工業(yè)機器人的環(huán)境感覺技術(shù)

工業(yè)機器人的環(huán)境感覺技術(shù)第1頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一3.1工業(yè)機器人的視覺3.1.1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、圖像存儲和圖像輸出幾個部分(見圖4.1)。

實際系統(tǒng)可以根據(jù)需要選擇其中的若干部件。

第2頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.1視覺系統(tǒng)的硬件組成

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1.視覺傳感器視覺傳感器是將景物的光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件。大多數(shù)機器人視覺都不必通過膠卷等媒介物,而是直接把景物攝入。過去經(jīng)常使用光導(dǎo)攝像等電視攝像機作為機器人的視覺傳感器,近年來開發(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,因此應(yīng)用日趨廣泛。

第4頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一由視覺傳感器得到的電信號,經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,稱為數(shù)字圖像。一般地,一個畫面可以分成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位二進制數(shù)來表示。一般情況下,這么大的信息量對機器人系統(tǒng)來說是足夠的。要求比較高的場合,還可以通過彩色攝像系統(tǒng)或在黑白攝像管前面加上紅、綠、藍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與攝像管之間的距離信息,顯然是很有用的。每個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單實用的裝置。

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2.攝像機和光源控制機器人的視覺系統(tǒng)直接把景物轉(zhuǎn)化成圖像輸入信號,因此取景部分應(yīng)當(dāng)能根據(jù)具體情況自動調(diào)節(jié)光圈的焦點,以便得到一張容易處理的圖像。為此應(yīng)能調(diào)節(jié)以下幾個參量:(1)焦點能自動對準(zhǔn)要看的物體。(2)根據(jù)光線強弱自動調(diào)節(jié)光圈。(3)自動轉(zhuǎn)動攝像機,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)光源的方向和強度,使目標(biāo)物體能夠看得更清楚。

第6頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一3.計算機由視覺傳感器得到的圖像信息要由計算機存儲和處理,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,由于微計算機的內(nèi)存量小,內(nèi)存的價格高,因此往往另加一個圖像存儲器來儲存圖像數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在,除了某些大規(guī)模視覺系統(tǒng)之外,一般都使用微計算機或小型機。除了通過顯示器顯示圖形之外,還可以用打印機或繪圖儀輸出圖像，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.圖像處理機一般計算機都是串行運算的,要處理二維圖像很費時間。在要求較高的場合,可以設(shè)置一種專用的圖像處理機,以便縮短計算時間。圖像處理只是對圖像數(shù)據(jù)做了一些簡單、重復(fù)的預(yù)處理,數(shù)據(jù)進入計算機后,還要進行各種運算。

第8頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一3.1.2機器人視覺的應(yīng)用1.弧焊過程中焊槍對焊縫的自動對中圖4.2所示為具有視覺焊縫對中的弧焊機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖像傳感器直接安裝在機器人末端執(zhí)行器。焊接過程中,圖像傳感器對焊縫進行掃描檢測,獲得焊前區(qū)焊縫的截面參數(shù)曲線，計算機根據(jù)該截面參數(shù)計算出末端執(zhí)行器相對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弧焊機器人上能達到對中精度為0.40mm。這種傳感器還可測量出鋼板厚度,能自動調(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器人裝上視覺系統(tǒng)后給編程帶來了方便,編程時只需嚴(yán)格按圖樣進行。在焊接過程中產(chǎn)生的焊縫變形、裝卡及傳動系統(tǒng)的誤差均可由視覺系統(tǒng)自動檢測并加以補償。

第9頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.2具有視覺焊縫對中的弧焊機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

第10頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.3實現(xiàn)機器人弧焊工作焊縫的自動跟蹤原理圖

第11頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一2.裝配作業(yè)中的應(yīng)用圖4.4所示為一個吸塵器自動裝配實驗系統(tǒng),由2臺關(guān)節(jié)機器人和7臺圖像傳感器組成。組裝的吸塵器部件包括底盤、氣泵和過濾器等,都自由堆放在右側(cè)備料區(qū),該區(qū)上方裝設(shè)三臺圖像傳感器(α、β、γ),用以分辨物料的種類和方位。機器人的前部為裝配區(qū),這里有4臺圖像傳感器A、B、C和D,用來對裝配過程進行監(jiān)控。使用這套系統(tǒng)裝配一臺吸塵器只需2分鐘。第12頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.4吸塵器自動裝配實驗系統(tǒng)

