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1、第4章 工业机器人的环境感觉技术 第4章 工业机器人的环境感觉技术 4.1 工业机器人的视觉工业机器人的视觉 4.2 工业机器人的触觉工业机器人的触觉 4.3 工业机器人的位置及位移工业机器人的位置及位移 4.4 多感觉智能机器人多感觉智能机器人 习题习题 第4章 工业机器人的环境感觉技术 4.1 工业机器人的视觉工业机器人的视觉4.1.1 4.1.1 视觉系统的硬件组成视觉系统的硬件组成 视视觉觉系系统统可可以以分分为为图图像像输输入入(获获取取)、图图像像处处理理、图图像像理理解解、图图像像存存储储和和图图像像输输出出几几个个局局部部(见见图图4.1)4.1)。实实际际系系统统可可以以根根
2、据据需要选择其中的假设干部件。需要选择其中的假设干部件。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.1视觉系统的硬件组成第4章 工业机器人的环境感觉技术 1.1.视觉传感器视觉传感器视觉传感器是将景物的光信号转换成电信号的器件。大多数机器人视觉都不必通过胶卷等媒介物,而是直接把景物摄入。过去经常使用光导摄像等电视摄像机作为机器人的视觉传感器,近年来开发了CCD(电荷耦合器件)和MOS(金属氧化物半导体)器件等组成的固体视觉传感器。固体传感器又可以分为一维线性传感器和二维线性传感器,目前二维线性传感器已经能做到四千个像素以上。由于固体视觉传感器具有体积小、重量轻等优点,因此应用日趋广泛。第4章 工业
3、机器人的环境感觉技术 由视觉传感器得到的电信号,经过AD转换成数字信号,称为数字图像。一般地,一个画面可以分成256256像素、512512像素或10241024像素,像素的灰度可以用4位或8位二进制数来表示。一般情况下,这么大的信息量对机器人系统来说是足够的。要求比较高的场合,还可以通过彩色摄像系统或在黑白摄像管前面加上红、绿、蓝等滤光器得到颜色信息和较好的反差。如果能在传感器的信息中参加景物各点与摄像管之间的距离信息,显然是很有用的。每个像素都含有距离信息的图像,称之为距离图像。目前,有人正在研究获得距离信息的各种方法,但至今还没有一种简单实用的装置。第4章 工业机器人的环境感觉技术 2.
4、摄像机和光源控制机器人的视觉系统直接把景物转化成图像输入信号,因此取景局部应当能根据具体情况自动调节光圈的焦点,以便得到一张容易处理的图像。为此应能调节以下几个参量:(1)焦点能自动对准要看的物体。(2)根据光线强弱自动调节光圈。(3)自动转动摄像机,使被摄物体位于视野中央。(4)根据目标物体的颜色选择滤光器。此外,还应当调节光源的方向和强度,使目标物体能够看得更清楚。第4章 工业机器人的环境感觉技术 3.3.计算机计算机由视觉传感器得到的图像信息要由计算机存储和处理,根据各种目的输出处理后的结果。20世纪80年代以前,由于微计算机的内存量小,内存的价格高,因此往往另加一个图像存储器来储存图像
5、数据。现在,除了某些大规模视觉系统之外,一般都使用微计算机或小型机。除了通过显示器显示图形之外,还可以用打印机或绘图仪输出图像，且使用转换精度为8位A/D转换器就可以了。但由于数据量大,要求转换速度快,目前已在使用100MB以上的8位AD转换芯片。第4章 工业机器人的环境感觉技术 4.4.图像处理机图像处理机一般计算机都是串行运算的,要处理二维图像很费时间。在要求较高的场合,可以设置一种专用的图像处理机,以便缩短计算时间。图像处理只是对图像数据做了一些简单、重复的预处理,数据进入计算机后,还要进行各种运算。第4章 工业机器人的环境感觉技术 4.1.2 4.1.2 机器人视觉的应用机器人视觉的应
6、用1.1.弧焊过程中焊枪对焊缝的自动对中弧焊过程中焊枪对焊缝的自动对中图图4.24.2所所示示为为具具有有视视觉觉焊焊缝缝对对中中的的弧弧焊焊机机器器人人的的系系统统结结构构。图图像像传传感感器器直直接接安安装装在在机机器器人人末末端端执执行行器器。焊焊接接过过程程中中,图图像像传传感感器器对对焊焊缝缝进进行行扫扫描描检检测测,获获得得焊焊前前区区焊焊缝缝的的截截面面参参数数曲曲线线，计计算算机机根根据据该该截截面面参参数数计计算算出出末末端端执执行行器器相相对对焊焊缝缝中中心心线线的的偏偏移移量量,然然后后发发出出位位移移修修正正指指令令,调调整整末末端端执执行行器器直直到到偏偏移移量量=0
