工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用-課件

知識目標(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、場合,選用合適的傳感器。3.會分析常見工業(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)檢測傳感器不同,前者對傳感器信息的種類和智能化處理的要求更高,無論研究與產(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量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系、易于精確處理和測量的某種物理量的測量部件或裝置。完整的傳感器應(yīng)包括敏感元件、轉(zhuǎn)化元件、基本轉(zhuǎn)化電路三個基本部分。敏感元件將某種不便測量的物理量轉(zhuǎn)化為易于測量的物理量,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)生的易于測量的信號進(jìn)行變化,使傳感器的信號輸出符合工業(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。外部傳感器如視覺傳感器、觸覺傳感器、力覺傳感器、距離傳感器等,是為了檢測作業(yè)對象及環(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(測量范圍、過載能力)、靈敏度、靜態(tài)精度和動態(tài)精度(頻率特性和階躍特性)。環(huán)境參數(shù):溫度、振動沖擊及其他參數(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)用傳感器常見的重要的性能指標(biāo)如下:1.靈敏度靈敏度是指傳感器的輸出信號達(dá)到穩(wěn)定時,輸出信號變化Δy與輸

入信號變化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,傳感器輸出的信號精確度越高,線性程度越

好。但是過高的靈敏度有時會導(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與輸入信號之間的線性程度。假設(shè)傳感器的輸出信號為y,輸入信號為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傳感器的測量輸出值與實際被測量值之間的誤

差。在機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計中,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)性是指用傳感器對其輸入信號按同一方式進(jìn)行全量程連續(xù)多

次測量時,相應(yīng)測量結(jié)果的變化程度。對于多數(shù)傳感器來說,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,傳感器的測量結(jié)

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

測量方法的問題。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用5.分辨力分辨力是指傳感器在整個測量范圍內(nèi)所能辨別的被測量的最小變

化量,或者所能辨別的不同被測量的個數(shù)。無論是示教再現(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)時間響應(yīng)時間是傳感器的動態(tài)特性指標(biāo),是指傳感器的輸入信號變化

后,其輸出信號變化到一個穩(wěn)定值所需要的時間。在某些傳感器

中,輸出信號在達(dá)到某一穩(wěn)定值以前會發(fā)生短時間的振蕩。7.抗干擾能力由于傳感器輸出信號的穩(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)的意外動作或故障的發(fā)生,傳感器系統(tǒng)設(shè)計必須采用

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

生故障的概率來定義,因此是一個統(tǒng)計指標(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合的不同,選擇不同的傳感器。1.根據(jù)機(jī)器人對傳感器的要求來選擇機(jī)器人對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。4)重量輕,體積小,安裝方便可靠。5)價格便宜。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),其中比較常見的加

工任務(wù)有物料搬運、裝配、噴漆、焊接、檢驗等。不同的加工任

務(wù)對機(jī)器人提出不同的要求,從而對傳感器也有不同的要求,選擇

傳感器時應(yīng)考慮這一點。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)器人的控制要求來選擇例如,機(jī)器人控制需要采用傳感器檢測機(jī)器人的運動位置、速度

、加速度等。此外,選擇機(jī)器人傳感器時還應(yīng)考慮輔助工作要求(如產(chǎn)品檢驗)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,而位置和位移的測量也是

機(jī)器人最基本的感覺要求。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,其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖信號,可以測量直線位移,也可以測量轉(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量范圍大,檢測精度高,一般把該傳感器安裝在機(jī)器

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

式編碼器和增量式編碼器。按照結(jié)構(gòu)及信號轉(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)絕對式光電編碼器。絕對式編碼器是一種直接編碼式的測量元件。它

可以直接把被測轉(zhuǎn)角或位移轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的代碼,指示的是絕對位置而無絕對誤差,在電源切斷時不會失去位置信息。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,價格昂貴,且不易實現(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位置的各等份上的數(shù)碼轉(zhuǎn)化成電信號輸出,用于檢測。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,

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

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

排列,通過這些光電器件的檢測可以產(chǎn)生絕對位置的二進(jìn)制碼。絕對式

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

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,當(dāng)編碼盤在其兩個相鄰位置的邊緣交替或來回擺

動時,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,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)制碼值的對照參見表1-3-2。循環(huán)碼是非加權(quán)碼,其特點是相鄰

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

發(fā)現(xiàn)數(shù)碼變化超過一位,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硬件解密器或軟件解密來實現(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。如果需要提高信號的輸出強度,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)字形式測量出轉(zhuǎn)軸相

