工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ)-第4章-工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)

傳感器在機器人控制中起到關(guān)鍵作用，正因為有了傳感器，機器人才具備了類似人類的感知功能和反應(yīng)能力。傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)學(xué)科，被并稱為“信息技術(shù)的三大支柱”。系統(tǒng)的自動化程度越高，對傳感器的依賴性就越強。大腦處理和識別信息計算機通信系統(tǒng)神經(jīng)系統(tǒng)傳遞信息傳感器感覺器官自動檢測控制系統(tǒng)傳感技術(shù)的核心即傳感器，是負(fù)責(zé)信息交互的必要組成部分工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)組成工業(yè)機器人的感覺系統(tǒng)、工業(yè)機器人內(nèi)部傳感器裝置、工業(yè)機器人外部傳感器裝置和工業(yè)機器人傳感器應(yīng)用

傳感器是一種能把特定的被測信號，按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種“可用信號”輸出的器件或裝置，以滿足信息傳輸、處理、記錄、顯示和控制的要求。總而言之，一切獲取信息的儀表器件都可稱為傳感器。1、傳感器圖4-1傳感器的組成結(jié)構(gòu)敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路輔助電源電量被測量傳感器的特性，主要指輸出與輸入之間的關(guān)系。當(dāng)輸入量為常量或變化極為緩慢時，此關(guān)系被稱為靜態(tài)特性；當(dāng)輸入量隨時間變化時，稱為動態(tài)特性。2、傳感器的特性（1）傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性，是指傳感器轉(zhuǎn)換的被測量(輸入信號)數(shù)值是常量(處于穩(wěn)定狀態(tài))或變化極為緩慢時，傳感器的輸出與輸入之間的關(guān)系（2）傳感器的動態(tài)特性實際測量中，許多被測量是隨時間變化的動態(tài)信號，這就要求傳感器的輸出不僅能精確地反映被測量的大小，還要能正確地再現(xiàn)被測量隨時間變化的規(guī)律。沖振電磁場輸入線性度遲滯重復(fù)度靈敏度誤差因素外界影響溫度供電輸出各種干擾溫漂穩(wěn)定性（零漂）分辨率傳感器

圖4-2傳感器的靜態(tài)特性

傳感器的靜態(tài)特性傳感器的動態(tài)性能指標(biāo)有時域指標(biāo)和頻域指標(biāo)兩種。對于線性系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)研究，最廣泛使用的模型是常系數(shù)線性微分方程。傳感器的動態(tài)特性1、工業(yè)機器人傳感器的分類工業(yè)機器人所要完成的工作任務(wù)不同，所配置的傳感器類型、規(guī)格也就不同。工業(yè)機器人傳感器可按多種方法進行分類，比如：分為接觸式傳感器和非接觸傳感器。非接觸式傳感器以某種電磁射線（如：可見光、X射線、紅外線、雷達波、聲波、超聲波和電磁射線等）形式來測量目標(biāo)響應(yīng)接觸式傳感器以某種實際接觸（如：力、力矩、壓力、位置、溫度、電量和磁量等）形式來測量目標(biāo)響應(yīng)

圖4-4傳感器系統(tǒng)在工業(yè)機器人中的主要工作流程控制系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)工作對象內(nèi)部傳感器外部傳感器傳感系統(tǒng)（1）內(nèi)部傳感器用于確定機器人在其自身坐標(biāo)系內(nèi)的姿態(tài)位置，是完成機器人運動控制(驅(qū)動系統(tǒng)及執(zhí)行機械)所必需的傳感器，多數(shù)是用于測量位移、速度、加速度和應(yīng)力的通用型傳感器。如：為測量回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)位置的軸角編碼器、測量速度以控制其運動的測速計（2）外部傳感器用于檢測機器人所處環(huán)境、外部物體狀態(tài)或機器人與外部物體(即工作對象)之間關(guān)系，負(fù)責(zé)檢測距離、接近程度和接觸程度等變量，便于機器人引導(dǎo)及物體識別和處理。如：力覺傳感器、觸覺傳感器、接近覺傳感器、視覺傳感器等

圖4-5工業(yè)機器人的傳感器按檢測對象的不同分類觸覺傳感器力覺傳感器接近覺傳感器聽覺傳感器嗅覺傳感器溫度傳感器視覺傳感器內(nèi)部傳感器外部傳感器傳感器位置檢測傳感器運動檢測傳感器確定位置和角度任意位置和角度速度和加速度速度和角加速度姿態(tài)立體平面工業(yè)機器人用于執(zhí)行各種加工任務(wù)，不同的任務(wù)對工業(yè)機器人提出不同的要求。例如，搬運任務(wù)和裝配任務(wù)對傳感器要求主要是力覺觸覺和視覺；焊接任務(wù)、噴涂任務(wù)和檢測任務(wù)對傳感器要求主要是接近覺和視覺。不論哪類工作任務(wù)，它們對工業(yè)機器人傳感器的一般要求如下：2、工業(yè)機器人傳感器的一般要求精度高、重復(fù)性好穩(wěn)定性好，可靠性高抗干擾能力強重量輕、體積小、安裝方便可靠價格便宜，安全性能好通常，工業(yè)機器人的工作性質(zhì)不同，所選用的傳感器也不同。下面是工業(yè)生產(chǎn)中根據(jù)不同的需求選擇傳感器的一般要求。1、根據(jù)機器人對傳感器的需求選擇根據(jù)不同的需求，工業(yè)機器人對傳感器一般要求：（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）質(zhì)量輕，體積小，安裝方便可靠；（5）價格便宜。

2、根據(jù)加工任務(wù)的要求選擇不同的加工任務(wù)對機器人傳感器提出不同的要求。比如：選擇工業(yè)機器人力矩傳感器，主要參考五個方面的因素。（1）負(fù)荷重量即傳感器所能接受的應(yīng)用程序需要的負(fù)荷重量；（2）作用力的強度低頻力矩會限制機器人閱讀到一定閾值和一個用于低力范圍的高限力傳感器參數(shù)；（3）整合有些傳感器具有非常復(fù)雜的與機器人的集成方法，通?？蓪C械、電子和軟件部分都包含在一個簡單的捆綁操作傳感器中；（4）噪聲水平噪聲水平代表了可以由傳感器檢測到的最小的力；（5）滯后問題如果系統(tǒng)不能回到中立位置時則系統(tǒng)具有滯后性。3、根據(jù)機器人控制的要求選擇機器人控制需要采用傳感器檢測機器人的運動位置、速度、加速度等。除了較簡單的開環(huán)控制機器人外，多數(shù)機器人都采用了位置傳感器作為閉環(huán)控制的反饋原件。機器人根據(jù)位置傳感器反饋的位置信息，對機器人的運動誤差進行補償。不少機器人還裝備有速度傳感器和加速度傳感器。加速度傳感器

