智慧制造-機(jī)器人傳感技術(shù)與控制

1、智慧制造:機(jī)器人傳感技術(shù)(jsh)與控制共七十四頁(yè)第一代機(jī)器人：不具有(jyu)感知和反饋，示教再現(xiàn)型 第二代機(jī)器人：對(duì)外界環(huán)境有一定感知能力，具有視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等功能。第三代機(jī)器人：智能機(jī)器人，具有感覺(jué)能力，有記憶、推理和決策的能力，有與外部世界對(duì)象、環(huán)境和人相適應(yīng)、相協(xié)調(diào)的工作機(jī)能。為了檢測(cè)作業(yè)對(duì)象、環(huán)境或機(jī)器人與它們的關(guān)系，在機(jī)器人上安裝了觸覺(jué)、視覺(jué)、力覺(jué)、接近覺(jué)、超聲波等傳感器，進(jìn)行定位和控制，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似人類(lèi)感知作用。機(jī)器人傳感器是指機(jī)器人對(duì)內(nèi)外部環(huán)境感知的物理量變換為電量輸出的裝置。共七十四頁(yè)機(jī)器人傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。機(jī)器人的內(nèi)部傳感器是安裝在機(jī)器人自身中,用來(lái)感知它自

2、己的狀態(tài)，以調(diào)整并控制機(jī)器人的行動(dòng)。它通常由位置、速度、加速度及壓力傳感器組成。機(jī)器人的外部傳感器是檢測(cè)環(huán)境(hunjng)、目標(biāo)的狀態(tài)特征，使機(jī)器人-環(huán)境發(fā)生交互作用，從而使機(jī)器人對(duì)環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力。類(lèi)型：包括觸覺(jué)傳感器、視覺(jué)傳感器、接近覺(jué)傳感器、聽(tīng)覺(jué)傳感器等。共七十四頁(yè)控制器內(nèi)部(nib)傳感外部(wib)傳感機(jī)器人位置傳感器速度傳感器加速度傳感器力和壓力傳感器微動(dòng)開(kāi)關(guān)紅外傳感器接觸和視覺(jué)傳感器接近覺(jué)傳感器超聲波傳感器視覺(jué)傳感器語(yǔ)音合成器內(nèi)傳感器用于測(cè)量機(jī)器人自身狀態(tài)測(cè)量與機(jī)器人作業(yè)有關(guān)的外部環(huán)境共七十四頁(yè)多指協(xié)調(diào)控制抓取規(guī)劃(guhu) 多指多關(guān)節(jié)(gunji)靈巧機(jī)械手三個(gè)手指

3、3個(gè)關(guān)節(jié)電 機(jī)角度傳感器復(fù)合觸覺(jué)傳感器通過(guò)從結(jié)構(gòu)與功能上模仿人手，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種形狀物體的靈巧操作，精確的力控制與運(yùn)動(dòng)控制共七十四頁(yè)傳感器在機(jī)器人身上(shn shng)分布 共七十四頁(yè) 5.1 機(jī)器人內(nèi)部(nib)傳感器機(jī)器人內(nèi)傳感器包括位移（位置）傳感器、速度、加速度傳感器等。一、位置傳感器1.電位器式位移傳感器直線(xiàn)電位器和圓形電位器，用作直線(xiàn)位移和角位移傳感器。電位器式位移傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，精度高，較方便地選擇其輸出信號(hào)范圍。共七十四頁(yè)電位器式位移傳感器的可動(dòng)電刷與被測(cè)物體相連。物體的位移引起電位器移動(dòng)端的電阻變化。阻值的變化量反映了位移的量值，阻值的增加還是減小則表明了位移的方

4、向。 電位器式位移傳感器位移和電壓(diny)關(guān)系： E：輸入電壓(diny) L：觸頭最大移動(dòng)距離 X：向左端移動(dòng)的距離 e：電阻右側(cè)的輸出電壓共七十四頁(yè)旋轉(zhuǎn)(xunzhun)型電位器式位移傳感器直線(xiàn)型電位器式位移(wiy)傳感器共七十四頁(yè)2. 旋轉(zhuǎn)光電編碼器 旋轉(zhuǎn)光電編碼器是角度、角速度檢測(cè)(jin c)裝置，具有體積小，精度高，工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。 一般裝在機(jī)器人各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸上，用來(lái)測(cè)量各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度或角速度。 共七十四頁(yè)編碼器在機(jī)器人中的應(yīng)用(yngyng)伺服電機(jī)伺服電機(jī)編碼器伺服電機(jī)伺服電機(jī)編碼器編碼器編碼器共七十四頁(yè)(1)絕對(duì)(judu)式編碼器 絕對(duì)式編碼器按照角度

