傳感器在機器人上的應用

1、第3章 傳感器在機器人上的應用v3.1 機器人常用傳感器簡介v3.2 機器人的要求與選擇v3.3 常用機器人內(nèi)部傳感器v3.4 常用機器人外部傳感器v3.5 多傳感器信息融合3.1 機器人常用傳感器簡介3.1.1 機器人需要的感覺能力1、觸覺能力、觸覺能力 觸覺是智能機器人實現(xiàn)與外界環(huán)境直接作用的必需媒介，是僅次于視覺的一種重要感知形式。作為視覺的補充，觸覺能感知目標物體的表面性能和物理特性：柔軟性、硬度、彈性、粗糙度和導熱性等。觸覺能保證機器人可靠地抓住各種物體，也能使機器人獲取環(huán)境信息，識別物體形狀和表面的紋路，確定物體空間位置和姿態(tài)參數(shù)等 。 檢測感知和外部直接接觸而產(chǎn)生的接觸覺、壓覺、

2、滑覺等傳感器稱為機器人觸覺傳感器。 1）接觸覺傳感器 2）壓覺傳感器 3）滑覺傳感器 2 2、力覺能力、力覺能力 力覺傳感器是機器人最基本，最重要的一種，也是發(fā)展比較成熟的傳感器。沒有力傳感器，機器人就不能獲取它與外界環(huán)境之間的相互作用力，從而難以完成機器人在環(huán)境約束下的各種作業(yè)。3 3、接近覺能力、接近覺能力 接近覺傳感器是機器人用來控制自身與周圍物體之間的相對位置或距離的傳感器。用來探測在一定距離范圍內(nèi)是否有物體接近、物體的接近距離和對象的表面形狀及傾斜等狀態(tài)。它一般都裝在機器人手部，起兩方面作用。接近覺一般用非接觸式測量元件，如霍爾效應傳感器、電磁式接近開關(guān)、光學接近傳感器和超聲波式。4

3、 4、視覺能力、視覺能力視覺信息可分為圖形信息、立體信息、空間信息和運動信息 視覺傳感器獲取的信息量要比其它傳感器獲取的信息量多得多 視覺傳感器把光學圖像轉(zhuǎn)換為電信號 視覺傳感器攝取的圖像經(jīng)空間采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換后變成一個灰度矩陣，送入計算機存儲器中，形成數(shù)字圖像 5 5、聽覺能力、聽覺能力 （1） 特定人的語音識別系統(tǒng) （2） 非特定人的語音識別系統(tǒng)6 6、嗅覺能力、嗅覺能力 主要采用了三種方法來實現(xiàn)機器人嗅覺功能： 在機器人上安裝單個或多個氣體傳感器，再配置相應處理電路來實現(xiàn)嗅覺功能。 研究者自行研制簡易的嗅覺裝置 采用商業(yè)的電子鼻產(chǎn)品，如A Loutfi用機器人進行的氣味識別研究。3.1.2

4、 機器人傳感器分類1、內(nèi)部傳感器 內(nèi)部傳感器是用于測量機器人自身狀態(tài)的功能元件。具體檢測的對象有關(guān)節(jié)的線位移、角位移等幾何量；速度、加速度、角速度等運動量；還要傾斜角和振動等物理量 。2、外部傳感器 用來檢測機器人所處環(huán)境及狀況的傳感器。一般與機器人的目標識別和作業(yè)安全等因素有關(guān)。具體有觸覺傳感器、視覺傳感器、接近覺傳感器、距離傳感器、力覺傳感器，聽覺傳感器等。傳感器分類傳感器分類3.2 機器人傳感器的要求與選擇3.2.1 機器人與傳感器的關(guān)系 傳感器處于連接外界環(huán)境與機器人的接口位置，是機器人獲取信息傳感器處于連接外界環(huán)境與機器人的接口位置，是機器人獲取信息的窗口的窗口 。用傳感器采集信息是