可以檢測機器人構(gòu)件受到的慣性力，使控制能夠補償慣性力引起的變形誤差。速度傳感器

用于預(yù)測機器人的運動時間，計算和控制由離心力引起的變形誤差。4、從輔助工作的要求選擇工業(yè)機器人在從事某些輔助工作時，也要求具有一定的感覺能力。輔助工作包括產(chǎn)品的檢驗和工件的準(zhǔn)備等。機器人再外觀檢驗中的應(yīng)用日益增多，機器人在此方面的主要用途有檢查毛刺、裂縫或孔洞的存在，確定表面粗糙度和裝飾質(zhì)量，檢查裝配體的完成情況等?？偠灾?，根據(jù)輔助工作要求（如：產(chǎn)品檢驗）和工件的準(zhǔn)備來選擇機器人傳感器。5、從安全方面要求選擇從安全方面考慮，機器人對傳感器的要求包括以下兩個方面：第一，為了使機器人安全地工作而不受損壞，機器人的各個構(gòu)件都不能超過其受力極限。第二，從保護機器人使用者的安全出發(fā)，也要考慮對機器人傳感器的要求。機器人的內(nèi)部傳感器主要是用于檢測機器人本身狀態(tài)的傳感器，多為檢測位置、角度的傳感器。內(nèi)部傳感器安裝位置以工業(yè)機器人本身的坐標(biāo)軸來確定其位置，一般安裝在機械手上內(nèi)部傳感器組成由位置傳感器、位移傳感器、角度傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、溫度傳感器及異常變化的傳感器等組成作用

用于感知機器人自身的狀態(tài)，以調(diào)整和控制機器人的行動工業(yè)機器人關(guān)節(jié)的位置控制是機器人最基本的控制要求，而對位置和位移的檢測也是機器人最基本的感覺要求。機器人的位置傳感器，主要用于測量機器人自身位置。常見機器人位置傳感器電感式位置傳感器電阻式位置傳感器電容式位置傳感器光電式位置傳感器霍爾元件位置傳感器磁柵式位移傳感器電位計式傳感器典型的位置傳感器，又稱為電位差計。它由一個線繞電阻(或薄膜電阻)和一個滑動觸頭組成。工作原理滑動觸頭通過機械裝置受被檢測量的控制。當(dāng)位置量發(fā)生變化時，滑動觸頭也發(fā)生位移，改變了滑動觸點與電位器各端之間的電阻值和輸出電壓值，電位計式傳感器通過輸出電壓值的變化量，檢測機器人各關(guān)節(jié)的位置和位移量。按照傳感器的結(jié)構(gòu)的不同，電位計式位移傳感器可分為兩大類直線型電位計式位移傳感器旋轉(zhuǎn)型電位計式位移傳感器

1、電位計式位移傳感器（a）工作原理

（b）實物圖圖4-6

電位計式傳感器

（4-1）電位計式位移傳感器主要用于直線位移檢測，其電阻器采用直線型螺線管或直線型碳膜電阻，滑動觸點只能沿電阻的軸線方向做直線運動，其具有諸多優(yōu)點。主要缺點是易磨損，電位器的可靠性和壽命受到一定程度地影響。正因如此，電位計式位移傳感器在機器人上的應(yīng)用受到了一定的局限。近年來隨著光電編碼器價格的降低而逐漸被取代。當(dāng)把電位計式位移傳感器的電阻元件彎成圓弧形，可動觸點的一端固定在圓的中心，像時針那樣旋轉(zhuǎn)時，由于電阻值隨相應(yīng)的轉(zhuǎn)角變化，就構(gòu)成一個簡易的角度傳感器。2、旋轉(zhuǎn)型電位計式角度傳感器

單圈電位器多圈電位器

圖4-7旋轉(zhuǎn)型電位計式角度傳感器（b）實物圖（a）工作原理

應(yīng)用最多的旋轉(zhuǎn)角度傳感器是旋轉(zhuǎn)編碼器，旋轉(zhuǎn)編碼器又稱為回轉(zhuǎn)編碼器，有絕對型和增量型兩種。旋轉(zhuǎn)編碼器一般裝在機器人各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸上，用來測量各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的實時角度。1、光學(xué)式絕對型旋轉(zhuǎn)光電編碼器絕對式編碼器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。工作原理絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器在使用時，可以用一個傳感器檢測角度和角速度。這種編碼器的輸出是旋轉(zhuǎn)角度的實時值，所以若對采集的值進行記憶，并計算它與實時值之間的差值，就可以求出角速度。

圖4-8絕對式光電編碼器的碼盤（b）實物圖（a）工作原理

圖4-9光學(xué)式絕對型旋轉(zhuǎn)光電編碼器

二進制碼編碼盤使用時，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常。例如，從位置0011到0100，若位置失常就可能得到0000、0001、0010、0101、0110、0111等多個碼值所以，普通二進制碼編碼盤現(xiàn)在已較少使用而改為采用格雷碼碼盤增量型旋轉(zhuǎn)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，此外還能測出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。光學(xué)式增量型旋轉(zhuǎn)編碼器主要由光源、編碼盤、檢測光柵、光電檢測器和轉(zhuǎn)換電路組成。2、光學(xué)式增量型旋轉(zhuǎn)編碼器光源光電檢測器檢測光柵轉(zhuǎn)換電路編碼盤光學(xué)式增量型旋轉(zhuǎn)編碼器在旋轉(zhuǎn)圓盤上設(shè)置一條環(huán)帶，將環(huán)帶沿圓周方向分割成均勻等分，把圓盤置于光線的照射下，透過去的光線用一個光傳感器進行判讀。圓盤每轉(zhuǎn)過一定角度，光傳感器的輸出電壓在H(highlevel)與L(lowlevel)之間就會交替地進行換，當(dāng)把這個轉(zhuǎn)換次數(shù)用計數(shù)器進行統(tǒng)計時，就能知道旋轉(zhuǎn)的角度，如圖4-10所示。（b）實物圖（a）工作原理

