工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用-課件

知識(shí)目標(biāo):能力目標(biāo):任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用1.解工業(yè)機(jī)器人傳感器的種類和性能指標(biāo)及其使用要求。2.掌握工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部傳感器和外部傳感器的區(qū)別和各自的功能、應(yīng)用。1.認(rèn)識(shí)工業(yè)機(jī)器人常用的傳感器。2.能根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的使用要求、場(chǎng)合,選用合適的傳感器。3.會(huì)分析常見(jiàn)工業(yè)機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)。

傳感器是新技術(shù)革命和信息社會(huì)的重要技術(shù)基礎(chǔ),是現(xiàn)代科技的開路先

鋒。傳感器在機(jī)器人構(gòu)成中占據(jù)重要地位,是決定機(jī)器人性能水平的關(guān)

鍵。機(jī)器人的傳感器與大量使用的工業(yè)檢測(cè)傳感器不同,前者對(duì)傳感器信息的種類和智能化處理的要求更高,無(wú)論研究與產(chǎn)業(yè)化,均需要由多種

學(xué)科專門技術(shù)和先進(jìn)的工藝裝備作為支撐。今后工業(yè)機(jī)器人能發(fā)展到

何種程度,傳感器技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一。本任務(wù)的主要內(nèi)容是:通過(guò)學(xué)習(xí),熟悉工業(yè)機(jī)器人常用的傳感器,掌握機(jī)器

人的內(nèi)部傳感器和外部傳感器的區(qū)別和各自的功能,并能根據(jù)工業(yè)機(jī)器

人的使用要求、場(chǎng)合,選用合適的傳感器。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

一、工業(yè)機(jī)器人傳感器的種類傳感器是一種以一定精度將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系、易于精確處理和測(cè)量的某種物理量的測(cè)量部件或裝置。完整的傳感器應(yīng)包括敏感元件、轉(zhuǎn)化元件、基本轉(zhuǎn)化電路三個(gè)基本部分。敏感元件將某種不便測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)化為易于測(cè)量的物理量,與轉(zhuǎn)化元件一起構(gòu)成傳感器的核心部分?；巨D(zhuǎn)化電路將敏感元件產(chǎn)生的易于測(cè)量的信號(hào)進(jìn)行變化,使傳感器的信號(hào)輸出符合工業(yè)系統(tǒng)的要求。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用正文工業(yè)機(jī)器人傳感器按用途可分為外部傳感器和內(nèi)部傳感器。外部傳感器如視覺(jué)傳感器、觸覺(jué)傳感器、力覺(jué)傳感器、距離傳感器等,是為了檢測(cè)作業(yè)對(duì)象及環(huán)境與機(jī)器人的聯(lián)系的傳感器。內(nèi)部傳感器安裝在操作機(jī)上,包括位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器等,是為了檢測(cè)機(jī)器人內(nèi)部狀態(tài)的傳感器。工業(yè)機(jī)器人傳感器的分類、功能和應(yīng)用見(jiàn)表1-3-1。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用表1-3-1工業(yè)機(jī)器人傳感器的分類、功能和應(yīng)用任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用正文二、工業(yè)機(jī)器人傳感器的性能指標(biāo)基本參數(shù):量程(測(cè)量范圍、過(guò)載能力)、靈敏度、靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)精度(頻率特性和階躍特性)。環(huán)境參數(shù):溫度、振動(dòng)沖擊及其他參數(shù)(潮濕、腐蝕及抗電磁干擾)。使用環(huán)境:電源、尺寸、安裝方式、電信號(hào)接口及校準(zhǔn)周期等。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用傳感器常見(jiàn)的重要的性能指標(biāo)如下:1.靈敏度靈敏度是指?jìng)鞲衅鞯妮敵鲂盘?hào)達(dá)到穩(wěn)定時(shí),輸出信號(hào)變化Δy與輸

入信號(hào)變化Δx的比值。假設(shè)傳感器的輸出和輸入成線性關(guān)系,其靈敏度S可表示為S=

任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用假設(shè)傳感器的輸出與輸入成非線性關(guān)系,其靈敏度為曲線的導(dǎo)數(shù),即S=

傳感器的靈敏度越大,傳感器輸出的信號(hào)精確度越高,線性程度越

好。但是過(guò)高的靈敏度有時(shí)會(huì)導(dǎo)致傳感器的輸出穩(wěn)定性下降,所

以應(yīng)該根據(jù)機(jī)器人的要求選擇適中的靈敏度。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用2.線性度線性度反映傳感器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的線性程度。假設(shè)傳感器的輸出信號(hào)為y,輸入信號(hào)為x,則y與x的線性關(guān)系為y=bx機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)該選用線性度較高的傳感器。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用3.精度傳感器的精度是指?jìng)鞲衅鞯臏y(cè)量輸出值與實(shí)際被測(cè)量值之間的誤

差。在機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的工作精度要求選擇合

適的精度。4.重復(fù)性重復(fù)性是指用傳感器對(duì)其輸入信號(hào)按同一方式進(jìn)行全量程連續(xù)多

次測(cè)量時(shí),相應(yīng)測(cè)量結(jié)果的變化程度。對(duì)于多數(shù)傳感器來(lái)說(shuō),重復(fù)