5、機器人智能化的第一步；其次，如何采取用傳感器采集信息是機器人智能化的第一步；其次，如何采取適當?shù)姆椒ǎ瑢⒍鄠€傳感器獲取的環(huán)境信息加以綜合處理，控制機器人適當?shù)姆椒?，將多個傳感器獲取的環(huán)境信息加以綜合處理，控制機器人進行智能作業(yè)，則是提高機器人智能程度的重要體現(xiàn)。進行智能作業(yè)，則是提高機器人智能程度的重要體現(xiàn)。 3.2.2 選擇機器人傳感器應考慮的因素 1 成本成本 2 重量重量 3 尺尺 4 輸出類型輸出類型 5 接口接口 6 分辨率分辨率 7 靈敏度靈敏度 8 線性度線性度 9 量程量程 10 響應時間響應時間 11 可靠性可靠性 12 精度和重復精度精度和重復精度3.3 常用機器人內(nèi)部傳感

6、器3.3.1 機器人的位置檢測傳感器v1）檢測規(guī)定的位置，常用ON/OFF兩個狀態(tài)值。這種方法用于檢測機器人的起始原點、終點位置或某個確定的位置。給定位置檢測常用的檢測元件有微型開關(guān)、光電開關(guān)等。規(guī)定的位移量或力作用在微型開關(guān)的可動部分上，開關(guān)的電氣觸點斷開（常閉）或接通（常開）并向控制回路發(fā)出動作信號。v2）測量可變位置和角度，即測量機器人關(guān)節(jié)線位移和角位移的傳感器是機器人位置反饋控制中必不可少的元件。常用的有電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器、編碼器等。其中編碼器既可以檢測直線位移，又可以檢測角位移。1. 光電開關(guān)光電開關(guān) 光電開關(guān)是由LED光源和光電二極管或光電三極管等光敏元件，相隔一定距離而構(gòu)成的透光

7、式開關(guān)。光電開關(guān)的特點是非接觸檢測，精度可達到0.5mm左右 。（1）漫反射式光電開關(guān) （2）鏡反射式光電開關(guān)（3）對射式光電開關(guān) （4）槽式光電開關(guān)（5）光纖式光電開關(guān)幾種光纖式光電開關(guān)2. 編碼器編碼器 編碼器可分為光電式、磁場式、感應式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。其中光電式編碼器最常用。 光電編碼器分為絕對式和增量式兩種類型。增量式光電編碼器：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價格低、精度高、響應速度快、性能穩(wěn)定等優(yōu)點,應用更為廣泛，特別是在高分辨率和大量程角速率/位移測量系統(tǒng)中，增量式光電編碼器更具優(yōu)越性 光電式增量編碼器結(jié)構(gòu)圖 光電編碼器的輸出波形圖

8、3. 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器有鐵芯、兩個定子線圈和兩個轉(zhuǎn)子線圈組成，是測量旋轉(zhuǎn)角度的傳感器。旋轉(zhuǎn)變壓器同樣也是變壓器，它的初級線圈與旋轉(zhuǎn)軸相連，并經(jīng)滑環(huán)通有交變電流（如圖所示）。旋轉(zhuǎn)變壓器具有兩個次級線圈，相互成90度放置。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，有轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的磁通量跟隨一起旋轉(zhuǎn)，當初級線圈與兩個次級線圈中的一個平行時，該線圈中的感應電壓最大，而在另一個垂直于初級線圈的次級線圈中沒有任何感應電壓。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，最終第一個次級線圈中的電壓達到零，而第二個次級線圈中的電壓達到最大值。對于其他角度兩個次級線圈產(chǎn)生與初級線圈夾角正、余弦成正比的電壓。雖然旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出是模擬量，但卻等同于角度的正

