郭四章工業(yè)機(jī)器人

第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù)4.1工業(yè)機(jī)器人的視覺(jué)

4.2工業(yè)機(jī)器人的觸覺(jué)

4.3工業(yè)機(jī)器人的位置及位移

4.4焊接機(jī)器人傳感系統(tǒng)

4.5裝配機(jī)器人傳感系統(tǒng)

4.1工業(yè)機(jī)器人的視覺(jué)

4.1.1視覺(jué)系統(tǒng)的硬件組成

視覺(jué)系統(tǒng)可以分為圖像輸入(獲取)、圖像處理、圖像輸出等幾個(gè)部分(如圖4.1所示)。實(shí)際系統(tǒng)可以根據(jù)需要選擇其中的若干部件。

圖4.1視覺(jué)系統(tǒng)的硬件組成

1.視覺(jué)傳感器

視覺(jué)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(jué)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(jué)傳感器，近年來(lái)開(kāi)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(jué)傳感器。固體傳感器又可以分為一維線(xiàn)性傳感器和二維線(xiàn)性傳感器，目前二維線(xiàn)性傳感器已經(jīng)能做到4000個(gè)像素以上。由于固體視覺(jué)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。由視覺(jué)傳感器得到的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，稱(chēng)為數(shù)字圖像。一般地，一個(gè)畫(huà)面可以分成256×256像素、512×512像素或1024×1024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(chēng)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(méi)有一種簡(jiǎn)單實(shí)用的裝置。

2.攝像機(jī)和光源控制

機(jī)器人的視覺(jué)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(xiàn)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。

3.計(jì)算機(jī)

由視覺(jué)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，除了某些大規(guī)模視覺(jué)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100MB以上的8位A／D轉(zhuǎn)換芯片。

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(zhuān)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。

4.1.2機(jī)器人視覺(jué)的應(yīng)用

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(jué)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)器人末端操作器。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(xiàn)，計(jì)算機(jī)根據(jù)該截面參數(shù)計(jì)算出末端操作器相對(duì)焊縫中心線(xiàn)的偏移量Δ，然后發(fā)出位移修正指令，調(diào)整末端操作器直到偏移量Δ=0為止。瑞典ASEA公司研制的Opotocator

弧焊用視覺(jué)系統(tǒng)，安裝在距工件175mm高度，視野寬度32mm，分辨率0.06mm;安裝在IRL6／2弧焊機(jī)器人上能達(dá)到對(duì)中精度為0.40mm。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0.80mm的薄鋼板焊接成為可能?；『笝C(jī)器人裝上視覺(jué)系統(tǒng)后給編程帶來(lái)了方便，編程時(shí)只需嚴(yán)格按圖樣進(jìn)行即可。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(jué)系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)并加以補(bǔ)償。

圖4.3所示為用視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人弧焊工作焊縫的自動(dòng)跟蹤原理圖。圖4.2具有視覺(jué)焊縫對(duì)中的弧焊機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.3用視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人弧焊工作焊縫的自動(dòng)跟蹤原理圖

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(pán)、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(α、β、γ)，用以分辨物料的種類(lèi)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)行監(jiān)控。使用這套系統(tǒng)裝配一臺(tái)吸塵器只需2分鐘。圖4.4吸塵器自動(dòng)裝配實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3.機(jī)器人非接觸式檢測(cè)

在機(jī)器人腕部配置視覺(jué)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，如果配上超聲、激光、x射線(xiàn)探測(cè)裝置，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)。圖4.5具有視覺(jué)系統(tǒng)的機(jī)器人進(jìn)行非接觸式測(cè)量

4.利用視覺(jué)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)，圖4.6所示為其工作示意圖。它的兩個(gè)視覺(jué)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(jué)。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。圖4.6日立自主控制機(jī)器人工作示意圖

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)器人發(fā)出類(lèi)似于人的表達(dá)形式的宏指令，機(jī)器人就會(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。

4.2工業(yè)機(jī)器人的觸覺(jué)

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(jué)可分成接觸覺(jué)、接近覺(jué)、壓覺(jué)、滑覺(jué)和力覺(jué)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。

用接近覺(jué)可感知對(duì)象物體在附近，手臂減速慢慢接近物體；用接觸覺(jué)可知已接觸到物體，控制手臂讓物體到手指中間，合上手指握住物體；用壓覺(jué)控制握力。如果物體較重，則靠滑覺(jué)來(lái)檢測(cè)滑動(dòng)，修正設(shè)定的握力來(lái)防止滑動(dòng)；靠力覺(jué)控制與被測(cè)物體自重和轉(zhuǎn)矩相應(yīng)的力，或舉起或移動(dòng)物體，另外，力覺(jué)在旋緊螺母、軸與孔的嵌入等裝配工作中也有廣泛的應(yīng)用。圖4.7機(jī)器人觸覺(jué)

4.2.1機(jī)器人的接觸覺(jué)

1.接觸覺(jué)傳感器

圖4.8所示的接觸覺(jué)傳感器由微動(dòng)開(kāi)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(lèi)配置屬于分散裝置，即把單個(gè)傳感器安裝在機(jī)械手的敏感位置上。圖4.8接觸覺(jué)傳感器(a)點(diǎn)式；(b)棒式；(c)緩沖器式；(d)平板式；(e)環(huán)式圖4.9所示為二維矩陣接觸覺(jué)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碳素纖維等材料。矩陣式接觸覺(jué)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。①—柔軟的電極；②—柔軟的絕緣體；③—電極；④—電極板圖4.9矩陣式接觸覺(jué)傳感器

2.接觸覺(jué)應(yīng)用

圖4.10(a)所示為一個(gè)具有接觸覺(jué)識(shí)別功能的機(jī)器人，共有4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(jué)傳感器，識(shí)別軟件具有搜索和識(shí)別的功能。

(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①位置遇到障礙物,則手爪上的接觸覺(jué)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)②位置。如果已經(jīng)避開(kāi)了障礙物，則再前進(jìn)至③，又伸出到④，再運(yùn)動(dòng)到⑤處與障礙物再次相碰。根據(jù)①、⑤的位置計(jì)算機(jī)就能判斷被搜索物體的位置，再按⑥、⑦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。圖4.10具有接觸搜索識(shí)別功能的機(jī)器(a)機(jī)器人的4個(gè)自由度示意圖；(b)搜索過(guò)程示意圖

(2)識(shí)別功能。圖4.11是一個(gè)配置在手上的由3×4個(gè)觸覺(jué)元件組成的表面矩陣觸覺(jué)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。圖4.11用表面矩陣觸覺(jué)傳感器引導(dǎo)隨機(jī)搜索每一步搜索過(guò)程由三部分組成：

(1)接觸覺(jué)信息的獲取、量化和對(duì)象表面形心位置的估算；

(2)對(duì)象邊緣特征的提取和姿勢(shì)估算；

(3)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(mǎn)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。4.2.2機(jī)器人的接近覺(jué)