性指標(biāo)優(yōu)于精度指標(biāo)。這些傳感器的精度指標(biāo)不一定很高,但只

要它的溫度、濕度、受力條件和其他參數(shù)不變,傳感器的測(cè)量結(jié)

果也沒(méi)有較大的變化。同樣,傳感器重復(fù)性也應(yīng)考慮使用條件和

測(cè)量方法的問(wèn)題。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用5.分辨力分辨力是指?jìng)鞲衅髟谡麄€(gè)測(cè)量范圍內(nèi)所能辨別的被測(cè)量的最小變

化量,或者所能辨別的不同被測(cè)量的個(gè)數(shù)。無(wú)論是示教再現(xiàn)型機(jī)器人,還是可編程型機(jī)器人,大多對(duì)傳感器的

分辨力有一定的要求。傳感器的分辨力直接影響機(jī)器人的可控程

度和控制品質(zhì)。一般需要根據(jù)機(jī)器人的工作任務(wù)規(guī)定傳感器分辨

的最低限度要求。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用6.響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間是傳感器的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo),是指?jìng)鞲衅鞯妮斎胄盘?hào)變化

后,其輸出信號(hào)變化到一個(gè)穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。在某些傳感器

中,輸出信號(hào)在達(dá)到某一穩(wěn)定值以前會(huì)發(fā)生短時(shí)間的振蕩。7.抗干擾能力由于傳感器輸出信號(hào)的穩(wěn)定是控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提,為防止

機(jī)器人系統(tǒng)的意外動(dòng)作或故障的發(fā)生,傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須采用

可靠性設(shè)計(jì)。通常,傳感器的抗干擾能力指標(biāo)通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)發(fā)

生故障的概率來(lái)定義,因此是一個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用三、工業(yè)機(jī)器人傳感器類型的選擇一般根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的使用要求和使用場(chǎng)合的不同,選擇不同的傳感器。1.根據(jù)機(jī)器人對(duì)傳感器的要求來(lái)選擇機(jī)器人對(duì)傳感器的一般要求如下:1)精度高,重復(fù)性好。2)穩(wěn)定性好,可靠性高。3)抗干擾能力強(qiáng)。4)重量輕,體積小,安裝方便可靠。5)價(jià)格便宜。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用2.根據(jù)加工任務(wù)的要求來(lái)選擇在現(xiàn)代工業(yè)中,機(jī)器人用于執(zhí)行各種加工任務(wù),其中比較常見(jiàn)的加

工任務(wù)有物料搬運(yùn)、裝配、噴漆、焊接、檢驗(yàn)等。不同的加工任

務(wù)對(duì)機(jī)器人提出不同的要求,從而對(duì)傳感器也有不同的要求,選擇

傳感器時(shí)應(yīng)考慮這一點(diǎn)。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用3.根據(jù)機(jī)器人的控制要求來(lái)選擇例如,機(jī)器人控制需要采用傳感器檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)位置、速度

、加速度等。此外,選擇機(jī)器人傳感器時(shí)還應(yīng)考慮輔助工作要求(如產(chǎn)品檢驗(yàn))和工件的準(zhǔn)備,以及安全方面的要求等。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用四、工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部傳感器對(duì)工業(yè)機(jī)器人根據(jù)其具體用途不同可以選擇不同的控制方式,如位置控制、速度控制及力控制等。在這些控制方式中,機(jī)器人所應(yīng)具有的基本傳感器單元是位置傳感器和速度傳感器。機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本單元是機(jī)器人關(guān)節(jié)的位置、速度控

制,因此用于檢測(cè)關(guān)節(jié)位置和速度的傳感器也成為機(jī)器人關(guān)節(jié)組件中的基本單元。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用1.位置傳感器位置控制是機(jī)器人最基本的控制要求,而位置和位移的測(cè)量也是

機(jī)器人最基本的感覺(jué)要求。根據(jù)其工作原理和組成的不同,位置傳感器有多種形式,常見(jiàn)的有

電阻式位移傳感器、電容式位移傳感器、電感式位移傳感器及編

碼式位移傳感器、霍爾元件位移傳感器、光柵式位移傳感器等。(1)編碼式位移傳感器編碼式位移傳感器是一種數(shù)字位移傳感器,其測(cè)量輸出的信號(hào)為數(shù)字脈沖信號(hào),可以測(cè)量直線位移,也可以測(cè)量轉(zhuǎn)角。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用編碼式位移傳感器測(cè)量范圍大,檢測(cè)精度高,一般把該傳感器安裝在機(jī)器

人的各關(guān)節(jié)軸上,用來(lái)測(cè)量各關(guān)節(jié)軸的旋轉(zhuǎn)角度。按照測(cè)量結(jié)果是絕對(duì)信號(hào)還是增量信號(hào),編碼式位移傳感器可分為絕對(duì)