9、弦、余弦值，這就避免了以后計算這些值的必要性。旋轉(zhuǎn)變壓器可靠、穩(wěn)定且準確 。旋轉(zhuǎn)變壓器原理圖 3.3.2 機器人速度、角速度傳感器1編碼器編碼器 如果用編碼器測量位移，那么就沒有必要再單獨使用速度傳感器。對任意給定的角位移，編碼器將產(chǎn)生確定數(shù)量的脈沖信號，通過統(tǒng)計指定時間(dt)內(nèi)脈沖信號的數(shù)量，就能計算出相應的角速度。Dt越短，得到的速度值就越準確，越接近實際的瞬時速度。但是，如果編碼器的轉(zhuǎn)動很緩慢，則測得的速度可能會變的不準確。通過對控制器的編程，將指定時間內(nèi)脈沖信號的個數(shù)轉(zhuǎn)化為速度信息就可以計算出速度。2. 測速發(fā)電機測速發(fā)電機 測速發(fā)電機是一種把輸入的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成輸出的電壓信號的機電

10、式信號元件，它可以作為測速、校正和解算元件，廣泛應用于機器人的關(guān)節(jié)速度測量中。機器人對測速發(fā)電機的性能要求： 1）輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間有嚴格的正比關(guān)系。 2）輸出電壓的脈動要盡可能小。 3）溫度變化對輸出電壓的影響要小。 4）在一定轉(zhuǎn)速時所產(chǎn)生的電動勢及電壓應盡可能大。 5）正反轉(zhuǎn)時輸出電壓應對稱。測速發(fā)電機主要可分為直流測速發(fā)電機和交流測速發(fā)電機 （1）直流測速發(fā)電機）直流測速發(fā)電機 有永磁式和電磁式兩種。其結(jié)構(gòu)與直流發(fā)電機相近。永磁式采用高性能永久磁鋼勵磁，受溫度變化的影響較小,輸出變化小，斜率高,線性誤差小。這種電機在80年代因新型永磁材料的出現(xiàn)而發(fā)展較快。電磁式采用他勵式，不僅復雜且因勵

11、磁受電源、環(huán)境等因素的影響，輸出電壓變化較大，用得不多。如圖為直流測速發(fā)電機基本結(jié)構(gòu)圖。a) 電磁式 b) 永磁式 （2）交流測速發(fā)電機）交流測速發(fā)電機 交流測速發(fā)電機分為同步測速發(fā)電機和異步測速發(fā)電機 。 根據(jù)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)型式，異步測速發(fā)電機又可分為籠型轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機和杯型轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機，前者結(jié)構(gòu)簡單，輸出特性斜率大，但特性差，誤差大，轉(zhuǎn)子慣量大，一般僅用于精度要求不高的系統(tǒng)中；后者轉(zhuǎn)子采用非磁性空心杯，轉(zhuǎn)子慣量小，精度高，是目前應用最廣泛的一種交流測速發(fā)電機。 1杯型結(jié)構(gòu) 2外定子 3內(nèi)定子 4機殼 5端蓋 杯型轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機基本結(jié)構(gòu)3.4 常用機器人外部傳感器3.4.1 機器人

12、接觸覺傳感器 機器人接觸覺傳感器用來判斷機器人是否接觸物體的測量傳感器。傳感器輸出信號常為0或1，最經(jīng)濟適用的形式是各種微動開關(guān)。常用的微動開關(guān)由滑柱、彈簧、基板和引線構(gòu)成，具有性能可靠、成本低、使用方便等特點。 簡單的接觸式傳感器以陣列形式排列組合成觸覺傳感器，它以特定次序向控制器發(fā)送接觸和形狀信息。如圖所示 如右圖所示。當有力作用在聚合物上時，力就會被傳給周圍的一些傳感器，這些傳感器會產(chǎn)生與所受力成正比的信號。對于分辨率要求較低的場合，使用這些傳感器會產(chǎn)生令人滿意的效果 。 接觸覺傳感器可以提供的物體的信息如下圖所示。當觸覺傳感器與物體接觸時，依據(jù)物體的形狀和尺寸，不同的接觸傳感器將以不同