7、=0为为止止。瑞瑞典典ASEAASEA公公司司研研制制的的Opotocator Opotocator 弧弧焊焊用用视视觉觉系系统统,安安装装在在距距工工件件175 175 mmmm高高度度,视视野野宽宽度度32 32 mm,mm,分分辨辨率率0.06 0.06 mm;mm;安安装装在在IRL6IRL62 2弧弧焊焊机机器器人人上上能能到到达达对对中中精精度度为为0.40 0.40 mmmm。这这种种传传感感器器还还可可测测量量出出钢钢板板厚厚度度,能能自自动动调调节节弧弧焊焊电电流流,从从而而保保证证焊焊接接质质量量,并并使使厚厚度度为为0.80 0.80 mmmm的的薄薄钢钢板板焊焊接接成成
8、为为可可能能。弧弧焊焊机机器器人人装装上上视视觉觉系系统统后后给给编编程程带带来来了了方方便便,编编程程时时只只需需严严格格按按图图样样进进行行。在在焊焊接接过过程程中中产产生生的的焊焊缝缝变变形形、装装卡卡及及传动系统的误差均可由视觉系统自动检测并加以补偿。传动系统的误差均可由视觉系统自动检测并加以补偿。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.2具有视觉焊缝对中的弧焊机器人的系统结构第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.3实现机器人弧焊工作焊缝的自动跟踪原理图第4章 工业机器人的环境感觉技术 2.装配作业中的应用装配作业中的应用图4.4所示为一个吸尘器自动装配实验系统,由2台关节机器人和7
9、台图像传感器组成。组装的吸尘器部件包括底盘、气泵和过滤器等,都自由堆放在右侧备料区,该区上方装设三台图像传感器(、),用以分辨物料的种类和方位。机器人的前部为装配区,这里有4台图像传感器A、B、C和D,用来对装配过程进行监控。使用这套系统装配一台吸尘器只需2分钟。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.4吸尘器自动装配实验系统第4章 工业机器人的环境感觉技术 3.机器人非接触式检测在机器人腕部配置视觉传感器,可用于对异形零件进行非接触式测量,如图4.5所示。这种测量方法除了能完成常规的空间几何形状、形体相对位置的检测外,如配上超声、激光、x射线探测装置,那么还可进行零件内部的缺陷探伤、外表涂层
10、厚度测量等作业。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.5具有视觉系统的机器人进行非接触式测量第4章 工业机器人的环境感觉技术 4.4.利用视觉的自主机器人系统利用视觉的自主机器人系统日本日立中央研究所研制的具有自主控制功能的智能机器人,可以用来完成按图装配产品的作业,图4.6所示为其工作示意图。它的两个视觉传感器作为机器人的眼睛,一个用于观察装配图纸，并通过计算机来理解图中零件的立体形状及装配关系;另一个用于从实际工作环境中识别出装配所需的零件,并对其形状、位置、姿态等进行识别。此外,多关节机器人还带有触觉。利用这些传感器信息,可以确定装配顺序和装配方法,逐步将零件装成与图纸相符的产品。第4
11、章 工业机器人的环境感觉技术 图4.6日立自主控制机器人工作示意图第4章 工业机器人的环境感觉技术 从功能上看,这种机器人具有图形识别功能和决策规划功能,前者可以识别一定的目标(如宏指令)、装配图纸、多面体等;后者可以确定操作序列,包括装配顺序、手部轨迹、抓取位置等。这样,只要对机器人发出类似于人的表达形式的宏指令,机器人那么会自动考虑执行这些指令的具体工作细节。该机器人已成功地进行了印刷板检查和晶体管、电动机等装配工作。第4章 工业机器人的环境感觉技术 4.2 工业机器人的触觉工业机器人的触觉 为使机器人准确地完成工作,需时刻检测机器人与对象物体的配合关系。机器人触觉可分成接触觉、接近觉、压
12、觉、滑觉和力觉五种,如图4.7所示。触头可装配在机器人的手指上,用来判断工作中各种状况。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.7机器人触觉第4章 工业机器人的环境感觉技术 4.2.1 4.2.1 机器人的接触觉机器人的接触觉1.1.接触觉传感器接触觉传感器图图4.84.8所所示示的的接接触触觉觉传传感感器器由由微微动动开开关关组组成成,根根据据用用途途不不同同配配置置也也不不同同,一一般般用用于于探探测测物物体体位位置置、探探索索路路径径和和平平安安保保护护。这这类类配配置置属属于于分分散散装装置置,即即把把单单个个传传感感器器安安装装在在机机械械手手的的敏感位置上。敏感位置上。第4章 工业