式編碼器和增量式編碼器。按照結(jié)構(gòu)及信號(hào)轉(zhuǎn)化方式,編碼式位移傳感

器又可分為光電式編碼器、接觸式編碼器及電磁式編碼器等。目前機(jī)

器人中較為常用的是光電式編碼器。1)絕對(duì)式光電編碼器。絕對(duì)式編碼器是一種直接編碼式的測(cè)量元件。它

可以直接把被測(cè)轉(zhuǎn)角或位移轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的代碼,指示的是絕對(duì)位置而無(wú)絕對(duì)誤差,在電源切斷時(shí)不會(huì)失去位置信息。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,價(jià)格昂貴,且不易實(shí)現(xiàn)高精度和高分辨率。編碼盤以一定的編碼形式(如二進(jìn)制編碼等)將圓盤分成若干等份,利用光電原理把代表被測(cè)位置的各等份上的數(shù)碼轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸出,用于檢測(cè)。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用正文圖1-3-1所示為四位二進(jìn)制編碼盤,圖中空白部分是透光的,用“0”表示;

涂黑的部分是不透光的,用“1”表示。通常將組成編碼的圈稱為碼道,

每個(gè)碼道表示一位二進(jìn)制數(shù)。編碼盤由多個(gè)同心的碼道組成,與碼道個(gè)

數(shù)相同的光電器件分別與各自對(duì)應(yīng)的碼道對(duì)準(zhǔn)并沿編碼盤的半徑直線

排列,通過(guò)這些光電器件的檢測(cè)可以產(chǎn)生絕對(duì)位置的二進(jìn)制碼。絕對(duì)式

編碼器對(duì)于轉(zhuǎn)軸的每一個(gè)位置均產(chǎn)生唯一的二進(jìn)制編碼,因此可用于確定絕對(duì)位置。絕對(duì)位置的分辨率取決于二進(jìn)制編碼的位數(shù),即碼道的個(gè)

數(shù)。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用使用二進(jìn)制編碼盤時(shí),當(dāng)編碼盤在其兩個(gè)相鄰位置的邊緣交替或來(lái)回?cái)[

動(dòng)時(shí),由于制造精度和安裝質(zhì)量誤差或光電器件的排列誤差將產(chǎn)生編碼

數(shù)據(jù)的大幅跳動(dòng),導(dǎo)致位置顯示和控制失?！，F(xiàn)在常用圖1-3-2所示的循環(huán)碼編碼盤。循環(huán)碼又稱格雷碼,真值與其碼

值及二進(jìn)制碼值的對(duì)照參見(jiàn)表1-3-2。循環(huán)碼是非加權(quán)碼,其特點(diǎn)是相鄰

兩個(gè)代碼間只有一位數(shù)變化,即0變1,或1變0。如果在連續(xù)的兩個(gè)數(shù)碼中

發(fā)現(xiàn)數(shù)碼變化超過(guò)一位,就認(rèn)為是非法的數(shù)碼,因而格雷碼具有一定的糾

錯(cuò)能力。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用圖1-3-1四位二進(jìn)制碼編碼盤任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用圖1-3-2循環(huán)碼(格雷碼)編碼盤任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用表1-3-2格雷碼與二進(jìn)制碼的對(duì)照表任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用解密就可以轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制碼,實(shí)際上也只有解密成二進(jìn)制碼才能得到真正的位置信息。格雷碼的解密可以通過(guò)硬件解密器或軟件解密來(lái)實(shí)現(xiàn)。光電編碼器的性能主要取決于編碼盤中光電敏感元件的質(zhì)量及光源的性能。一般要求光源具有較好的可靠性及環(huán)境的適應(yīng)性,且光源的光譜與光電敏感元件相匹配。如果需要提高信號(hào)的輸出強(qiáng)度,輸出端還可以接電壓放大器。為了減少噪聲的污染,在光通路中還應(yīng)加上透鏡和狹縫裝置。透鏡使光源發(fā)出的光聚焦成平行光束,狹縫寬度要保證所有軌道的光電敏感元件的敏感區(qū)均處于狹縫內(nèi)。2)增量式光電編碼器。增量式光電編碼器能夠以數(shù)字形式測(cè)量出轉(zhuǎn)軸相

對(duì)于某一基準(zhǔn)位置的瞬間角位置,另外還能測(cè)出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向,其結(jié)

構(gòu)及輸出波形如圖1-3-3所示,編碼器的編碼盤有三個(gè)同心光柵,分別為A相、B相和C相光柵。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用根據(jù)A相、B相任一光柵輸出脈沖數(shù)值的大小就可以確定編碼盤的相對(duì)

轉(zhuǎn)角;根據(jù)輸出脈沖的頻率可以確定編碼盤的轉(zhuǎn)速;采用適當(dāng)?shù)倪壿嬰娐?