圖4-10光學(xué)式增量型旋轉(zhuǎn)編碼器角度的分辨率由環(huán)帶上縫隙條紋的個數(shù)決定。例如，在一圈360°內(nèi)能形成600個縫隙條紋，就稱其為600P/r(脈沖/轉(zhuǎn))。光學(xué)式增量型旋轉(zhuǎn)編碼器工作時，有相應(yīng)的脈沖輸出，其旋轉(zhuǎn)方向的判別和脈沖數(shù)量的增減需要借助判相電路和計數(shù)器來實現(xiàn)。其計數(shù)點可任意設(shè)定，并可實現(xiàn)多圈的無限累加和測量；還可以把每轉(zhuǎn)發(fā)出一個脈沖的Z信號作為參考機械零位。當(dāng)脈沖數(shù)已固定時，而需要提高分辨率，則可利用90°相位差A(yù)、B兩路信號對原脈沖進行倍頻。原理構(gòu)造簡單易于實現(xiàn)機械平均壽命長可達到幾萬小時以上分辨率高抗干擾能力較強可靠性較高信號傳輸距離較長無法直接讀出轉(zhuǎn)動軸的絕對位置信息角速度傳感器分為測速發(fā)電機、增量式光電編碼器兩種測速發(fā)電機可以把機械轉(zhuǎn)速變換成電壓信號而且輸出電壓與輸入的轉(zhuǎn)速成正比增量式編碼器既可測量增量角位移又可測量瞬時角速度機器人自動化技術(shù)中，旋轉(zhuǎn)運動速度測量較多，且直線運動速度常通過旋轉(zhuǎn)速度間接測量。在機器人中，主要測量機器人關(guān)節(jié)的運行速度，下面重點以角速度傳感器進行介紹。數(shù)字信號模擬信號測速發(fā)電機的輸出電動勢與轉(zhuǎn)速成比例，改變旋轉(zhuǎn)方向時輸出電動勢的極性即相應(yīng)改變。被測機構(gòu)與測速發(fā)電機同軸連接時，只要檢測出輸出電動勢，就能獲得被測機構(gòu)的轉(zhuǎn)速，故又稱速度傳感器。按其構(gòu)造分為直流測速發(fā)電機和交流測速發(fā)電機。1、測速發(fā)電機測速發(fā)電機是應(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，它主要用于檢測機械轉(zhuǎn)速，能把機械轉(zhuǎn)速變換為電壓信號。圖4-12直流測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)原理直流測速發(fā)電機實際是一種微型直流發(fā)電機，按定子磁極的勵磁方式分為永磁式和電磁式。圖4-12為直流測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)原理。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。電磁式采用他勵式，不僅復(fù)雜且因勵磁受電源、環(huán)境等因素的影響，輸出電壓變化較大，應(yīng)用不多。交流異步測速發(fā)電機與交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)相似，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有籠型的，也有杯型的，在自動控制系統(tǒng)中多用空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機。圖4-13為交流異步測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)原理。圖4-13交流異步測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)原理測速發(fā)電機屬于模擬速度傳感器，它的工作原理類似于小型永磁式直流發(fā)電機。它們的工作原理都是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)室線圈兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與轉(zhuǎn)子線圈的轉(zhuǎn)速度成正比，即：

通過以上分析可以看出，測速發(fā)電機的輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系，為了減少誤差，測速發(fā)電機應(yīng)保持負(fù)載盡可能小以及性質(zhì)不變。利用測速發(fā)電機與機器人關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動電動機相連就能測出機器人運動過程中的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動速度，并能在機器人自動系統(tǒng)中作為速度閉環(huán)系統(tǒng)的反饋元件，機器人速度閉環(huán)控制系統(tǒng)原理如圖4-14所示。測速發(fā)電機具有線性度好、靈敏度高、等特點、目前檢測范國一般在20～40r/min,精度為0.2％～0.5％。圖4-14機器人速度閉環(huán)控制系統(tǒng)速度伺服放大器M速度指令+-TG2、增量式光電編碼器增量式光電編碼器在工業(yè)機器人中既可以作為位置傳感器測量關(guān)節(jié)相對位置，又可作為速度傳感器測量關(guān)節(jié)速度。當(dāng)作為速度傳感器時，既可以在數(shù)字量方式下使用，又可以在模擬量方式下使用。增量式光電編碼器圖4-15模擬方式的增量式編碼盤測速關(guān)節(jié)驅(qū)動電機速度伺服放大器增量式編碼盤速度伺服放大器M速度指令+-（1）增量式光電編碼器的模擬量控制模擬方式下，必須有一個頻率-電壓變換器(F-V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信號，其原理如圖4-15所示，頻率-電壓（F-V）變換器必須有良好的零輸入、零輸出特性和較小的溫度漂移才能滿足測試要求。