接近覺(jué)是指機(jī)器人能感覺(jué)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(jué)。

接近覺(jué)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(xiàn)式，如圖4.12所示。圖4.12接近覺(jué)傳感器電磁式傳感器在一個(gè)線(xiàn)圈中通入高頻電流，就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，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(xiàn)圈距離的大小而變化,這個(gè)變化反過(guò)來(lái)又影響線(xiàn)圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度。磁場(chǎng)強(qiáng)度可用另一組線(xiàn)圈檢測(cè)出來(lái)，也可以根據(jù)激磁線(xiàn)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(jué)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。圖4.13電磁式接近覺(jué)傳感原理圖光反射式接近覺(jué)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)用范圍小。

靜電容式接近覺(jué)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而變化的原理制成的。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(jué)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(xiàn)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。圖4.14氣壓式接近覺(jué)傳感原理圖超聲波傳感器適用于較長(zhǎng)距離和較大物體的探測(cè)，其原理與視覺(jué)傳感器相同。

紅外線(xiàn)接近覺(jué)傳感器可以探測(cè)到機(jī)器人是否靠近操作人員或其他熱源，這對(duì)安全保護(hù)和改變機(jī)器人行走路徑有實(shí)際意義。

4.2.3機(jī)器人的壓覺(jué)

圖4.15所示為陣列式壓覺(jué)傳感器。其中圖(a)由條狀的導(dǎo)電橡膠排成網(wǎng)狀，每個(gè)棒上附上一層導(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。圖4.15陣列式壓覺(jué)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)陣列式掃描電路比較高級(jí)的壓覺(jué)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。圖4.16高級(jí)分布式壓覺(jué)傳感器圖4.17所示為變形檢測(cè)器，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(chēng)為間接檢測(cè)法。圖4.17變形檢測(cè)器4.2.4機(jī)器人的滑覺(jué)

機(jī)器人的握力應(yīng)滿(mǎn)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(kāi)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。

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。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

圖4.19所示的是一種測(cè)振式滑覺(jué)傳感器。傳感器尖端用一個(gè)Φ＝0.05mm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(xiàn)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(lèi)似于圓柱體的對(duì)象物時(shí)，就必須準(zhǔn)確選擇握持位置，否則就不能起到檢測(cè)滑覺(jué)的作用；而且其接觸為點(diǎn)接觸，可能因接觸壓力過(guò)大而損壞對(duì)象表面。圖4.19測(cè)振式滑覺(jué)傳感器

圖4.20所示的柱型滾輪式滑覺(jué)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(pán)形光柵把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)。圖4.20柱型滾輪式滑覺(jué)傳感器(a)機(jī)器人夾持器；(b)傳感器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(zhuān)用滑覺(jué)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)。圖4.21球形滑覺(jué)傳感器

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(lèi)：

(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(jué)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。

4.2.5機(jī)器人的力覺(jué)

機(jī)器人作業(yè)是一個(gè)其與周?chē)h(huán)境的交互過(guò)程。作業(yè)過(guò)程有兩類(lèi)：一類(lèi)是非接觸式的，如弧焊、噴漆等，基本不涉及力；另一類(lèi)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(jué)和力覺(jué)傳感器用于非事先定位的軸孔裝配，其中，視覺(jué)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)器人末端操作器與環(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。通常將機(jī)器人的力傳感器分為以下3類(lèi)：

(1)裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器上的力傳感器，稱(chēng)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)裝在末端操作器和機(jī)器人最后一個(gè)關(guān)節(jié)之間的力傳感器，稱(chēng)為腕力傳感器，它能直接測(cè)出作用在末端操作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(chēng)為指力傳感器，它用來(lái)測(cè)量夾持物體時(shí)的受力情況。機(jī)器人的這3種力傳感器依其不同的用途有不同的特點(diǎn)。關(guān)節(jié)力傳感器用來(lái)測(cè)量關(guān)節(jié)的受力(力矩)情況，信息量單一，傳感器結(jié)構(gòu)也較簡(jiǎn)單，是一種專(zhuān)用的力傳感器。(手)指力傳感器一般測(cè)量范圍較小，同時(shí)受手爪尺寸和重量的限制，在結(jié)構(gòu)上要求小巧，也是一種較專(zhuān)用的力傳感器。腕力傳感器從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)是一種相對(duì)復(fù)雜的傳感器，它能獲得手爪3個(gè)方向的受力(力矩)，信息量較多，又由于其安裝的部位在末端操作器與機(jī)器人手臂之間，故比較容易形成通用化的產(chǎn)品(系列)。圖4.22所示為Draper實(shí)驗(yàn)室研制的6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3根細(xì)梁。其上部圓環(huán)上有螺孔與手臂相連，下部圓環(huán)上的螺孔與手爪連接，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6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。圖4.22

Draper的腕力傳感器

圖4.23所示是SRI(StanfordResearchInstitute)研制的6維腕力傳感器。它由一只直徑為75mm的鋁管銑削而成，具有8個(gè)窄長(zhǎng)的彈性梁，每一個(gè)梁的頸部開(kāi)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。圖4.23

SRI腕力傳感器圖4.24

SRI腕力傳感器應(yīng)變片連接方式

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連接處有一個(gè)柔性環(huán)節(jié)，在4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，6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連接件設(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)。圖4.25林純一的腕力傳感器

圖4.26所示的是一種非徑向中心對(duì)稱(chēng)3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3根梁進(jìn)行傳遞。每根梁的上下、左右各貼一對(duì)應(yīng)變片，這樣，這非徑向的3根梁共粘貼6對(duì)應(yīng)變片，分別組成6組半橋，對(duì)這6組電橋信號(hào)進(jìn)行解耦可得到6維力(力矩)的精確解。這種力覺(jué)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。圖4.26非徑向中心對(duì)稱(chēng)3梁腕力傳感器

4.3工業(yè)機(jī)器人的位置及位移

4.3.1電位器式位移傳感器

電位器式位移傳感器由一個(gè)線(xiàn)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。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(xiàn)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(jué)到的信息。當(dāng)電源因故斷開(kāi)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。

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(lèi)：一類(lèi)是直線(xiàn)型電位器，另一類(lèi)是旋轉(zhuǎn)型電位器。

直線(xiàn)型電位器主要用于檢測(cè)直線(xiàn)位移，其電阻器采用直線(xiàn)型螺線(xiàn)管或直線(xiàn)型碳膜電阻，滑動(dòng)觸點(diǎn)也只能沿電阻的軸線(xiàn)方向做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。直線(xiàn)型電位器的工作范圍和分辨率受電阻器長(zhǎng)度的限制。線(xiàn)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(xiàn)性。旋轉(zhuǎn)型電位器的電阻元件呈圓弧狀，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。圖4.29為旋轉(zhuǎn)電位器的結(jié)構(gòu)原理圖。圖4.27作為位置傳感器的電位器圖4.28典型的商用旋轉(zhuǎn)式電位器圖4.29旋轉(zhuǎn)電位器的結(jié)構(gòu)原理圖(a)導(dǎo)電塑料型；(b)線(xiàn)圈型4.3.2光電編碼器