5、直接進(jìn)行編碼，直接用數(shù)字代碼表示。 根據(jù)(gnj)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測(cè)方式有接觸式、光電式等。 絕對(duì)式光電編碼器的編碼盤(pán)由透明及不透明區(qū)組成。 共七十四頁(yè)接觸式4個(gè)電刷 4位二進(jìn)制碼盤(pán) 最小分辨(fnbin)角 3602n 當(dāng)n4，3602422.5 導(dǎo)電(dodin)為“1”，非導(dǎo)電為“0”共七十四頁(yè)絕對(duì)(judu)式光電編碼器原理光電式LED光敏元件(yunjin)共七十四頁(yè)光電編碼器位置測(cè)量(cling)動(dòng)畫(huà)演示共七十四頁(yè)（2）增量(zn lin)式光電編碼器的結(jié)構(gòu)碼盤(pán)光欄板LED零位標(biāo)志(biozh)（一轉(zhuǎn)脈沖）光敏元件360條紋數(shù)360 10240.352透光條紋共七十四頁(yè)90ABAB辨向

6、：光敏元件所產(chǎn)生(chnshng)的信號(hào)A、B彼此相差90相位。當(dāng)碼盤(pán)正轉(zhuǎn)時(shí)，A信號(hào)超前B信號(hào)90；當(dāng)碼盤(pán)反轉(zhuǎn)時(shí)，B信號(hào)超前A信號(hào)90。零位(ln wi)標(biāo)記槽LED光源編碼盤(pán)透光槽均勻分布零位讀出光電元件“一轉(zhuǎn)信號(hào)”或零標(biāo)志脈沖，測(cè)量的起始基準(zhǔn)共七十四頁(yè)增量式編碼器原理(yunl)動(dòng)畫(huà)演示絕對(duì)式編碼器輸出二進(jìn)制編碼，增量(zn lin)式編碼器輸出脈沖。共七十四頁(yè)二、速度傳感器速度傳感器：測(cè)量機(jī)器人關(guān)節(jié)速度。 測(cè)速發(fā)電機(jī)、增量光電編碼器。測(cè)速發(fā)電機(jī)：把機(jī)械轉(zhuǎn)速變換(binhun)成電壓信號(hào)，輸出電壓與輸入的轉(zhuǎn)速成正比。 u = Kn K 是常數(shù)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理1永久磁鐵(yn ji

7、c ti)；2轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈；3電刷；4整流子共七十四頁(yè)測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(zhun z)與機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)相連，就能測(cè)出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)速度。測(cè)速發(fā)電機(jī)在機(jī)器人控制系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。 直流測(cè)速發(fā)電機(jī) 交流測(cè)速發(fā)電機(jī) 共七十四頁(yè)光電編碼器轉(zhuǎn)速(zhun s)測(cè)量動(dòng)畫(huà)演示共七十四頁(yè)5.2 機(jī)器人外部(wib)傳感器外部傳感器用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境及目標(biāo)狀況，從而使得機(jī)器人能夠與環(huán)境發(fā)生交互作用并對(duì)環(huán)境具有自我校正和適應(yīng)能力。如：是什么物體，離物體的距離有多遠(yuǎn)，抓取的物體是否滑落等。廣義來(lái)看，機(jī)器人外部傳感器就是(jish)具有人類(lèi)五官的感知能力的傳感器。共七十四頁(yè)外力沿壓電材料特定晶向作

8、用使晶體產(chǎn)生(chnshng)形變，在相應(yīng)的晶面上將產(chǎn)生(chnshng)電荷，去掉外力后壓電材料又重回不帶電狀態(tài)，這種由外力作用產(chǎn)生(chnshng)電極化的現(xiàn)象叫正壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)：壓電效應(yīng)是可逆的。在壓電材料特定晶向施加電場(chǎng)時(shí)，不僅有極化現(xiàn)象發(fā)生，還特產(chǎn)生機(jī)械形變。去掉電場(chǎng)，應(yīng)力和形變也隨之消失，這種現(xiàn)象稱(chēng)作逆壓電效應(yīng)。半導(dǎo)體材料受到外力作用(wi l zu yn)時(shí)電阻率會(huì)發(fā)生變化。原因是外力作用(wi l zu yn)使原子點(diǎn)陣排列發(fā)生變化，晶格間距的改變使禁帶寬度變化，導(dǎo)致載流子遷移率及濃度變化，即電阻率發(fā)生變化。壓阻效應(yīng)壓電效應(yīng)共七十四頁(yè)物質(zhì)在光照作用下釋放(shfng)電子