根據(jù)A相、B相輸出脈沖的相序就可以確定編碼盤的旋轉(zhuǎn)方向。A相、B

相兩相光柵為工作信號(hào),C相為標(biāo)志信號(hào),編碼盤每旋轉(zhuǎn)一周,標(biāo)志信號(hào)發(fā)

出一個(gè)脈沖,它用來(lái)作為同步信號(hào)。增量式光電編碼器只能測(cè)量出轉(zhuǎn)軸

的相對(duì)位置,但不能確定機(jī)器人轉(zhuǎn)軸的絕對(duì)位置,所以這種光電編碼器一

般用于定位精度要求不高的機(jī)器人。目前已出現(xiàn)包含絕對(duì)式和增量式

兩種類型編碼器的混合式編碼器。使用這種編碼器時(shí),用絕對(duì)式光電編

碼器確定機(jī)器人的絕對(duì)位置,而由初始位置開始的變動(dòng)角的精確位置則由增量式光電編碼器確定。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用圖1-3-3增量式光電編碼器的結(jié)構(gòu)及輸出波形a)編碼盤的結(jié)構(gòu)b)A相、B相正弦波c)A相、B相的脈沖數(shù)字信號(hào)任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用(2)電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器主要由電位器和滑動(dòng)觸

點(diǎn)組成,通過(guò)觸點(diǎn)的滑動(dòng)改變電位器的阻值來(lái)測(cè)量信號(hào)的大小。它也是

電阻式位移傳感器的一種。電位器式位移傳感器的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能穩(wěn)定可靠,精度高;可以在

一定程度上較方便地選擇其輸出信號(hào)范圍,且測(cè)量過(guò)程中斷電或發(fā)生故

障時(shí),輸出信號(hào)能得到保持而不會(huì)自動(dòng)丟失。1)旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器。其外形如圖1-3-4a所示,用于角位移測(cè)量

。其工作原理如圖1-3-4b所示,輸入信號(hào)(角度θ)與輸出信號(hào)(電壓V)成線

性關(guān)系。這種弧形電阻最大的測(cè)量角度為360°。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用2)直線型電位器式位移傳感器。其外形和原理如圖1-3-5所示。這種傳感

器的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定可靠、精度高,可以在一定程度上較方

便地選擇其輸出信號(hào)范圍,且測(cè)量過(guò)程中斷電或發(fā)生故障時(shí),輸出信號(hào)能

得到保持而不會(huì)自動(dòng)丟失;其缺點(diǎn)是滑動(dòng)觸點(diǎn)容易磨損。圖1-3-4旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器a)外形b)原理任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用圖1-3-5直線型電位器式位移傳感器a)外形b)原理任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用速度傳感器是機(jī)器人中較重要的內(nèi)部傳感器之一。由于在機(jī)器人

中主要測(cè)量機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)行速度,因此這里僅介紹角速度傳感

器。目前廣泛使用的角速度傳感器有測(cè)速發(fā)電機(jī)和增量式光電編

碼器兩種。測(cè)速發(fā)電機(jī)是應(yīng)用最廣泛、能直接得到代表轉(zhuǎn)速的電

壓且具有良好實(shí)時(shí)性的一種速度測(cè)量傳感器。增量式光電編碼器

既可以用來(lái)測(cè)量增量角位移,又可以用來(lái)測(cè)量瞬時(shí)角速度,速度的

輸出有模擬式和數(shù)字式兩種。2.速度傳感器任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用圖1-3-6直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用際上是一臺(tái)小型永磁式直流發(fā)電機(jī),其結(jié)構(gòu)原理如圖1-3-6所示。測(cè)速發(fā)

電機(jī)的工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律,當(dāng)通過(guò)線圈的磁通量恒定時(shí),

位于磁場(chǎng)中的線圈旋轉(zhuǎn)使線圈兩端產(chǎn)生的電壓U(感應(yīng)電動(dòng)勢(shì))與線圈(轉(zhuǎn)

子)的轉(zhuǎn)速n成正比,即U=Kn(K是常數(shù))從上式可以看出,輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系。(1)測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種模擬式速度傳感器。測(cè)速發(fā)電機(jī)實(shí)任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用圖1-3-7機(jī)器人速度伺服控制系統(tǒng)的控制原理任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用模擬方式下使用,又可以在數(shù)字方式下使用。1)模擬方式。在模擬方式下,必須有一個(gè)頻率/電壓(f/U)轉(zhuǎn)換器,用來(lái)把編

碼器測(cè)得的脈沖頻率轉(zhuǎn)換成與速度成正比的模擬電壓,其原理如圖1-3-8

所示。f/U轉(zhuǎn)換器必須有良好的零輸出、零輸出特性和較小的溫度漂移

才能滿足測(cè)試要求。圖1-3-8模擬方式下的增量式編碼器測(cè)速原理(2)增量式光電編碼器增量式光電編碼器作為速度傳感器時(shí)既可以在任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用2)數(shù)字方式。數(shù)字方式測(cè)速是利用數(shù)學(xué)公式用計(jì)算軟件計(jì)算出速度。角

速度是轉(zhuǎn)角對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù),編碼器在時(shí)間Δt內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速為ω=Δθ/Δt,

