài)，采集機(jī)器人本體、關(guān)節(jié)和手爪的位移、速度、加速度等來自機(jī)器人內(nèi)部的信息，以調(diào)整和控制機(jī)器人的行動。內(nèi)部傳感器通常由位置、加速度、速度及壓力傳感器等組成。▲外部傳感器用于機(jī)器人對周圍環(huán)境、目標(biāo)物的狀態(tài)特征獲取信息，使機(jī)器人和環(huán)境發(fā)生交互作用，采集機(jī)器人和外部環(huán)境以及工作對象之間相互作用的信息，從而使機(jī)器人對環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.2工業(yè)機(jī)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)信號傳感器強(qiáng)度點(diǎn)光電池、光倍增管、一維陣列、二維陣列面二維陣列或其等效（低維數(shù)列掃描）距離點(diǎn)發(fā)射器（激光、平面光）/接收器（光倍增管、一維陣列、二維陣列、兩個一維或二維陣列、聲波掃描）面發(fā)射器（激光、平面光）/接收器（光倍增管、二維陣列）、二維陣列或其等效聲感點(diǎn)聲音傳感器面聲音傳感器的二維陣列或其等效力點(diǎn)力傳感器觸覺點(diǎn)微型開關(guān)、觸覺傳感器的二維陣列或其等效面觸覺傳感器的二維陣列或其等效溫度點(diǎn)熱電偶、紅外線傳感器面紅外線傳感器的二維陣列或其等效5.2工業(yè)機(jī)器人傳感器技術(shù)概述2.工業(yè)傳感器分類第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)信號傳感器強(qiáng)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.2工業(yè)機(jī)器人傳感器技術(shù)概述3.工業(yè)傳感器性能指標(biāo)1）靈敏度靈敏度是指傳感器的輸出信號達(dá)到穩(wěn)定時，輸出信號變化與輸入信號變化的比值。假如傳感器的輸出和輸入呈線性關(guān)系，其靈敏度可表示為假如傳感器的輸出與輸入呈非線性關(guān)系，其靈敏度就是該曲線的導(dǎo)數(shù)。傳感器輸出量的量綱和輸入量的量綱不一定相同。若輸出和輸入具有相同的量綱，則傳感器的靈敏度也稱為放大倍數(shù)。一般來說，傳感器的靈敏度越大越好，這樣可以使傳感器的輸出信號精確度更高、線性程度更好。但是過高的靈敏度有時會導(dǎo)致傳感器的輸出穩(wěn)定性下降，所以應(yīng)根據(jù)機(jī)器人的要求選擇大小適中的傳感器靈敏度。式中：s為傳感器的靈敏度；?y為傳感器輸出信號的增量；?x為傳感器輸入信號的增量。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.2工業(yè)機(jī)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)3.工業(yè)傳感器性能指標(biāo)2）線性度線性度反映傳感器輸出信號與輸入信號之間的線性程度。假設(shè)傳感器的輸出信號為y，輸入信號為x，則輸出信號

與輸入信號

之間的線性關(guān)系可表示為若k為常數(shù)，或者近似為常數(shù)，則傳感器的線性度較高；如果k是一個變化較大的量，則傳感器的線性度較差。機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)該選用線性度較高的傳感器。實(shí)際上，只有在少數(shù)情況下，傳感器的輸出和輸入才呈線性關(guān)系。在大多數(shù)情況下，k為x的函數(shù)，即如果傳感器的輸入量變化不太大，且a0、a1…an都遠(yuǎn)小于a0，那么可以取k=a0，近似地把傳感器的輸出和輸入看成線性關(guān)系。常用的線性化方法有割線法、最小二乘法、最小誤差法等。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)3.工業(yè)傳感第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)3.工業(yè)傳感器性能指標(biāo)3）測量范圍測量范圍是指被測量的最大允許值和最小允許值之差。一般要求傳感器的測量范圍必須覆蓋機(jī)器人有關(guān)被測量的工作范圍。如果無法達(dá)到這一要求，可以設(shè)法選用某種轉(zhuǎn)換裝置，但這樣會引入某種誤差，使傳感器的測量精度受到一定的影響。4）精度精度是指傳感器的測量輸出值與實(shí)際被測量值之間的誤差。在機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的工作精度要求選擇合適的傳感器精度。應(yīng)該注意傳感器精度的使用條件和測量方法。