工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù)

工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù)第1頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.1工業(yè)機(jī)器人的視覺(jué)3.1.1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、圖像理解、圖像存儲(chǔ)和圖像輸出幾個(gè)部分(見(jiàn)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92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.1視覺(jué)系統(tǒng)的硬件組成

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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(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。

第4頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一由視覺(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。

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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92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.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。

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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92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.1.2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Δ,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。弧焊機(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。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。

第9頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖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)

第10頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖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92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.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(α、β、γ),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)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92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.4吸塵器自動(dòng)裝配實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

第13頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

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92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖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

第15頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

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。

第16頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.6日立自主控制機(jī)器人工作示意圖

第17頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一從功能上看,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92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.2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。

第19頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.7機(jī)器人觸覺(jué)

第20頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.2.1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。

第21頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖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

第22頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖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炭素纖維等材料。陣列式接觸覺(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。

第23頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.9矩陣式接觸覺(jué)傳感器

第24頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

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(jué)傳感器,識(shí)別軟件具有搜索和識(shí)別的功能。

第25頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.10具有接觸搜索識(shí)別功能的機(jī)器

第26頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(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。

第27頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(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)元件組成的表面陣列觸覺(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。第28頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.11用接觸覺(jué)陣列傳感器引導(dǎo)隨機(jī)搜索

第29頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一每一步搜索過(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92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.2.2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、超聲波式和紅外線式,如圖4.12所示。第31頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.12接近覺(jué)傳感器第32頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一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),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(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。第33頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.13電磁式接近覺(jué)傳感原理圖第34頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一光反射式接近覺(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92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.14氣壓式接近覺(jué)傳感原理圖第36頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.2.3機(jī)器人的壓覺(jué)圖4.15所示為陣列式壓覺(jué)傳感器。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。第37頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖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)陣列式掃描電路第38頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一比較高級(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。第39頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.16高級(jí)分布式壓覺(jué)傳感器第40頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖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,這種方法可稱為間接檢測(cè)法。第41頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.17變形檢測(cè)器第42頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.2.4機(jī)器人的滑覺(jué)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(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。第43頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一檢測(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。第44頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖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45頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.19所示是一種測(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,可能因造成接觸壓力過(guò)大而損壞對(duì)象表面。第46頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.19測(cè)振式滑覺(jué)傳感器第47頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖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)圓盤形光柵把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)。第48頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.20柱型滾輪式滑覺(jué)傳感器(a)機(jī)器人夾持器；(b)傳感器第49頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一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(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)。第50頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.21球形滑覺(jué)傳感器第51頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一從機(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(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。第52頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.2.5機(jī)器人的力覺(jué)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(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53頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一通常將機(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54頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖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55頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.22Draper的腕力傳感器第56頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.23所示是SRI(StanfordResearchInstitute)研制的六維腕力傳感器。它由一只直徑為75mm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(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。第57頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.23SRI腕力傳感器

第58頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.24SRI腕力傳感器應(yīng)變片連接方式

第59頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖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60頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.25林純一的腕力傳感器

第61頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖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。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(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。

第62頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.26非徑向中心對(duì)稱三梁腕力傳感器

第63頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.3工業(yè)機(jī)器人的位置及位移

3.3.1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。

第64頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一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(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。

第65頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一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66頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一旋轉(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。

第67頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.27作為位置傳感器的電位器

第68頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.28典型的商用旋轉(zhuǎn)式電位器

第69頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.29旋轉(zhuǎn)電位器的結(jié)構(gòu)原理圖(a)導(dǎo)電塑料型；(b)線圈型

第70頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.3.2光電編碼器

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: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。

第71頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖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。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72頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.30絕對(duì)型光電編碼器

第73頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一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

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α=360°/218≈0.0014°。

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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)的相對(duì)角度。

第75頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一由于相對(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(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、1024和2048線分辨率的編碼器。第76頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖4.31光學(xué)式增量型旋轉(zhuǎn)編碼器

第77頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.3.3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)目與角速度成比例。

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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。

第79頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖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80頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.4多感覺(jué)智能機(jī)器人

多感覺(jué)傳感系統(tǒng)使機(jī)器人擁有一定的智能,而多感覺(jué)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(jué)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(jué)、