05 模塊5 工業(yè)機器人傳感技術

《工業(yè)機器人技術基礎》課程教案課題：模塊5工業(yè)機器人傳感技術課型：新授課課時：本章安排4個課時。教學過程：教學形式：講授課，教學組織采用課堂整體講授和分組演示。教學媒體：采用啟發(fā)式教學、案例教學等教學方法。教學手段采用多媒體課件、視頻等媒體技術。板書設計：本課標題模塊5工業(yè)機器人傳感技術課次2授課方式理論課□討論課□習題課□其他□課時安排4學分共2分授課對象應用型本科院校和高職院校工業(yè)機器人專業(yè)學生任課教師教材及參考資料1.《工業(yè)機器人技術基礎》。2.本教材配套視頻教程及學習檢查等資源。3.與本課程相關的其他資源。教學基本內(nèi)容教學方法及教學手段引言近年來，我國的生產(chǎn)制造業(yè)發(fā)展迅猛，但由于部分技術尚傳感系統(tǒng)是機器人的重要組成部分，相當于人的感覺和神經(jīng)。機器人傳感器可以分為內(nèi)部和外部兩類傳感器：內(nèi)部傳感器是構成機器人不可缺少的基本元件，而外部傳感器取決于機器人所要完成的任務，如對于與工件有接觸的作業(yè)，像打磨、拋光、裝配等，就需要有力（力矩）傳感器。本章詳細講解了機器人常用傳感器的分類，包括位置和位移傳感器、接近傳感器、觸覺傳感器和視覺傳感技術的工作原理和特點。參考以下形式：1.銜接導入2.懸念導入3.情景導入4.激疑導入5.演示導入6.實例導入7.其他形式本章基本知識匯總單元1工業(yè)機器人傳感技術基礎一、傳感技術概述傳感技術是利用傳感器采集環(huán)境信息的一種自動化技術。傳感器是基于內(nèi)部的物理、化學變化，將之變換成電信號（電壓、電流和頻率）的裝置。傳感技術是實現(xiàn)自動檢測和控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體變得“活”了起來。從物聯(lián)網(wǎng)角度看，傳感技術是衡量一個國家信息化程度的重要標志。二、傳感系統(tǒng)的組成傳感系統(tǒng)通常由敏感元件、轉換元件和基本轉換電路組成。其中，敏感元件的基本功能是將某種不易測量的物理量轉換為易于測量的物理量；轉換元件的功能是將敏感元件輸出的物理量轉換為電信號，它與敏感元件一起構成傳感器的主要部分；基本轉換電路的功能是將敏感元件產(chǎn)生的不易測量的小信號進行變換，使傳感器的信號輸出符合具體工業(yè)系統(tǒng)的要求（如4～20mA、-5～5V）。三、傳感技術的功能人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動中是遠遠不夠的，為適應這種情況，就需要傳感器?？梢哉f，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。隨著新技術革命的到來，世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中，首先要解決的就是獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領域信息的主要途徑與手段。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，使設備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達到最好的質(zhì)量。如果沒有優(yōu)質(zhì)的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎。在基礎學科研究中，傳感器更具有突出的地位?，F(xiàn)代科學技術的發(fā)展已經(jīng)步入眾多新領域，例如在宏觀上要觀測距離地球上千光年的茫茫宇宙，微觀上要觀測小到飛米的粒子世界，縱向上要觀測長達數(shù)十萬年的天體演化，以及短到飛秒量級的瞬間反應。此外，還出現(xiàn)了各種前端技術研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、超弱磁場等。顯然，要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息，沒有相應的傳感器是不可能的。