使用條件應(yīng)包括機(jī)器人所有可能的工作條件，如不同的溫度、濕度、運(yùn)動速度、加速度，以及在可能范圍內(nèi)的各種負(fù)載作用等。用于檢測傳感器精度的測量儀器必須具有比傳感器高一級的精度，進(jìn)行精度測試時也需要考慮最壞的工作條件。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)3.工業(yè)傳感第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)3.工業(yè)傳感器性能指標(biāo)5）重復(fù)性在相同測量條件下，對同一被測量進(jìn)行連續(xù)多次測量所得結(jié)果之間的一致性。若一致性好，傳感器的測量誤差就越小，重復(fù)性越好。對于多數(shù)傳感器來說，重復(fù)性指標(biāo)都優(yōu)于精度指標(biāo)，這些傳感器的精度不一定很高，但只要溫度、濕度、受力條件和其它參數(shù)不變，傳感器的測量結(jié)果也不會有較大變化，同樣，對于傳感器的重復(fù)性也應(yīng)考慮使用條件和測試方法的問題。對于示教-再現(xiàn)型機(jī)器人，傳感器的重復(fù)性至關(guān)重要，它直接關(guān)系到機(jī)器人能否準(zhǔn)確再現(xiàn)示教軌跡。6）分辨率分辨率是指傳感器在整個測量范圍內(nèi)所能識別的被測量的最小變化量，或者所能辨別的不同被測量的個數(shù)。如果它辨別的被測量最小變化量越小，或者被測量個數(shù)越多，則分辨率越高；反之，則分辨率越低。無論是示教-再現(xiàn)型機(jī)器人，還是可編程型機(jī)器人，都對傳感器的分辨率有一定的要求。傳感器的分辨率直接影響機(jī)器人的可控程度和控制品質(zhì)。一般需要根據(jù)機(jī)器人的工作任務(wù)規(guī)定傳感器分辨率的最低限度要求。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)3.工業(yè)傳感第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)3.工業(yè)傳感器性能指標(biāo)7）響應(yīng)時間響應(yīng)時間是傳感器的動態(tài)性能指標(biāo)，是指傳感器的輸入信號變化后，其輸出信號隨之變化并達(dá)到一個穩(wěn)定值所需要的時間。在某些傳感器中，輸出信號在達(dá)到某一穩(wěn)定值以前會發(fā)生短時間的振蕩。傳感器輸出信號的振蕩對于機(jī)器人控制系統(tǒng)來說非常不利，它有時可能會造成一個虛設(shè)位置，影響機(jī)器人的控制精度和工作精度，所以傳感器的響應(yīng)時間越短越好。響應(yīng)時間的計算應(yīng)當(dāng)以輸入信號起始變化的時刻為始點(diǎn)，以輸出信號達(dá)到穩(wěn)定值的時刻為終點(diǎn)。實(shí)際上，還需要規(guī)定一個穩(wěn)定值范圍，只要輸出信號的變化不再超出此范圍，即可認(rèn)為它已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定值。8）抗干擾能力機(jī)器人的工作環(huán)境是多種多樣的，在有些情況下可能相當(dāng)惡劣，因此對于機(jī)器人用傳感器必須考慮其抗干擾能力。由于傳感器輸出信號的穩(wěn)定是控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提，為防止機(jī)器人系統(tǒng)的意外動作或發(fā)生故障，設(shè)計傳感器系統(tǒng)時必須采用可靠性設(shè)計技術(shù)。通?？垢蓴_能力是通過單位時間內(nèi)發(fā)生故障的概率來定義的，因此它是一個統(tǒng)計指標(biāo)。在選擇工業(yè)機(jī)器人傳感器時，需要根據(jù)實(shí)際工況、檢測精度、控制精度等具體的要求來確定所用傳感器的各項性能指標(biāo)，同時還需要考慮機(jī)器人工作的一些特殊要求，比如重復(fù)性、穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾性要求等，最終選擇出性價比較高的傳感器。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)3.工業(yè)傳感第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3機(jī)器人內(nèi)部傳感器機(jī)器人內(nèi)部信息傳感器以自己的坐標(biāo)系統(tǒng)確定其位置。內(nèi)部傳感器一般安裝在機(jī)器人的機(jī)械手上，而不是安裝在周圍環(huán)境中。機(jī)器人內(nèi)部傳感器包括位移和位置傳感器、速度傳感器、力傳感器等。