13、机器人的环境感觉技术 图图 4.8 4.8 接触觉传感器接触觉传感器(a)点式点式;(b)棒式棒式;(c)缓冲器式缓冲器式;(d)平板式平板式;(e)环式环式 第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.9所示为二维矩阵接触觉传感器的配置方法,一般放在机器人手掌的内侧。图中柔软导体可以使用导电橡胶、浸含导电涂料的氨基甲酸乙酯泡沫或炭素纤维等材料。阵列式接触觉传感器可用于测定自身与物体的接触位置、被握物体中心位置和倾斜度,甚至还可以识别物体的大小和形状。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.9矩阵式接触觉传感器第4章 工业机器人的环境感觉技术 2.2.接触觉应用接触觉应用图4.10(a)所示为一个
14、具有接触觉识别功能的机器人,共有四个自由度(两个移动和两个转动),由一台微机控制,各轴运动是由直流电机闭环驱动。手部装有压电橡胶接触觉传感器,识别软件具有搜索和识别的功能。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.10具有接触搜索识别功能的机器第4章 工业机器人的环境感觉技术(1)搜索过程。机器人有一扇形截面柱状操作空间,手爪在高度方向进行分层搜索,对每一层可根据预先给定的程序沿一定轨迹进行搜索。搜索过程中,假定在位置遇到障碍物,那么手爪上的接触觉传感器就会发出停止前进的指令,使手臂向后缩回一段距离到达位置。如果已经避开了障碍物,那么再前进至,又伸出到,再运动到处与障碍物再次相碰。根据、的位置计
15、算机就能判断被搜索物体的位置。再按、的顺序接近就能对搜索的目标物进行抓取,如图4.10(b)所示。第4章 工业机器人的环境感觉技术(2)识别功能。图4.11是一个配置在手上的由34个触觉元件组成的外表阵列触觉传感器,识别对象为一长方体。假定手与搜索对象的接触目标模式为x*,手的每一步搜索得到的接触信息构成了接触模式xi,机器人根据每一步搜索的接触模式x1、x2、x3不断计算、估计、调整手的位姿,直到目标模式与接触模式相符合为止。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.11用接触觉阵列传感器引导随机搜索第4章 工业机器人的环境感觉技术 每一步搜索过程由三局部组成:接触觉信息的获取、量化和对象外表
16、形心位置的估算;对象边缘特征的提取和姿势估算;运动计算及执行运动。要判定搜索结果是否满足形心对中、姿势符合要求,那么还可设置一个目标函数,要求目标函数在某一尺度下最优,用这样的方法可判定对象的存在和位姿情况。第4章 工业机器人的环境感觉技术 4.2.2 机器人的接近觉机器人的接近觉接接近近觉觉是是指指机机器器人人能能感感觉觉到到距距离离几几毫毫米米到到十十几几厘厘米米远远的的对对象象物物或或障障碍碍物物,能能检检测测出出物物体体的的距距离离、相相对对倾倾角角或或对对象象物物外外表表的性质。这是非接触式感觉。的性质。这是非接触式感觉。接接近近觉觉传传感感器器可可分分为为6种种:电电磁磁式式(感感
17、应应电电流流式式)、光光电电式式(反反射射或或透透射射式式)、静静电电容容式式、气气压压式式、超超声声波波式式和和红红外外线线式式,如图如图4.12所示。所示。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.12接近觉传感器第4章 工业机器人的环境感觉技术 电磁式传感器在一个线圈中通入高频电流,就会产生磁场,这个磁场接近金属物时,会在金属物中产生感应电流,也就是涡流。涡流大小随对象物体外表和线圈距离的大小而变化,这个变化反过来又影响线圈内磁场强度。磁场强度可用另一组线圈检测出来,也可以根据激磁线圈本身电感的变化或鼓励电流的变化来检测。图4.13是它的原理图。这种传感器的精度比较高,而且可以在高温下使用
18、。由于工业机器人的工作对象大多是金属部件,因此电磁式接近觉传感器应用较广,在焊接机器人中可用它来探测焊缝。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.13电磁式接近觉传感原理图第4章 工业机器人的环境感觉技术 光反射式接近觉传感器由于光的反射量受到对象物体的颜色、粗糙度和外表倾角的影响,精度较差,应用范围小。静电容式接近觉传感器是根据传感器外表与对象物体外表所形成的电容随距离变化的原理制成的。将这个电容串接在电桥中,或者把它当作RC振荡器中的元件,都可以检测距离。气压式接近觉传感器的原理如图4.14所示,由一根细的喷嘴喷出气流。如果喷嘴靠近物体,那么内部压力会发生变化,这一变化可用压力计测量出来。