許多基礎科學研究的障礙，首先就在于獲取對象信息存在困難，而一些基于新機理的高靈敏度檢測傳感器的出現(xiàn)，往往會促進該領域內(nèi)的技術突破。傳感器技術的發(fā)展，常常是一些前沿型學科取得進展的先驅(qū)力量。傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至文物保護等極其廣泛的領域。毫不夸張地說，從茫茫太空到浩瀚海洋，以至各種復雜的系統(tǒng)工程，幾乎每一個現(xiàn)代化項目都離不開各式各樣的傳感器。由此可見，傳感器在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步方面的作用是十分明顯的，世界各國都十分重視這一技術的發(fā)展。單元2工業(yè)機器人傳感技術應用一、物料感知在工業(yè)自動化應用中，物料感知是傳感器技術應用最多的一類，其主要目的是判斷檢測對象是否存在，如流水線末端的物料到位檢測、氣缸運動體的到位檢測等。用于這類功能的傳感器類型很多，如光纖傳感器、光電傳感器、接近傳感器。（一）光纖傳感器光纖傳感器是一種將被測對象的狀態(tài)轉變?yōu)榭蓽y量的光信號的傳感器。光纖傳感器的工作原理是將光源入射的光束經(jīng)由光纖送入調(diào)制器，在調(diào)制器內(nèi)經(jīng)相互作用，使光的光學性質(zhì)如光強、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化，成為被調(diào)制的光信號，再經(jīng)過光纖送入光電器件，經(jīng)解調(diào)器后獲得被測參數(shù)。整個過程中，光束經(jīng)由光纖導入，通過調(diào)制器后再射出，光纖的作用首先是傳輸光束，其次是起到光調(diào)制器的作用。光纖由中心的纖芯和與其折射率不同的包層構成。光射入纖芯后，會在纖芯與包層的邊界面上重復全反射并不斷前進，穿過光纖內(nèi)部從邊緣射出的光約呈60°擴散，并照射至檢測物體。及光纖原理根據(jù)光束的照射，光纖傳感器分為對射型和漫反射型。傳感器在朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這一傳感器家族的新成員備受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能：抗電磁和原子輻射干擾；徑細、質(zhì)軟、質(zhì)量輕；電氣絕緣、無感應；防水、耐高溫、耐腐蝕等，它能夠在人無法到達的位置（如高溫區(qū)）或者對人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)）實現(xiàn)監(jiān)測作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。（二）光電傳感器光電傳感器是一種從發(fā)射器發(fā)射光線，并通過接收器檢測物體反射的光或遮光量的變化，從而獲取輸出信號的儀器，其工作原理基于光電效應。光電效應是指光照射在某些物質(zhì)上時，物質(zhì)的電子因吸收光子的能量而發(fā)生相應的電效應現(xiàn)象。光電傳感器光電傳感器一般由處理通路和處理元件兩部分組成，其基本原理是以光電效應為基礎，把被測量的數(shù)據(jù)轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將非電信號轉換成電信號。光電效應的實質(zhì)是，用光照射某一物體，可以看作是一連串帶有一定能量的光子轟擊在這個物體上，此時光子的能量會傳遞給電子，并且是一個光子的全部能量一次性被一個電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應的電效應。通常把光電效應分為三類：1.在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應，如光電管、光電倍增管等。2.在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應，如光敏電阻、光敏晶體管等。