13、的次序?qū)佑|做出不同的反應?？刂破骶屠眠@些信息來確定物體的大小和形狀。圖中給出了三個簡單的例子：接觸立方體、圓柱體和不規(guī)則形狀立方體、圓柱體和不規(guī)則形狀的物體。每個物體都會使觸覺傳感器產(chǎn)生一組唯一的特征信號，由此可確定接觸的物體。類皮膚觸覺傳感器 接觸覺傳感器可提供的物體信息 3.4.2 接近覺傳感器1電磁式接近傳感器電磁式接近傳感器 如圖所示為電磁式接近傳感器。加有高頻信號is的勵磁線圈 L產(chǎn)生的高頻電磁場作用于金屬板，在其中產(chǎn)生渦流，該渦流反作用于線圈。通過檢測線圈的輸出可反映出傳感器與被接近金屬間的距離。2光學接近傳感器光學接近傳感器 光學接近覺傳感器由用做發(fā)射器的光源和接收器兩部分組

14、成，光源可在內(nèi)部，也可在外部，接收器能夠感知光線的有無。 發(fā)射器及接受器的配置準則配置準則是：發(fā)射器發(fā)出的光只有在物體接近時才能被接收器接收。除非能反射光的物體處在傳感器作用范圍內(nèi)，否則接收器就接受不到光線，也就不能產(chǎn)生信號。3超聲波接近覺傳感器超聲波接近覺傳感器 超聲波傳感器有兩種工作模式，即對置模式和回波模式。下圖為超聲波接近覺傳感器原理圖。4感應式接近覺傳感器感應式接近覺傳感器 感應式接近覺傳感器用于檢測金屬表面。這種傳感器其實就是一個帶有鐵養(yǎng)體磁心、振蕩器檢測器和固態(tài)開關(guān)的線圈。5電容式接近覺傳感器電容式接近覺傳感器利用電容量的變化產(chǎn)生接近覺。電容接近覺傳感器如圖所示。其本身作為一個極

15、板，被接近物作為另一個極板。將該電容接入電橋電路或RC振蕩電路，利用電容極板距離的變化產(chǎn)生電容的變化，可檢測出與被接近物的距離。電容式接近覺傳感器具有對物體的顏色、構(gòu)造和表面都不敏感且實時性好的優(yōu)點。6. 渦流接近覺傳感器渦流接近覺傳感器 渦流傳感器具有兩個線圈第一個線圈產(chǎn)生作為參考用的變化磁通，在有導電材料接近時，其中將會感應出渦流，感應出的渦流又會產(chǎn)生與第一個線圈反向的磁通使總的磁通減少。總磁通的變化與導電材料的接近程度成正比，它可由第二組線圈檢測出來。渦流傳感器不僅能檢測是否有導電材料，而且能夠?qū)Σ牧系目障?、裂縫、厚度等進行非破壞性檢測。7. 霍爾式傳感器霍爾式傳感器 當磁性物件移近霍爾

16、開關(guān)時，開關(guān)檢測面上的霍爾元件因產(chǎn)生霍爾效應而使開關(guān)內(nèi)部電路狀態(tài)發(fā)生變化，由此識別附近有磁性物體存在，進而控制開關(guān)的通或斷。這種接近開關(guān)的檢測對象必須是磁性物體 3.4.3 測距儀測距儀用于測量較長的距離，它可以探測障礙物和物體表面的形狀，并且用于向系統(tǒng)提供早期信息。測距儀一般是基于光（可見光、紅外光或激光）和超聲波的。常用的測量方法是三角法和測量傳輸時間法 。用單束光線照射物體，會在物體上形成一個光斑，形成的一個光斑，形成的光斑用攝像機或光敏三極管等接收器接受。距離或深度可根據(jù)接收器，光源及物體上的光斑所形成的三角形計算出來，如圖所示從圖a可以清楚地看出：物體、光源和接收器之間的布局只在某一