第13頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一

3.機器人非接觸式檢測在機器人腕部配置視覺傳感器,可用于對異形零件進行非接觸式測量,如圖4.5所示。這種測量方法除了能完成常規(guī)的空間幾何形狀、形體相對位置的檢測外,如配上超聲、激光、x射線探測裝置,則還可進行零件內(nèi)部的缺陷探傷、

表面涂層厚度測量等作業(yè)。

第14頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.5具有視覺系統(tǒng)的機器人進行非接觸式測量

第15頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一

4.利用視覺的自主機器人系統(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器人,可以用來完成按圖裝配產(chǎn)品的作業(yè),圖4.6所示為其工作示意圖。它的兩個視覺傳感器作為機器人的眼睛,一個用于觀察裝配圖紙，并通過計算機來理解圖中零件的立體形狀及裝配關(guān)系;另一個用于從實際工作環(huán)境中識別出裝配所需的零件,并對其形狀、位置、姿態(tài)等進行識別。此外,多關(guān)節(jié)機器人還帶有觸覺。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，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.6日立自主控制機器人工作示意圖

第17頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一從功能上看,這種機器人具有圖形識別功能和決策規(guī)劃功能,前者可以識別一定的目標(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,只要對機器人發(fā)出類似于人的表達形式的宏指令,機器人則會自動考慮執(zhí)行這些指令的具體工作細節(jié)。該機器人已成功地進行了印刷板檢查和晶體管、電動機等裝配工作。

第18頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一3.2工業(yè)機器人的觸覺

為使機器人準(zhǔn)確地完成工作,需時刻檢測機器人與對象物體的配合關(guān)系。機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。觸頭可裝配在機器人的手指上,用來判斷工作中各種狀況。

第19頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.7機器人觸覺

第20頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一3.2.1機器人的接觸覺1.接觸覺傳感器圖4.8所示的接觸覺傳感器由微動開關(guān)組成,根據(jù)用途不同配置也不同,一般用于探測物體位置、探索路徑和安全保護。這類配置屬于分散裝置,即把單個傳感器安裝在機械手的敏感位置上。

第21頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.8接觸覺傳感器(a)點式;(b)棒式;(c)緩沖器式;(d)平板式;(e)環(huán)式

第22頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖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,甚至還可以識別物體的大小和形狀。

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

第24頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一

2.接觸覺應(yīng)用圖4.10(a)所示為一個具有接觸覺識別功能的機器人,共有四個自由度(兩個移動和兩個轉(zhuǎn)動),由一臺微機控制,各軸運動是由直流電機閉環(huán)驅(qū)動。手部裝有壓電橡膠接觸覺傳感器,識別軟件具有搜索和識別的功能。

第25頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.10具有接觸搜索識別功能的機器

第26頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一(1)搜索過程。機器人有一扇形截面柱狀操作空間,手爪在高度方向進行分層搜索,對每一層可根據(jù)預(yù)先給定的程序沿一定軌跡進行搜索。搜索過程中,假定在①位置遇到障礙物,則手爪上的接觸覺傳感器就會發(fā)出停止前進的指令,使手臂向后縮回一段距離到達②位置。如果已經(jīng)避開了障礙物,則再前進至③,又伸出到④,再運動到⑤處與障礙物再次相碰。根據(jù)①、⑤的位置計算機就能判斷被搜索物體的位置。再按⑥、⑦的順序接近就能對搜索的目標(biāo)物進行抓取,如圖4.10(b)所示。

第27頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一(2)識別功能。圖4.11是一個配置在手上的由3×4個觸覺元件組成的表面陣列觸覺傳感器,識別對象為一長方體。假定手與搜索對象的已知接觸目標(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,機器人根據(jù)每一步搜索的接觸模式x1、x2、x3…不斷計算、估計、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，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.11用接觸覺陣列傳感器引導(dǎo)隨機搜索

第29頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一每一步搜索過程由三部分組成:①接觸覺信息的獲取、量化和對象表面形心位置的估算;②對象邊緣特征的提取和姿勢估算;③運動計算及執(zhí)行運動。要判定搜索結(jié)果是否滿足形心對中、姿勢符合要求,則還可設(shè)置一個目標(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象的存在和位姿情況。