3.在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應，如光電池等。光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。由于光電傳感器涉及的領域非常廣泛，其研究和開發(fā)在世界上引起了高度重視，它已從最初的軍用逐漸發(fā)展到民用，而且與我們的生活息息相關?，F(xiàn)代化的生活離不開光電傳感器的參與，如傳真機、復印機、掃描儀、打印機、車庫開門器、液晶顯示器、色度計、分光計、汽車和醫(yī)療診斷儀器等，不勝枚舉。（三）接近傳感器接近傳感器是一種具有感知物體接近能力的傳感器件，它利用位移傳感器對接近的物體具有敏感特性的原理來識別物體的接近，并輸出相應的開關信號，因此又稱為接近開關。接近傳感器的檢測對象僅為金屬，它可以透過塑料、玻璃等檢測金屬物質(zhì)的靠近。1.通用型2.鋁檢測型3.接近傳感器的特點對比其他類型的傳感器，接近傳感器具有如下特點：（1）由于能以非接觸方式進行檢測，所以不會磨損或損傷檢測對象。（2）由于采用無接點半導體輸出方式，對接點的壽命無影響。（3）與光檢測方式不同，適合在水和油等環(huán)境下使用，檢測時幾乎不受檢測對象的污漬和油、水等的影響。此外，還包括特氟龍外殼型及耐藥性良好的產(chǎn)品。（4）與接觸式開關相比，可實現(xiàn)高速響應。（5）能對應廣泛的溫度范圍。（6）對檢測對象的物理性質(zhì)變化進行檢測，所以幾乎不受表面顏色等的影響。（7）與接觸式不同，會受周圍溫度、物體、同類傳感器的影響，包括感應型、靜電容量型在內(nèi)，傳感器之間相互影響。因此，對于傳感器的設置需要考慮相互干擾。此外，在感應型中需要考慮周圍金屬的影響，而在靜電容量型中則需考慮周圍物體的影響。二、速度感知在進行物料分揀時，常常會使用一種測速裝置，配合視覺系統(tǒng)和機器人進行物料的動態(tài)抓取工作。物料在傳送帶上運動，相機負責獲取物料的位置信息，并將位置數(shù)據(jù)輸入機器人系統(tǒng)，機器人進而運動到合適的位置取走物料。由于物料的位置會跟隨傳送帶不斷變化，因此機器人要想準確地抓取物料，還需要知曉物料的運動速度。由于旋轉編碼器與傳送面接觸，所以能夠檢測傳送帶表面的線速度，即物料的運動速度。旋轉編碼器是一種將角位移或線位移轉換成電信號的旋轉式傳感器。它既可以用于測量回轉運動的角位移和角速度，也可以用來測量線性運動的線位移和線速度。旋轉編碼器主要由轉軸、碼盤、發(fā)射器和接收器組成。轉軸在檢測過程中與測量對象接觸，如果是測角位移，則與回轉體旋轉軸連接；如果是測量線位移，則需安裝軸套，使軸套輪廓與線性運動對象接觸。發(fā)射器和接收器通常是一套激光傳感器或光電傳感器，通過檢測碼盤方形孔引起的信號變化，將角位移轉換成電信號。接收器1和接收器2都可以用于檢測碼盤旋轉產(chǎn)生的脈沖，并將其轉換成電信號以測量角速度。碼盤上的發(fā)射器1和發(fā)射器2對應的方形孔間隔相差一定角度，使接收器1到接收器2的脈沖間隔時間與接收器2到接收器1的脈沖間隔時間不等，通過這樣的方式可以檢測碼盤回轉的矢量方向。三、力覺感知力傳感器是將力的量值轉換為相關電信號的器件。力傳感器能檢測張力、拉力、壓力、質(zhì)量、扭矩、內(nèi)應力和應變等物理量，其具體組成器件有金屬應變片、壓力傳感器等，它在動力設備、工程機械、各類工作母機和工業(yè)自動化系統(tǒng)中已成為不可缺少的核心部件。例如，裝配時需完成將軸類零件插入孔里、調(diào)準零件位置、擰動螺釘?shù)纫幌盗胁襟E，在擰動螺釘過程中需要有確定的擰緊力；搬運時機器人手爪對工件需有合理的握力，握力太小不足以搬動工件，太大則會損壞工件；研磨時需要有合適的砂輪進給力以保證研磨精度。另外，機器人在自我保護時也需要檢測關節(jié)和連桿之間的內(nèi)力，防止機器人手臂因負載過大或與周圍障礙物碰撞而引起損壞，所以力和力矩傳感器在機器人中的應用較廣泛。力和力矩傳感器種類很多，常用的有電阻應變片式傳感器、壓電式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器及各種外力傳感器。