17、瞬間能使接收器接收到光斑，此時距離d可依下式計算，式中L和 已知，如果能測出，那么就可以計算出d2. 測量傳輸時間法測量傳輸時間法 信號傳輸?shù)木嚯x包括從發(fā)射器到物體和被物體反射到接收器兩部分。傳感器與物體之間的距離是信號行進距離的一半，知道了傳播速度，通過測量信號的往返時間即可算出距離。3.4.4 超聲波測距儀1、優(yōu)點超聲波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)堅固、簡單、廉價并且能耗低，可以很容易地用于攝像機調(diào)焦、運動探測報警、機器人導航和測距。2、缺點分辨率和最大工作距離受到限制，分辨率的限制是來自聲波的波長、傳輸介質(zhì)中的溫度和傳播速度的不一致。最大距離的限制來自于介質(zhì)對超聲波能量的吸收。3、工作原理絕大部分的超聲波測

18、距設(shè)備采用測量時間的方法進行測距。工作原理是，發(fā)射器發(fā)射高頻超聲波脈沖，它在介質(zhì)中型近一段距離，遇到障礙物后返回，由接收器接收，發(fā)射器和物體之間的距離等于超聲波行進距離的一半，行進距離則等于傳輸時間與聲速的乘積 。4、測量精度測量精度不僅與信號的波長有關(guān)，還與時間測量精度和聲速精度有關(guān)。超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與聲波的頻率、介質(zhì)密度及介質(zhì)溫度有關(guān)。3.4.5 紅外測距儀1、定義 紅外線是介于可見光和微波之間的一種電磁波，因此，它不僅具有可見光直線傳播、反射、折射等特性，還具有微波的某些特性，如較強的穿透能力和能貫穿某些不透明物質(zhì)等。紅外傳感器包括紅外發(fā)射器件和紅外接收器件。自然界的所有物體只要

19、溫度高于絕對零度都會輻射紅外線，因而，紅外傳感器須具有更強的發(fā)射和接收能力。2、原理 紅外測距傳感器利用紅外信號遇到障礙物距離的不同反射的強度也不同的原理，進行障礙物遠近的檢測。紅外測距傳感器具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號，接收管接收這種頻率的紅外信號，當紅外的檢測方向遇到障礙物時，紅外信號反射回來被接收管接收，經(jīng)過處理之后，通過數(shù)字傳感器接口返回到機器人主機，機器人即可利用紅外的返回信號來識別周圍環(huán)境的變化。3.4.6 機器人姿態(tài)傳感器1、定義 姿態(tài)傳感器時用來檢測機器人與地面相對關(guān)系的傳感器 ，一般用在移動機器人上。2、陀螺儀 典型的姿態(tài)傳感器是陀螺儀，陀螺

20、儀是一種傳感器，它利用高速旋轉(zhuǎn)物體（轉(zhuǎn)子）經(jīng)常保持其一定姿態(tài)的性質(zhì)。轉(zhuǎn)子通過一個支撐它的，被稱為萬向接頭的自由支持機構(gòu)，安裝在機器人上。如圖所示為一個速率陀螺儀原理圖。機器人圍繞著輸入軸以角速度轉(zhuǎn)動時，與輸入軸正交的輸出軸僅轉(zhuǎn)過角度。在速率陀螺儀中，加裝了彈簧。缷掉這個彈簧后的陀螺儀，稱為速率積分陀螺儀，此時輸出軸以角速度旋轉(zhuǎn)，且此角速度與圍繞輸入軸的旋轉(zhuǎn)角速度成正比。速率陀螺儀原理圖 3.4.7 機器人力覺傳感器1、定義 力覺是指對機器人的指、肢和關(guān)節(jié)等運動中所受力的感知，用于感知夾持物體的狀態(tài)；校正由于手臂變形引起的運動誤差；保護機器人及零件不會損壞。它們對裝配機器人具有重要意義。主要包括