9、的現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)，釋放(shfng)的電子叫光電子，光電子在外電場(chǎng)作用下形成的電流叫光電流。由實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)的規(guī)律是光電流大小與入射光頻率有關(guān)，當(dāng)入射光頻率低于某一極限頻率時(shí)，將不產(chǎn)生光電效應(yīng)。只有當(dāng)入射光頻率高于極限額串時(shí)，光電流的大小才與入射光強(qiáng)度成正比。在既無(wú)外電場(chǎng)也無(wú)外力作用時(shí)，電石、水晶等晶體材料受溫度變化的影響，其晶格的原子排列發(fā)生變化，也能產(chǎn)生自發(fā)極化。這是由于當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，晶體的熱膨脹和熱振動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，在晶面上將產(chǎn)生電荷，表現(xiàn)出自發(fā)極化現(xiàn)象(xinxing)，稱(chēng)作熱釋電效應(yīng)。熱釋電效應(yīng)光電效應(yīng)共七十四頁(yè)一、力覺(jué)傳感器力覺(jué)是指對(duì)機(jī)器人的指、肢和關(guān)節(jié)等運(yùn)動(dòng)中所受力的感

10、知(gnzh)。主要包括腕力、關(guān)節(jié)力、指力和支座力傳感器，是機(jī)器人重要的傳感器之一。 關(guān)節(jié)力傳感器: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。腕力傳感器：測(cè)量作用在末端執(zhí)行器上的各向力和力矩。指力傳感器：測(cè)量夾持物體手指的受力情況。力覺(jué)傳感器主要使用的元件是電阻應(yīng)變片。共七十四頁(yè)六維腕力(wn l)傳感器具有八個(gè)窄長(zhǎng)的彈性梁，每個(gè)梁只傳遞力。梁的另一頭貼有應(yīng)變片。圖中從Px+到Qy-代表了8根應(yīng)變梁的變形信號(hào)的輸出。共七十四頁(yè)日本大和制衡株式會(huì)社(zh sh hu sh)林純一研制的腕力傳感器。整體輪輻式結(jié)構(gòu)，傳感器在十字梁與輪緣聯(lián)結(jié)處有一個(gè)柔性環(huán)節(jié)，在四根交叉梁上共貼有32個(gè)應(yīng)變片（

11、圖中小方塊），組成8路全橋輸出 。十字(sh z)梁腕力傳感器共七十四頁(yè)二、接近覺(jué)傳感器接近覺(jué)傳感器：感知傳感器與物體之間接近程度。主要有兩個(gè)用途(yngt)：避障和防止沖擊。 移動(dòng)機(jī)器人繞開(kāi)障礙物 機(jī)械手抓取物體時(shí)柔性接觸探測(cè)的距離一般在幾毫米到十幾厘米之間。一般采用非接觸型測(cè)量元件。常用有電渦流式、光纖式、超聲波式及紅外線(xiàn)式等類(lèi)型。共七十四頁(yè)1.電渦流式傳感器變化的磁場(chǎng)將在金屬體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電渦流。渦流的大小隨金屬體表面與線(xiàn)圈的距離大小而變化。當(dāng)電感線(xiàn)圈內(nèi)通以高頻電流(dinli)時(shí)，金屬體表面的渦流電流(dinli)反作用于線(xiàn)圈L，改變L內(nèi)的電感大小。通過(guò)檢測(cè)電感便可獲得線(xiàn)圈與金屬體表面的

12、距離信息。共七十四頁(yè)2.光纖式傳感器光纖在遠(yuǎn)距離通信和遙測(cè)方面應(yīng)用廣泛。光纖接近覺(jué)傳感器可以檢測(cè)較遠(yuǎn)距離的目標(biāo)(mbio)。具有抗電磁干擾能力強(qiáng)，靈敏度高，響應(yīng)快的特點(diǎn)。 共七十四頁(yè)只能檢測(cè)出不透明物體可檢測(cè)透光和不透光材料可檢測(cè)透光或半透光物體反射光共七十四頁(yè)3. 超聲波接近(jijn)覺(jué)傳感器檢測(cè)物體的存在和測(cè)量距離，不能用于測(cè)量小于30至50cm的距離。利用超聲波檢測(cè)迅速、簡(jiǎn)單方便、對(duì)材料的依賴(lài)性小、易于實(shí)時(shí)控制，測(cè)量精度高，應(yīng)用廣泛。在移動(dòng)式機(jī)器人上，檢驗(yàn)前進(jìn)道路上的障礙物，避免碰撞。超聲波傳感器對(duì)于水下機(jī)器人的作業(yè)非常重要。水下機(jī)器人安裝超聲波傳感器后能使其定位精度達(dá)到微米級(jí)。共七十