對于某一基準(zhǔn)位置的瞬間角位置,另外還能測出轉(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

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,C相為標(biāo)志信號,編碼盤每旋轉(zhuǎn)一周,標(biāo)志信號發(fā)

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

的相對位置,但不能確定機(jī)器人轉(zhuǎn)軸的絕對位置,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,用絕對式光電編

碼器確定機(jī)器人的絕對位置,而由初始位置開始的變動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觸

點組成,通過觸點的滑動改變電位器的阻值來測量信號的大小。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)點是:結(jié)構(gòu)簡單,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范圍,且測量過程中斷電或發(fā)生故

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

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

性關(guān)系。這種弧形電阻最大的測量角度為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)點是:結(jié)構(gòu)簡單、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范圍,且測量過程中斷電或發(fā)生故障時,輸出信號能

得到保持而不會自動丟失;其缺點是滑動觸點容易磨損。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

中主要測量機(jī)器人關(guān)節(jié)的運行速度,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速發(fā)電機(jī)和增量式光電編

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

壓且具有良好實時性的一種速度測量傳感器。增量式光電編碼器

既可以用來測量增量角位移,又可以用來測量瞬時角速度,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)通過線圈的磁通量恒定時,

位于磁場中的線圈旋轉(zhuǎn)使線圈兩端產(chǎn)生的電壓U(感應(yīng)電動勢)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)測速發(fā)電機(jī)測速發(fā)電機(jī)是一種模擬式速度傳感器。測速發(fā)電機(jī)實任務(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,必須有一個頻率/電壓(f/U)轉(zhuǎn)換器,用來把編

碼器測得的脈沖頻率轉(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

才能滿足測試要求。圖1-3-8模擬方式下的增量式編碼器測速原理(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)字方式測速是利用數(shù)學(xué)公式用計算軟件計算出速度。角

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

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

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

方法來解決這一問題。編碼器一定時,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)輸出兩個脈沖轉(zhuǎn)過的角度Δθ=2×2π/1000,而轉(zhuǎn)過該角度的時間增量用圖1-3-9所示的測量電路測得。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時間增量測量電路任務(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機(jī)器人作業(yè)對象及作業(yè)環(huán)境狀態(tài)的傳感器稱為外部傳感器。對于智能機(jī)器人來說,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傳感器、接近傳感器、觸覺傳感器等。1.力覺傳感器力覺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

、研磨等作業(yè)時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)時也需要檢測關(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是指對機(jī)器人的手指、肢體和關(guān)節(jié)等運動中所受力的感知,

力覺傳感器主要包括關(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,測量驅(qū)動器本身的輸出力和力矩,用于控制中的力

反饋。腕力傳感器,測量作用在末端執(zhí)行器上的各向力和力矩。指力傳感器,測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個簡支梁(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)變梁的變形信號的輸出。圖1-3-11所示為日本大和制衡株式會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

處有一個柔性環(huán)節(jié)(a、b、c、d),在4根交叉梁上共貼有32個應(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

、左右各貼有一對應(yīng)變片,3根梁上共有6對應(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)器人用來探測機(jī)器人自身與周圍物體之間相對位

置或距離的一種傳感器,它探測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)體在一個不均勻的磁場中運動或處于一個交變磁場中時,其內(nèi)部就會產(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

場方向與產(chǎn)生的電渦流方向相反,兩個磁場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

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)點是外形尺寸小、價格低廉、可靠性高、抗干擾

能力強,而且檢測精度也高,能夠檢測到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檢測機(jī)器人與目標(biāo)

物間較遠(yuǎn)的距離。這種傳感器的優(yōu)點是抗電磁干擾能力強、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出不透明物體,

對透明或半透明的物體無法檢測。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;因為大部分材料都能反射一定量的光,因此這種類型的傳感器可檢測

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傳感器的主要作用是用超聲波測

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

波接收器、定時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,定時電路測出從發(fā)射器發(fā)射到接收器接收的時間。設(shè)該

時間為T,而聲波的傳輸速度為v,則被測距離L為L=vT/2超聲波的傳輸速度與其波長和頻率成正比,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,波速會有一定變化。超聲波式傳感器對于水下機(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。另外,激光掃描式接近覺傳感器的測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.觸覺傳感器觸覺傳感器在機(jī)器人中有以下幾個方面的作用:1)感知操作手指與對象物之間的作用力,使手指動作適當(dāng)。2)識別操作物的大小、形狀、質(zhì)量及硬度等。3)躲避危險,以防碰撞障礙物而引起事故。4)機(jī)器人的觸覺傳感器一般包括壓覺傳感器、滑覺傳感器、接觸覺傳感