單位時(shí)間越小,則所求得的轉(zhuǎn)速越接近瞬時(shí)轉(zhuǎn)速,然而時(shí)間越短,編碼器通

過(guò)的脈沖數(shù)太少,導(dǎo)致所得到的速度分辨率下降。在實(shí)踐中通常用以下

方法來(lái)解決這一問(wèn)題。編碼器一定時(shí),編碼器的每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)就確定,設(shè)某一編碼器為1000P/r,

則編碼器連續(xù)輸出兩個(gè)脈沖轉(zhuǎn)過(guò)的角度Δθ=2×2π/1000,而轉(zhuǎn)過(guò)該角度的時(shí)間增量用圖1-3-9所示的測(cè)量電路測(cè)得。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用正文圖1-3-9時(shí)間增量測(cè)量電路任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用五、工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器用于檢測(cè)機(jī)器人作業(yè)對(duì)象及作業(yè)環(huán)境狀態(tài)的傳感器稱為外部傳感器。對(duì)于智能機(jī)器人來(lái)說(shuō),外部傳感器是必不可少的,但目前應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的機(jī)器人還不是很多,但隨著對(duì)機(jī)器人的工作精度及性能要求的不斷提高,外部傳感器在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用將日趨增多。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用目前工業(yè)中常用的外部傳感器主要有力覺(jué)傳感器、接近傳感器、觸覺(jué)傳感器等。1.力覺(jué)傳感器力覺(jué)傳感器又稱力和力矩傳感器。工業(yè)機(jī)器人在進(jìn)行裝配、搬運(yùn)

、研磨等作業(yè)時(shí)需要以工作力或力矩進(jìn)行控制。另外,機(jī)器人在自我保護(hù)時(shí)也需要檢測(cè)關(guān)節(jié)和連桿之間的內(nèi)力,防止機(jī)器人手臂因承載過(guò)大或與周圍障礙物碰撞而引起的破壞。力和力矩傳感器種類很多,常用的有電阻應(yīng)變片式力或力矩傳感器、壓電式力或力矩傳感器、電容式力或力矩傳感器、電感式力或力矩傳感器以及各種外力傳感器。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用圖1-3-10六維腕力傳感器力覺(jué)是指對(duì)機(jī)器人的手指、肢體和關(guān)節(jié)等運(yùn)動(dòng)中所受力的感知,

力覺(jué)傳感器主要包括關(guān)節(jié)力傳感器、任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用腕力傳感器、指力傳感器和支座力傳感器,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。目前使用最廣泛的是電阻應(yīng)變片式力和力矩傳感器。這種傳感器的力和力矩敏感元件是應(yīng)變片,它裝在鋁制筒體上,筒體由8個(gè)簡(jiǎn)支梁(彈性梁)支撐。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用圖1-3-10所示為斯坦福研究院(StanfordResearchInstitute,SRI)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8根窄長(zhǎng)的彈性梁,圖1-3-11十字梁腕力傳感器任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用每根梁的頸部只傳遞力,扭矩作用很小。梁的另一頭貼有應(yīng)變片

。圖中Px+到Qy-代表了8根應(yīng)變梁的變形信號(hào)的輸出。圖1-3-11所示為日本大和制衡株式會(huì)社林純一研制的十字梁腕力

傳感器。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)(a、b、c、d),在4根交叉梁上共貼有32個(gè)應(yīng)變

片(圖中的小方塊),組成8路全橋輸出。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用圖1-3-12三梁腕力傳感器如圖1-3-12所示,三梁腕力傳感器的內(nèi)圈和外圈分別固定于機(jī)器人

的手臂和手爪,力沿與內(nèi)圈相切的三根梁進(jìn)行傳遞。每根梁上下

、左右各貼有一對(duì)應(yīng)變片,3根梁上共有6對(duì)應(yīng)變片,解耦可得到六維力(力矩)的精確解。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用2.接近傳感器接近傳感器是機(jī)器人用來(lái)探測(cè)機(jī)器人自身與周圍物體之間相對(duì)位

置或距離的一種傳感器,它探測(cè)的距離一般在幾毫米到十幾厘米

之間。接近傳感器的結(jié)構(gòu)分為接觸型和非接觸型兩種,其中非接

觸型接近傳感器應(yīng)用較廣。目前按照轉(zhuǎn)換原理的不同可將接近傳感器分為電渦流式接近傳感

器、光纖式接近傳感器、超聲波式接近傳感器及激光掃描式接近

傳感器等。(1)電渦流式傳感器導(dǎo)體在一個(gè)不均勻的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)或處于一個(gè)交變磁場(chǎng)中時(shí),其內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種感應(yīng)電流稱為電渦流,這一現(xiàn)象稱為電渦流現(xiàn)象,利用這一原理可以制作電渦流式傳感器。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用正文電渦流式傳感器的外形及工作原理如圖1-3-13所示。由于傳感器的電磁

場(chǎng)方向與產(chǎn)生的電渦流方向相反,兩個(gè)磁場(chǎng)相互疊加削弱了傳感器的電

感和阻抗。用電路把傳感器電感和阻抗的變化轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換電壓,則能計(jì)