光電編碼器是一種應(yīng)用廣泛的位置傳感器，其分辨率完全能滿(mǎn)足機(jī)器人技術(shù)要求。這種非接觸型傳感器可分為絕對(duì)型和相對(duì)型。前者只要電源加到這種傳感器的機(jī)電系統(tǒng)中，編碼器就能給出實(shí)際的線(xiàn)性或旋轉(zhuǎn)位置。因此，用絕對(duì)型編碼器裝備的機(jī)器人關(guān)節(jié)不要求校準(zhǔn)，只要一通電，控制器就知道實(shí)際的關(guān)節(jié)位置。相對(duì)型編碼器只能提供某基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置信息，所以用相對(duì)型編碼器的機(jī)器人在獲得真實(shí)位置信息以前，必須首先完成校準(zhǔn)程序。

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3個(gè)主要元件構(gòu)成：①多路(或通道)光源(如發(fā)光二極管)；②光敏元件;③光電碼盤(pán)。圖4.30是絕對(duì)型光電編碼器的編碼原理圖，碼盤(pán)上有5條碼道。所謂碼道，就是碼盤(pán)上的同心圓。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(pán)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(pán)時(shí)，如果是透明區(qū)，則光線(xiàn)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(xiàn)，輸出信號(hào)為“0”。被測(cè)工作軸帶動(dòng)碼盤(pán)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。光電編碼盤(pán)大多采用格雷碼編碼盤(pán)，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(pán)分辨的最小角度(分辨率)為

碼道越多，分辨率越高。目前，碼盤(pán)碼道可做到18條，能分辨的最小角度為a=360°/218≈0.0014°。圖4.30絕對(duì)型光電編碼器的編碼原理圖

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3個(gè)主要元件構(gòu)成的。兩者的工作原理基本相同，不同的是后者的光源只有一路或兩路。光電碼盤(pán)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(pán)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)的相對(duì)角度。由于相對(duì)型光電編碼器的碼盤(pán)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(méi)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(xiàn)數(shù)n來(lái)確定。這意味著，編碼器能分辨的角度位置等于360°／n。典型的有100、128、200、256、500、512、1000、102和2048線(xiàn)分辨率的編碼器。圖4.31光學(xué)式增量型旋轉(zhuǎn)編碼器4.3.3角速度傳感器

旋轉(zhuǎn)編碼器及測(cè)速發(fā)電機(jī)，是兩種廣泛采用的角速度傳感器。

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)目與角速度成正比例。

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。圖4.32測(cè)速發(fā)電機(jī)的構(gòu)造(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)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(xiàn)圈的轉(zhuǎn)子。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生交流電流，再經(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ω成比例，因此得到

u＝Aω

式中，A為常數(shù)。通常，轉(zhuǎn)速為1000r／min時(shí)，輸出的電壓可以達(dá)到7V。

對(duì)于交流輸出型，在固定線(xiàn)圈的內(nèi)部安裝著用永久磁鐵做的轉(zhuǎn)子。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子時(shí)，定子線(xiàn)圈中會(huì)產(chǎn)生交流電流，并且原封不動(dòng)地作為測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出。這時(shí)，從低速旋轉(zhuǎn)到高速旋轉(zhuǎn)，均可獲得穩(wěn)定的輸出。4.3.4機(jī)器人測(cè)距傳感器

1.超聲波傳感器

超聲波傳感器發(fā)射超聲波脈沖信號(hào)，測(cè)量回波的返回時(shí)間便可得知到達(dá)物體表面的距離。如果安裝多個(gè)接收器，根據(jù)相位差還可以得到物體表面的傾斜狀態(tài)信息。但是，超聲波在空氣中衰減得很快(在1MHz的條件下為12dB／cm)，因此其頻率無(wú)法太高，通常使用20kHz以下的頻率，所以要提高分辨率比較困難。圖4.33是超聲波測(cè)距傳感器的原理圖。圖4.33超聲波測(cè)距傳感器原理圖

2.STM，AFM

前端尖銳的探針和試料表面接近到彼此的電子云互相重合的程度時(shí)，二者之間就會(huì)發(fā)生所謂的隧道電流。利用這個(gè)原理觀察試料表面狀態(tài)的設(shè)備被稱(chēng)為掃描式隧道顯微鏡(STM，ScanningTunnelingMicroscope)。利用探針和試料之間產(chǎn)生的引力或斥力觀察試料表面的原理制成的設(shè)備稱(chēng)做原子力顯微鏡(AFM，AtomicForceMicroscope)，它能對(duì)表面狀態(tài)進(jìn)行原子量級(jí)的非接觸測(cè)量。在原子量級(jí)尺寸范圍內(nèi)進(jìn)行操作的機(jī)器人可以使用這種傳感器。圖4.34介紹了STM的原理圖，AFM與STM具有幾乎相同的結(jié)構(gòu)。圖4.34掃描式隧道顯微鏡(STM)原理圖

3.光學(xué)測(cè)距法

光學(xué)測(cè)距法適合于機(jī)器人對(duì)遠(yuǎn)處物體的非接觸測(cè)量，因此這種方法很早以前就被廣泛應(yīng)用。測(cè)量距離可以利用光的直線(xiàn)傳播性、聚束性、波動(dòng)性、光速等各種性質(zhì)。其大致可以分為被動(dòng)法(利用自然光)和主動(dòng)法(利用強(qiáng)光源照射)。圖4.35所示的三角測(cè)量原理是最基本、最重要的原理，大多數(shù)光學(xué)測(cè)距法都多多少少與這個(gè)原理相關(guān)。圖4.35三角測(cè)量原理常見(jiàn)的光學(xué)原理有如下幾個(gè)。

1)利用物鏡的成像條件

在利用物鏡成像條件的測(cè)量距離方法中，如何判斷成像的最佳狀態(tài)(即聚焦與否)是主要的研究課題之一(如圖4.36所示)。一般的做法是把焦點(diǎn)調(diào)整到觀測(cè)面上成像明暗反差最大的位置上，自動(dòng)聚焦照相機(jī)就是采用這種聚集方法。在主動(dòng)法中有像散法(如圖4.37所示)、刀刃法(如圖4.38所示)、臨界角法(如圖4.39所示)等。圖4.36透鏡成像條件和距離測(cè)量原理圖圖4.37像散法距離測(cè)量原理圖圖4.38刀刃法原理圖圖4.39臨界角法的原理圖