（4?4）

隨著機器人的高速化、高精度化，由機械運動部分剛性不足所引起的振動問題開始得到關(guān)注。在機器人各桿件上或末端執(zhí)行器上安裝加速度傳感器，測量振動加速度，并進行反饋，以改善機器人的性能。從測量振動的目的出發(fā)，加速度傳感器日趨受到重視。機器人常用的加速度傳感器應(yīng)變片加速度傳感器伺服加速度傳感器壓電加速度傳感器Ni-Cu或Ni-Cr等金屬電阻應(yīng)變片加速度傳感器是一個由板簧支承重錘所構(gòu)成的振動系統(tǒng)，板簧上下兩面分別貼兩個應(yīng)變片(見圖4-16)。應(yīng)變片受震動產(chǎn)生應(yīng)變，其電阻值的變化通過電橋電路的輸出電壓被檢測出來。除了金屬電阻外，Si或Ge半導(dǎo)體壓阻元件也可用于加速度傳感器。1、應(yīng)變片加速度傳感器圖4-16應(yīng)變片加速度傳感器半導(dǎo)體應(yīng)變片的應(yīng)變系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片高50～100倍，靈敏度很高，但溫度特性差，需要加補償電路。伺服加速度傳感器檢測出與上述振動系統(tǒng)重錘位移成比例的電流，把電流反饋到恒定磁場中的線圈，使重錘返回到原來的零位移狀態(tài)。由于重錘沒有幾何位移，這種傳感器與前一種相比，更適用于較大加速度的系統(tǒng)。2、伺服加速度傳感器首先產(chǎn)生與加速度成比例的慣性力F它和電流產(chǎn)生的復(fù)原力保持平衡根據(jù)弗菜明左手定則F和i成正比(比例系數(shù)為K)關(guān)系式為F＝ma＝Ki這樣，根據(jù)檢測的電流可以求出加速度壓電加速度傳感器利用具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)，將產(chǎn)生加速度的力轉(zhuǎn)換為電壓，這種具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)，受到外力發(fā)生機械形變時，能產(chǎn)生電壓；反之，外加電壓時，也能產(chǎn)生機械形變。壓電元件多由具有高介電系數(shù)的酸鉛材料制成。3、壓電加速度傳感器

圖4-17形變的三種基本模式壓電元件的形變有三種基本模式：壓縮形變、剪切形變和彎曲形變，如圖4-17所示。圖4-18剪切方式的加速度傳感器

為了檢測作業(yè)對象及環(huán)境或機器人與它們之間的關(guān)系，在機器人上安裝觸覺傳感器、視覺傳感器、力覺傳感器、接近覺傳感器、超聲波傳感器、聽覺傳感器等外部傳感器，大大改善了機器人的工作狀況，使其能夠更充分地完成復(fù)雜的工作。觸覺傳感器視覺傳感器聽覺傳感器接近覺傳感器超聲波傳感器外部傳感器的定義外部傳感器主要用來檢測機器人所處環(huán)境計目標(biāo)狀況，從而使得機器人能夠與環(huán)境發(fā)生交互作用并對環(huán)境具有自我矯正和適應(yīng)能力。廣義來看，機器人外部傳感器就是具有人類五官的感知能力的傳感器，具有多種外部傳感器是先進工業(yè)機器人的重要標(biāo)志。外部傳感器的分類常用的工業(yè)機器人外部傳感器主要包括：視覺傳感器，聽覺傳感器、力覺傳感器、觸覺傳感器、接近覺傳感器、距離傳感器、角度覺（平衡覺）傳感器等。機器視覺系統(tǒng)是一種非接觸式的光學(xué)傳感系統(tǒng)，同時集成軟硬件，綜合現(xiàn)代計算機、光學(xué)、電子技術(shù)，能夠自動地從所采集到的圖像中獲取信息或者產(chǎn)生控制動作。機器視覺系統(tǒng)的具體應(yīng)用需求千差萬別，視覺系統(tǒng)也可能有多種形式，但都包括三個步驟：利用光源照射被測物體，通過光學(xué)成像系統(tǒng)采集視頻圖像，相機和圖像采集卡將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像；計算機通過圖像處理軟件對圖像進行處理，分析獲得其中的有用信息，這是整個機器視覺系統(tǒng)的核心；圖像處理獲得的信息最終用于對對象（被測物體、環(huán)境）的判斷，并形成相應(yīng)的控制指令，發(fā)送給相應(yīng)的機構(gòu)。如果要賦予機器人較高級的智能，機器人必須通過視覺系統(tǒng)更多地獲取周圍環(huán)境信息。視覺傳感器是固態(tài)圖像傳感器(如：CCD、CMOS)呈像技術(shù)和Framework軟件結(jié)合的產(chǎn)物，它可以識別條形碼和任意OCR字符。圖4-19所示為視覺傳感器。圖4-19視覺傳感器應(yīng)用領(lǐng)域功

能圖

例識

別檢測一維碼和二維碼，對光學(xué)字符進行識別和確認(rèn)檢

測色彩和瑕疵檢測、部件有無的檢測和目標(biāo)位置和方向的檢測測

量尺寸和容量的檢測，預(yù)設(shè)標(biāo)記的測量，如：孔到孔位的距離引

導(dǎo)弧

焊

跟

蹤三維掃描3D成

型視覺傳感器具有檢驗面積大、目標(biāo)位置準(zhǔn)確、方向靈敏度高等特點，因此，視覺傳感器在工業(yè)機器人中應(yīng)用更為廣泛。表4-2為工業(yè)機器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)城。目前，將近80%的工業(yè)視覺系統(tǒng)主要用在檢測方面，包括用于提高生產(chǎn)效率、控制生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品質(zhì)量、采集產(chǎn)品數(shù)據(jù)等。工業(yè)機器視覺自動化設(shè)備可以代替人工不知疲倦地進行重復(fù)性工作，圖4-20所示為三維視覺傳感器在零件檢測中的應(yīng)用。圖4-20三維視覺傳感器在零件檢測中的應(yīng)用（1）裝配機器人（機械手）視覺裝置要求視覺系統(tǒng)必須能夠識別傳送帶上所要裝配的機械零件，確定該零件的空間位置；根據(jù)信息控制機械手的動作，實現(xiàn)準(zhǔn)確裝配；對機械零件的檢查，檢查工件的完好性；測量工件的極限尺寸，檢查工件的磨損等。此外，機械手還可以根絕視覺的反饋信息進行自動焊接、噴漆和自動上下料等。（2）行走機器視覺裝置要求視覺系統(tǒng)能夠識別室內(nèi)或室外的景物，進行道路跟蹤和自主導(dǎo)航。用于外城危險材料的搬運和野外作業(yè)等任務(wù)。機器人的視覺傳感主要應(yīng)用在兩個方面：工業(yè)機器視覺系統(tǒng)可以通過視覺傳感器獲取環(huán)境的二維圖像，并通過視覺處理器進行分析和解釋，進而轉(zhuǎn)換為符號，讓機器人能夠辨識物體，并確定位置。工業(yè)機器人的視覺處理系統(tǒng)包括圖像輸入(獲取)、圖像處理和圖像輸出等幾個部分，實際系統(tǒng)可以根據(jù)需要選擇其中的若干部件。光學(xué)成像系統(tǒng)圖像采集裝置圖像處理模塊運算和決策控制模塊控制執(zhí)行模塊光源如圖4-21所示為視覺系統(tǒng)的主要硬件組成。圖4-21視覺系統(tǒng)的硬件組成工業(yè)機器人的視覺系統(tǒng)包括：視覺傳感器、攝像機和光源控制、計算機、圖像處理機、聽覺傳感器和安全傳感器等部分。1、視覺傳感器視覺傳感器是將景物的光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件，主要是指利用照相機對目標(biāo)圖像信息進行收集與處理，然后計算出目標(biāo)圖像的特征，如：位置、數(shù)量、形狀等，并將數(shù)據(jù)和判斷結(jié)果輸出到傳感器中。視覺傳感器的主要組成有：照相機、圖像傳感器等。其中，圖像傳感器主要有兩種，CCD和