第30頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一3.2.2機器人的接近覺接近覺是指機器人能感覺到距離幾毫米到十幾厘米遠的對象物或障礙物,能檢測出物體的距離、相對傾角或?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，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.12接近覺傳感器第32頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一電磁式傳感器在一個線圈中通入高頻電流,就會產(chǎn)生磁場,這個磁場接近金屬物時,會在金屬物中產(chǎn)生感應(yīng)電流,也就是渦流。渦流大小隨對象物體表面和線圈距離的大小而變化,這個變化反過來又影響線圈內(nèi)磁場強度。磁場強度可用另一組線圈檢測出來,也可以根據(jù)激磁線圈本身電感的變化或激勵電流的變化來檢測。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)機器人的工作對象大多是金屬部件,因此電磁式接近覺傳感器應(yīng)用較廣,在焊接機器人中可用它來探測焊縫。第33頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.13電磁式接近覺傳感原理圖第34頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一光反射式接近覺傳感器由于光的反射量受到對象物體的顏色、粗糙度和表面傾角的影響,精度較差,應(yīng)用范圍小。靜電容式接近覺傳感器是根據(jù)傳感器表面與對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,都可以檢測距離。氣壓式接近覺傳感器的原理如圖4.14所示,由一根細的噴嘴噴出氣流。如果噴嘴靠近物體,則內(nèi)部壓力會發(fā)生變化,這一變化可用壓力計測量出來。圖中曲線表示在氣壓P的情況下,壓力計的壓力與距離d之間的關(guān)系。它可用于檢測非金屬物體,尤其適用于測量微小間隙。第35頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.14氣壓式接近覺傳感原理圖第36頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一3.2.3機器人的壓覺圖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，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖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，共92頁，2023年，2月20日，星期一比較高級的壓覺傳感器是在陣列式觸點上附一層導(dǎo)電橡膠,并在基板上裝有集成電路,壓力的變化使各接點間的電阻發(fā)生變化,信號經(jīng)過集成電路處理后送出,如圖4.16所示。第39頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.16高級分布式壓覺傳感器第40頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.17所示為變形檢測器,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)等手段檢測其變形量。和直接檢測壓力的方法相比,這種方法可稱為間接檢測法。第41頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.17變形檢測器第42頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一3.2.4機器人的滑覺機器人的握力應(yīng)滿足物體既不產(chǎn)生滑動而握力又為最小臨界握力。如果能在剛開始滑動之后便立即檢測出物體和手指間產(chǎn)生的相對位移,且增加握力就能使滑動迅速停止,那么該物體就可用最小的臨界握力抓住。第43頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一檢測滑動的方法有以下幾種:(1)根據(jù)滑動時產(chǎn)生的振動檢測,如圖4.18(a)所示。(2)把滑動的位移變成轉(zhuǎn)動,檢測其角位移,如圖4.18(b)所示。(3)根據(jù)滑動時手指與對象物體間動靜摩擦力來檢測,如圖4.18(c)所示。(4)根據(jù)手指壓力分布的改變來檢測,如圖4.18(d)所示。第44頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.18滑動引起的物理現(xiàn)象(a)振動；(b)轉(zhuǎn)動；(c)剪動力;(d)移位第45頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.19所示是一種測振式滑覺傳感器。傳感器尖端用一個Φ＝0.05mm的鋼球接觸被握物體,振動通過杠桿傳向磁鐵,磁鐵的振動在線圈中感應(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?；瑒有盘柲芮宄貜脑肼曋斜环蛛x出來。但其檢測頭需直接與對象物接觸,在握持類似于圓柱體的對象物時,就必須準(zhǔn)確選擇握持位置,否則就不能起到檢測滑覺的作用;而且其接觸為點接觸,可能因造成接觸壓力過大而損壞對象表面。第46頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.19測振式滑覺傳感器第47頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.20所示的柱型滾輪式滑覺傳感器比較實用。小型滾輪安裝在機器人手指上,其表面稍突出手指表面,使物體的滑動變成轉(zhuǎn)動。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,通過圓盤形光柵把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號。第48頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.20柱型滾輪式滑覺傳感器(a)機器人夾持器；(b)傳感器第49頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一滾輪式傳感器只能檢測一個方向的滑動。圖4.21所示為南斯拉夫貝爾格萊德大學(xué)研制的機器人專用滑覺傳感器。它由一個金屬球和觸針組成,金屬球表面分成許多個相間排列的導(dǎo)電和絕緣小格。觸針頭很細,每次只能觸及一格。當(dāng)工件滑動時,金屬球也隨之轉(zhuǎn)動,在觸針上輸出脈沖信號。脈沖信號的頻率反映了滑移速度,脈沖信號的個數(shù)對應(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,而且提高了檢測靈敏度。球與被握物體相接觸,無論滑動方向如何,只要球一轉(zhuǎn)動,傳感器就會產(chǎn)生脈沖輸出。該球體在沖擊力作用下不轉(zhuǎn)動,因此抗干擾能力強。第50頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.21球形滑覺傳感器第51頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一從機器人對物體施加力的大小看,握持方式可分為三類:(1)剛力握持機器人手指用一個固定的力,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。它主要用于探測物體、探索路徑、識別物體的形狀等目的。第52頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一3.2.5機器人的力覺機器人作業(yè)是一個其與周圍環(huán)境的交互過程。作業(yè)過程有兩類:一類是非接觸式的,如弧焊、噴漆等,基本不涉及力;另一類工作是通過接觸才能完成的,如擰螺釘、點焊、裝配、拋光、加工等。目前已有將視覺和力覺傳感器用于非事先定位的軸孔裝配,其中,視覺完成大致的定位,裝配過程靠孔的倒角作用不斷產(chǎn)生的力反饋得以順利完成。又如高樓清潔機器人,當(dāng)它擦干凈玻璃時,顯然用力不能太大也不能太小,這要求機器人作業(yè)時具有力控制功能。當(dāng)然,對于機器人的力傳感器,不僅僅是上面描述的機器人末端執(zhí)行器與環(huán)境作用過程中發(fā)生的力測量,還有如機器人自身運動控制過程中的力反饋測量、機器手爪抓握物體時的握力測量等。第53頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一通常將機器人的力傳感器分為以下三類:(1)裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動器上的力傳感器,稱為關(guān)節(jié)力傳感器。它測量驅(qū)動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)行器和機器人最后一個關(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出作用在末端執(zhí)行器上的各向力和力矩。(3)裝在機器人手爪指關(guān)節(jié)上(或指上)的力傳感器,稱為指力傳感器。它用來測量夾持物體時的受力情況。第54頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.22所示為Draper實驗室研制的六維腕力傳感器的結(jié)構(gòu)。它將一個整體金屬環(huán)周壁銑成按120°周向分布的三根細梁。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)比較簡單,靈敏度也較高,但六維力(力矩)的獲得需要解耦運算,傳感器的抗過載能力較差,較易受損。第55頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.22Draper的腕力傳感器第56頁，共92頁，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,具有八個窄長的彈性梁,每一個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輸出比使用單個應(yīng)變片時大一倍。第57頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.23SRI腕力傳感器