2)利用反射光強(qiáng)度

觀測(cè)表面成像的亮度取決于被測(cè)物體表面的反光特性、位置(距離)和取向、照明光源的位置、方向、性質(zhì)、觀測(cè)系統(tǒng)的位置和姿態(tài)等因素。例如，借助于點(diǎn)光源照射，就可以根據(jù)物體表面的照度和距離平方成反比的原理測(cè)量距離。再如發(fā)射紅外光線(xiàn)，通過(guò)有無(wú)反射光或反射光的強(qiáng)弱，檢測(cè)物體是否處于指定的位置，所使用的距離傳感器已經(jīng)在機(jī)器人技術(shù)當(dāng)中得到廣泛應(yīng)用。又如用光纖投射光線(xiàn)，從另一束光纖檢測(cè)光線(xiàn)，根據(jù)反射光量的變化測(cè)量距離，所使用的傳感

器適合在狹窄空間內(nèi)應(yīng)用(如圖4.40所示)。圖4.41是另一種測(cè)距傳感器的設(shè)計(jì)方案，它將幾種照明光加以調(diào)制，利用相位差來(lái)測(cè)量距離，其優(yōu)點(diǎn)是減輕了對(duì)被測(cè)物體表面狀態(tài)的影響。圖4.40利用發(fā)射光、反射光的光纖測(cè)距傳感器(光裂痕傳感器)原理圖圖4.41利用反射光相位差的測(cè)距傳感器

3)利用光速

發(fā)射光在被測(cè)物體表面被反射，根據(jù)光返回的時(shí)間，可以求出光傳播的距離，這就是所謂的激光雷達(dá)法，或者如圖4.42所示，采用飛行時(shí)間法(timeofflight)的原理測(cè)量。該測(cè)量方法通常的做法是把發(fā)射光進(jìn)行振幅調(diào)制，然后檢測(cè)反射光的相位差來(lái)計(jì)算距離。不過(guò)，利用光速測(cè)量的原理做成的接近覺(jué)傳感器也有一定的缺點(diǎn)，如測(cè)量距離太近時(shí)分辨率比較低，而且測(cè)量裝置的體積也過(guò)大。圖4.42飛行時(shí)間法原理圖

4)利用光的波動(dòng)性

光是高度穩(wěn)定的振動(dòng)波，以光波長(zhǎng)為基準(zhǔn)測(cè)量距離，可以得到穩(wěn)定和高精度的結(jié)果。激光測(cè)長(zhǎng)儀以光的波長(zhǎng)為標(biāo)度，它針對(duì)光路差產(chǎn)生的干涉條紋的變化進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量，已經(jīng)成為當(dāng)今精密機(jī)械中不可或缺的定位裝置(如圖4.43所示)。不過(guò)激光測(cè)量的精度受到環(huán)境因素及測(cè)試條件的制約，因此一定要建立一個(gè)減震環(huán)境。圖4.43干涉法原理圖

5)光束投射法

為了避免在三角測(cè)量中產(chǎn)生尋找對(duì)應(yīng)點(diǎn)的困難，可以改成光束照射物體表面形成光斑，根據(jù)光斑在觀測(cè)面上的位置和三角測(cè)量原理，依次求出光斑的三維位置(如圖4.44所示)。通常使用攝像管、固態(tài)成像元件、半導(dǎo)體位置檢測(cè)元件(PSD)等檢測(cè)光斑的位置。距離測(cè)量精度在很大程度上取決于斑點(diǎn)位置的檢測(cè)精度。有人曾嘗試用萬(wàn)花筒光學(xué)系統(tǒng)擴(kuò)大檢測(cè)的范圍，以及將一維像位置檢測(cè)元件和柱面鏡進(jìn)行組合來(lái)提高精度。其中S為光源(LED、激光H極管)；LS為光速照射透鏡；B為光束；O為被檢測(cè)對(duì)象；T為光斑；I為光斑像；P為像位置檢測(cè)元件；Lo為觀測(cè)透鏡；R為電阻層。圖4.44基于三角測(cè)距原理的距離探頭結(jié)構(gòu)

6)格子投影法

向物體表面投射直線(xiàn)格子，攝制所生成的變形格子的圖像，將變形格子的圖像與直線(xiàn)格子的圖像進(jìn)行重疊，產(chǎn)生莫爾條紋等高線(xiàn)圖形，再進(jìn)行莫爾條紋表面形態(tài)測(cè)量。上述方法都?xì)w結(jié)為判斷對(duì)應(yīng)或凹凸的問(wèn)題。具體的做法如圖4.45所示，把格雷碼等符號(hào)化的編碼格子按時(shí)間序列向物體進(jìn)行投影，被測(cè)面像素在投影面上的對(duì)應(yīng)位置以編碼形式被檢測(cè)出來(lái)，就能得到距離圖像。現(xiàn)在帶液晶光閥的生成符號(hào)化格子的電子元件已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，利用這種元件，可以得到高速、穩(wěn)定、小型的距離測(cè)量系統(tǒng)。圖4.45編碼格子投影法原理圖

4.4焊接機(jī)器人傳感系統(tǒng)

4.4.1電弧傳感系統(tǒng)

1．?dāng)[動(dòng)電弧傳感器

擺動(dòng)電弧傳感器是從焊接電弧自身直接提取焊縫位置偏差信號(hào)，因此實(shí)時(shí)性好；另外不需要在焊槍上附加任何裝置，焊槍運(yùn)動(dòng)的靈活性和可靠性好，尤其符合焊接過(guò)程成本低、自動(dòng)化的要求。擺動(dòng)電弧傳感器的基本工作原理是，當(dāng)電弧位置變化時(shí)，電弧自身電參數(shù)相應(yīng)發(fā)生變化，從中反應(yīng)出焊槍導(dǎo)電嘴至工件坡口表面距離的變化量，進(jìn)而根據(jù)電弧的擺動(dòng)形式及焊槍與工件的相對(duì)位置關(guān)系，推導(dǎo)出焊槍與焊縫間的相對(duì)位置偏差量。電參數(shù)的靜態(tài)變化和動(dòng)態(tài)變化都可以作為特征信號(hào)被提取出來(lái)，可實(shí)現(xiàn)垂直及水平兩個(gè)方向的跟蹤控制。

目前廣泛采用通過(guò)測(cè)量焊接電流I、電弧電壓U和送絲速度v的方法來(lái)計(jì)算工件與焊絲之間的距離H，H=f(I，U，v)，并采用模糊控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。擺動(dòng)電弧傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快，主要用于識(shí)別對(duì)稱(chēng)側(cè)壁的坡口(如V形坡口)，而對(duì)于那些無(wú)對(duì)稱(chēng)側(cè)壁或根本就無(wú)側(cè)壁的接頭形式，如搭接接頭、不開(kāi)坡口的對(duì)接接頭等，現(xiàn)有的擺動(dòng)電弧傳感器則不能識(shí)別。

2．旋轉(zhuǎn)電弧傳感器

擺動(dòng)電弧傳感器的擺動(dòng)頻率一般只能達(dá)到5Hz，限制了電弧傳感器在高速和薄板搭接接頭焊接中的應(yīng)用。與擺動(dòng)電弧傳感器相比，旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的高速旋轉(zhuǎn)增加了焊槍位置偏差的檢測(cè)靈敏度，極大地改善了跟蹤的精度。