13、四頁(yè)時(shí)間(shjin)與超聲波的傳播速度和距離成正比測(cè)量出超聲波從物體發(fā)射經(jīng)反射回到該物體（被接收）的時(shí)間共七十四頁(yè) 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播途中碰到障礙物即返回，超聲波接收器收到反射波立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 -時(shí)間差測(cè)距法。 超聲波測(cè)距誤差(wch)：一是計(jì)時(shí)誤差(wch)。當(dāng)要求測(cè)距誤差(wch)小于1mm時(shí)，若超聲波速度C=344m/s (20室溫)，忽略聲速的傳播誤差，時(shí)間誤差t(0.001/344) 0.000002907s

14、 ，即2.907毫秒。采用MHz級(jí)的高精度石英晶振一般可以達(dá)到微秒量級(jí)誤差。 另一個(gè)是傳播速度誤差。超聲波傳播速度受空氣密度影響，空氣密度越高則超聲波傳播速度就越快，而空氣密度又與溫度有關(guān)。當(dāng)溫度0時(shí)超聲波速度是332m/s, 30時(shí)是350m/s，超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30的環(huán)境下以0的聲速測(cè)量100m距離，測(cè)量誤差達(dá)到5m，測(cè)量1m誤差將達(dá)到5mm。超聲波測(cè)距原理(yunl)共七十四頁(yè)4. 紅外線(xiàn)接近覺(jué)傳感器任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對(duì)零度），都能輻射紅外線(xiàn)。非接觸式測(cè)量，紅外發(fā)光管發(fā)射經(jīng)調(diào)制的信號(hào)，經(jīng)目標(biāo)物反射(fnsh)，紅外光敏管接收到紅外光強(qiáng)的調(diào)制信

15、號(hào)。具有靈敏度高，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)送器和接收器都很小，能夠裝在機(jī)器人夾手上。易于檢測(cè)出工作空間內(nèi)是否存在某個(gè)物體。共七十四頁(yè)三、觸覺(jué)傳感器觸覺(jué)是僅次于視覺(jué)的一種重要感知形式。觸覺(jué)能保證機(jī)器人可靠地抓握各種物體，也能使機(jī)器人獲取環(huán)境信息，識(shí)別物體形狀和表面紋理，確定物體空間位置(wi zhi)和姿態(tài)參數(shù)。機(jī)器人觸覺(jué)與視覺(jué)一樣，基本上是模擬人的感覺(jué)。廣義上包括接觸覺(jué)、壓覺(jué)、力覺(jué)、滑覺(jué)等與接觸有關(guān)的感覺(jué)。狹義上它是機(jī)械手與對(duì)象接觸面上的力感覺(jué)。 共七十四頁(yè)觸覺(jué)傳感器：測(cè)量自身敏感面和外界物體相互作用。觸覺(jué)傳感器的作用：(1) 感知操作手指的作用力，使手指動(dòng)作適當(dāng)。(2) 識(shí)別操作物的大小、形狀、質(zhì)量

16、及硬度(yngd)等。(3) 躲避危險(xiǎn)，以防碰撞障礙物。 抓住雞蛋共七十四頁(yè)觸覺(jué)開(kāi)關(guān)傳感器最早的觸覺(jué)傳感器為開(kāi)關(guān)式傳感器，只有0和1兩個(gè)信號(hào)，用于表示(biosh)接觸與不接觸。光電開(kāi)關(guān)由發(fā)射器、接收器和檢測(cè)電路三部分組成。發(fā)射器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束(gungsh)，在光束(gungsh)被中斷時(shí)產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)變化 共七十四頁(yè)指端應(yīng)變式觸覺(jué)(chju)傳感器柔順指端結(jié)構(gòu)共七十四頁(yè)柔順人工指端用金屬?gòu)椥?tnxng)薄板4作彈性元件，應(yīng)變片3作敏感元件，兩個(gè)金屬?gòu)椥员“?安裝在支撐座1上。當(dāng)人工手指抓握物體時(shí)，觸頭7向左滑動(dòng)，由壓頭5作用在彈性元件4上。凸緣到蓋板的距離為最大量程。當(dāng)被抓物體重量超

17、過(guò)最大量程時(shí)，凸緣與蓋板接觸，將力傳到底座2上。觸頭7右側(cè)為封裝電變流體部分，兩層導(dǎo)電橡膠11之間用海綿隔開(kāi)，海綿層填充電變流體。電流變流體作為人工手指的皮下組織介質(zhì)，沒(méi)有通電時(shí)電流變流體層作保護(hù)層用；通電時(shí)，變成塑性體，借助電流變流體的柔順可控性穩(wěn)定抓握，防止被抓物體滑落。共七十四頁(yè)電流變流體是一種極具工程應(yīng)用價(jià)值的新型智能材料。電流變流體是一種加入非導(dǎo)電介質(zhì)微粒和高分子表面活性劑混合而成的液體，因其獨(dú)特的電流變效應(yīng)成為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。電流變效應(yīng)指液體在電場(chǎng)作用下,電流變流體的力學(xué)(l xu)性質(zhì)發(fā)生變化甚至相變固化。這種變化是可逆的、連續(xù)無(wú)級(jí)的和可控制的。電流變效應(yīng)的這種特性使電流