第58頁，共92頁，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，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.25是日本大和制衡株式會社林純一在JPL實驗室研制的腕力傳感器基礎(chǔ)上提出的一種改進結(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)接處有一個柔性環(huán)節(jié),在四根交叉梁上總共貼有32個應(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解耦計算。這一傳感器一般將十字交叉主桿與手臂的聯(lián)接件設(shè)計成彈性體變形限幅的形式,可有效起到過載保護作用,是一種較實用的結(jié)構(gòu)。

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

第61頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.26所示是一種非徑向中心對稱三梁腕力傳感器,傳感器的內(nèi)圈和外圈分別固定于機器人的手臂和手爪,力沿與內(nèi)圈相切的三根梁進行傳遞。每根梁的上下、左右各貼一對應(yīng)變片,這樣,這非徑向的三根梁共粘貼6對應(yīng)變片,分別組成六組半橋,對這六組電橋信號進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,華中科技大學(xué)也曾對此結(jié)構(gòu)的傳感器進行過研究。

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

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

3.3.1電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器由一個線繞電阻(或薄膜電阻)和一個滑動觸點組成。其中滑動觸點通過機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,滑動觸點也發(fā)生位移,從而改變了滑動觸點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,可以檢測出機器人各關(guān)節(jié)的位置和位移量。

第64頁，共92頁，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。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。這種位移傳感器不會因為失電而破壞其已感覺到的信息。當(dāng)電源因故斷開時,電位器的滑動觸點將保持原來的位置不變,只需重新接通電源,原有的位置信息就會重新出現(xiàn)。另外,它還具有性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕，精度高等優(yōu)點。電位器式位移傳感器的一個主要缺點是容易磨損。由于滑動觸點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器人上的應(yīng)用受到了極大的局限,近年來隨著光電編碼器價格的降低而逐漸被取代。

第65頁，共92頁，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,滑動觸點也只能沿電阻的軸線方向做直線運動。直線型電位器的工作范圍和分辨率受電阻器長度的限制。線繞電阻、電阻絲本身的不均勻性會造成電位器式傳感器的輸入輸出關(guān)系的非線性。