算出目標(biāo)物與傳感器之間的距離。該距離正比于轉(zhuǎn)換電壓,但存在一定

的線性度誤差。對(duì)于鋼或鋁等材料制成的目標(biāo)物,線性度誤差為±5%。電渦流式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是外形尺寸小、價(jià)格低廉、可靠性高、抗干擾

能力強(qiáng),而且檢測(cè)精度也高,能夠檢測(cè)到0.02mm的微量位移。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用圖1-3-13電渦流式傳感器a)外形b)原理任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用圖1-3-14光纖式傳感器a)射束中斷型光纖式傳感器b)回射型光纖式傳感器c)擴(kuò)散型光纖式傳感器任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用(2)光纖式傳感器用光纖制作接近傳感器可以用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人與目標(biāo)

物間較遠(yuǎn)的距離。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是抗電磁干擾能力強(qiáng)、靈敏度高

、響應(yīng)快。光纖式傳感器有3種不同的形式,如圖1-3-14所示。其中,第一種為射束中

斷型光纖式傳感器,如圖1-3-14a所示,這種傳感器只能檢測(cè)出不透明物體,

對(duì)透明或半透明的物體無(wú)法檢測(cè)。第二種是回射型光纖式傳感器,如圖1

-3-14b所示,與第一種類型相比,它可以檢測(cè)出透光材料制成的物體。第

三種為擴(kuò)散型光纖式傳感器,如圖1-3-14c所示,與第二種相比其少了回射靶;因?yàn)榇蟛糠植牧隙寄芊瓷湟欢康墓?因此這種類型的傳感器可檢測(cè)

透光或半透光物體。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用(3)超聲波式傳感器超聲波式接近覺(jué)傳感器的主要作用是用超聲波測(cè)

量距離,其原理如圖1-3-15所示。傳感器由一個(gè)超聲波發(fā)射器、一個(gè)超聲

波接收器、定時(shí)電路及控制電路組成。待超聲波發(fā)射器發(fā)出脈沖式超

聲波后關(guān)閉發(fā)射器,同時(shí)打開超聲波接收器。該脈沖波到達(dá)物體表面后

返回到接收器,定時(shí)電路測(cè)出從發(fā)射器發(fā)射到接收器接收的時(shí)間。設(shè)該

時(shí)間為T,而聲波的傳輸速度為v,則被測(cè)距離L為L(zhǎng)=vT/2超聲波的傳輸速度與其波長(zhǎng)和頻率成正比,只要這兩者不變,速度就為常數(shù),但隨著環(huán)境溫度的變化,波速會(huì)有一定變化。超聲波式傳感器對(duì)于水下機(jī)器人的作業(yè)非常重要。水下機(jī)器人安裝超聲波式傳感器后其定位精度可達(dá)到微米級(jí)。另外,激光掃描式接近覺(jué)傳感器的測(cè)量原理與超聲波式傳感器類似。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用正文圖1-3-15超聲波式傳感器原理任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用3.觸覺(jué)傳感器觸覺(jué)傳感器在機(jī)器人中有以下幾個(gè)方面的作用:1)感知操作手指與對(duì)象物之間的作用力,使手指動(dòng)作適當(dāng)。2)識(shí)別操作物的大小、形狀、質(zhì)量及硬度等。3)躲避危險(xiǎn),以防碰撞障礙物而引起事故。4)機(jī)器人的觸覺(jué)傳感器一般包括壓覺(jué)傳感器、滑覺(jué)傳感器、接觸覺(jué)傳感

器等。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用(1)壓覺(jué)傳感器壓覺(jué)傳感器實(shí)際上也是一種觸覺(jué)傳感器,只是它專門對(duì)

壓覺(jué)有感知作用。目前壓覺(jué)傳感器主要有以下幾種:1)壓阻效應(yīng)式壓覺(jué)傳感器。利用某些材料的內(nèi)阻隨壓力變化而變化的壓

阻效應(yīng),制成的壓阻器件,將它們密集配置成陣列,即可檢測(cè)壓力的分布,

如壓敏導(dǎo)電橡膠或塑料等。2)壓電效應(yīng)式壓覺(jué)傳感器。利用某些材料在壓力的作用下,其相應(yīng)表面

上會(huì)產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)制成壓電器件,如壓電晶體等,將它們制成類似人類的皮膚的壓電薄膜,感知外界的壓力。其優(yōu)點(diǎn)是耐蝕、頻帶寬和靈

敏度高等,但缺點(diǎn)是無(wú)直流響應(yīng)、不能直接檢測(cè)靜態(tài)信號(hào)。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用3)集成壓敏壓覺(jué)傳感器。利用半導(dǎo)體力敏器件與信號(hào)電路構(gòu)成集成壓敏

傳感器。常用的有3種類型,即壓電型(如ZnO/Si-IC)、電阻型SIR(硅集成)