18、變流體具有廣闊的工程應(yīng)用前景。電流(dinli)變流體共七十四頁(yè)壓阻陣列觸覺(jué)傳感器基本結(jié)構(gòu)：壓阻材料上面排列平行的列電極(dinj)，下面排列平行的行電極(dinj)，壓阻材料放在中間，行列電極(dinj)的交叉點(diǎn)構(gòu)成陣列觸覺(jué)觸元。壓阻陣列觸覺(jué)傳感器指標(biāo)：陣列數(shù)、陣列密度、靈敏度、柔順性和強(qiáng)固性。柔軟的壓阻敏感材料共七十四頁(yè)壓阻材料：導(dǎo)電橡膠、碳?xì)?CSA)和碳纖維等。導(dǎo)電橡膠導(dǎo)電橡膠是在橡膠類(lèi)材料中添加金屬微粒而構(gòu)成的聚合高分子導(dǎo)電材料，具有柔順性，電阻(dinz)隨壓力的變化而變化。導(dǎo)電橡膠作為壓阻材料，工作溫度范圍寬，可塑性好，可澆鑄成復(fù)雜(指尖)形狀復(fù)合曲面，其輸出電壓信號(hào)強(qiáng)，頻率響應(yīng)

19、可達(dá)至100 Hz，但易疲勞、蠕變大、滯后大。共七十四頁(yè)導(dǎo)電橡膠(xingjio)受壓時(shí)接觸面積增加，電阻下降D型截面導(dǎo)電橡膠作行連接導(dǎo)線(xiàn)和列導(dǎo)電帶構(gòu)成行列尋址陣列。正向壓力(yl)通過(guò)改變D型截面橡膠的變形程度來(lái)改變行與列間的接觸電阻共七十四頁(yè)碳?xì)?CSA)碳?xì)质且环N滲碳纖維材料，靈敏度高，有較強(qiáng)的耐過(guò)載能力，缺點(diǎn)是遲滯大，線(xiàn)性差。在金屬(jnsh)電板間夾入碳?xì)?，在?fù)載(壓力)作用下，導(dǎo)電接觸面積增加，纖維電阻值下降?？芍瞥扇斯ぶ讣?。共七十四頁(yè)四、滑覺(jué)傳感器滑覺(jué)傳感器檢測(cè)力和垂直于加壓方向的位移。修正受力值、防止滑動(dòng)、進(jìn)行多層次作業(yè)(zuy)及測(cè)量物體重量和表面特性等的目的。例如：機(jī)器人的

20、手指夾住物體，為了不發(fā)生滑動(dòng)，最小把持力：F=G/0利用滑覺(jué)傳感器判斷是否握住物體，以及應(yīng)該使用多大的力等。共七十四頁(yè)檢測(cè)滑動(dòng)方法：1)將滑動(dòng)轉(zhuǎn)換成滾球和滾柱的旋轉(zhuǎn)。2)用壓敏元件和觸針，檢測(cè)滑動(dòng)時(shí)的微小振動(dòng)。3)檢測(cè)出即將發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，手爪部分的變形(bin xng)和壓力。南斯拉夫貝爾格菜德大學(xué)(dxu)研制滑覺(jué)傳感器共七十四頁(yè)滾球式滑覺(jué)傳感器鋼球表面有導(dǎo)體和絕緣體配置成的網(wǎng)眼。當(dāng)工件滑動(dòng)時(shí)，金屬球隨之轉(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，個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)滑移的距離，能檢測(cè)全方位的滑動(dòng)。滾軸式滑覺(jué)傳感器 當(dāng)手爪中的物體滑動(dòng)時(shí)，使?jié)L軸旋轉(zhuǎn)，滾軸帶動(dòng)光電傳感器和縫隙圓板而產(chǎn)生脈沖信號(hào)