19、图中曲线表示在气压P的情况下,压力计的压力与距离d之间的关系。它可用于检测非金属物体,尤其适用于测量微小间隙。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.14气压式接近觉传感原理图第4章 工业机器人的环境感觉技术 4.2.3 机器人的压觉机器人的压觉图图4.15所所示示为为阵阵列列式式压压觉觉传传感感器器。图图(a)由由条条状状的的导导电电橡橡胶胶排排成成网网状状,每每个个棒棒上上附附上上一一层层导导体体引引出出,送送给给扫扫描描电电路路;图图(b)那那么么由由单单向向导导电电橡橡胶胶和和印印制制电电路路板板组组成成,电电路路板板上上附附有有条条状状金金属属箔箔,两两块块板板上上的的金金属属条条方
20、方向向互互相相垂垂直直;图图(c)为为与与阵阵列列式式传传感感器相配的阵列式扫描电路。器相配的阵列式扫描电路。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.15阵列式压觉传感器(a)网状排列的导电橡胶；(b)单向导电橡胶和印刷电路板；(c)阵列式扫描电路第4章 工业机器人的环境感觉技术 比较高级的压觉传感器是在阵列式触点上附一层导电橡胶,并在基板上装有集成电路,压力的变化使各接点间的电阻发生变化,信号经过集成电路处理后送出,如图4.16所示。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.16高级分布式压觉传感器第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.17所示为变形检测器,用压力使橡胶变形,可用普通橡胶作传
21、感器面,用光学和电磁学等手段检测其变形量。和直接检测压力的方法相比,这种方法可称为间接检测法。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.17变形检测器第4章 工业机器人的环境感觉技术 4.2.4 机器人的滑觉机器人的滑觉机器人的握力应满足物体既不产生滑动而握力又为最小临界握力。如果能在刚开始滑动之后便立即检测出物体和手指间产生的相对位移,且增加握力就能使滑动迅速停止,那么该物体就可用最小的临界握力抓住。第4章 工业机器人的环境感觉技术 检测滑动的方法有以下几种:(1)根据滑动时产生的振动检测,如图4.18(a)所示。(2)把滑动的位移变成转动,检测其角位移,如图4.18(b)所示。(3)根据滑动
22、时手指与对象物体间动静摩擦力来检测,如图4.18(c)所示。(4)根据手指压力分布的改变来检测,如图4.18(d)所示。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.18滑动引起的物理现象(a)振动；(b)转动；(c)剪动力;(d)移位第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.19所示是一种测振式滑觉传感器。传感器尖端用一个0.05mm的钢球接触被握物体,振动通过杠杆传向磁铁,磁铁的振动在线圈中感应交变电流并输出。在传感器中设有橡胶阻尼圈和油阻尼器。滑动信号能清楚地从噪声中被别离出来。但其检测头需直接与对象物接触,在握持类似于圆柱体的对象物时,就必须准确选择握持位置,否那么就不能起到检测滑觉的作用;而
23、且其接触为点接触,可能因造成接触压力过大而损坏对象外表。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.19测振式滑觉传感器第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.20所示的柱型滚轮式滑觉传感器比较实用。小型滚轮安装在机器人手指上,其外表稍突出手指外表,使物体的滑动变成转动。滚轮外表贴有高摩擦因数的弹性物质,一般用橡胶薄膜。用板型弹簧将滚轮固定,可以使滚轮与物体紧密接触,并使滚轮不产生纵向位移。滚轮内部装有发光二极管和光电三极管,通过圆盘形光栅把光信号转变为脉冲信号。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.20柱型滚轮式滑觉传感器(a)机器人夹持器；(b)传感器第4章 工业机器人的环境感觉技术 滚轮式