和電容型SIC。其優(yōu)點(diǎn)是體積小、成本低、便于與計(jì)算機(jī)連用,缺點(diǎn)是耐

壓負(fù)載小、不柔軟。4)壓磁傳感器。掃描電路和針式差動(dòng)變壓器式觸覺(jué)傳感器可構(gòu)成壓覺(jué)傳

感器。壓磁傳感器具有較強(qiáng)的過(guò)載能力,但缺點(diǎn)是體積較大。圖1-3-16所示為利用半導(dǎo)體技術(shù)制成的高密度智能壓覺(jué)傳感器,它是一種很有發(fā)展前途的壓覺(jué)傳感器。其中傳感元件以壓阻式傳感元件與電容式傳感元件為最多。雖然壓阻式傳感元件比電容式傳感元件的線性好,封裝也簡(jiǎn)單,但是其靈敏度要比電容式傳感元件小一個(gè)數(shù)量級(jí),溫度靈敏度比電容式傳感元件大一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此,電容式壓覺(jué)傳感器,特別是硅電容式壓覺(jué)傳感器得到了廣泛的應(yīng)用。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用圖1-3-16半導(dǎo)體高密度智能壓覺(jué)傳感器任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用(2)滑覺(jué)傳感器機(jī)器人在抓取不知屬性的物體時(shí),其自身應(yīng)能確定最佳

握緊力的給定值。當(dāng)握緊力不夠時(shí),需要檢測(cè)被握緊物體的滑動(dòng),利用該

檢測(cè)信號(hào),在不損害物體的前提下考慮最可靠的夾持方法。實(shí)現(xiàn)此功能

的傳感器稱為滑覺(jué)傳感器。滑覺(jué)傳感器有滾動(dòng)式滑覺(jué)傳感器和球式滑覺(jué)傳感器,以及一種通過(guò)振動(dòng)

檢測(cè)滑覺(jué)的傳感器。其原理是:物體在傳感器表面上滑動(dòng)時(shí),和滾輪或環(huán)

相接觸,把滑動(dòng)變成轉(zhuǎn)動(dòng)。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用圖1-3-17滾珠式滑覺(jué)傳感器圖1-3-17所示為滾珠式滑覺(jué)傳感器,圖中的滾球表面是導(dǎo)體和絕緣體配置成的網(wǎng)眼,從物體的接觸點(diǎn)可以獲取斷續(xù)的脈沖信號(hào),它能檢測(cè)全方位的滑動(dòng)。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用圖1-3-18所示為滾柱式滑覺(jué)傳感器。滾柱式滑覺(jué)傳感器是經(jīng)常使用的一

種滑覺(jué)傳感器。由圖1-3-18a可知,當(dāng)手爪中的物體滑動(dòng)時(shí),將使?jié)L柱旋轉(zhuǎn)

。滾柱帶動(dòng)安裝在其中的光電傳感器和縫隙圓板而產(chǎn)生脈沖信號(hào)。這

些信號(hào)通過(guò)計(jì)數(shù)電路和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,不斷修正握力,達(dá)到消除滑動(dòng)的目的。目前出現(xiàn)了“人工皮膚”,實(shí)際上就是一種以超高密度排列的陣列傳感器,主要用于表面形狀和表面特性的檢測(cè)。壓電材料是另一種有潛力的觸覺(jué)敏感材料,其原理是利用晶體的壓電效應(yīng),在晶體上施壓時(shí),一定范圍內(nèi)施加的壓力與晶體的電阻成比例關(guān)系。但是一般晶體的脆性比較大,作為敏感材料時(shí)很難制作。目前已有一種聚合物材料具有良好的壓電性,且柔性好,易制作,可望成為新的觸覺(jué)敏感材料。其他常用敏感材料有半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì),其原理與應(yīng)變片一樣,即應(yīng)變變形原理。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用圖1-3-18滾柱式滑覺(jué)傳感器a)機(jī)器人夾持器b)傳感器原理任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用六、多傳感器的融合及應(yīng)用1.傳感器的融合系統(tǒng)中使用的傳感器種類和數(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,并且又能給出環(huán)境或?qū)ο蟮牟糠只蛘麄€(gè)

側(cè)面的信息。為了有效地利用這些傳感器信息,需要采用某種形式對(duì)傳感器信息進(jìn)行綜合、融合處理,這種對(duì)不

同類型信息的多種形式的處理系統(tǒng)就是傳感器融合。傳感器的融

合技術(shù)涉及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、知識(shí)工程、模糊理論等信息、檢測(cè)、控制

領(lǐng)域的新理論和新方法。圖1-3-19所示為KUKA多傳感器信息融

合自主移動(dòng)機(jī)器人。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用圖1-3-19KUKA多傳感器信息融合自主移動(dòng)機(jī)器人任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用傳感器數(shù)據(jù)類型有多種,現(xiàn)以兩種例子進(jìn)行說(shuō)明。(1)競(jìng)爭(zhēng)性的在用傳感器檢測(cè)同一環(huán)境或同一物體的同一性質(zhì)時(shí),傳感