21、關(guān)節(jié)力傳感器、腕力傳感器、機座傳感器等。1）關(guān)節(jié)傳感器 電流檢測，液壓系統(tǒng)的背壓檢測和應力式關(guān)節(jié)力傳感器等。2）腕力傳感器 可以采用應變式、電容式、壓電式等，主要采用應變式。如筒式六維力和力矩傳感器、十字輪六維力和力矩傳感器等。1. 力力矩傳感器 豎梁式 6自由度力傳感器原理圖 力力矩覺傳感器主要用于測量機器人自身或與外界相互作用而產(chǎn)生的力或力矩的傳感器。它通常裝在機器人各關(guān)節(jié)處。 剛體在空間的運動可以用 6個坐標來描述，例如用表示剛體質(zhì)心位置的三個直角坐標和分別繞三個直角坐標軸旋轉(zhuǎn)的角度坐標來描述?？捎枚喾N結(jié)構(gòu)的彈性敏感元件來敏感機器人關(guān)節(jié)所受的 6個自由度的力或力矩，再由粘貼其上的應變片（

22、見半導體應變計、電阻應變計）將力或力矩的各個分量轉(zhuǎn)換為相應的電信號。常用彈性敏感元件的形式有十字交叉式、三根豎立彈性梁式和八根彈性梁的橫豎混合結(jié)構(gòu)等。如圖所示為豎梁式 6自由度力傳感器的原理。在每根梁的內(nèi)側(cè)粘貼張力測量應變片，外側(cè)粘貼剪切力測量應變片，從而構(gòu)成 6個自由度的力和力矩分量輸出。 2. 應變片應變片 應變片也能用于測量力。應變片的輸出是與其形變成正比的阻值，而形變本身又與施加的力成正比。于是，通過測量應變片的電阻，就可以確定施加力的大小。 應變片常用于測量末端執(zhí)行器和機器人腕部的作用力。應變片也可用于測量機器人關(guān)節(jié)和連桿上的載荷，但不常用。下圖a是應變片的簡單的原理圖。應變片常用在

23、惠斯通電橋中，如圖b所示，電橋平衡時A點和B點電位相等。四個電阻只要有一個變化，兩點間就會有電流通過。因此，必須首先調(diào)整電橋使電流計歸零。假定R1是應變片的電阻，在壓力作用下該阻值會發(fā)生變化，導致惠更斯電橋不平衡，并使A點和B點間有電流通過。仔細調(diào)整一個其他電阻的阻值，直到電流為零，應力片的阻值變化可由下式得到： a）應變片 b）惠斯通電橋應變片傳感器3. 多維力傳感器多維力傳感器1）定義 多維力傳感器指的是一種能夠同時測量兩個方向以上力及力矩分量的力傳感器，在笛卡爾坐標系中力和力矩可以各自分解為三個分量，因此，多維力最完整的形式是六維力/力矩傳感器,即能夠同時測量三個力分量和三個力矩分量的傳

24、感器，目前廣泛使用的多維力傳感器就是這種傳感器。在某些場合，不需要測量完整的六個力和力矩分量而只需要測量其中某幾個分量，因此，就有了二、三、四、五維的多維力傳感器，其中每一種傳感器都可能包含有多種組合形式 。2）應用 多維力傳感器廣泛應用于機器人手指、手爪研究；機器人外科手術(shù)研究；指力研究；牙齒研究；力反饋；剎車檢測；精密裝配、切削；復原研究；整形外科研究；產(chǎn)品測試；觸覺反饋；示教學習。行業(yè)覆蓋了機器人、汽車制造、自動化流水線裝配、生物力學、航空航天、輕紡工業(yè)等領(lǐng)域。 如圖所示為六維力傳感器結(jié)構(gòu)圖 。六維力傳感器結(jié)構(gòu)圖3）測量方式 應力的測量方式很多,這里采用電阻應變計的方式測量彈性體上應力的

25、大小。理論研究表明，在彈性體上只受到軸向的拉壓作用力,因此只要在每個彈性體連桿上粘貼一片應變計(如六維力傳感器結(jié)構(gòu)圖所示) ,然后和其它三個固定電阻器正確連接即可組成測量電橋，從而通過電橋的輸出電壓測量出每個彈性體上的應力大小。整個傳感器力敏元件的彈性體連桿有6 個，因此需要6 個測量電橋分別對6 個應變信號進行測量。傳感器力敏元件的彈性體連桿機械應變一般都較小，為將這些微小的應變引起的應變計電阻值的微小變化測量出來, 并有效提高電壓靈敏度，測量電路采用直流電橋的工作方式,其基本形式如下圖所示為測量電橋。測量電橋4. 機器人腕力傳感器機器人腕力傳感器1）定義 機器人腕力傳感器測量的是三個方向的

