機(jī)器人驅(qū)動與運(yùn)動控制 課件 第5章 機(jī)器人傳感系統(tǒng)

第5章機(jī)器人傳感系統(tǒng)5.1機(jī)器人傳感系統(tǒng)概述5.2機(jī)器人內(nèi)部傳感器5.3機(jī)器人外部傳感器5.4機(jī)器人感知系統(tǒng)運(yùn)動控制實例5.5本章小結(jié)

5.1機(jī)器人傳感系統(tǒng)概述

5.1.1傳感器的定義傳感器(transducer/sensor)是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息按一定規(guī)律變換為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器主要由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路及輔助電源四部分組成，如圖5-1所示。圖5-1傳感器的組成

5.1.2傳感器的分類

機(jī)器人傳感器可按多種方法進(jìn)行分類，具體如下。

根據(jù)是否接觸被測量，傳感器可分為接觸式傳感器和非接觸式傳感器。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(dá)波、聲波、超聲波和電磁射線等)形式測量目標(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)形式測量目標(biāo)響應(yīng)。

機(jī)器人工作時，需要檢測其自身狀態(tài)和作業(yè)對象以及作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，因此根據(jù)工作室檢測對象的不同，機(jī)器人傳感器一般可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器兩大類。傳感系統(tǒng)

在工業(yè)機(jī)器人中的主要工作流程如圖5-2所示。圖5-2傳感系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人中的主要工作流程

傳統(tǒng)的機(jī)器人僅采用內(nèi)部傳感器，用于精確控制機(jī)器人的運(yùn)動、位置和姿態(tài)?，F(xiàn)今，外部傳感器被廣泛安裝和應(yīng)用，使得機(jī)器人對外部環(huán)境的適應(yīng)能力逐步提升，從而體現(xiàn)了一

定的智能性。表5-1中列出了常用的機(jī)器人內(nèi)、外部傳感器比較。給機(jī)器人安裝什么樣的傳感器以及傳感器的性能要求，是現(xiàn)今設(shè)計機(jī)器人傳感系統(tǒng)的首要問題。在設(shè)計機(jī)器人傳

感系統(tǒng)時，應(yīng)當(dāng)考慮機(jī)器人的具體工作需要和應(yīng)用特點，根據(jù)檢測對象、使用環(huán)境選擇合適的傳感器，以最大程度地減小環(huán)境造成的影響，確保機(jī)器人精準(zhǔn)地完成作業(yè)任務(wù)。

5.1.3傳感器的性能指標(biāo)

為了方便評價和選擇傳感器，需要確定每種傳感器的性能指標(biāo)，了解各項性能對機(jī)器人的影響。傳感器的特性主要指輸出量與輸入量之間的關(guān)系。當(dāng)輸入量為常量或變化極為

緩慢時，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。

1.靈敏度

靈敏度是指當(dāng)傳感器的輸出量達(dá)到穩(wěn)定時，輸出量變化與輸入量變化的比值。假如傳感器的輸出量和輸入量呈線性關(guān)系，則其靈敏度可表示為

式中，s為傳感器的靈敏度，Δy

為傳感器輸出量的增量，Δx

為傳感器輸入量的增量。

2.線性度

線性度反映傳感器輸出量與輸入量之間的線性程度。輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏離擬合直線的程度又稱為非線性誤差，可用下式表示：

式中，ΔLmax為實際曲線與擬合直線之間的最大偏差，yFS為輸出滿量程值。

假設(shè)傳感器的輸出量為y，輸入量為x，則y與x

的關(guān)系可表示為

若b

為常數(shù)，或者近似為常數(shù)，則傳感器的線性度較高；若b

是一個變化較大的量，則傳感器的線性度較低。機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)該選用線性度較高的傳感器。實際上，只有在少數(shù)情況下，傳感器的輸出量和輸入量才呈線性關(guān)系。在大多數(shù)情況下，b