第66頁，共92頁，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,滑動觸點也只能在電阻元件上做圓周運動。旋轉(zhuǎn)型電位器有單圈電位器和多圈電位器兩種。由于滑動觸點等的限制,單圈電位器的工作范圍只能小于360°;對分辨率也有一定限制。對于多數(shù)應(yīng)用情況來說,這并不會妨礙它的使用。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試電路。當(dāng)輸入電壓VCC加在電位器的兩個輸入端時,電位器的輸出信號Vout與滑動觸點的位置成比例。圖4.28所示為兩種典型的商用旋轉(zhuǎn)式電位器。

第67頁，共92頁，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，共92頁，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，共92頁，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，共92頁，2023年，2月20日，星期一3.3.2光電編碼器

1.絕對型光電編碼器絕對型編碼器即使發(fā)生電源中斷,也能正確地給出角度位置。絕對型編碼器產(chǎn)生供每種軸用的獨立的和單值的碼字。與相對型編碼器不同,它的每個讀數(shù)都與前面的讀數(shù)無關(guān)。絕對型編碼器最大的優(yōu)點是系統(tǒng)電源中斷時,器件可記錄發(fā)生中斷的地點,當(dāng)電源恢復(fù)時,它可把記錄情況通知系統(tǒng)。絕對型編碼器通常由三個主要元件構(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，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.30是絕對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,每個光電管對準(zhǔn)一條碼道。當(dāng)光源照射碼盤時,如果是透明區(qū),則光線被光電管接收,并轉(zhuǎn)變成電信號,輸出信號為“1”;如果是不透明區(qū),則光電管接收不到光線,輸出信號為“0”。被測工作軸帶動碼盤旋轉(zhuǎn)時,光電管輸出的信息就代表了軸的對應(yīng)位置,即絕對位置。

第72頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.30絕對型光電編碼器

第73頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一光電編碼盤大多采用格雷碼編碼盤,格雷碼的特點是每一相鄰數(shù)碼之間僅改變一位二進制數(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°。

第74頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一

2.相對型光電編碼器與絕對型光電編碼器一樣,相對型光電編碼器也是由前述三個主要元件構(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)光透過碼盤時,光敏元件導(dǎo)通,產(chǎn)生低電平信號,代表二進制的“0”;不透明的區(qū)域代表二進制的“1”。因此,這種編碼器只能通過計算脈沖個數(shù)來得到輸入軸所轉(zhuǎn)過的相對角度。

第75頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一由于相對型光電編碼器的碼盤加工相對容易,因此其成本比絕對型編碼器的低,而分辨率高。然而,只有使機器人首先完成校準(zhǔn)操作以后才能獲得絕對位置信息。通常,這不是很大的缺點,因為這樣的操作一般只有在加上電源后才能完成。若在操作過程中電源意外地消失,由于相對型編碼器沒有“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，共92頁，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，共92頁，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,也可以用一個傳感器檢測角度和角速度,比較方便。1)絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用因為這種編碼器的輸出表示的是旋轉(zhuǎn)角度的實際值,所以若對單位時間前的值進行記憶,并取它與現(xiàn)時值之間的差值,就可以求得角速度。

2)相對型旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用這種編碼器單位時間內(nèi)輸出脈沖的數(shù)目與角速度成比例。

第78頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一

2.測速發(fā)電機圖4.32所示為測速發(fā)電機的構(gòu)造。測速發(fā)電機與普通發(fā)電機的原理相同,除具有直流輸出型和交流輸出型以外,還有感應(yīng)型。對于直流輸出型,在其定子的永久磁鐵產(chǎn)生的靜止磁場中,安裝著繞有線圈的轉(zhuǎn)子。當(dāng)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子時,就會產(chǎn)生交流電流,因此,經(jīng)過二極管整流后,就會變換成直流進行輸出。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,輸出的電壓可以達到7V。

第79頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一圖4.32測速發(fā)電機(a)帶整流子的直流輸出測速發(fā)電機；(b)交流輸出測速發(fā)電機

第80頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一4.4多感覺智能機器人

多感覺傳感系統(tǒng)使機器人擁有一定的智能,而多感覺信息融合技術(shù)在智能機器人系統(tǒng)中的應(yīng)用,則提高了機器人的認(rèn)知水平。多感覺智能機器人的組成如圖4.33所示。它由機器人本體、控制及驅(qū)動器、多傳感器系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)和機器人示教盒組成,其工作環(huán)境為固定工作平臺。多傳感器系統(tǒng)共有接近覺、