26、力（力矩），所以一般均采用六維力力矩傳感器。由于腕力傳感器既是測量的載體又是傳遞力的環(huán)節(jié)，所以腕力傳感器的結(jié)構(gòu)一般為彈性結(jié)構(gòu)梁，通過測量彈性體的變形得到3個方向的力（力矩） 。2）林純一六維腕力傳感器 如圖所示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)，傳感器在十字架與輪緣聯(lián)接處有一個柔性環(huán)節(jié)，因而簡化了彈性體的受力模型（在受力分析時可簡化為懸臂梁）。在四根交叉梁上總共貼有32個應變片（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

27、載保護作用，是一種較實用的結(jié)構(gòu) 。林純一六維腕力傳感器 3）六維腕力傳感器 如圖所示為斯坦福大學（Stanford Research Institute）研制的六維腕力傳感器。該傳感器利用一段鋁管加工成串聯(lián)的彈性梁，在梁上粘貼一對應變片，其中一片用于溫度補償。筒體由8各彈性梁支撐。由于機器人各個桿件通過關(guān)節(jié)連接在一起，運動時各桿件相互聯(lián)動，所以單個桿件的受力情況很復雜。但我們可以根據(jù)剛體力學的原理：剛體上任何一點的力都可以表示為笛卡爾坐標系三個坐標軸的分力和繞三個軸的分力矩，只要測出這三個分力和分力矩，就能計算出該點的合力 。六維腕力傳感器3.4.8 機器人滑覺傳感器1、定義 機器人在抓取不知

28、屬性的物體時，其自身應能確定最佳握緊力的給定值。當握緊力不夠時，要檢測被握緊物體的滑動，利用該檢測信號，在不損害物體的前提下，考慮最可靠的夾持方法，實現(xiàn)此功能的傳感器稱為滑覺傳感器滑覺傳感器。2、分類 有滾動式和球式，還有一種通過振動檢測滑覺的傳感器。3、工作原理 物體在傳感器表面上滑動時，和滾輪或環(huán)相接觸，把滑動變成轉(zhuǎn)動。磁力式滑覺傳感器中，滑動物體引起滾輪滾動，用磁鐵和靜止的磁頭，或用光傳感器進行檢測，這種傳感器只能檢測到一個方向的滑動。球式傳感器用球代替滾輪，可以檢測各個方向的滑動，振動式滑覺傳感器表面伸出的觸針能和物體接觸，物體滾動時，觸針與物體接觸而產(chǎn)生振動，這個振動由壓點傳感器或磁

29、場線圈結(jié)構(gòu)的微小位移計檢測 。1. 光纖滑覺傳感器光纖滑覺傳感器1）定義）定義：將光纖傳感器用于機器人機械手上的有關(guān)研究主要是光纖壓覺或力覺傳感器和光纖觸覺傳感器。2）優(yōu)點）優(yōu)點：由于光纖傳感器具有體積小、不受電磁干擾、本質(zhì)上防燃防爆等優(yōu)點，因而在機械手作業(yè)過程中，可靠性較高。3）原理）原理：在光纖滑覺傳感系統(tǒng)中，利用滑球的微小轉(zhuǎn)動來進行切向滑覺的轉(zhuǎn)換，在滑球中心嵌入一平 面反射鏡。光纖探頭由中心的發(fā)射光纖和對稱布設(shè)的四根光信號接收光纖組成。來自發(fā)射光纖的出射光經(jīng)平面鏡反射后，被發(fā)射光纖周圍的四根光纖所接收，形成同一光場的四象限光探測，所接收的四象限光信號經(jīng)前置放大后被送入信號處理系統(tǒng)。當傳感