都是x

的函數(shù)，即

3.精度

精度是指傳感器的測量輸出值與實際測量值之間的誤差。精度通常指的是機(jī)器人傳感器的精確程度，精密度說明測量傳感器輸出值的分散性，精密度高意味著隨機(jī)誤差小。準(zhǔn)確度說明傳感器輸出值與真值的偏離程度，它是系統(tǒng)誤差大小的標(biāo)志。精確度是精密度與準(zhǔn)確度兩者的總和，精度高表示精密度和準(zhǔn)確度都比較高，這是在測量中希望得到的結(jié)果。準(zhǔn)確度、精密度、精度三者之間的關(guān)系如圖5-3所示。圖5-3準(zhǔn)確度、精密度、精度三者之間的關(guān)系

4.重復(fù)性

重復(fù)性是指傳感器在對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)測試結(jié)果的變化程度，其表示式為

式中，Rmax為同方向測量數(shù)據(jù)的最大偏差，yFS為輸出滿量程值。

5.分辨率

分辨率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)。傳感器辨別的被測量的最小變化量越小，或被測量的個數(shù)越多，它的分辨率越高；反之，分辨率越低。無論是示教

再現(xiàn)型機(jī)器人，還是可編程型機(jī)器人，都對傳感器的分辨率有一定的要求。傳感器的分辨率直接影響機(jī)器人的可控程度和控制質(zhì)量，一般需要根據(jù)機(jī)器人的工作任務(wù)規(guī)定傳感器分辨率的最低限度要求。

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，其輸出信號隨之變化并達(dá)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)定值前會

發(fā)生短時間的振蕩。傳感器輸出信號的振蕩對機(jī)器人控制系統(tǒng)來說非常不利，會影響機(jī)器人的控制精度和工作精度，所以傳感器的響應(yīng)時間越短越好。響應(yīng)時間的計算應(yīng)當(dāng)以輸入信號開始變化的時刻為起點，以輸出信號達(dá)到穩(wěn)定值的時刻為終點。實際上，還需要規(guī)定一個穩(wěn)定值范圍，只要輸出信號的變化不再超出此范圍，即可認(rèn)為它已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定值。對于具體的機(jī)器人傳感器，還應(yīng)規(guī)定響應(yīng)時間容許上限。

7.漂移

漂移是指在一定時間間隔內(nèi)，傳感器的輸出量存在著與輸入量無關(guān)的、不需要的變化。漂移常包括零點漂移和靈敏度漂移。零點漂移是指在某環(huán)境量(時間、溫度等)的變化間隔內(nèi)，零點輸出的變化。靈敏度漂移是指在某環(huán)境量(時間、溫度等)的變化間隔內(nèi)，靈敏度輸出的變化。

5.1.4機(jī)器人傳感器的選擇與要求

1.性價比

傳感器成本是首要的考慮因素。隨著機(jī)器人傳感系統(tǒng)的逐漸復(fù)雜，同一臺機(jī)器人上需要配置多個傳感器，在滿足正常穩(wěn)定工作的前提下，我們僅考慮傳感器的成本、使用壽命、后期維修與更換等與產(chǎn)品性價比有關(guān)的問題即可。

2.重量和尺寸

由于機(jī)器人是運(yùn)動裝置，在設(shè)計時應(yīng)盡量減輕自身負(fù)載，因此傳感器應(yīng)輕量化。傳感器過重會增加機(jī)械臂的慣量，同時還會減少總的有效載荷。根據(jù)傳感器的不同應(yīng)用場合，尺寸大小有時也非常重要。

3.接口與輸出類型

首先，傳感器必須能與其他設(shè)備(如處理器和控制器)相連接。如果傳感器與其他設(shè)備的端口不匹配或兩者之間需要其他額外電路，那么需要解決傳感器與設(shè)備間的接口問題。其次，根據(jù)不同的應(yīng)用，傳感器的輸出量可以是數(shù)字量，也可以是模擬量，它們可以直接使用，也可以進(jìn)行轉(zhuǎn)化后才能使用。

4.抗干擾能力

機(jī)器人的工作環(huán)境是多種多樣的，在有些情況下可能相當(dāng)惡劣，因此必須考慮機(jī)器人傳感器的抗干擾能力。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

的意外動作或發(fā)生故障，設(shè)計傳感器系統(tǒng)時必須采用可靠的設(shè)計技術(shù)。通常，抗干擾能力是通過單位時間內(nèi)發(fā)生故障的概率來定義的，因此它是一個統(tǒng)計指標(biāo)。