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

壓覺有感知作用。目前壓覺傳感器主要有以下幾種:1)壓阻效應(yīng)式壓覺傳感器。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)式壓覺傳感器。利用某些材料在壓力的作用下,其相應(yīng)表面

上會產(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)點是耐蝕、頻帶寬和靈

敏度高等,但缺點是無直流響應(yīng)、不能直接檢測靜態(tài)信號。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用3)集成壓敏壓覺傳感器。利用半導(dǎo)體力敏器件與信號電路構(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)點是體積小、成本低、便于與計算機(jī)連用,缺點是耐

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

感器。壓磁傳感器具有較強的過載能力,但缺點是體積較大。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傳感器,它是一種很有發(fā)展前途的壓覺傳感器。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,封裝也簡單,但是其靈敏度要比電容式傳感元件小一個數(shù)量級,溫度靈敏度比電容式傳感元件大一個數(shù)量級。因此,電容式壓覺傳感器,特別是硅電容式壓覺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)滑覺傳感器機(jī)器人在抓取不知屬性的物體時,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,需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?；X傳感器有滾動式滑覺傳感器和球式滑覺傳感器,以及一種通過振動

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

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

。滾柱帶動安裝在其中的光電傳感器和縫隙圓板而產(chǎn)生脈沖信號。這

些信號通過計數(shù)電路和D-A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號,通過反饋系統(tǒng),

構(gòu)成閉環(huán)控制,不斷修正握力,達(dá)到消除滑動的目的。目前出現(xiàn)了“人工皮膚”,實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。壓電材料是另一種有潛力的觸覺敏感材料,其原理是利用晶體的壓電效應(yīng),在晶體上施壓時,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,可望成為新的觸覺敏感材料。其他常用敏感材料有半導(dǎo)體應(yīng)變計,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€

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傳感器信息進(jìn)行綜合、融合處理,這種對不

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)、知識工程、模糊理論等信息、檢測、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)行說明。(1)競爭性的在用傳感器檢測同一環(huán)境或同一物體的同一性質(zhì)時,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。在一個導(dǎo)航系統(tǒng)中車輛位置的確定可以通過計算法定位系統(tǒng)(利用速度、方向等記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行計算)或路標(biāo)(如交叉路口、人行道等參照物)觀測確定。若路標(biāo)觀測成功,則用路標(biāo)觀測的結(jié)果,并對計算法的值進(jìn)行修正,否則就利用計算法所得的結(jié)果。任務(wù)三工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用(2)互補性的傳感器提供不同形式的數(shù)據(jù)。例如,用識別三維物體的任

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

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、識別、控制體系,但由于對后者尚無一個明確的工程學(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)器人對工作環(huán)境的

感覺和自主的適應(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,對機(jī)器人感覺系統(tǒng)的要求

也不斷提高。機(jī)器人感覺系統(tǒng)的設(shè)計是實現(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的

信息集成起來,形成控制規(guī)則也是重要的問題。在某些情況下,一

臺計算機(jī)就完全能夠控制機(jī)器人。在某些復(fù)雜系統(tǒng)中,運動機(jī)器

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

一臺執(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

。不同層次可用來完成不同的任務(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多感覺智能機(jī)器人的組成(1)多感覺智能機(jī)器人的組成多感覺智能機(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—小臂電動機(jī)3—手腕電動機(jī)4—手腕5—手爪6—機(jī)座7—大臂電動機(jī)8—升臂機(jī)9—滾珠絲杠10—升降電動機(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)多感覺智能機(jī)器人有7種感覺傳感器。其中,接近傳感器

、觸覺傳感器和滑覺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。溫度覺和熱覺傳感器裝于機(jī)器人的另一只

手爪上。溫度覺傳感器是普通測量元件(集成溫度傳感器),熱覺傳感器由

加熱部分與鉑熱敏電阻實現(xiàn)。該手指的頂部裝有垂直方向接近傳感器

。力覺傳感器裝于機(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傳感器(CCD攝像機(jī))來對準(zhǔn)機(jī)器人的作業(yè)臺面。該

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

的模擬視頻信號通過插在計算機(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,送入計算機(jī)。(4)控制部分多感覺智能機(jī)器人的控制分3層。整個控制系統(tǒng)的硬件結(jié)

構(gòu)功能圖如圖1-3-23所示,包括