CMOS。由于視覺傳感器具有靈活性更高、檢驗范圍更大、體積小和重量輕等特點，使視覺傳感器在工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。2、攝像機和光源控制機器人的視覺系統(tǒng)直接把景物轉(zhuǎn)化成圖像輸入信號，因此取景部分應(yīng)當(dāng)能根據(jù)具體情況自動調(diào)節(jié)光圈的焦點，以便得到一張容易處理的圖像，為此應(yīng)能調(diào)節(jié)以下幾個參量。1)焦點能自動對準(zhǔn)要觀測的物體2)根據(jù)光線強弱自動調(diào)節(jié)光圈3)自動轉(zhuǎn)動攝像機，使被攝物體位于視野中央4)根據(jù)目標(biāo)物體的顏色選擇濾光器此外，還應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)光源的方向和強度，使目標(biāo)物體能夠看得更清楚。3、計算機由視覺傳感器得到的圖像信息通過計算機存儲和處理，根據(jù)各種目的輸出處理結(jié)果。20世紀(jì)80年代以前,由于微計算機的內(nèi)存量小,內(nèi)存的價格高,因此往往另加一個圖像存儲器來儲存圖像數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在,除了某些大規(guī)模視覺系統(tǒng)之外,一般都使用微計算機或小型機。除了通過顯示器顯示圖形之外，還可用打印機或繪圖儀輸出圖像，且使用轉(zhuǎn)換精度為8位的A-D的轉(zhuǎn)換器即可。但由于數(shù)據(jù)量大,要求轉(zhuǎn)換速度快,目前已在使用100MB以上的8位A／D轉(zhuǎn)換芯片。4、圖像處理機一般計算機都是串行運算的，要處理二維圖像耗費時間較長。在使用要求較高場合，可設(shè)置一種專用的圖像處理機，以縮短計算時間。圖像處理只是對圖像數(shù)據(jù)做一些簡單、重復(fù)的預(yù)處理，數(shù)據(jù)進入計算機后，再進行各種運算。圖像處理機5、聽覺傳感器聽覺傳感器也是機器人的重要感覺器官之一。由于計算機技術(shù)及語音學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)用聽覺傳感器代替人耳，通過語音處理及識別技術(shù)識別講話人，還能正確理解一些簡單的語句。聽覺傳感器實際上就是麥克風(fēng)。過去使用的基于各種各樣原理的麥克風(fēng)，現(xiàn)在則已經(jīng)變成了小型、廉價且具有高性能的駐極體電容傳聲器。在聽覺系統(tǒng)中，最重要的是語音識別。在識別輸入語音時，可以分為特定人的語音識別及非特定人的語音識別，而特定人說話方式的識別率比較高。為了便于存儲標(biāo)準(zhǔn)語音波形及選配語音波形，需要對輸入的語音波形頻帶進行適當(dāng)?shù)姆指?，將每個采樣周期內(nèi)各頻帶的語音特征能量抽取出來。6、安全傳感器安全傳感器是指能感受(或響應(yīng))規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號輸出的器件或裝置，它由直接響應(yīng)于被測量的敏感元件和產(chǎn)生可用信號輸出的轉(zhuǎn)換元件以及相應(yīng)電子電路組成。圖4-22所示為安全傳感器系統(tǒng)應(yīng)用示意圖。圖4-22安全傳感器系統(tǒng)應(yīng)用示意圖精度高人工目測受測量人員主觀意識的影響，而機器視覺這種精確的測量儀器排除這種干擾，提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。靈活性視覺系統(tǒng)能夠進行各種測量。當(dāng)使用環(huán)境變化后，只需軟件做相應(yīng)變化或升級以適應(yīng)新的需求即可。自適應(yīng)性機器視覺可以不斷獲取多次運動后的圖像信息，反饋給運動控制器，直至最終結(jié)果準(zhǔn)確，實現(xiàn)自適應(yīng)閉環(huán)控制?？煽啃?/p>

非接觸測量不僅滿足狹小空間裝配過程的檢測，同時提高了系統(tǒng)安全性。工業(yè)機器人的觸覺功能是感受接觸、沖擊、壓迫等機械刺激，可以用在抓取時感知物體的形狀、軟硬等物理性質(zhì)。通過觸覺傳感器與被識別物體相接觸或相互作用來完成對物體表面特征和物理性能的感知。觸覺傳感器力覺傳感器接觸覺傳感器壓覺傳感器滑覺傳感器圖4-23機器人觸覺如圖4-23所示，觸頭可裝配在機器人的手指上,用來判斷工作中各種狀況。作業(yè)過程有兩類：一類是非接觸式的，如：弧焊、噴漆等，基本不涉及力另一類是接觸式的，如：擰螺釘、點焊、裝配、拋光、加工等1、力覺傳感器機器人作業(yè)是一個機器人與周圍環(huán)境的交互過程目前，已有將視覺和力覺傳感器用于非事先定位的軸孔裝配。其中，視覺完成大致的定位，裝配過程靠孔的倒角作用不斷產(chǎn)生的力反饋得以順利完成。例如：高樓清潔機器人，

