郭四章工業(yè)機(jī)器人.

1、第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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)工業(yè)機(jī)器人的視覺(jué) 4.2工業(yè)機(jī)器人的觸覺(jué)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)焊接機(jī)器人傳感系統(tǒng) 4.5裝配機(jī)器人傳感系統(tǒng)裝配機(jī)器人傳感系統(tǒng) 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)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)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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.1視覺(jué)系統(tǒng)的硬件組成第4章工業(yè)機(jī)器人的

2、環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 1. 視覺(jué)傳感器視覺(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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 由視覺(jué)傳感器得到的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)AD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256256像素、5125

3、12像素或10241024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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 2. 攝像機(jī)和光源控制攝像機(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

4、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： 焦點(diǎn)能自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)要看的物體； 根據(jù)光線強(qiáng)弱自動(dòng)調(diào)節(jié)光圈； 自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)攝像機(jī)，使被攝物體位于視野中央； 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4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 3. 計(jì)算機(jī)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)。現(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

5、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100 MB 以上的8位AD轉(zhuǎn)換芯片。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 4. 圖像處理機(jī)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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 4.1.2機(jī)器人視覺(jué)的應(yīng)用機(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

6、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)算出末端操作器相對(duì)焊縫中心線的偏移量，然后發(fā)出位移修正指令，調(diào)整末端操作器直到偏移量=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175 mm高度，視野寬度32 mm，分辨率0.06 mm; 安裝在IRL62弧焊機(jī)器人上能達(dá)到對(duì)中精度為0.40 mm。這種傳感器還可測(cè)量出鋼第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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0.80 mm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)行即

7、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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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)跟蹤原理圖第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 2. 裝配作業(yè)中的應(yīng)用裝配作業(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(、)，用以分辨物料的種類(lèi)和方位。機(jī)

8、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4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.4吸塵器自動(dòng)裝配實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 3. 機(jī)器人非接觸式檢測(cè)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)。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 4.

9、 利用視覺(jué)的自主機(jī)器人系統(tǒng)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4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.6日立自主控制機(jī)器人工作示意圖第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 從功能上看，這種機(jī)器人具有圖形識(shí)別功

10、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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 4.2工業(yè)機(jī)器人的觸覺(jué)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

11、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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.7機(jī)器人觸覺(jué)第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 4.2.1機(jī)器人的接觸覺(jué)機(jī)器人的接觸覺(jué)1. 接觸覺(jué)傳感器接觸覺(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。第4章工業(yè)機(jī)器人

12、的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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。 柔軟的電極； 柔軟的絕緣體； 電極； 電極板圖 4.9矩陣式接觸覺(jué)傳感器第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 2. 接觸覺(jué)應(yīng)用接觸覺(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

13、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)位置。如果已經(jīng)避開(kāi)了障礙物，則再前進(jìn)至，又伸出到，再運(yùn)動(dòng)到處與障礙物再次相碰。根據(jù)、的位置計(jì)算機(jī)就能判斷被搜索物體的位置，再按、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4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.1

14、0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)程示意圖第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) (2) 識(shí)別功能。圖4.11是一個(gè)配置在手上的由34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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.11用表面矩陣觸覺(jué)傳感器引導(dǎo)隨機(jī)搜索第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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

15、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4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 4.2.2機(jī)器人的接近覺(jué)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4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.12接近覺(jué)

16、傳感器第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.13電磁式接近覺(jué)傳感原理圖第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 光反射

17、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4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.14氣壓式接近覺(jué)傳感原理圖第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù)

18、 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)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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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

19、掃描電路第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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)傳感器第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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)器第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 4.2.4機(jī)器人的滑覺(jué)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

20、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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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)0.05 m

21、m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(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。 第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.19測(cè)振式滑覺(jué)傳感器第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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

22、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)。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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

23、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4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.21球形滑覺(jué)傳感器第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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。第4章工

24、業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 4.2.5機(jī)器人的力覺(jué)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

25、手爪抓握物體時(shí)的握力測(cè)量等。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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

26、。(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)。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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)

27、算，傳感器的抗過(guò)載能力較差，較易受損。圖 4.22Draper的腕力傳感器第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖4.23所示是SRI(Stanford Research Institute)研制的6維腕力傳感器。它由一只直徑為75 mm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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.23SRI腕力傳感器第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.24

28、SRI腕力傳感器應(yīng)變片連接方式第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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)。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.25林純一的腕力傳感器第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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

29、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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.26非徑向中心對(duì)稱(chēng)3梁腕力傳感器第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 4.3工業(yè)機(jī)器人的位置及位移工業(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)

30、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4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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

31、，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第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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)是直線型電位器，另一類(lèi)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

32、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4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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)

33、電位器的結(jié)構(gòu)原理圖。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.27作為位置傳感器的電位器第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.28典型的商用旋轉(zhuǎn)式電位器第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 4.3.2光電編碼器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

34、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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 1. 絕對(duì)型光電編碼器絕對(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： 多路(或通道)光源(如發(fā)光二極管)； 光敏元件; 光電碼盤(pán)。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖4.30是絕對(duì)型光電編碼器的編碼原