高速旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器結(jié)構(gòu)如圖4.46所示，采用空心軸電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，在空心軸上通過(guò)同軸安裝的同心軸承支承導(dǎo)電桿。在空心軸的下端偏心安裝調(diào)心軸承，導(dǎo)電桿安裝于該軸承內(nèi)孔中，偏心量由滑塊來(lái)調(diào)節(jié)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，下調(diào)心軸承將撥動(dòng)導(dǎo)電桿作為圓錐母線(xiàn)繞電機(jī)軸線(xiàn)作公轉(zhuǎn)，即圓錐擺動(dòng)。氣、水管線(xiàn)直接連接到下端，焊絲連接到導(dǎo)電桿的上端。電弧掃描側(cè)位傳感器為增量式光電碼盤(pán)，利用分度脈沖進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。圖4.46高速旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器結(jié)構(gòu)在焊接機(jī)器人的第六個(gè)關(guān)節(jié)上，安裝一個(gè)焊槍夾持件，將原來(lái)的焊槍卸下，把高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器安裝在焊槍夾持件上。焊縫糾偏系統(tǒng)如圖4.47所示，高速旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器的安裝姿態(tài)與原來(lái)的焊槍姿態(tài)一樣，即焊絲端點(diǎn)的參考點(diǎn)的位置及角度保持不變。圖4.47焊縫糾偏系統(tǒng)

3．電弧傳感器的信號(hào)處理

電弧傳感器的信號(hào)處理主要采用極值比較法和積分差值法。在比較理想的條件下可得到滿(mǎn)意的結(jié)果，但在非V形坡口及非射流過(guò)渡焊時(shí)，坡口識(shí)別能力差、信噪比低，應(yīng)用遇到很大困難。為進(jìn)一步擴(kuò)大電弧傳感器的應(yīng)用范圍，提高其可靠性，在建立傳感器物理數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值仿真技術(shù)，采取空間變換，用特征諧波的向量作為偏差量的大小及方向的判據(jù)。4.4.2超聲傳感跟蹤系統(tǒng)

1.接觸式超聲波傳感器

接觸式超聲波傳感跟蹤系統(tǒng)原理如圖4.48所示，兩個(gè)超聲波探頭置于焊縫兩側(cè)，距焊縫相等距離。兩個(gè)超聲波傳感器同時(shí)發(fā)出具有相同性質(zhì)的超聲波，根據(jù)接收超聲波的聲程來(lái)控制焊接熔深；比較兩個(gè)超聲波的回波信號(hào)，確定焊縫的偏離方向和大小。圖4.48接觸式超聲波傳感跟蹤系統(tǒng)原理

2.非接觸式超聲波傳感器

1)非聚焦式超聲波傳感器

非聚焦式超聲波傳感器要求焊接工件能在45°方向反射回波信號(hào)，焊縫的偏差在超聲波聲束的覆蓋范圍內(nèi)，適于V形坡口焊縫和搭接接頭焊縫。圖4.49所示為P-50機(jī)器人焊縫跟蹤裝置，超聲波傳感器位于焊槍前方的焊縫上面，沿垂直于焊縫的軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，超聲波傳感器始終與工件成45°角，旋轉(zhuǎn)軸的中心線(xiàn)與超聲波聲束中心線(xiàn)交于工件表面。圖4.49

P-50機(jī)器人焊縫跟蹤裝置焊縫偏差幾何示意如圖4.50所示，傳感器的旋轉(zhuǎn)軸位于焊槍正前方，代表焊槍的即時(shí)位置。超聲波傳感器在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中總有一個(gè)時(shí)刻超聲波聲束處于坡口的法線(xiàn)方向，此時(shí)傳感器的回波信號(hào)最強(qiáng)，而且傳感器和其旋轉(zhuǎn)的中心軸線(xiàn)組成的平面恰好垂直于焊縫方向，焊縫的偏差可以表示為

式(4.1)中，δ為焊縫偏差；r為超聲波傳感器的旋轉(zhuǎn)半徑；R為傳感器檢測(cè)到的探頭和坡口間的距離；D為坡口中心線(xiàn)到旋轉(zhuǎn)中心線(xiàn)的距離；h為傳感器到工件表面的垂直高度。(4.1)圖4.50焊縫偏差幾何示意

2)聚焦式超聲波傳感器

與非聚焦式超聲波傳感器相反，聚焦式超聲波傳感器采用掃描焊縫的方法檢測(cè)焊縫偏差，不要求這個(gè)焊縫籠罩在超聲波的聲束之內(nèi)，而將超聲波聲束聚焦在工件表面，聲束越小檢測(cè)精度越高。將超聲波傳感器發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的時(shí)間差作為焊縫的縱向信息，通過(guò)計(jì)算超聲波由傳感器發(fā)射到接收的聲程時(shí)間ts，可以得到傳感器與焊件之間的垂直距H，從而實(shí)現(xiàn)焊炬與工件高度之間的檢測(cè)。焊縫左右偏差的檢測(cè)，通常采用尋棱邊法，其基本原理是在超聲波聲程檢測(cè)原理基礎(chǔ)上，利用超聲波發(fā)射原理進(jìn)行檢測(cè)信號(hào)的判別和處理。當(dāng)聲波遇到工件時(shí)會(huì)發(fā)生反射，當(dāng)聲波入射到工件坡口表面時(shí)，由于坡口表面與入射波的角度不是90°，因此其發(fā)射波就很難返回到傳感器，也就是說(shuō)傳感器接收不到回波信號(hào)，利用聲波的這一特性，就可以判別是否檢測(cè)到了焊縫坡口的邊緣。焊縫左右偏差檢測(cè)原理如圖4.51所示。圖4.51焊縫左右偏差檢測(cè)原理假設(shè)傳感器從左向右掃描，在掃描過(guò)程中可以檢測(cè)到一系列傳感器與焊件表面之間的垂直高度。假設(shè)Hi為傳感器在掃描過(guò)程中測(cè)得的第i點(diǎn)的垂直高度，H0為允許偏差。如果滿(mǎn)足

|Hi－H0|<ΔH (4.2)