力和力矩傳感器的工作方式都是通過彈性敏感元件將被測力或力矩轉換成某種位移量或形變量，然后通過各自的敏感介質(zhì)把位移量或形變量轉換成能夠輸出的電信號。四、視覺識別為了能夠勝任更復雜的工作，機器人不但要有更好的控制系統(tǒng)，還需要更多地感知環(huán)境的變化。其中，機器視覺技術以其可獲取的信息量大、信息完整而成為機器人最重要的感知功能。（一）機器視覺技術機器視覺技術是一門涉及人工智能、神經(jīng)生物學、心理物理學、計算機科學、圖像處理、模式識別等諸多領域的交叉學科。機器視覺主要用計算機來模擬人的視覺功能，但它并不僅僅是人眼的簡單延伸，更重要的是具有人腦的一部分功能——從客觀事物的圖像中提取信息，進行處理并加以理解，最終用于實際檢測、測量和控制。美國制造工程師協(xié)會機器視覺分會和美國機器人工業(yè)協(xié)會自動化視覺分會對機器視覺的定義為：機器視覺是通過光學裝置和非接觸傳感器自動接收和處理真實物體的圖像，以獲得所需信息或用于控制機器人的運動。在20世紀70年代，出現(xiàn)了一些實用性的視覺系統(tǒng)，廣泛應用于集成電路生產(chǎn)、精密電子產(chǎn)品裝配、飲料罐裝場合的檢驗等。到了20世紀80年代后期，出現(xiàn)了專門的圖像處理硬件，人們開始系統(tǒng)地研究機器人視覺控制系統(tǒng)。在20世紀90年代，隨著計算機功能的增強及其價格的下降，以及圖像處理硬件和CCD攝像機的快速發(fā)展，機器人視覺系統(tǒng)研究吸引了越來越多的研究人員。20世紀90年代后期，視覺伺服控制技術從結構形式、圖像處理方法、控制策略上都有了長足的進步。機器視覺技術伴隨計算機技術、現(xiàn)場總線技術的發(fā)展日臻成熟，已是現(xiàn)代加工制造業(yè)不可或缺的一項技術，廣泛應用于食品和飲料、化妝品、制藥、建材和化工、金屬加工、電子制造、包裝、汽車制造等行業(yè)。例如，印刷電路板的視覺檢查、鋼板表面的自動探傷、大型工件平行度和垂直度測量、容器容積測量、雜質(zhì)檢測、機械零件的自動識別分類和幾何尺寸測量等，都用到了機器視覺技術。此外，在許多用其他檢測方法難以奏效的場合，利用機器視覺系統(tǒng)都可以有效地完成。機器視覺技術的應用使得機器越來越多地代替了人的勞動，這無疑在很大程度上提高了生產(chǎn)自動化水平和檢測系統(tǒng)的智能化水平。機器視覺系統(tǒng)具有如下特點：1.精度高優(yōu)秀的機器視覺系統(tǒng)能夠?qū)Ρ姸嗄繕诉M行空間測量。因為此種測量不需要接觸目標，所以對目標沒有損傷和危險，同時由于采用了計算機技術，因此具有極高的精確度。2.連續(xù)性機器視覺系統(tǒng)可以使人免受疲勞之苦，沒有因人為因素而造成的操作變化。3.靈活性機器視覺系統(tǒng)能夠獲取和測量各種不同信息，當應用需求發(fā)生變化時，只需對軟件作相應改變或升級就可適應新的需求。4.標準性機器視覺系統(tǒng)的核心是視覺圖像技術，而不同廠商的機器視覺系統(tǒng)產(chǎn)品的標準是一致的，這為機器視覺的廣泛應用提供了極大的方便。（二）機器視覺系統(tǒng)的組成機器視覺系統(tǒng)是指通過機器視覺傳感器抓取圖像，然后將該圖像傳送至處理單元加以數(shù)字化處理，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，進行尺寸、形狀、顏色等的判別，進而根據(jù)判別結果來控制現(xiàn)場設備動作的系統(tǒng)。機器視覺系統(tǒng)一般由光源、光學系統(tǒng)、CCD/CMOS攝像機、圖像采集卡、圖像處理軟件、監(jiān)視器、計算機、通信（輸入/輸出）單元等組成，各部分之間的關系。1.視覺傳感器2.圖像采集/處理卡3.光源（三）圖像處理技術圖像處理技術又稱為計算機圖像處理技術，是指將圖像信號轉換成數(shù)字信號并利用計算機對其進行處理的技術。常用的圖像處理方法包括圖像增強、圖像平滑、邊緣銳化、圖像分割、圖像識別、圖像編碼與壓縮等。在圖像處理中，輸入的是低質(zhì)量的圖像，輸出的是質(zhì)量得到改善后的圖像。對圖像進行處理既可改善圖像的視覺效果，又便于計算機對圖像進行分析、處理和識別。1.