21、。這些信號(hào)通過(guò)計(jì)數(shù)電路(dinl)和D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，通過(guò)反饋系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)控制。可通過(guò)不斷修正握力，達(dá)到消除滑動(dòng)的目的。共七十四頁(yè)基于振動(dòng)的機(jī)器人滑覺(jué)傳感器鋼球指針與被抓物體(wt)接觸。若工件滑動(dòng)，則指針振動(dòng)，線(xiàn)圈輸出信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)滑動(dòng)時(shí)的微小振動(dòng)來(lái)檢測(cè)滑動(dòng)。使用橡膠和油兩種阻尼器可降低傳感器對(duì)機(jī)械手本身振動(dòng)的敏感。共七十四頁(yè)五、視覺(jué)傳感器視覺(jué)傳感器是智能機(jī)器人最重要的傳感器之一。機(jī)器人視覺(jué)通過(guò)視覺(jué)傳感器獲取環(huán)境的二維圖像，并通過(guò)視覺(jué)處理器進(jìn)行分析和解釋?zhuān)D(zhuǎn)換為符號(hào)，讓機(jī)器人能夠辨識(shí)物體，并確定其位置。又稱(chēng)為計(jì)算機(jī)視覺(jué)。在捕獲圖像之后，視覺(jué)傳感器將其與內(nèi)存中存儲(chǔ)的基準(zhǔn)(jzhn

22、)圖像進(jìn)行比較，以做出分析。共七十四頁(yè)歐姆龍視覺(jué)傳感器FZ3通過(guò)攝像頭捕捉圖像信息，檢測(cè)拍攝對(duì)象的數(shù)量、位置關(guān)系、形狀等特點(diǎn)，用于判斷產(chǎn)品是否合格或?qū)z驗(yàn)(jinyn)數(shù)據(jù)傳送給機(jī)器人等其它生產(chǎn)設(shè)備。FZ3從微妙的色差乃至光澤物體的表面?zhèn)鄱寄芮逦R(shí)別機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)(xtng)稱(chēng)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的“機(jī)器眼睛”。共七十四頁(yè)機(jī)器人視覺(jué)傳感器的工作過(guò)程可分為四個(gè)步驟：檢測(cè)、分析、繪制和識(shí)別1.視覺(jué)檢測(cè) 視覺(jué)信息一般通過(guò)光電檢測(cè)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。 光電檢測(cè)器有攝像管和固態(tài)圖像傳感器。獲得距離信息的方法有光投影法、立體視法。光投影法：向被測(cè)物體投射特殊形狀的光束并檢測(cè)其反射光，即可獲得位置信息。激光掃描法。立體視

23、法：同一物體的兩張具有輕微角度差別的照片放在一起觀看，產(chǎn)生一種深度的常規(guī)(chnggu)立體視覺(jué)的方法。立體攝影：從左右兩個(gè)具有輕微角度差異的觀察點(diǎn)拍攝同一個(gè)物體，左右攝像機(jī)分別采集左視覺(jué)和右視覺(jué)的照片，通過(guò)計(jì)算機(jī)的合成處理，獲得有立體深度的立體畫(huà)面。共七十四頁(yè)視覺(jué)圖像分析成像圖像中的像素含有雜波，必須進(jìn)行（預(yù)）處理。通過(guò)處理消除雜波，把全部像素重新按線(xiàn)段或區(qū)域排列成有效像素集合。視覺(jué)圖像繪制指以識(shí)別的目的而從物體(wt)圖像中提取特征。理論上這些特征應(yīng)該與物體(wt)的位置和取向無(wú)關(guān)，并包含足夠的繪制信息，以便能唯一的把一個(gè)物體(wt)從其他物體(wt)中鑒別出來(lái)。圖像識(shí)別技術(shù)將事先物體的特

24、征信息存儲(chǔ)起來(lái)，然后將此信息與所看到的物體信息進(jìn)行比對(duì)。共七十四頁(yè)人類(lèi)眼睛是一套功能完整(wnzhng)的攝影系統(tǒng)，具有變焦鏡頭、可變光圈以及能將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成大腦可以識(shí)別的電信號(hào)。 在二維圖像中，利用物體提供的有關(guān)尺寸和重疊等視覺(jué)線(xiàn)索，可以“判斷出”位于背景前這些物體的前后排列次序，但是卻無(wú)法知道它們之間究竟距離多遠(yuǎn)。人類(lèi)兩只眼睛觀察物體時(shí)，由于兩只眼睛所處的角度有略微不同，看到的圖像是有略微差別的。大腦將這兩幅畫(huà)面綜合在一起，形成一種有深度的視覺(jué)畫(huà)面。處理過(guò)程十分迅速，而一只眼睛看到的畫(huà)面是沒(méi)有前后深度的。更為重要的是，大腦能夠根據(jù)接受到的兩幅圖像中同一物體之間位差的大小判斷出此物體的深度和