則得到的是焊接坡口左邊鋼板平面的信息。當(dāng)傳感器掃描到焊縫坡口左棱邊時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩種情況：第一種情況是傳感器檢測(cè)不到垂直高度H，這是因?yàn)閷?duì)接V形坡口斜面把超聲回波信號(hào)反射出了探頭所能檢測(cè)的范圍；第二種情況是該點(diǎn)高度偏差大于允許偏差，即

|Δy|－|H－H0|≥ΔH (4.3)并且若有連續(xù)D個(gè)點(diǎn)沒(méi)有檢測(cè)到垂直高度或是滿(mǎn)足式(4.3)，則說(shuō)明檢測(cè)到了焊縫坡口的左側(cè)棱邊。在此之前傳感器在焊縫左側(cè)共檢測(cè)到PL個(gè)超聲回波。當(dāng)傳感器掃描到焊縫坡口右邊工件表面時(shí)，超聲波傳感器又接收到回波信號(hào)或者檢測(cè)高度的偏差滿(mǎn)足式(4.3)，并有連續(xù)D個(gè)檢測(cè)點(diǎn)滿(mǎn)足此要求，則說(shuō)明傳感器已檢測(cè)到焊縫坡口右側(cè)鋼板。

|Δy|－|Hj－H0|≤ΔH (4.4)

式(4.4)中，Hj為傳感器掃描過(guò)程中測(cè)得的第j點(diǎn)的垂直高度。

當(dāng)傳感器掃描到右邊終點(diǎn)時(shí)，采集到的右側(cè)水平方向的檢測(cè)點(diǎn)共PR個(gè)。根據(jù)PL、PR即可算出焊炬的橫向偏差方向及大小。根據(jù)檢測(cè)到的橫向偏差的大小、方向，控制、調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行糾偏調(diào)整。4.4.3視覺(jué)傳感跟蹤系統(tǒng)

1.被動(dòng)視覺(jué)

在大部分被動(dòng)視覺(jué)方法中，電弧本身就是監(jiān)測(cè)位置，所以沒(méi)有因熱變形等因素所引起的超前檢測(cè)誤差，并且能夠獲取接頭和熔池的大量信息，這對(duì)于焊接質(zhì)量自適應(yīng)控制非常有利。但是，直接觀測(cè)法容易受到電弧的嚴(yán)重干擾，信息的真實(shí)性和準(zhǔn)確性有待提高。它較難獲取接頭的三維信息，也不能用于埋弧焊。

2.主動(dòng)視覺(jué)

為了獲取接頭的三維輪廓，人們研究了基于三角測(cè)量原理的主動(dòng)視覺(jué)方法。由于采用的光源的能量大都比電弧的能量要小，一般把這種傳感器放在焊槍的前面，以避開(kāi)弧光直射的干擾。主動(dòng)光源一般為單光面或多光面的激光或掃描的激光束，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，分別采用上述兩種光源的方法稱(chēng)為結(jié)構(gòu)光法和激光掃描法。由于光源是可控的，所獲取的圖像受環(huán)境的干擾可濾掉，真實(shí)性好，因而圖像的低層處理穩(wěn)定、簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好。

1)結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器

圖4.52所示為與焊槍一體式的結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)。激光束經(jīng)過(guò)柱面鏡形成單條紋結(jié)構(gòu)光。由于CCD攝像機(jī)與焊槍有合適的位置關(guān)系，避開(kāi)了電弧光直射的干擾。結(jié)構(gòu)光法中的敏感器都是面型的，實(shí)際應(yīng)用中所遇到的問(wèn)題主要有兩個(gè)：一是當(dāng)結(jié)構(gòu)光照射在經(jīng)過(guò)鋼絲刷去除氧化膜或磨削過(guò)的鋁板或其他金屬板表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的二次反射，這些光也成像在敏感器上，往往會(huì)使后續(xù)的處理失敗；二是投射光紋的光強(qiáng)分布不均勻，由于獲取的圖像質(zhì)量需要經(jīng)過(guò)較為復(fù)雜的后續(xù)處理，精度也會(huì)降低。圖4.52焊槍一體式結(jié)構(gòu)(光視覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)

2)激光掃描視覺(jué)傳感器

同結(jié)構(gòu)光方法相比，激光掃描方法中光束集中于一點(diǎn)，因而信噪比要大得多。目前用于激光掃描三角測(cè)量的傳感器主要有二維面型PSD、線(xiàn)型PSD和CCD。圖4.53所示為面型PSD位置傳感器與激光掃描器組成的接頭跟蹤傳感器的原理結(jié)構(gòu)。典型的采用激光掃描和CCD器件接收的視覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖4.54所示。它采用轉(zhuǎn)鏡進(jìn)行掃描，掃描速度較高。通過(guò)測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)角，增加了一維信息。它可以測(cè)量出接頭的輪廓尺寸。圖4.53接頭跟蹤傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖4.54激光掃描和CCD器件接收的視覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)原理在焊接自動(dòng)化領(lǐng)域中，視覺(jué)傳感器已成為獲取信息的重要手段。在獲取與焊接熔池有關(guān)的狀態(tài)信息時(shí)，一般多采用單攝像機(jī)，這時(shí)圖像信息是二維的。在檢測(cè)接頭位置和尺寸的第三維信息時(shí)，一般采用激光掃描或機(jī)構(gòu)光視覺(jué)方法，而激光掃描方法與現(xiàn)代CCD技術(shù)的結(jié)合代表了高性能主動(dòng)視覺(jué)傳感器的發(fā)展方向。 4.5裝配機(jī)器人傳感系統(tǒng)

4.5.1位姿傳感器

1.遠(yuǎn)程中心柔順(RCC)裝置

遠(yuǎn)程中心柔順裝置不是實(shí)際的傳感器，在發(fā)生錯(cuò)位時(shí)它起到感知設(shè)備的作用，并為機(jī)器人提供修正的措施。RCC裝置完全是被動(dòng)的，它沒(méi)有輸入和輸出信號(hào)，也稱(chēng)被動(dòng)柔順裝置。RCC裝置是機(jī)器人腕關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器之間的輔助裝置，使機(jī)器人末端執(zhí)行器在需要的方向上增加局部柔順性，而不會(huì)影響其他方向的精度。圖4.55所示為RCC裝置的原理，它由兩塊剛性金屬板組成，其中剪切柱在提供橫側(cè)向柔順的同時(shí)，將保持軸向的剛度。實(shí)際上，一種裝置只在橫側(cè)向和軸向或者在彎曲和翹起方向提供一定的剛性(或柔性)，它必須根據(jù)需要來(lái)選擇。每種裝置都有一個(gè)中心距，此距離決定遠(yuǎn)程柔順裝置中心的位置。因此，如果有多個(gè)零件或許多操作需有多個(gè)RCC裝置時(shí)，要分別進(jìn)行選擇。圖4.55

RCC裝置的原理

RCC的實(shí)質(zhì)是機(jī)械手夾持器具有多個(gè)自由度的彈性裝置，通過(guò)選擇和改變彈性體的剛度可獲得不同程度的適從性。

RCC部件間的失調(diào)引起轉(zhuǎn)矩和力，通過(guò)RCC裝置中不同類(lèi)型的位移傳感器可獲得跟轉(zhuǎn)矩和力成比例的電信號(hào)，使用該信號(hào)作為力或力矩反饋的RCC稱(chēng)IRCC(InstrumentRemoteControlCentre)。BarryWright公司的六軸IRCC提供與3個(gè)力和3個(gè)力矩成比例的電信號(hào)，并且內(nèi)部有微處理器、低通濾波器以及12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可以輸出數(shù)字和模擬信號(hào)。