當(dāng)它擦干凈玻璃時，顯然用力不能太大也不能太小，要求機器人作業(yè)時具有力控制功能。1）力覺傳感器的分類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。通常將機器人的力傳感器分為以下三類。關(guān)節(jié)力傳感器腕力傳感器指力傳感器（a）關(guān)節(jié)力傳感器關(guān)節(jié)力傳感器安裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動器上，它測量驅(qū)動器本身的輸出力和力矩，用于控制過程的力反饋，這種傳感器信息量單一，結(jié)構(gòu)比較簡單，是一種專用的力傳感器。（b）腕力傳感器腕力傳感器安裝在末端執(zhí)行器和機器人最后一個關(guān)節(jié)之間，它能直接測出作用在末端執(zhí)行器上的各向力和力矩，從結(jié)構(gòu)上來說，這是一種相對復(fù)雜的傳感器，它能獲得手爪三個方向的受力(力矩)、信息量較多，由于其安裝部位在末端執(zhí)行器和機器人手臂之間，比較容易形成通用化的產(chǎn)品系列。圖4-24所示為Draper實驗室研制的六維腕力傳感器的結(jié)構(gòu)。該傳感器結(jié)構(gòu)比較簡單，靈敏度也較高,但六維力(力矩)的獲得需要解耦運算，

傳感器的抗過載能力較差，較易受損。圖4-24Draper的腕力傳感器它將一個整體金屬環(huán)周壁銑成按120°周向分布的三根細(xì)梁。其上部圓環(huán)上有螺孔與手臂相聯(lián)，

下部圓環(huán)上的螺孔與手爪聯(lián)接,傳感器的測量電路置于空心的彈性構(gòu)架體內(nèi)。（3）指力傳感器指力傳感器安裝在機器人手指關(guān)節(jié)上(或指上)，它用來測量夾持物體時的受力情況。手(指)力傳感器一般測量范圍較小、同時受手爪尺寸和重量的限制，在結(jié)構(gòu)上要求小巧，也是一種較專用的力傳感器。圖4-25所示為一種安裝在末端執(zhí)行器上力覺傳感器。圖4-25安裝在末端執(zhí)行器上力覺傳感器作用：防止碰撞中的應(yīng)用，機器人如果感知到壓力，將發(fā)送信號，限制或停止機器人的運動。2、接觸覺傳感器接觸覺傳感器安裝在工業(yè)機器人的運動部件或末端執(zhí)行器上，用以判斷機器人部件是否對象物體發(fā)生接觸，以解決機器人運動的正確性，實現(xiàn)合理把握運動方向或防止發(fā)生磁撞等問題。圖4-28所示為一種機械式接觸覺傳感器示例。圖4-28機械式接觸覺傳感器示例觸桿光電傳感器發(fā)光二極管接觸覺傳感器觸覺傳感器可以提供的物體信息如圖4-29所示。當(dāng)接觸覺傳感器與物體接觸時，依據(jù)物體的形狀和尺寸，不同的接觸覺傳感器將以不同的次序?qū)佑|做出不同的反應(yīng)?？刂破骶屠眠@些信息來確定物體的大小和形狀。圖4-29接觸覺傳感器提供的物體信息（a）接觸立方體（b）接觸圓柱體（c）接觸不規(guī)則形狀的物體光電開關(guān)由LED光源和光電二極管或光電三極管等光敏元件，相隔一定距離構(gòu)成的透光式開關(guān)。光電開關(guān)的特點是非接觸檢測，精度可到0.5mm單向微動開關(guān)當(dāng)規(guī)定的位移或力作用到可動部分（稱為執(zhí)行器）時，開關(guān)的接點斷開或接通而發(fā)出相應(yīng)的信號接近開關(guān)非接觸式接近傳感器有高頻振蕩式曲感應(yīng)式、電容感應(yīng)式、超聲波式、氣動式、光電式、光纖式等多種接近開關(guān)3、壓覺傳感器壓覺是指用手指把持物體時感受到壓力感覺，壓覺傳感器是接觸覺傳感器的延伸，機器人的壓覺傳感器安裝在手爪上面，可以在把持物體時檢測到物體與手爪間產(chǎn)生的壓力及其分布情況。壓覺傳感器的原始輸出信號是模擬量。壓阻型光電型壓電型壓敏型壓磁型常用的壓覺傳感器如果把多個壓電元件和彈簧排列成平面狀，就可識別各處壓力的大小以及壓力的分布，由于壓力分布可表示物體的形狀，所以也可用作識別物體。通過對壓覺的巧妙控制，機器人即可抓取豆腐及雞蛋等軟物體，圖4-30所示為機械手用壓覺傳感器抓取塑料吸管。圖4-30機械手用壓覺傳感器抓取型料吸管4、滑覺傳感器滑覺傳感器主要用于檢測物體接觸面之間相對運動的大小和方向，判斷是否握住物體及應(yīng)該用多大的夾緊力等。機器人的握力應(yīng)滿足物體既不產(chǎn)生滑動而握力又為最小臨界握力。滾動式球式振動檢測式圖4-31球形滑覺傳感器圖4-31所示為貝爾格萊德大學(xué)研制的機器人專用滑覺傳感器，當(dāng)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滑移速度，脈沖信號的個數(shù)對應(yīng)滑移的距離。球與物體相接觸，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。接近覺傳感器是指機器人手接近對象物體的距離幾毫米到十幾厘米時，就能檢測與對象物體的表面距離、斜度和表面狀態(tài)的傳感器。接近覺傳感器采用非接觸式測量元件，一般安裝在工業(yè)機器人末端執(zhí)行器上。作用①

在接觸到對象物體之前事先獲得位置、形狀等信息，為后續(xù)操作做好準(zhǔn)備②

提前發(fā)現(xiàn)障礙物，對機器人運動路徑提前規(guī)劃,以免發(fā)生碰撞分類電磁式(感應(yīng)電流式)、光電式(反射或透射式)，電容式、氣壓式、超聲波式圖

4-32所示為各種接近覺傳感器的感知物理量。圖4-32接近覺傳感器感知物理量物理量媒介對象物的反應(yīng)磁通光電場氣流超聲波反射阻力電荷反射渦流光通量電容量壓力差時間差電感量1、電磁式接近覺傳感器如圖4-33所示為電磁式接近覺傳感器，由于工業(yè)機器人的工作對象大多是金屬部件，因此電磁式接近覺傳感器的應(yīng)用較廣，在焊接機器人中可用它來探測焊縫。圖4-33電磁式接近覺傳感器（b）實物圖（a）工作原理