25、遠(yuǎn)近，距離眼睛越遠(yuǎn)，位差就越小，反之就越大。人類(lèi)(rnli)視覺(jué)原理共七十四頁(yè)固態(tài)(gti)圖像傳感器CCD電荷藕合圖像傳感器CCDCCD采用光電轉(zhuǎn)換原理，將被測(cè)物體的光像轉(zhuǎn)換為電子圖像信號(hào)輸出的一種大規(guī)模集成電路光電元件(yunjin)。CCD由許多感光單元組成，感光單元形成若干像素點(diǎn)。光學(xué)系統(tǒng)將被測(cè)物體成像在CCD的受光面上，當(dāng)CCD表面受到光線(xiàn)照射時(shí)，這些像素點(diǎn)將投射到它的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)，將反映光像的電荷信號(hào)讀取并順序輸出，完成從光圖像到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程。共七十四頁(yè)六、機(jī)器人的聽(tīng)覺(jué)聽(tīng)覺(jué)也是機(jī)器人的重要感覺(jué)器官之一。現(xiàn)在已經(jīng)部分實(shí)現(xiàn)用機(jī)器代替人耳,能通過(guò)語(yǔ)音處理及辨識(shí)技術(shù)識(shí)別講話(huà)人，還

26、能理解一些(yxi)簡(jiǎn)單的語(yǔ)句。機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)中的聽(tīng)覺(jué)傳感器技術(shù)已經(jīng)非常成熟。關(guān)鍵問(wèn)題是語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)。它與圖像識(shí)別同屬于模式識(shí)別領(lǐng)域，而模式識(shí)別技術(shù)就是最終實(shí)現(xiàn)人工智能的主要手段。共七十四頁(yè)七、機(jī)器人中的傳感器信息融合機(jī)器人系統(tǒng)中使用的傳感器種類(lèi)(zhngli)和數(shù)量越來(lái)越多，每種傳感器都有一定的使用條件和感知范圍，并且能給出環(huán)境或?qū)ο蟮牟糠中畔?。為了有效利用傳感器信息，需要進(jìn)行信息傳感融合處理。傳感器信息融合又稱(chēng)數(shù)據(jù)融合，從多信息的視角進(jìn)行處理及綜合，得到各種信息的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，剔除無(wú)用的和錯(cuò)誤的信息，保留正確的和有用的成分，最終實(shí)現(xiàn)信息的優(yōu)化。共七十四頁(yè)控制(kngzh)和信息融合計(jì)算機(jī)

27、自主(zzh)移動(dòng)裝配機(jī)器人裝配機(jī)械手力覺(jué)傳感器觸覺(jué)傳感器視覺(jué)傳感器超聲波傳感器激光測(cè)距傳感器 多傳感器信息融合自主移動(dòng)裝配機(jī)器人共七十四頁(yè)雙足步行(bxng)共七十四頁(yè)在理想狀態(tài)下，對(duì)機(jī)器人給定步行(bxng)模式即可實(shí)現(xiàn)雙足步行(bxng)。實(shí)際上，地面的不平整就易使機(jī)器人倒下。因此，需要利用姿態(tài)傳感器（陀螺儀）、加速度傳感器、力傳感器和其它裝置的信息來(lái)修正步行(bxng)模式。這就是步行(bxng)穩(wěn)定控制器(stabilizer,簡(jiǎn)稱(chēng)穩(wěn)定器)。 共七十四頁(yè)5.3 機(jī)器人控制(kngzh)綜述 機(jī)器人控制的基本(jbn)目的： 告訴機(jī)器人要做什么; 機(jī)器人接受命令，并形成作業(yè)的控制策略;

28、 保證正確完成作業(yè); 通報(bào)作業(yè)完成情況。 共七十四頁(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)1)機(jī)器人有若干個(gè)關(guān)節(jié)，典型工業(yè)業(yè)機(jī)器人有5至6個(gè)關(guān)節(jié)。每個(gè)關(guān)節(jié)由一個(gè)伺服系統(tǒng)控制，多個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)(yndng)要求各個(gè)伺服系統(tǒng)協(xié)同工作。2)機(jī)器人的工作任務(wù)是要求操作機(jī)的末端執(zhí)行器進(jìn)行空間點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)或軌跡運(yùn)動(dòng)。對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制，需要進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算。3)機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)多變量、非線(xiàn)性和變參數(shù)的復(fù)雜模型，各變量之間還存在耦合，因此機(jī)器人的控制中經(jīng)常使用前饋、補(bǔ)償、解耦、自適應(yīng)等復(fù)雜控制技術(shù)。4)較高級(jí)的機(jī)器人要求對(duì)環(huán)境條件、控制指令進(jìn)行測(cè)定和分析，采用計(jì)算機(jī)建立龐大的信息庫(kù)，用人工智能的方法進(jìn)行控制、決策、管理和操作，