24、传感器只能检测一个方向的滑动。图4.21所示为南斯拉夫贝尔格莱德大学研制的机器人专用滑觉传感器。它由一个金属球和触针组成,金属球外表分成许多个相间排列的导电和绝缘小格。触针头很细,每次只能触及一格。当工件滑动时,金属球也随之转动,在触针上输出脉冲信号。脉冲信号的频率反映了滑移速度,脉冲信号的个数对应滑移的距离。接触器触头面积小于球面上露出的导体面积,它不仅可做得很小,而且提高了检测灵敏度。球与被握物体相接触,无论滑动方向如何,只要球一转动,传感器就会产生脉冲输出。该球体在冲击力作用下不转动,因此抗干扰能力强。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.21球形滑觉传感器第4章 工业机器人的环境感觉
25、技术 从机器人对物体施加力的大小看,握持方式可分为三类:(1)刚力握持机器人手指用一个固定的力,通常是用最大可能的力握持物体。(2)柔力握持根据物体和工作目的不同,使用适当的力握持物体。握力可变或是自适应控制的。(3)零力握持可握住物体但不用力,即只感觉到物体的存在。它主要用于探测物体、探索路径、识别物体的形状等目的。第4章 工业机器人的环境感觉技术 4.2.5 机器人的力觉机器人的力觉机机器器人人作作业业是是一一个个其其与与周周围围环环境境的的交交互互过过程程。作作业业过过程程有有两两类类:一一类类是是非非接接触触式式的的,如如弧弧焊焊、喷喷漆漆等等,根根本本不不涉涉及及力力;另另一一类类工
26、工作作是是通通过过接接触触才才能能完完成成的的,如如拧拧螺螺钉钉、点点焊焊、装装配配、抛抛光光、加加工工等等。目目前前已已有有将将视视觉觉和和力力觉觉传传感感器器用用于于非非事事先先定定位位的的轴轴孔孔装装配配,其其中中,视视觉觉完完成成大大致致的的定定位位,装装配配过过程程靠靠孔孔的的倒倒角角作作用用不不断断产产生生的的力力反反响响得得以以顺顺利利完完成成。又又如如高高楼楼清清洁洁机机器器人人,当当它它擦擦干干净净玻玻璃璃时时,显显然然用用力力不不能能太太大大也也不不能能太太小小,这这要要求求机机器器人人作作业业时时具具有有力力控控制制功功能能。当当然然,对对于于机机器器人人的的力力传传感感
27、器器,不不仅仅仅仅是是上上面面描描述述的的机机器器人人末末端端执执行行器器与与环环境境作作用用过过程程中中发发生生的的力力测测量量,还还有有如如机机器器人人自自身身运运动动控控制制过过程程中中的的力力反反响响测量、测量、机器手爪抓握物体时的握力测量等。机器手爪抓握物体时的握力测量等。第4章 工业机器人的环境感觉技术 通常将机器人的力传感器分为以下三类:(1)装在关节驱动器上的力传感器,称为关节力传感器。它测量驱动器本身的输出力和力矩,用于控制中的力反响。(2)装在末端执行器和机器人最后一个关节之间的力传感器,称为腕力传感器。腕力传感器能直接测出作用在末端执行器上的各向力和力矩。(3)装在机器人
28、手爪指关节上(或指上)的力传感器,称为指力传感器。它用来测量夹持物体时的受力情况。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.22所示为Draper实验室研制的六维腕力传感器的结构。它将一个整体金属环周壁铣成按120周向分布的三根细梁。其上部圆环上有螺孔与手臂相联,下部圆环上的螺孔与手爪联接,传感器的测量电路置于空心的弹性构架体内。该传感器结构比较简单,灵敏度也较高,但六维力(力矩)的获得需要解耦运算,传感器的抗过载能力较差,较易受损。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.22Draper的腕力传感器第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.23所示是SRI(StanfordResearchIns
29、titute)研制的六维腕力传感器。它由一只直径为75mm的铝管铣削而成,具有八个窄长的弹性梁,每一个梁的颈部开有小槽以使颈部只传递力,扭矩作用很小。在梁的另一头两侧贴有应变片,假设应变片的阻值分别为R1、R2,那么将其连成如图4.24所示的形式输出,由于R1、R2所受应变方向相反,因此Vout输出比使用单个应变片时大一倍。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.23SRI腕力传感器第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.24SRI腕力传感器应变片连接方式第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.25是日本大和制衡株式会社林纯一在JPL实验室研制的腕力传感器根底上提出的一种改进结构。它是一种整体