5.3.1位置和位移傳感器工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的位置控制是機(jī)器人最基本的控制要求，而對位置和位移的檢測也是機(jī)器人最基本的感覺要求。位置和位移傳感器根據(jù)其工作原理和組成的不同有多種形式。位移傳感器種類繁多，這里只介紹一些常用的。圖5-2列出現(xiàn)有的各種位移傳感器。位移傳感器要檢測的位移可為直線移動，也可為角轉(zhuǎn)動。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3機(jī)器第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1位置和位移傳感器1）電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器由一個繞線電阻（或薄膜電阻）和一個滑動觸點(diǎn)組成。滑動觸點(diǎn)通過機(jī)械裝置受被檢測量的控制，當(dāng)被檢測的位置量發(fā)生變化時，滑動觸點(diǎn)也發(fā)生位移，從而改變滑動觸點(diǎn)與電位器各端之間的電阻值和輸出電壓值。傳感器根據(jù)這種輸出電壓值的變化，可以檢測出機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置和位移量。按照傳感器的結(jié)構(gòu)，電位器式位移傳感器可分為兩大類，一類是直線型電位器式位移傳感器，另一類是旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器。電位器式位移傳感器具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、尺寸小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。它的輸入/輸出特性可以是線性的。這種傳感器不會因為失電而丟失其已感覺到的信息。當(dāng)電源因故斷開時，電位器的觸點(diǎn)將保持原來的位置不變，只要重新接通電源，原有的位置信號就會重新出現(xiàn)。電位器式位移傳感器的一個主要缺點(diǎn)是容易磨損，當(dāng)滑動觸點(diǎn)和電位器之間的接觸面有磨損或有塵埃附著時會產(chǎn)生噪聲，使電位器的可靠性和壽命受到一定的影響。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1位置和位移傳感器①直線型電位器式位移傳感器直線型電位器式位移傳感器的工作臺與傳感器的滑動觸點(diǎn)相連，當(dāng)工作臺左、右移動時，滑動觸點(diǎn)也隨之左、右移動，從而改變與電阻接觸的位置，通過檢測輸出電壓的變化量，確定以電阻中心為基準(zhǔn)位置的移動距離。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1位置和位移傳感器②旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器由于電阻值隨著回轉(zhuǎn)角而改變，因此基于上述同樣的理論可構(gòu)成角度傳感器。應(yīng)用時機(jī)器人的關(guān)節(jié)軸與傳感器的旋轉(zhuǎn)軸相連，這樣根據(jù)測量的輸出電壓UOUT的數(shù)值，即可計算出關(guān)節(jié)對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度。旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器的電阻元件呈圓弧狀，滑動觸點(diǎn)在電阻元件上做圓周運(yùn)動。由于滑動觸點(diǎn)等的限制，傳感器的工作范圍只能小于360°第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1位置和位移傳感器2）光電編碼器光電編碼器是集光、機(jī)、電技術(shù)于一體的數(shù)字化傳感器，它利用光電轉(zhuǎn)換原理將旋轉(zhuǎn)信息轉(zhuǎn)換為電信息，并以數(shù)字代碼輸出，可以高精度地測量轉(zhuǎn)角或直線位移。光電編碼器具有測量范圍大、檢測精度高、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人的位置檢測及其他工業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。一般把該傳感器裝在機(jī)器人各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸上，用來測量各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度。