檢測線圈金屬面渦流磁束2、光電式接近覺傳感器圖4-34所示為光電式接近覺傳感器。這種傳感器具有非接觸性、響應(yīng)快應(yīng)、維修方便、測量精度高等特點，目前應(yīng)用較多，但其信號處理較復(fù)雜，使用環(huán)境也受到限制。圖4-34光電式接近覺傳感器（a）工作原理發(fā)光二極管光敏晶體管反射光透鏡對象物光射出透鏡（b）實物圖3、電容式接近覺傳感器如圖4-35所示，電容式接近覺傳感器可檢測任何固體和液體材料，外界物體靠近時這種傳感器會引起電容量的變化，由此反映距離信息。電容式接近覺傳感器對物體的顏色、構(gòu)造和表面都不敏感且實時性好。圖4-35電容式接近覺傳感器（b）實物圖（a）工作原理極板

正弦波激勵電荷放大器

極板極板4、氣壓式接近覺傳感器如圖4-36所示，氣壓式接近覺傳感器由一根細(xì)的噴嘴噴出氣流，如果噴嘴靠近物體，則內(nèi)部壓力發(fā)生變化，這一變化可用壓力計測量出來。它可用于檢測非金屬物體，適用于測量微小間隙。（b）實物圖（a）工作原理壓力計

氣源

物體

圖4-36氣壓式接近覺傳感器5、超聲波式接近覺傳感器超聲波式接近覺傳感器適用于較遠距離和較大物體的測量，這種傳感器對物體材料和表面的依賴性較低。超聲波接近覺傳感器是由發(fā)射器和接收器構(gòu)成的。距離傳感器與接近覺傳感器不同之處在于距離傳感器可測量較長距離，它可以探測障礙物和物體表面的形狀。常用的測量方法是三角法和測量傳輸時間法。1、距離傳感器原理圖4-38三角測距法測量原理發(fā)射器接收器LD1）三角測距法原理發(fā)射器以特定角度發(fā)射光線時，接收器才能檢測到物體上的光斑，利用發(fā)射角的角度可以計算出距離，如圖

4-38所示。三角測距法(triangulation-based)就是把發(fā)射器和接收器按照一定距離安裝，然后與被探測的點形成一個三角形的三個頂點，由于發(fā)射器和接收器的距離已知，僅當(dāng)發(fā)射器以特定角度發(fā)射光線時，接收器才能檢測到物體上的光斑，當(dāng)發(fā)射角度已知時，反射角度也可以被檢測到，因此檢測點到發(fā)射器的距離就可以求出。2）測量傳輸時間法原理測量傳輸時間法是指信號傳輸?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也就是信號傳輸距離的一半，如果傳輸速度已知，通過測量信號的傳輸時間即可計算出物體的距離。傳感器與物體之間的距離信號傳輸距離當(dāng)給晶片加一個外力使其變形時，在晶體的兩面會產(chǎn)生與應(yīng)變量相當(dāng)?shù)碾姾桑▔弘娬?yīng)），若應(yīng)變方向相反則產(chǎn)生電荷的極極反向。超聲波距離傳感器是由發(fā)射器和接收器構(gòu)成的，幾乎所有超聲波距離傳感器的發(fā)射器和接收器都是利用壓電效應(yīng)制成的。其中，發(fā)射器是利用給壓電晶體加一個外加電場時，晶片將產(chǎn)生應(yīng)變(壓電逆效應(yīng))這一原理制成的。2、超聲波距離傳感器超聲波接近覺傳感器工作原理壓電元件錐狀體絕緣體引線超聲波距離傳感器的檢測方式脈沖回波式、頻率調(diào)制連續(xù)波式

（4-6）

（4-7）激光距離傳感器是利用激光二極管對準(zhǔn)被測目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，經(jīng)被測目標(biāo)反射后向各方向散射，部分散射光返回傳感器接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光敏二極管上。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時間，即可測出目標(biāo)距離。3、激光距離傳感器分類光子探測器、熱探測器工作原理紅外距離傳感器具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管，利用紅外距離傳感器發(fā)射出一束紅外光，在照射到物體后形成一個反射的過程，反射到傳感器后接收信號，然后利用處理發(fā)射與接收的時間差數(shù)據(jù)，經(jīng)信號處理器處理后計算出物體的距離。測距方法直接延遲時間測量法、間接幅值調(diào)制法、三角法紅外距離傳感器是用紅外線作為測量介質(zhì)的測量系統(tǒng)，主要功能包括：輻射計、搜索和跟蹤系統(tǒng)、熱成像系統(tǒng)、紅外測距和通信系統(tǒng)、混合系統(tǒng)五類。4、紅外距離傳感器聽覺傳感器主要用于感受在氣體（非接觸式感受）、液體或固體（接觸式感受）中的聲波，聲波傳感器的復(fù)雜程度可從簡單的聲波存在檢測到復(fù)雜的聲波頻率分析和對連續(xù)自然語言中單獨語音和詞匯的辨識。1、聽覺傳感器可把人工語音感覺技術(shù)用于機器人。在工業(yè)環(huán)境中，機器人感覺某些聲音是有用的（如：爆炸），可能意味著危險；另一些聲音（如：叫聲）可能用作命令。1）特定人的語音識別系統(tǒng)特定人語音識別方法是將事先指定的人的聲音中的每一個字音的特征矩陣存儲起來，形成一個標(biāo)準(zhǔn)模板，然后在進行匹配。2）非特定人的語音識別系統(tǒng)在系統(tǒng)工作時，將接收到的聲音信號用同樣的辦法求出它們的特征矩陣，再與標(biāo)準(zhǔn)模式相比較，看它與哪個模板相同或相近，從而識別該信號的含義。實現(xiàn)味覺傳感器的一種有效方法是使用類似于生物系統(tǒng)的材料做傳感器的敏感膜，電子舌是用類脂膜作為味覺傳感器，其能夠以類似人的味覺感受方式檢測味覺物質(zhì)。2、味覺傳感器