29、按照給定的要求自動(dòng)選擇最佳控制規(guī)律。共七十四頁(yè)機(jī)器人控制方法的分類(lèi)根據(jù)不同的分類(lèi)方法，機(jī)器人控制方式可以有不同的分類(lèi)。從總體上，機(jī)器人的控制方式可以分為動(dòng)作控制方式和示教控制方式。按照被控對(duì)象(duxing)來(lái)分，可以分為位置控制、速度控制、加速度控制、力控制、力矩控制、力和位置混合控制等等。無(wú)論是位置控制或速度控制，從伺服反饋信號(hào)的形式來(lái)看，又可以分為基于關(guān)節(jié)空間的伺服控制和基于作業(yè)空間(手部坐標(biāo))的伺服控制。共七十四頁(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的一般構(gòu)成對(duì)于具有高度智能的機(jī)器人，控制包含了“任務(wù)規(guī)劃”、“動(dòng)作規(guī)劃”、“軌跡規(guī)劃”和“伺服控制”等多個(gè)層次。機(jī)器人首先要通過(guò)人機(jī)接口獲取操作者的指令，指令的

30、形式可以(ky)是人的自然語(yǔ)言，也可以(ky)是通過(guò)示教工具輸入的示教指令(如一般的示教控制機(jī)器人)，或者鍵盤(pán)輸人的機(jī)器人指令語(yǔ)言以及計(jì)算機(jī)程序指令(加大部分工業(yè)機(jī)器人)，。機(jī)器人對(duì)控制命令進(jìn)行解釋理解，把操作者的命令分解為機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)的“任務(wù)”，這是任務(wù)規(guī)劃。機(jī)器人針對(duì)各個(gè)任務(wù)進(jìn)行動(dòng)作分解，這是動(dòng)作規(guī)劃。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的一系列動(dòng)作，應(yīng)該對(duì)機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這是機(jī)器人的軌跡規(guī)劃。最底層是關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服控制。共七十四頁(yè)共七十四頁(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的功能 記憶功能：存儲(chǔ)作業(yè)順序、運(yùn)動(dòng)路徑(ljng)、運(yùn)動(dòng)速度等信息。 示教功能：離線(xiàn)編程，在線(xiàn)示教，間接示教。 在線(xiàn)

31、示教包括示教盒和導(dǎo)引示教兩種。 與外設(shè)交互功能：輸入輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡(luò)接口等。 坐標(biāo)設(shè)置功能：關(guān)節(jié)、絕對(duì)、工具、用戶(hù)定義四種坐標(biāo)系。 人機(jī)接口：示教盒、操作面板、顯示屏。 傳感器接口：位置檢測(cè)、視覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)等 位置伺服功能：機(jī)器人多軸聯(lián)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制、速度和加速度控制、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)取?故障診斷安全保護(hù)功能：運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護(hù)和故障自診斷。 共七十四頁(yè) 機(jī)器人控制系統(tǒng)(kn zh x tn)組成共七十四頁(yè) 機(jī)器人的軌跡(guj)控制軌跡規(guī)劃方法一般是在機(jī)器人初始位置和目標(biāo)位置之間用多項(xiàng)式函數(shù)來(lái)“內(nèi)插”或“逼近”給定的路徑，并產(chǎn)生一系列“控制設(shè)定點(diǎn)”。路徑端點(diǎn)一般是在笛

32、卡兒坐標(biāo)中給出的。如果需要(xyo)某些位置的關(guān)節(jié)坐標(biāo)，則可調(diào)用運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題求解程序，進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換。在給定的兩端點(diǎn)之間，常有多條可能的軌跡。而軌跡控制就是控制機(jī)器人手端沿著一定的目標(biāo)軌跡運(yùn)動(dòng)。因此，目標(biāo)軌跡的給定方法和如何控制機(jī)器人手臂使之高精度地跟蹤目標(biāo)軌跡的方法是軌跡控制的兩個(gè)主要內(nèi)容。給定目標(biāo)軌跡的方式有示教再現(xiàn)方式和數(shù)控方式（離線(xiàn)編程）兩種。共七十四頁(yè)示教再現(xiàn)方式示教再現(xiàn)方式是在機(jī)器工作之前，讓機(jī)器人手端沿目標(biāo)軌跡移動(dòng)，同時(shí)將位置及速度等數(shù)據(jù)存入機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)中。在機(jī)器人工作時(shí)再現(xiàn)所示教的動(dòng)作，使手端沿目標(biāo)軌跡運(yùn)動(dòng)。示教時(shí)使機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)的方法有兩種：一種是用示教盒上的控制按鈕發(fā)出各種運(yùn)動(dòng)指令；另一種是操作者直接用手抓住機(jī)器人手部，使其手端按目標(biāo)軌跡運(yùn)動(dòng)。軌跡記憶再現(xiàn)的方式有點(diǎn)位控制(PTP)和連續(xù)(linx)路徑控制(CP)。點(diǎn)位控制主要用于點(diǎn)