根據(jù)檢測原理，編碼器可分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式編碼器采用電刷輸出，以電刷接觸導(dǎo)電區(qū)和絕緣區(qū)分別表示代碼的1和0狀態(tài)；非接觸式編碼器的敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時以透光區(qū)和不透光區(qū)表示代碼的1和0狀態(tài)。根據(jù)測量方式，編碼器可分為直線型（如光柵尺、磁柵尺）和旋轉(zhuǎn)型兩種，目前機(jī)器人中較為常用的是旋轉(zhuǎn)型光電式編碼器。根據(jù)測出的信號，編碼器可分為絕對式和增量式兩種。以下主要介紹絕對式編碼器和增量式編碼器。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1位置和位移傳感器①絕對式光電編碼器絕對式編碼器是一種直接編碼式的測量元件，它可以直接把被測轉(zhuǎn)角或位移轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的代碼，指示的是絕對位置而無絕對誤差，在電源切斷時不會失去位置信息。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴，且不易做到高精度和高分辨率。絕對位置的的分辨率（分辨角）a取決于二進(jìn)制編碼的位數(shù)，即碼道的個數(shù)n。分辨率a的計算公式為第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1位置和位移傳感器①絕對式光電編碼器如有10個碼道，則此時角度分辨率可達(dá)0.350。目前市場上使用的光電編碼器的碼盤數(shù)為4～18道。在應(yīng)用中通?？紤]伺服系統(tǒng)要求的分辨率和機(jī)械傳動系統(tǒng)的參數(shù)，以選擇合適的編碼器。二進(jìn)制編碼器的主要缺點(diǎn)是碼盤上的圖案變化較大，在使用中容易產(chǎn)生誤讀。在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用格雷碼代替二進(jìn)制編碼。第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1位置和位移傳感器①增量式光電編碼器增量式光電編碼器能夠以數(shù)字形式測量出轉(zhuǎn)軸相對于某一基準(zhǔn)位置的瞬間角位置，此外還能測出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。光電編碼器的分辨率（分辨角）a是以編碼器軸轉(zhuǎn)動一周所產(chǎn)生的輸出信號的基本周期數(shù)來表示的，即脈沖數(shù)每轉(zhuǎn)（PPR）。碼盤旋轉(zhuǎn)一周輸出的脈沖信號數(shù)目取決于透光縫隙數(shù)目的多少，碼盤上刻的縫隙越多，編碼器的分辨率就越高。假設(shè)碼盤的透光縫隙數(shù)目為n線，則分辨率a的計算公式為第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)5.3.1第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)在工業(yè)應(yīng)用中，根據(jù)不同的應(yīng)用對象，通?？蛇x擇分辨率為500~6000PPR的增量式光電編碼器，最高可以達(dá)到幾萬PPR。增量式光電編碼器的優(yōu)點(diǎn)有原理構(gòu)造簡單、易于實(shí)現(xiàn)、機(jī)械平均壽命長，可達(dá)到幾萬小時以上、分辨率高、抗干擾能力較強(qiáng)、信號傳輸距離較長、可靠性較高；其缺點(diǎn)是它無法直接讀出轉(zhuǎn)動軸的絕對位置信息。5.3.1位置和位移傳感器①增量式光電編碼器第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)在工業(yè)應(yīng)用中第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)速度傳感器是工業(yè)機(jī)器人中較重要的的內(nèi)部傳感器之一。由于在機(jī)器人中主要需測量的是機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)行速度，故這里僅介紹角速度傳感器。目前廣泛使用的角速度傳感器有測速發(fā)電動機(jī)和增量式光電編碼器兩種。測速發(fā)電動機(jī)是應(yīng)用最廣泛，能直接得到代表轉(zhuǎn)速的電壓且具有良好實(shí)時性的一種速度測量傳感器。增量式光電編碼器既可以用來測量增量角位移又可以測量瞬時角速度。速度傳感器的輸出有模擬式和數(shù)字式兩種。