30、器的滑球在有滑動趨勢的物體作用下繞球心產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動時，由此引起反射光場發(fā)生變化，導致四象限接收光纖所接收到的光信號受到調(diào)制，從而實現(xiàn)全方位光纖滑覺檢測。系統(tǒng)如框圖所示。 光纖滑覺傳感器結(jié)構(gòu)如圖所示。傳感器殼體中開有一球冠形槽，可使滑球在其中滑動。滑 球的一小部分露出并與乳膠膜相接觸，滑動物體通過乳膠膜與滑球發(fā)生相互作用。滑球中心平面與一個內(nèi)嵌平面反射鏡的剛性圓板固接，該圓板通過八個儀表彈簧與傳感器殼體相連。構(gòu)成了該滑覺傳感器的彈性恢復系統(tǒng)。 2. 機器人專用滑覺傳感器機器人專用滑覺傳感器如圖所是貝爾格萊德大學研制的球型機器人專用滑覺傳感器。它由一個金屬球和觸針組成，金屬球表面分別許多間隔排列的

31、導電和絕緣小格。觸針頭很細，每次只能觸及一個格。當工件滑動時，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)對應滑移的距離。接觸器觸頭面積小于球面上露出的導體面積，它不僅可做得很小，而且檢測靈敏度。球與別握物體相接觸，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。3.4.9 機器人視覺傳感器1. 人的視覺人的視覺 1）人的眼睛是由含有感光細胞的視網(wǎng)膜和作為附屬結(jié)構(gòu)的折光系統(tǒng)等部分組成。 2）人眼的適宜刺激波長是370740nm的電磁波。 3）在這個可見光譜的范圍內(nèi)，人腦通過接收來自視網(wǎng)膜的傳入信息，可

32、以分辨出視網(wǎng)膜像的不同亮度和色澤。 4）因而可以看清視野內(nèi)發(fā)光物體或反光物體的輪廓、形狀、顏色、大小、遠近和表面細節(jié)等情況。 5）人眼視網(wǎng)膜上有兩種感光細胞，視錐細胞主要感受白天的景象。 6）視桿細胞感受夜間景象。 7）人的視錐細胞大約有700多萬個，是聽覺細胞的3000多萬倍。2. 機器人視覺機器人視覺機器人的視覺系統(tǒng)通常是利用光電傳感器構(gòu)成的。 機器人的視覺作用的過程如圖所示。機器人視覺系統(tǒng)要能達到實用，至少要滿足以下幾方面的要求。 首先是實時性。 其次是可靠性。 再次是要求有柔性。 最后是價格適中。機器人傳感器應用的條件如下： 在空間中判斷物體的位置和形狀一般需要兩類信息：距離信息和明暗

33、信息 獲得距離信息的方法可以有超聲波、激光反射法、立體攝像法等。 明暗信息主要靠電視攝像機、CCD固態(tài)攝像機來獲得。 3. 機器人視覺傳感器機器人視覺傳感器（1）人工網(wǎng)膜人工網(wǎng)膜是用光電管陣列代替網(wǎng)膜感受光信號。其最簡單的形式是33的光電管矩陣，多的可達256256個像素的陣列甚至更高。以33陣列為例。數(shù)字字符1，得到的正、負像如圖所示，大寫字母字符I ，所得正、負像如圖3.29所示，事先作為標準圖像存儲起來。 數(shù)字字符1的正、負像大寫字符I的正、負像與1比較與I比較正像相關(guān)值33負像相關(guān)值62總相關(guān)值95 工作時得到數(shù)字字符1的輸入，其正、負像可與已存儲的1和I的正、負像進行比較。結(jié)果見下表 在兩者比較中，是1的總相關(guān)值是9，等于陣列中光電管的總數(shù)。這表示所輸入的圖像信息與預先存儲的圖像數(shù)字字符1的信息是完全一致的。由此可判斷輸入的字符是數(shù)字字符1，不是大寫字母字符I，也不是其他字符。 （2）光電探測器件 最簡單的光探測器是光電管和光敏二極管。固態(tài)探測器件可以排列成線性陣列和矩陣陣列使之具有直接