2.主動(dòng)柔順裝置

主動(dòng)柔順裝置根據(jù)傳感器反饋的信息對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行器或工作臺(tái)進(jìn)行調(diào)整，補(bǔ)償裝配件間的位置偏差。根據(jù)傳感方式的不同，主動(dòng)柔順裝置可分為基于力傳感器的柔順裝置、基于視覺(jué)傳感器的柔順裝置和基于接近度傳感器的柔順裝置。

(1)基于力傳感器的柔順裝置。使用力傳感器的柔順裝置的目的，一方面是有效地控制力的變化范圍，另一方面是通過(guò)力傳感器反饋的信息來(lái)感知位置信息，進(jìn)行位置控制。就安裝部位而言，力傳感器可分為關(guān)節(jié)力/力矩傳感器、腕力傳感器和指力傳感器。關(guān)節(jié)力/力矩傳感器使用應(yīng)變片進(jìn)行力反饋，由于力反饋直接加在被控制關(guān)節(jié)上，且所有的硬件用模擬電路實(shí)現(xiàn)，因此避開(kāi)了復(fù)雜的計(jì)算，響應(yīng)速度快。腕力傳感器安裝于機(jī)器人與末端執(zhí)行器的連接處，它能夠獲得機(jī)器人實(shí)際操作時(shí)的大部分的力信息，精度高、可靠性好、使用方便。常用的結(jié)構(gòu)包括十字梁式、軸架式和非徑向三梁式，其中十字梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。指力傳感器，一般是通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量而產(chǎn)生多維力信號(hào)，常用于作業(yè)范圍小、精度高、可靠性好的情況，但多手指的協(xié)調(diào)比較復(fù)雜。

(2)基于視覺(jué)傳感器的柔順裝置。基于視覺(jué)傳感器的主動(dòng)適從位置調(diào)整方法是通過(guò)建立以注視點(diǎn)為中心的相對(duì)坐標(biāo)系，對(duì)裝配件之間的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果具有相對(duì)的穩(wěn)定性，其精度與攝像機(jī)的位置相關(guān)。螺紋裝配采用力和視覺(jué)傳感器，建立一個(gè)虛擬的內(nèi)部模型，該模型根據(jù)環(huán)境的變化可以對(duì)規(guī)劃的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行修正；軸孔裝配中用二維PSD傳感器來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)孔的中心位置及其所在平面的傾斜角度，PSD上的成像中心即為檢測(cè)孔的中心。當(dāng)孔傾斜時(shí)，PSD上所成的像為橢圓，通過(guò)與正常沒(méi)有傾斜的孔所成圖像的比較就可獲得被檢測(cè)孔所在平面的傾斜度。

(3)基于接近度傳感器的柔順裝置。裝配作業(yè)需要檢測(cè)機(jī)器人末端執(zhí)行器與環(huán)境的位姿，多采用光電接近度傳感器。光電接近度傳感器具有測(cè)量速度快、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量點(diǎn)小和使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。用一個(gè)光電傳感器不能同時(shí)測(cè)量距離和方位的信息，往往需要用兩個(gè)及以上的傳感器來(lái)完成機(jī)器人裝配作業(yè)的位姿檢測(cè)。

3.光纖位姿偏差傳感系統(tǒng)

圖4.56所示為集螺紋孔方向偏差和位置偏差檢測(cè)于一體的位姿偏差傳感系統(tǒng)原理。該系統(tǒng)采用多路單纖傳感器，光源發(fā)出的光經(jīng)1×6光纖分路器，分為6路光信號(hào)并進(jìn)入6個(gè)單纖傳感點(diǎn)，單纖傳感點(diǎn)同時(shí)具有發(fā)射和接收功能。傳感點(diǎn)為反射式強(qiáng)度調(diào)制傳感方式，反射光經(jīng)光纖按一定方式排列，由光電二極管陣列SSPD光敏器件接收，最后進(jìn)入信號(hào)處理。3個(gè)檢測(cè)螺紋孔方向的傳感器(1、2、3)分布在螺紋孔邊緣圓周(2～3cm)上，傳感器4、5、6檢測(cè)螺紋位置，垂直指向螺紋孔倒角錐面，傳感器2、3、5、6與傳感器1、4垂直。圖4.56位姿偏差傳感系統(tǒng)原理根據(jù)多模光纖纖端出射光場(chǎng)的強(qiáng)度分布，可得到螺紋孔方向檢測(cè)和螺紋孔中心位置的數(shù)學(xué)模型為(4.5)(4.6)式(4.5)和式(4.6)中，d為傳感頭中心到螺紋孔頂面的距離；di為第i個(gè)傳感器到螺紋孔頂面的距離；θ為螺紋孔頂面與傳感頭之間的傾斜角；α為傳感頭轉(zhuǎn)角；2為傳感器1、2、3所處圓的直徑；1為傳感器4、5、6所處圓的直徑；h為傳感頭到螺紋孔頂面的距離；Vi(di，θ)為傳感器i在螺紋孔的位姿為di和θ時(shí)的電壓輸出信號(hào)；ex、ey為傳感器4、5、6中心與螺紋孔中心的偏心值。

4.電渦流位姿檢測(cè)傳感系統(tǒng)

電渦流位姿檢測(cè)傳感系統(tǒng)是通過(guò)確定由傳感器構(gòu)成的測(cè)量坐標(biāo)系和測(cè)量體坐標(biāo)系之間的相對(duì)坐標(biāo)變換關(guān)系來(lái)確定位姿。當(dāng)測(cè)量體安裝在機(jī)器人末端執(zhí)行器上時(shí)，通過(guò)比較測(cè)量體的相對(duì)位姿參數(shù)的變化量，可完成對(duì)機(jī)器人的重復(fù)位姿精度檢測(cè)。圖4.57所示為位姿檢測(cè)傳感系統(tǒng)框圖。檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大、A/D變換送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，計(jì)算出位姿參數(shù)。圖4.57位姿檢測(cè)傳感系統(tǒng)框圖為了能用測(cè)量信息計(jì)算出相對(duì)位姿，由6個(gè)電渦流傳感器組成的特定空間結(jié)構(gòu)來(lái)提供位姿和測(cè)量數(shù)據(jù)。傳感器的測(cè)量空間結(jié)構(gòu)如圖4.58所示,6個(gè)傳感器構(gòu)成三維測(cè)量坐標(biāo)系，其中傳感器1、2、3對(duì)應(yīng)測(cè)量面xOy，傳感器4、5對(duì)應(yīng)測(cè)量面xOz，傳感器6對(duì)應(yīng)測(cè)量面yOz。每個(gè)傳感器在坐標(biāo)系中的位置固定，這6個(gè)傳感器所標(biāo)定的測(cè)量范圍就是該測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍。當(dāng)測(cè)量體相對(duì)于測(cè)量坐標(biāo)系發(fā)生位姿變化時(shí)，電渦流傳感器的輸出信號(hào)會(huì)隨測(cè)量距離成比例地變化。圖4.58傳感器的測(cè)量空間結(jié)構(gòu)