5.3.2速度傳感器第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)速度傳感器是第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)1.測速發(fā)電動機(jī)測速發(fā)電動機(jī)是一種用于檢測機(jī)械轉(zhuǎn)速的電磁裝置，它能把機(jī)械轉(zhuǎn)速變換為電壓信號，其輸出電壓與輸入的轉(zhuǎn)速成正比，其實(shí)質(zhì)是一種微型直流發(fā)電動機(jī)，它的繞組和磁路經(jīng)精確設(shè)計，其結(jié)構(gòu)原理如圖5-11所示。直流測速發(fā)電動機(jī)的工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)通過線圈的磁通量恒定時，位于磁場中的線圈旋轉(zhuǎn)使線圈兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與線圈轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，即5.3.2速度傳感器第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)1.測速發(fā)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)改變旋轉(zhuǎn)方向時輸出電動勢的極性即相應(yīng)改變。在被測機(jī)構(gòu)與測速發(fā)電機(jī)同軸聯(lián)接時，只要檢測出輸出電動勢，就能獲得被測機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速，故又稱速度傳感器。測速發(fā)電機(jī)廣泛用于各種速度或位置控制系統(tǒng)。在自動控制系統(tǒng)中作為檢測速度的元件，以調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速或通過反饋來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度；在解算裝置中可作為微分、積分元件，也可作為加速或延遲信號用或用來測量各種運(yùn)動機(jī)械在擺動或轉(zhuǎn)動以及直線運(yùn)動時的速度。5.3.2速度傳感器1.測速發(fā)電動機(jī)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)改變旋轉(zhuǎn)方向第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)如5.3.1所述，增量式光電編碼器在工業(yè)機(jī)器人中既可以用來作為位置傳感器測量關(guān)節(jié)相對位置，又可以作為速度傳感器測量關(guān)節(jié)速度，作為速度傳感器時既可以在模擬方式下使用，又可以在數(shù)字方式下使用。1）模擬方式在這種方式下，必須有一個頻率—電壓（F/V）變換器，用來把編碼器測得的脈沖頻率轉(zhuǎn)換成與速度成正比的模擬電壓。F/V變換器必須有良好的零輸入、零輸出特性和較小的溫度漂移，這樣才能滿足測試要求。2)數(shù)字方式數(shù)字方式測速是指基于數(shù)學(xué)公式，利用計算機(jī)軟件計算出速度。由于角速度是轉(zhuǎn)角對時間的一階導(dǎo)數(shù)，如果能測得單位時間Δt內(nèi)編碼器轉(zhuǎn)過的角度Δθ，則編碼器在該時間段內(nèi)的平均速度為5.3.2速度傳感器2.增量式光電編碼器第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)如5.3.1第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)力覺傳感器是指工業(yè)機(jī)器人的指、肢和關(guān)節(jié)等運(yùn)動中所受力或力矩的感知。工業(yè)機(jī)器人在進(jìn)行裝配、搬運(yùn)、研磨等作業(yè)時需要對工作力或力矩進(jìn)行控制。例如裝配時需完成將軸類零件插入孔里、調(diào)準(zhǔn)零件的位置、擰緊螺釘?shù)纫幌盗胁襟E，在擰緊螺釘過程中需要有確定的擰緊力矩；搬運(yùn)時機(jī)器人手爪對工件需要合理的握緊力。握力太小不足以搬動工件，太大則會損壞工件；研磨時需要有合適的砂輪進(jìn)給力以保證研磨質(zhì)量。目前使用最廣泛的是電阻應(yīng)變片式六維力和力矩傳感器，如圖5-12所示，它能同時獲取三維空間的三維力和力矩信息，廣泛應(yīng)用于力/位置控制、軸孔配合、輪廓跟蹤及雙機(jī)器人協(xié)調(diào)等機(jī)器人控制領(lǐng)域。在實(shí)踐應(yīng)用中，傳感器兩端通過法蘭盤與工業(yè)機(jī)器人腕部連接。當(dāng)機(jī)器人腕部受力時，其內(nèi)部測力或力矩元件發(fā)生不同程度的變形，使敏感點(diǎn)的應(yīng)變片發(fā)生應(yīng)變，輸出電信號，通過一定的數(shù)學(xué)關(guān)系式就可解算出x、y、z三個坐標(biāo)上的分力和分力矩。5.3.3力覺傳感器第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)力覺傳感器是第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)