30、轮辐式结构,传感器在十字梁与轮缘联接处有一个柔性环节,在四根交叉梁上总共贴有32个应变片(图中以小方块表示),组成8路全桥输出,六维力的获得须通过解耦计算。这一传感器一般将十字交叉主杆与手臂的联接件设计成弹性体变形限幅的形式,可有效起到过载保护作用,是一种较实用的结构。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.25林纯一的腕力传感器第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.26所示是一种非径向中心对称三梁腕力传感器,传感器的内圈和外圈分别固定于机器人的手臂和手爪,力沿与内圈相切的三根梁进行传递。每根梁的上下、左右各贴一对应变片,这样,这非径向的三根梁共粘贴6对应变片,分别组成六组半桥,对这六组电桥
31、信号进行解耦可得到六维力(力矩)的精确解。这种力觉传感器结构有较好的刚性,最先由卡纳基梅隆大学提出。在我国,华中科技大学也曾对此结构的传感器进行过研究。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.26非径向中心对称三梁腕力传感器第4章 工业机器人的环境感觉技术 4.3 工业机器人的位置及位移工业机器人的位置及位移 4.3.1 4.3.1 电位器式位移传感器电位器式位移传感器电位器式位移传感器由一个线绕电阻(或薄膜电阻)和一个滑动触点组成。其中滑动触点通过机械装置受被检测量的控制。当被检测的位置量发生变化时,滑动触点也发生位移,从而改变了滑动触点与电位器各端之间的电阻值和输出电压值,根据这种输出电压
32、值的变化,可以检测出机器人各关节的位置和位移量。第4章 工业机器人的环境感觉技术 电位器式位移传感器具有很多优点。它的输入输出特性(即输入位移量与电压量之间的关系)可以是线性的,也可以根据需要选择其他任意函数关系的输入输出特性;它的输出信号选择范围很大,只需改变电阻器两端的基准电压,就可以得到比较小的或比较大的输出电压信号。这种位移传感器不会因为失电而破坏其已感觉到的信息。当电源因故断开时,电位器的滑动触点将保持原来的位置不变,只需重新接通电源,原有的位置信息就会重新出现。另外,它还具有性能稳定，结构简单，尺寸小，重量轻，精度高等优点。电位器式位移传感器的一个主要缺点是容易磨损。由于滑动触点和
33、电阻器外表的磨损,使电位器的可靠性和寿命受到一定的影响,正因如此,电位器式位移传感器在机器人上的应用受到了极大的局限,近年来随着光电编码器价格的降低而逐渐被取代。第4章 工业机器人的环境感觉技术 按照电位器式位移传感器的结构,可以把它分成两大类:一类是直线型电位器,另一类是旋转型电位器。直线型电位器主要用于检测直线位移,其电阻器采用直线型螺线管或直线型碳膜电阻,滑动触点也只能沿电阻的轴线方向做直线运动。直线型电位器的工作范围和分辨率受电阻器长度的限制。线绕电阻、电阻丝本身的不均匀性会造成电位器式传感器的输入输出关系的非线性。第4章 工业机器人的环境感觉技术 旋转型电位器的电阻元件呈圆弧状,滑动
34、触点也只能在电阻元件上做圆周运动。旋转型电位器有单圈电位器和多圈电位器两种。由于滑动触点等的限制,单圈电位器的工作范围只能小于360;对分辨率也有一定限制。对于多数应用情况来说,这并不会阻碍它的使用。假设需要更高的分辨率和更大的工作范围,可以选用多圈电位器。图4.27为一种典型的电位器式测试电路。当输入电压VCC加在电位器的两个输入端时,电位器的输出信号Vout与滑动触点的位置成比例。图4.28所示为两种典型的商用旋转式电位器。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.27作为位置传感器的电位器第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.28典型的商用旋转式电位器第4章 工业机器人的环境感觉技术 图
35、 4.29 旋转电位器的结构原理图(a)导电塑料型；(b)线圈型第4章 工业机器人的环境感觉技术 4.3.2 光电编码器光电编码器 1.1.绝对型光电编码器绝对型光电编码器绝对型编码器即使发生电源中断,也能正确地给出角度位置。绝对型编码器产生供每种轴用的独立的和单值的码字。与相对型编码器不同,它的每个读数都与前面的读数无关。绝对型编码器最大的优点是系统电源中断时,器件可记录发生中断的地点,当电源恢复时,它可把记录情况通知系统。绝对型编码器通常由三个主要元件构成:多路(或通道)光源(如发光二极管);光敏元件;光电码盘。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.30是绝对型光电编码器的编码原理图,码