4.5.2柔性腕力傳感器

裝配機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中需要與周?chē)h(huán)境接觸，在接觸的過(guò)程中往往存在力和速度的不連續(xù)問(wèn)題。腕力傳感器安裝在機(jī)器人手臂和末端執(zhí)行器之間，更接近力的作用點(diǎn)，受其他附加因素的影響較小，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)末端執(zhí)行器所受外力/力矩的大小和方向，為機(jī)器人提供力感信息，有效地?cái)U(kuò)展了機(jī)器人的作業(yè)能力。在裝配機(jī)器人中除使用應(yīng)變片六維筒式腕力傳感器和十字梁腕力傳感器外，還大量使用柔性腕力傳感器。柔性手腕能在機(jī)器人的末端操作器與環(huán)境接觸時(shí)產(chǎn)生變形，并且能夠吸收機(jī)器人的定位誤差。機(jī)器人柔性腕力傳感器將柔性手腕與腕力傳感器有機(jī)地結(jié)合在一起，不但可以為機(jī)器人提供力/力矩信息，而且本身又是柔順機(jī)構(gòu)，可以產(chǎn)生被動(dòng)柔順，吸收機(jī)器人產(chǎn)生的定位誤差，保護(hù)機(jī)器人、末端操作器和作業(yè)對(duì)象，提高機(jī)器人的作業(yè)能力。柔性腕力傳感器一般由固定體、移動(dòng)體和連接二者的彈性體組成。固定體和機(jī)器人的手腕連接，移動(dòng)體和末端執(zhí)行器相連接，彈性體采用矩形截面的彈簧，其柔順功能是由能產(chǎn)生彈性變形的彈簧完成的。柔性腕力傳感器利用測(cè)量彈性體在力/力矩的作用下產(chǎn)生的變形量來(lái)計(jì)算力/力矩的大小。

柔性腕力傳感器的工作原理如圖4.59所示，柔性腕力傳感器的內(nèi)環(huán)相對(duì)于外環(huán)的位置和姿態(tài)的測(cè)量采用非接觸式測(cè)量。傳感元件由6個(gè)均勻分布在內(nèi)環(huán)上的紅外發(fā)光二極管(LED)和6個(gè)均勻分布在外環(huán)上的線(xiàn)型位置敏感元件(PSD)構(gòu)成。PSD通過(guò)輸出模擬電流信號(hào)來(lái)反映照射在其敏感面上光點(diǎn)的位置，具有分辨率高、信號(hào)檢測(cè)電路簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。圖4.59柔性腕力傳感器的工作原理為了保證LED發(fā)出的紅外光形成一個(gè)光平面，在每一個(gè)LED的前方安裝了一個(gè)狹縫，狹縫按照垂直和水平方式間隔放置，與之對(duì)應(yīng)的線(xiàn)型PSD則按照與狹縫相垂直的方式放置。6個(gè)LED所發(fā)出的紅外光通過(guò)其前端的狹縫形成6個(gè)光平面Oi(i=1,2,…,6)，與6個(gè)相應(yīng)的線(xiàn)型PSD的Li(i=1,2,…,6)形成6個(gè)交點(diǎn)。當(dāng)內(nèi)環(huán)相對(duì)于外環(huán)移動(dòng)時(shí)，6個(gè)交點(diǎn)在PSD上的位置發(fā)生變化，引起PSD的輸出變化。根據(jù)PSD輸出信號(hào)的變化，可以求得內(nèi)環(huán)相對(duì)于外環(huán)的位置和姿態(tài)。內(nèi)環(huán)的運(yùn)動(dòng)將引起連接彈簧的相應(yīng)變形，考慮到彈簧的作用力與形變的線(xiàn)性關(guān)系，可以通過(guò)內(nèi)環(huán)相對(duì)于外環(huán)的位置和姿態(tài)關(guān)系解算出內(nèi)環(huán)上所受到的力和力矩的大小，從而完成柔性腕力傳感器的位姿和力/力矩的同時(shí)測(cè)量。

4.5.3工件識(shí)別傳感器

工件識(shí)別(測(cè)量)的方法有接觸識(shí)別、采樣式測(cè)量、鄰近探測(cè)、距離測(cè)量、機(jī)械視覺(jué)識(shí)別等。

(1)接觸識(shí)別。在一點(diǎn)或幾點(diǎn)上接觸以測(cè)量力，這種測(cè)量一般精度不高。

(2)采樣式測(cè)量。在一定范圍內(nèi)連續(xù)測(cè)量，比如測(cè)量某一目標(biāo)的位置、方向和形狀。在裝配過(guò)程中的力和扭矩的測(cè)量都可以采用這種方法，這些物理量的測(cè)量對(duì)于裝配過(guò)程非常重要。

(3)鄰近探測(cè)。鄰近探測(cè)屬于非接觸測(cè)量，測(cè)量附近的范圍內(nèi)是否有目標(biāo)存在。一般安裝在機(jī)器人的抓鉗內(nèi)側(cè)，探測(cè)被抓的目標(biāo)是否存在以及方向、位置是否正確。測(cè)量原理可以是氣動(dòng)的、聲學(xué)的、電磁的和光學(xué)的。

(4)距離測(cè)量。距離測(cè)量也屬于非接觸測(cè)量，測(cè)量某一目標(biāo)到某一基準(zhǔn)點(diǎn)的距離。例如，一只在抓鉗內(nèi)安裝的超聲波傳感器就可以進(jìn)行這種測(cè)量。

(5)機(jī)械視覺(jué)識(shí)別。機(jī)械視覺(jué)識(shí)別方法可以測(cè)量某一目標(biāo)相對(duì)于一基準(zhǔn)點(diǎn)的位置、方向和距離。機(jī)械視覺(jué)識(shí)別如圖4.60所示，圖4.60(a)為使用探針矩陣對(duì)工件進(jìn)行粗略的識(shí)別，圖4.60(b)為使用直線(xiàn)型測(cè)量傳感器對(duì)工件進(jìn)行邊緣輪廓的識(shí)別，圖4.60(c)為點(diǎn)傳感技術(shù)對(duì)工件

進(jìn)行特定形狀的識(shí)別。圖4.60機(jī)械視覺(jué)識(shí)別(a)粗略識(shí)別；(b)邊緣輪廓識(shí)別；(c)特定形狀識(shí)別當(dāng)采用接觸式(探針)或非接觸式探測(cè)器識(shí)別工件時(shí)，存在與網(wǎng)柵的尺寸有關(guān)的識(shí)別誤差。在圖4.61所示的探測(cè)器工件識(shí)別中，工件