現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人，絕大數(shù)沒有外部傳感器。但是，對于新一代機(jī)器人，特別是各種移動機(jī)器人，則要求具有自校正能力和反應(yīng)環(huán)境適應(yīng)變化的能力。已有越來越多的機(jī)器人具有各種外部傳感器，而視覺傳感器將在5.5節(jié)介紹。1.觸覺傳感器觸覺是人與外界環(huán)境直接接觸時的重要感覺功能，研制滿足要求的觸覺傳感器是機(jī)器人發(fā)展中的技術(shù)關(guān)鍵之一。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和各種有機(jī)材料的出現(xiàn)，已經(jīng)提出了多種多樣的觸覺傳感器的研制方案，但目前大都屬于實(shí)驗室階段，達(dá)到產(chǎn)品化的不多。觸覺傳感器按功能大致可分為接觸覺傳感器、力—力矩覺傳感器、壓覺傳感器和滑覺傳感器等。觸覺傳感器用以判斷機(jī)器人(主要指四肢)是否接觸到外界物體或測量被接觸物體的特征的傳感器。接觸覺傳感器有微動開關(guān)、導(dǎo)電橡膠、含碳海綿、碳素纖維、氣動復(fù)位式裝置等類型。5.4機(jī)器人外部傳感器第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)①微動開關(guān)它由彈簧和觸頭構(gòu)成。觸頭接觸外界物體后離開基板，造成信號通路斷開，從而測到與外界物體的接觸。這種常閉式（未接觸時一直接通）微動開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是使用方便、結(jié)構(gòu)簡單，缺點(diǎn)是易產(chǎn)生機(jī)械振蕩和觸頭易氧化。②導(dǎo)電橡膠式它以導(dǎo)電橡膠為敏感元件。當(dāng)觸頭接觸外界物體受壓后，壓迫導(dǎo)電橡膠，使它的電阻發(fā)生改變，從而使流經(jīng)導(dǎo)電橡膠的電流發(fā)生變化。這種傳感器的缺點(diǎn)是由于導(dǎo)電橡膠的材料配方存在差異，出現(xiàn)的漂移和滯后特性也不一致，優(yōu)點(diǎn)是具有柔性。③含碳海綿式它在基板上裝有海綿構(gòu)成的彈性體，在海綿中按陣列布以含碳海綿。接觸物體受壓后,含碳海綿的電阻減小,測量流經(jīng)含碳海綿電流的大小，可確定受壓程度。這種傳感器也可用作壓力覺傳感器。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、彈性好、使用方便。缺點(diǎn)是碳素分布均勻性直接影響測量結(jié)果和受壓后恢復(fù)能力較差。④碳素纖維式以碳素纖維為上表層，下表層為基板，中間裝以氨基甲酸酯和金屬電極。接觸外界物體時碳素纖維受壓與電極接觸導(dǎo)電。優(yōu)點(diǎn)是柔性好，可裝于機(jī)械手臂曲面處，但滯后較大。⑤氣動復(fù)位式它有柔性絕緣表面，受壓時變形，脫離接觸時則由壓縮空氣作為復(fù)位的動力。與外界物體接觸時其內(nèi)部的彈性圓泡(鈹銅箔)與下部觸點(diǎn)接觸而導(dǎo)電。優(yōu)點(diǎn)是柔性好、可靠性高，但需要壓縮空氣源。1.觸覺傳感器種類第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)①微動開關(guān)第五章工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)應(yīng)力定義為“單位面積上所承受的附加內(nèi)力”。應(yīng)力應(yīng)變就是應(yīng)力與應(yīng)變的統(tǒng)稱。最簡單的應(yīng)力應(yīng)變傳感器就是電阻應(yīng)變片，直接貼裝在被測物體表面就可以，應(yīng)力的話是通過標(biāo)定轉(zhuǎn)換應(yīng)變來的。物體受力產(chǎn)生變形時，特別是彈性元件，體內(nèi)各點(diǎn)處變形程度一般并不相同。用以描述一點(diǎn)處變形的程度的力學(xué)量是該點(diǎn)的應(yīng)變。應(yīng)力應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。當(dāng)被測物理量作用于彈性元件上，彈性