36、盘上有5条码道。所谓码道,就是码盘上的同心圆。按照二进制分布规律,把每条码道加工成透明和不透明区域相间的形式。码盘的一侧安装光源,另一侧安装一排径向排列的光电管,每个光电管对准一条码道。当光源照射码盘时,如果是透明区,那么光线被光电管接收,并转变成电信号,输出信号为“1;如果是不透明区,那么光电管接收不到光线,输出信号为“0。被测工作轴带动码盘旋转时,光电管输出的信息就代表了轴的对应位置,即绝对位置。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.30绝对型光电编码器第4章 工业机器人的环境感觉技术 光电编码盘大多采用格雷码编码盘,格雷码的特点是每一相邻数码之间仅改变一位二进制数,这样,即使制作和安装
37、不十分准确,产生的误差最多也只是最低位的一位数。在图4.30中，五位二进制码盘分辨的最小角度(分辨率)为码道越多,分辨率越高。目前,码盘码道可做到十八条,能分辨的最小角度为=360/2180.0014。第4章 工业机器人的环境感觉技术 2.相对型光电编码器与绝对型光电编码器一样,相对型光电编码器也是由前述三个主要元件构成的。两者的工作原理根本相同,所不同的是后者的光源只有一路或两路。光电码盘一般只刻有一圈或两圈透明和不透明区域,当光透过码盘时,光敏元件导通,产生低电平信号,代表二进制的“0;不透明的区域代表二进制的“1。因此,这种编码器只能通过计算脉冲个数来得到输入轴所转过的相对角度。第4章
38、工业机器人的环境感觉技术 由于相对型光电编码器的码盘加工相对容易,因此其本钱比绝对型编码器的低,而分辨率高。然而,只有使机器人首先完成校准操作以后才能获得绝对位置信息。通常,这不是很大的缺点,因为这样的操作一般只有在加上电源后才能完成。假设在操作过程中电源意外地消失,由于相对型编码器没有“记忆功能,故必须再次完成校准。如图4.31所示,编码器的分辨率通常由径向线数n来确定。这意味着,编码器能分辨的角度位置等于360n。典型的有100、128、200、256、500、512、1000、1024和2048线分辨率的编码器。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.31光学式增量型旋转编码器第4章 工
39、业机器人的环境感觉技术 4.3.3 4.3.3 角速度传感器角速度传感器1.1.旋转编码器旋转编码器当当使使用用旋旋转转编编码码器器时时,也也可可以以用用一一个个传传感感器器检检测测角角度度和和角角速度速度,比较方便。比较方便。1)1)绝对型旋转编码器的应用绝对型旋转编码器的应用因因为为这这种种编编码码器器的的输输出出表表示示的的是是旋旋转转角角度度的的实实际际值值,所所以以假假设设对对单单位位时时间间前前的的值值进进行行记记忆忆,并并取取它它与与现现时时值值之之间间的的差值差值,就可以求得角速度。就可以求得角速度。2)2)相对型旋转编码器的应用相对型旋转编码器的应用这种编码器单位时间内输出脉
40、冲的数目与角速度成比例。这种编码器单位时间内输出脉冲的数目与角速度成比例。第4章 工业机器人的环境感觉技术 2.测速发电机测速发电机图4.32所示为测速发电机的构造。测速发电机与普通发电机的原理相同,除具有直流输出型和交流输出型以外,还有感应型。对于直流输出型,在其定子的永久磁铁产生的静止磁场中,安装着绕有线圈的转子。当转动转子时,就会产生交流电流,因此,经过二极管整流后,就会变换成直流进行输出。输出电压与转子的角速度成比例,因此得到uA 式中,A为常数。通常,转速为1000 rmin时,输出的电压可以到达7 V。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图 4.32 测速发电机(a)带整流子的直流输
41、出测速发电机；(b)交流输出测速发电机第4章 工业机器人的环境感觉技术 4.4 多感觉智能机器人多感觉智能机器人 多感觉传感系统使机器人拥有一定的智能,而多感觉信息融合技术在智能机器人系统中的应用,那么提高了机器人的认知水平。多感觉智能机器人的组成如图4.33所示。它由机器人本体、控制及驱动器、多传感器系统、计算机系统和机器人示教盒组成,其工作环境为固定工作平台。多传感器系统共有接近觉、接触觉、滑觉、温度觉、热觉、力觉、视觉等七种感觉。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.33多感觉智能机器人的组成第4章 工业机器人的环境感觉技术 1.1.机器人本体机器人本体机机器器人人本本体体如如图图4.