35、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(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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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

36、.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=360/2180.0014。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.30絕對(duì)型光電編碼器的編碼原理圖第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 2. 相對(duì)型光電編碼器相對(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)

37、來(lái)得到輸入軸所轉(zhuǎn)過(guò)的相對(duì)角度。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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數(shù)n來(lái)確定。這意味著，編碼器能分辨的角度位置等于360n。典型的有100、128、200、256、500、512、1000、102和2048線分辨率的編碼器。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.3

38、1光學(xué)式增量型旋轉(zhuǎn)編碼器第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 4.3.3角速度傳感器角速度傳感器旋轉(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。 第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 2. 測(cè)速發(fā)電機(jī)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

39、，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)第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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，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)子的角速度成比例，因此得到uA式中，A為常數(shù)。通常，轉(zhuǎn)速為1000 rmin時(shí)，輸出的電壓可以達(dá)到7 V。對(duì)于交流輸出型，在固定線圈的內(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)，

40、均可獲得穩(wěn)定的輸出。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 4.3.4機(jī)器人測(cè)距傳感器機(jī)器人測(cè)距傳感器1. 超聲波傳感器超聲波傳感器 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1 MHz的條件下為12 dBcm)，因此其頻率無(wú)法太高，通常使用20 kHz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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.33超聲波測(cè)距傳感器原理圖第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 2. STM，AFM前端尖銳的探針和試料表面接

41、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，Scanning Tunneling Microscope)。 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，Atomic Force Microscope)，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)。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.34掃描式隧道顯微鏡(STM)原理圖第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技

42、術(shù) 3. 光學(xué)測(cè)距法光學(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)。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.35三角測(cè)量原理第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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

43、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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.36透鏡成像條件和距離測(cè)量原理圖第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.37像散法距離測(cè)量原理圖第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.38刀刃法原理圖第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.39臨界角法的原理圖第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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)

44、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，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，從另一束光纖檢測(cè)光線，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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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)原理圖第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù)

45、圖 4.41利用反射光相位差的測(cè)距傳感器第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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(time of flight)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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.42飛行時(shí)間法原理圖第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 4) 利用光的波動(dòng)性 光是高度穩(wěn)定的振動(dòng)波，以光波

46、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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.43干涉法原理圖第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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

47、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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.44基于三角測(cè)距原理的距離探頭結(jié)構(gòu)第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 6) 格子投影法 向物體表面投射直線格子，攝制所生成的變形格子的圖像，將變形格子的圖像與直線格子的圖像進(jìn)行重疊，產(chǎn)生莫爾條紋等高線圖形，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)

48、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?，F(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)。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖 4.45編碼格子投影法原理圖第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 4.4焊接機(jī)器人傳感系統(tǒng)焊接機(jī)器人傳感系統(tǒng)4.4.1電弧傳感系統(tǒng)電弧傳感系統(tǒng)1 擺動(dòng)電弧傳感器擺動(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

49、靠性好，尤其符合焊接過(guò)程成本低、自動(dòng)化的要求。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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

50、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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 2旋轉(zhuǎn)電弧傳感器旋轉(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5 Hz，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)

51、電桿作為圓錐母線繞電機(jī)軸線作公轉(zhuǎn)，即圓錐擺動(dòng)。氣、水管線直接連接到下端，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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖4.46高速旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器結(jié)構(gòu)第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖4.47焊縫糾偏系統(tǒng)第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 3電弧傳感器的信號(hào)

52、處理電弧傳感器的信號(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)。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 4.4.2超聲傳感跟蹤系統(tǒng)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，

53、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)原理第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 2. 非接觸式超聲波傳感器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)軸的中心線與超聲波聲束中心線交于工件表面。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖4.49P-50機(jī)器人焊縫跟

54、蹤裝置第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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，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為坡口中心線到旋轉(zhuǎn)中心線的距離；h為傳感器到工件表面的垂直高度。 (4.1)第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖4.50焊縫偏差幾何示意第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 2) 聚焦式超聲波傳感器與非聚焦式超聲波傳感器

55、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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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

56、，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。 第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖4.51焊縫左右偏差檢測(cè)原理第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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。如果滿足|HiH0|H(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

57、；第二種情況是該點(diǎn)高度偏差大于允許偏差，即|y|HH0|H(4.3)第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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)高度的偏差滿足式(4.3)，并有連續(xù)D個(gè)檢測(cè)點(diǎn)滿足此要求，則說(shuō)明傳感器已檢測(cè)到焊縫坡口右側(cè)鋼板。|y|HjH0|H(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

58、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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 4.4.3視覺(jué)傳感跟蹤系統(tǒng)視覺(jué)傳感跟蹤系統(tǒng)1. 被動(dòng)視覺(jué)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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 2. 主動(dòng)視覺(jué)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

59、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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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

60、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??；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。第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 圖4.52焊槍一體式結(jié)構(gòu)(光視覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)第4章工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺(jué)技術(shù) 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