圖像增強圖像增強用于調(diào)整圖像的對比度，突出圖像中的重要細節(jié)，改善視覺質(zhì)量，通常采用灰度直方圖修改技術進行圖像增強。圖像的灰度直方圖是表示一幅圖像灰度分布情況的統(tǒng)計特性圖表，與對比度緊密相連。如果獲得一幅圖像的直方圖效果不理想，可以通過直方圖均衡化處理技術作適當修改，即把一幅已知灰度概率分布圖像中的像素灰度作某種映射變換，使它變成一幅具有均勻灰度概率分布的新圖像，達到使圖像清晰的目的。2.圖像平滑圖像平滑處理技術即圖像的“去噪聲”處理技術。“噪聲”會降低圖像質(zhì)量，使圖像變得模糊、特征不清晰。實際獲得的圖像在形成、傳輸、接收和處理的過程中，不可避免地存在著外部干擾和內(nèi)部干擾，如光電轉換過程中基于敏感元件靈敏度的不均勻性、數(shù)字化過程的量化“噪聲”、傳輸過程中的誤差及人為因素等，均會使圖像失真。去除“噪聲”，主要是為了去除實際成像過程中因成像設備和環(huán)境所造成的圖像失真，從而提取有用信息，恢復原始圖像。這是圖像處理中的一項重要內(nèi)容，可通過鄰域平均法、中值濾波法、空間域低通濾波等算法實現(xiàn)。3.邊緣銳化邊緣銳化處理主要是指加強圖像中的輪廓邊緣和細節(jié)，形成完整的物體邊界，達到將物體從圖像中分離出來或?qū)⒈硎就晃矬w表面的區(qū)域檢測出來的目的。銳化算法的實現(xiàn)基于微分原理，其作用是使灰度反差增強，因為邊緣和輪廓位于灰度突變的地方。邊緣銳化是早期視覺理論和算法中的基本問題。4.圖像分割圖像分割是將圖像分成若干部分，每一部分對應于某一物體表面。在進行分割時，每一部分的灰度或紋理須符合某一種度量標準。圖像分割的本質(zhì)是將像素進行分類，把人們對圖像中感興趣的部分或目標從圖像中提取出來，以進一步分析和應用。圖像分割通常有以下兩種方法：（1）閾值處理法：以區(qū)域為對象進行分割，根據(jù)圖像的灰度、色彩以及圖像的灰度值或色彩變化得到的特征相似性來劃分圖像空間，通過把同一灰度級或相同組織結構的像素聚集起來而形成區(qū)域，這一方法依賴于相似性準則的選取。（2）邊緣檢測法：以物體邊界為對象進行分割，首先通過檢測圖像中的局部不連續(xù)性得到圖像的邊緣（通常將畫面上灰度突變部分當作邊緣），從而把邊界分解成一系列的局部邊緣，再按照一些策略把這些邊緣確定為一定的分割區(qū)域。5.圖像識別圖像識別可以看作為一個標記過程，即利用識別算法來辨別景物中已分割好的各個物體，并給這些物體賦予特定的標記，它是機器視覺系統(tǒng)必須完成的一個任務。按照圖像識別的難易程度，圖像識別問題可分為以下三類：(1)圖像中的像素表達了某一物體的某種特定信息，如遙感圖像中的某一像素代表地面某一位置物體的一定光譜波段的反射特性，通過它即可判別出該物體的種類。(2)待識別物是有形的整體，通過二維圖像信息已經(jīng)能夠識別該物體，如文字識別、某些具有穩(wěn)定可視表面的三維體識別等，但這類問題不像第一類問題容易表示成特征矢量，在識別過程中，應先將待識別物體正確地從圖像背景中分割出來，再設法建立起圖像中物體的屬性圖，然后與假定模型庫中的屬性圖進行匹配。(3)由輸入的二維圖、要素圖等得出被測物體的三維表示，這一技術是當今研究的熱點問題。6.圖像編碼與壓縮圖像編碼與壓縮是圖像數(shù)據(jù)存儲與傳輸中的一項重要技術。數(shù)字圖像要占用大量的內(nèi)存，一幅512×512像素的數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量為256kB，假設每秒傳輸25幀圖像，則傳輸?shù)男诺浪俾蕿?2.4Mb/s。高信道速率意味著高投資，因此，在傳輸過程中對圖像數(shù)據(jù)進行壓縮顯得非常重要。數(shù)據(jù)壓縮主要通過對圖像數(shù)據(jù)的編碼和變換壓縮實現(xiàn)。常用的編碼方法有輪廓編碼和掃描編碼。輪廓編碼是在圖像灰度變化較小的情況下，用輪廓線來描述圖像的特征。掃描編碼是將一張圖像按一定的間距進行掃描，在每條掃描線上找出濃度相同區(qū)域的起點和長度，將編號的掃描線段的起點、長度連同號碼按先后順序存儲起來。掃描線沒有碰到圖像時不記錄數(shù)據(jù)。五、其他傳感技術應用——溫濕度傳