42、344.34所所示示。其其结结构构为为典典型型的的SCARA(SCARA(平平面面关关节节)型型,共共有有4 4个个自自由由度度,即即机机身身升升降降、大大臂臂回回转转、小小臂臂回回转转和和手手腕腕回回转转。各各运运动动单单元元均均由由步步进进电电动动机机驱驱动动,其其中中机机身身的的升升降降传传动动由由滚滚珠珠丝丝杠杠螺螺母母副副完完成成,丝丝杠杠导导程程为为20 20 mm;mm;大大、小小臂臂及及腕腕的的转转动动由由步步进进电电动动机机通通过过谐谐波波减减速速器器直直接接输输出出。机机器器人人手手爪爪也也由由步步进进电电动动机机驱驱动动,丝丝杠杠螺螺母母和和连连杆杆机机构构使使两两手手指
43、指能能平平移移张张开开与合拢。与合拢。各局部参数如下各局部参数如下:第4章 工业机器人的环境感觉技术 机身高度:1680 mm;升降行程:190 mm;大臂:长度400 mm,转角300;小臂:长度380 mm,转角300;手爪:开度110mm,夹持力2kg。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.34机器人本体结构示意图第4章 工业机器人的环境感觉技术 2.多传感系统多感觉智能机器人具有七种感觉。其中,接近觉、接触觉和滑觉为一体化的传感器,传感器外形被制成手指形状,便于直接安装到手爪上。温度觉和热觉传感器装于机器人的另一个手指上,温度觉传感器是普通测量元件(集成温度传感器),热觉传感器由加热
44、局部与铂热敏电阻实现。该手指的顶部装有垂直向接近觉传感器。力传感器装于机械手的腕部。将上述六种传感器组装于一体的机械手爪如图4.35所示。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.35装有六种传感器的机械手爪第4章 工业机器人的环境感觉技术 机器人多感觉传感器系统中除以上六种非视觉传感器以外,还在机器人的上方固定安装了视觉传感器(CCD摄像机)来对准机器人的作业台面。该系统采用的是MTV-3501CB型CCD摄像机(512582 PAL制),摄像机采集的模拟视频信号通过插在计算机扩展槽中的PC Video图像处理卡转换成一定格式的数字信息,送入计算机。第4章 工业机器人的环境感觉技术 3.控制局
45、部多感觉智能机器人的控制分3层。整个控制系统的结构如图4.36所示,包括主控制单元、示教盒、3个结构相同的下级控制单元(主要控制各电动机的运转,1个单元控制2个电动机)、向各控制单元提供机器人内部信号的接口(如极限位置、零位等)以及完成人机交互界面和进行多信息融合计算和控制的计算机。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.36系统总体布局第4章 工业机器人的环境感觉技术 4.总体布局多感觉智能机器人的总体布局如图4.37所示。控制局部包含各传感器的信号调理电路、主控制器及下级控制单元、驱动电路、电源等。第4章 工业机器人的环境感觉技术 图4.37控制系统硬件框图第4章 工业机器人的环境感觉技术 习习 题题1.工业机器人的视觉系统由哪些局部组成?各局部有什么作用？2.工业机器人的触觉传感器有哪些？试举例说明触觉传感器的应用。3.试举例说明工业机器人的位置及位移传感器有哪些,并说明各自的特点。4.具有多感觉传感系统的智能机器人一般由哪些局部组成?试举例说明。