多通道類脂膜技術(shù)基于表面等離子體共振技術(shù)表面光伏電壓技術(shù)嗅覺可以幫助人們辨識那些看不見或者隱藏的東西，如：氣體。而嗅覺傳感器主要用于檢測空氣中的化學(xué)成分、濃度等功能主要采用氣體傳感器及射線傳感器等。目前，主要采用三種方法實現(xiàn)機器人嗅覺功能：3、嗅覺傳感器

溫度傳感器有接觸式和非接觸式兩種，均可用于工業(yè)機器人。當(dāng)機器人自主運行時，或者不需要人在場時，或者需要知道溫度信號時，兩種常用的溫度傳感器為熱敏電阻和熱電偶。這兩種傳感器必須和被測物體保持實際接觸，熱放電阻的阻值與溫度成正比變化，熱電偶能夠產(chǎn)生一個與兩溫度差成正比的小電壓。4、溫度傳感器觸須傳感器由須狀觸頭及其檢測部分構(gòu)成，觸頭由具有一定長度的柔空軟條絲構(gòu)成，它與物體接觸所產(chǎn)生的彎曲由在根部的檢測單元檢測。與昆蟲的觸角的功能一樣，觸須傳感器的功能是識別接近的物體，用于確認(rèn)所設(shè)定的動作的結(jié)束，以及根據(jù)接觸發(fā)出回避動作的指令或搜索對象物體的存在。5、觸須傳感器工業(yè)機器人中，傳感器的作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺傳感器等；多傳感器融合技術(shù)在產(chǎn)品體系化系統(tǒng)中已經(jīng)得到應(yīng)用。本節(jié)內(nèi)容咱們就來學(xué)習(xí)工業(yè)機器人傳感器的應(yīng)用案例。焊接機器人中的位置傳感器采用光電式增量碼盤，也可采用較精密的電位器光電式增量碼盤具有較高的檢測精度和較高的可靠性，但價格昂貴速度傳感器采用測速發(fā)電機，其中，交流測速發(fā)電機的線性度比較高，且正向與反向輸出特性比較對稱，比直流測速發(fā)電機更適合于弧焊機器人使用點焊機器人需裝備接近覺傳感器為了檢測點焊機器人與待焊工件的接近情況，控制點焊機器人的運動速度弧焊用傳感器可分為：直接電弧式、接觸式和非接觸式三大類按工作原理可分為：機械、機電、電磁、電容、射流、超聲波、紅外、光電、激光、視覺、電弧、光譜及光纖式等按用途劃分有用于焊縫跟蹤、焊接條件控制(熔寬、熔深、熔透、成形面積、焊速、冷卻速度和干伸長)及其他如溫度分布、等離子體粒子密度、熔池行為等

圖4-39弧焊機器人系統(tǒng)1）擺動電弧傳感器電弧傳感器是從焊接電弧自身直接提取焊縫位置偏差信號，實時性好，不需要在焊槍上附加任何裝置，焊槍運動的靈活性和可達性最好，尤其符合焊接過程低成本自動化的要求。1、電弧傳感系統(tǒng)

圖4-40高速旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器結(jié)構(gòu)高速旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器結(jié)構(gòu)如圖4-40所示，采用空心軸電機直接驅(qū)動，在空心軸上通過同軸安裝的同心軸承支承導(dǎo)電桿。在弧焊機器人的第六個關(guān)節(jié)上，安裝一個焊炬夾持件，將原來的焊炬卸下，把高速旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器安裝在焊炬夾持件上。焊縫糾偏系統(tǒng)如圖4-41所示，高速旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器的安裝姿態(tài)與原來的焊矩姿態(tài)一樣，即焊絲端點的參考點的位置及角度保持不變。圖4-41焊縫糾偏系統(tǒng)

為進一步擴大電弧傳感器的應(yīng)用范圍、提高其可靠性，在建立傳感器物理數(shù)學(xué)的模型的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值仿真技術(shù)，采取空間變換，用特征諧波的向量作為偏差量的大小及方向的判據(jù)。物理數(shù)學(xué)模型數(shù)值仿真技術(shù)空間變換1）接觸式超聲波傳感器如圖4-42所示，兩個超聲波探頭置于焊縫兩側(cè)，距焊縫相等距離。兩個超聲波傳感器同時發(fā)出具有相同性質(zhì)的超聲波，根據(jù)接收超聲波的聲程來控制焊接熔深；比較兩個超聲波的回波信號，確定焊縫的偏離方向和大小。超聲傳感跟蹤系統(tǒng)中使用的超聲波傳感器分兩種類型：接觸式超聲波傳感器和非接觸式超聲波傳感器。2、超聲傳感跟蹤系統(tǒng)圖4-42接觸式超聲波傳感器跟蹤系統(tǒng)原理斜探頭超聲波傳感器2)非接觸式超聲波傳感器非接觸超聲波傳感跟蹤系統(tǒng)中使用的超聲波傳感器分為聚焦式和非聚焦式，兩種傳感器的焊縫識別方法不同。聚焦超聲波傳感器是在焊縫上方以左右掃描的方式檢測焊縫非聚焦超聲波發(fā)生器是在焊槍前方以旋轉(zhuǎn)的方式檢測焊縫非聚焦式聚焦式圖4-43P-50機器人焊縫跟蹤裝置

如圖4-44所示，傳感器的旋轉(zhuǎn)軸位于焊槍正前方，代表焊槍的即時位置。超聲波傳感器在旋轉(zhuǎn)過程中總有一個時刻超聲波聲束處于坡口的法線方向，此時，傳感器的回波信號最強，且傳感器及其旋轉(zhuǎn)的中心軸線組成的平面恰好垂直于焊縫方向，焊縫的偏差可以表示為：

（4-9）圖4-44焊縫偏差幾何示意

坡口中心線傳感器旋轉(zhuǎn)軸

（2）聚焦超聲波傳感器與非聚焦超聲波傳感器相反，聚焦超聲波傳感器采用掃描焊縫的方法檢測焊縫偏差，不要求焊縫籠罩在超聲波的聲束之內(nèi)，而將超聲波聲束聚焦在工件表面，聲束越小，檢測精度越高。圖4-45焊縫左右偏差檢測原理掃描傳感器

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