5.安全保護(hù)

在選擇機(jī)器人傳感器時，除了需要根據(jù)實際工況、檢測精度、控制精度等具體的要求確定所用傳感器的各項性能指標(biāo)，還需要考慮機(jī)器人和操作人員的安全問題。因此，應(yīng)從機(jī)器人的各個結(jié)構(gòu)的負(fù)載極限、運(yùn)動極限、工作人員監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等方面設(shè)置安全防護(hù)系統(tǒng)，配置額外的傳感器。

5.2機(jī)器人內(nèi)部傳感器

5.2.1位置/位移傳感器機(jī)器人的位置/位移傳感器可分為以下兩類。

(1)限位開關(guān)類傳感器。這類傳感器用于檢測指定位置，常用ON/OFF兩個狀態(tài)值。這類傳感器用于檢測機(jī)器人的起始原點、終點位置或某個確定的位置。檢測指定位置時常用的檢測元件有電容式傳感器、微動開關(guān)、光電開關(guān)等。當(dāng)限位開關(guān)接近或遠(yuǎn)離指定位置時，開關(guān)的電氣觸點斷開(常閉)或接通(常開)，并向控制回路發(fā)出動作信號。

(2)位置測量類傳感器。這類傳感器用于測量可變位置和角度，即測量機(jī)器人關(guān)節(jié)的直線位移和角位移，是機(jī)器人位置反饋控制中必不可少的元件。常用的位置測量類傳感器有電位器式位移傳感器、編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等。其中編碼器既可以檢測直線位移，又可以檢測角位移。

1.電位器式位移傳感器

電位器式位移傳感器主要依賴于電位器，電位器是具有三個引出端口且阻值可按某種變化規(guī)律調(diào)節(jié)的電阻元件。電位器通常由電阻體和可移動的電刷組成。當(dāng)電刷沿電阻體移

動時，在輸出端可獲得與位移量成一定關(guān)系的電阻值或電壓值。電位器式位移傳感器就是將機(jī)械位移通過電位器轉(zhuǎn)換為與之成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓并輸出的傳感器。按照傳

感器結(jié)構(gòu)的不同，電位器式位移傳感器可分為兩大類，即直線型電位器式位移傳感器和旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器。

1)直線型電位器式位移傳感器

直線型電位器式位移傳感器的原理圖及實物圖如圖5-4所示。圖5-4直線型電位器式位移傳感器的原理圖及實物圖

直線型電位器式位移傳感器的電壓和位移的關(guān)系為

式中，Uo

為輸入電壓，L

為滑動觸點的最大移動距離，x為滑動觸點向左端移動的距離，Ui

為電阻右側(cè)的輸出電壓。

2)旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器

當(dāng)把直線型電位器式位移傳感器的電阻元件彎成圓弧形，滑動觸點的一端固定在圓的中心，使其像時針那樣旋轉(zhuǎn)時，由于電阻值隨相應(yīng)的轉(zhuǎn)角變化，因此就構(gòu)成了一個可以測量角度的旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器。旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器的原理圖及實物圖如圖5-5所示。旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器由環(huán)狀電阻器和一個可旋轉(zhuǎn)的電刷共同組成。當(dāng)電流流過電阻器時，形成電壓分布。

當(dāng)電壓分布與角度成比例，滑動觸點在電阻元件上做圓周運(yùn)動；當(dāng)滑動觸點旋轉(zhuǎn)角時，輸出電壓值隨之發(fā)生改變，計算公式為

式中，θ為滑動觸點轉(zhuǎn)過的角度；Uout為θ角內(nèi)圓弧阻值分布的電壓，即輸出電壓；Uin為輸入電壓。圖5-5-旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器的原理圖及實物圖

2.編碼器

根據(jù)檢測原理的不同，編碼器可分為光電編碼器、磁場式編碼器、感應(yīng)式編碼器和電容式編碼器。根據(jù)刻度方法及信號輸出形式的不同，編碼器可分為增量式編碼器、絕對式