器提供的數(shù)據(jù)可能是一致的,也可能是矛盾的。若有矛盾,就需要系統(tǒng)裁

決。裁決的方法有多種,如加權(quán)平均法、決策法等。在一個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)中車輛位置的確定可以通過(guò)計(jì)算法定位系統(tǒng)(利用速度、方向等記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算)或路標(biāo)(如交叉路口、人行道等參照物)觀測(cè)確定。若路標(biāo)觀測(cè)成功,則用路標(biāo)觀測(cè)的結(jié)果,并對(duì)計(jì)算法的值進(jìn)行修正,否則就利用計(jì)算法所得的結(jié)果。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用(2)互補(bǔ)性的傳感器提供不同形式的數(shù)據(jù)。例如,用識(shí)別三維物體的任

務(wù)說(shuō)明這種數(shù)據(jù)類型的融合。利用彩色攝像機(jī)和激光測(cè)距儀確定一段

階梯道路,彩色攝像機(jī)提供圖像(如顏色、特征),而激光測(cè)距儀提供距離

信息,兩者融合即可獲得三維信息。目前,要使多傳感器信息融合體系化尚有困難,而且缺乏理論依據(jù)。多傳

感器信息融合的理想目標(biāo)應(yīng)是人類的感覺(jué)、識(shí)別、控制體系,但由于對(duì)后者尚無(wú)一個(gè)明確的工程學(xué)的闡述,所以機(jī)器人傳感器融合體系要具備

什么樣的功能尚是一個(gè)模糊的概念。相信隨著機(jī)器人智能水平的提高,

多傳感器信息融合理論和技術(shù)將會(huì)逐步完善和系統(tǒng)化。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用2.多傳感器應(yīng)用系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人工作的穩(wěn)定性與可靠性,依賴于機(jī)器人對(duì)工作環(huán)境的

感覺(jué)和自主的適應(yīng)能力,因此需要高性能傳感器及各傳感器的協(xié)

調(diào)工作。由于不同行業(yè)工作環(huán)境所具有的特殊要求和不確定性,

隨著工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,對(duì)機(jī)器人感覺(jué)系統(tǒng)的要求

也不斷提高。機(jī)器人感覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能化的基礎(chǔ),主要表現(xiàn)在新型傳感器的應(yīng)用及多傳感器的融合上。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用一臺(tái)智能機(jī)器人采用很多種傳感器,所以把傳感的信息和存儲(chǔ)的

信息集成起來(lái),形成控制規(guī)則也是重要的問(wèn)題。在某些情況下,一

臺(tái)計(jì)算機(jī)就完全能夠控制機(jī)器人。在某些復(fù)雜系統(tǒng)中,運(yùn)動(dòng)機(jī)器

人或柔性制造系統(tǒng)可能要采用分層的、分散的計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。

一臺(tái)執(zhí)行控制器用以完成總體規(guī)劃,它把信息傳遞給一系列專用

的處理器,以控制機(jī)器人各種功能,并從傳感器系統(tǒng)接收輸入信號(hào)

。不同層次可用來(lái)完成不同的任務(wù)。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用圖1-3-20多感覺(jué)智能機(jī)器人的組成(1)多感覺(jué)智能機(jī)器人的組成多感覺(jué)智能機(jī)器人的組成如圖1-3-20所示任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用圖1-3-21機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)示意1—大臂2—小臂電動(dòng)機(jī)3—手腕電動(dòng)機(jī)4—手腕5—手爪6—機(jī)座7—大臂電動(dòng)機(jī)8—升臂機(jī)9—滾珠絲杠10—升降電動(dòng)機(jī)11—小臂(2)機(jī)器人本體機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)示意如圖1-3-21所示。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用(3)多傳感系統(tǒng)多感覺(jué)智能機(jī)器人有7種感覺(jué)傳感器。其中,接近傳感器

、觸覺(jué)傳感器和滑覺(jué)傳感器為一體化的傳感器,傳感器外形制成手指形

狀,便于直接安裝到手爪上。溫度覺(jué)和熱覺(jué)傳感器裝于機(jī)器人的另一只

手爪上。溫度覺(jué)傳感器是普通測(cè)量元件(集成溫度傳感器),熱覺(jué)傳感器由

加熱部分與鉑熱敏電阻實(shí)現(xiàn)。該手指的頂部裝有垂直方向接近傳感器

。力覺(jué)傳感器裝于機(jī)械手的腕部。將上述6種傳感器組裝于一體的機(jī)械

手爪,如圖1-3-22所示。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用圖1-3-226種傳感器組裝于一體的機(jī)械手爪任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用正文上方固定安裝了視覺(jué)傳感器(CCD攝像機(jī))來(lái)對(duì)準(zhǔn)機(jī)器人的作業(yè)臺(tái)面。該

系統(tǒng)采用的是MTV-3501CB型CCD攝像機(jī)(512X582PAL制),攝像機(jī)采集

的模擬視頻信號(hào)通過(guò)插在計(jì)算機(jī)擴(kuò)展槽中的PCVideo圖像處理卡轉(zhuǎn)換成

一定格式的數(shù)字信息,送入計(jì)算機(jī)。(4)控制部分多感覺(jué)智能機(jī)器人的控制分3層。整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)

構(gòu)功能圖如圖1-3-23所示,包括