編碼器以及混合式編碼器3種。光電編碼器(如圖5-6所示)在機(jī)器人中應(yīng)用最廣泛，其分辨率能夠滿足機(jī)器人工作時的技術(shù)要求。光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的直線位移或位移轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，屬于非接觸式傳感器。光電編碼器主要由碼盤、檢測光柵、轉(zhuǎn)軸、光電接收器、光電檢測裝置(有光源、光敏元件、信號轉(zhuǎn)換電路)等組

成，如圖5-7所示。圖5-6光電編碼器圖5-7光電編碼器結(jié)構(gòu)圖

光電編碼器分為絕對式光電編碼器和相對式(增量式)光電編碼器兩種類型。相對式光電編碼器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價格低、精度高、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，應(yīng)用更為廣泛。特別是在高分辨率和大量程角速率/位移測量系統(tǒng)中，相對式光電編碼器更具優(yōu)越性。

1)絕對式光電編碼器

絕對式光電編碼器的圓形碼盤上沿徑向的若干同心圓稱為碼道，一個光敏元件對應(yīng)一個碼道。若碼盤上的透光區(qū)對應(yīng)二進(jìn)制數(shù)“1”，不透光區(qū)對應(yīng)二進(jìn)制數(shù)“0”，則沿碼盤徑向，由外向內(nèi)，可依次讀出碼道上的二進(jìn)制數(shù)。圖5-8絕對式光電編碼器的工作原理

2)相對式光電編碼器

相對式光電編碼器又稱為增量式光電編碼器，常被用于測量旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，其圓形碼盤上的透光區(qū)域與不透光區(qū)域相互間隔，均勻分布在碼盤邊緣。相對式光電編碼器的工作原理如圖5-9所示。圖5-9相對式光電編碼器的工作原理

3.旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器由鐵芯、兩個定子線圈(二次線圈)和一個轉(zhuǎn)子線圈(一次線圈)組成，是測量旋轉(zhuǎn)角度的傳感器。旋轉(zhuǎn)變壓器同樣也是變壓器，其工作原理如圖5-10所示。圖5-10旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理

隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，最終第一個二次線圈中的電壓達(dá)到零，而第二個二次線圈中的電壓達(dá)到最大值。其他角度時刻的電壓值與兩個二次線圈和一次線圈夾角的正弦、余弦值成正比。即若轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角為θ，則轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電動勢為

式中，K

為定子轉(zhuǎn)子線圈的匝數(shù)比，ω

為定子繞組中交流勵磁電壓頻率，Um為定子繞組交流勵磁電壓幅值。

5.2.2速度/加速度傳感器

1.編碼器

前面講過編碼器的工作原理就是將角位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，因此就沒有必要給機(jī)器人配置額外的速度傳感器。只需根據(jù)測得的位移和編碼器中指定時間內(nèi)脈沖信號的數(shù)量，就能計算出相應(yīng)的角速度。

2.測速發(fā)電機(jī)

測速發(fā)電機(jī)是輸出電動勢與轉(zhuǎn)速成比例的微特電機(jī)，其輸出電動勢E

和轉(zhuǎn)速n

呈線性關(guān)系，即E=Kn，K

是常數(shù)。改變測速發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向時，其輸出電動勢的極性即相應(yīng)改變。當(dāng)被測機(jī)構(gòu)與測速發(fā)電機(jī)同軸連接時，只要檢測出輸出電動勢就能得到被測機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速。

機(jī)器人速度伺服控制系統(tǒng)的控制原理如圖5-11所示。圖5-11機(jī)器人速度伺服控制系統(tǒng)的控制原理

測速發(fā)電機(jī)主要可分為直流測速發(fā)電機(jī)和交流測速發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖5-12所示。圖5-12測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

機(jī)器人對測速發(fā)電機(jī)的性能要求主要是精度高、靈敏度高、可靠性好，具體包括以下5個方面：

(1)輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間有嚴(yán)格的正比關(guān)系。

(2)輸出電壓的脈動要盡可能小。

(3)溫度變化對輸出電壓的影響要小。

(4)在一定轉(zhuǎn)速時所產(chǎn)生的電動勢及電壓應(yīng)盡可能大。

(5)正、反轉(zhuǎn)時輸出電壓應(yīng)對稱。

5.2.3力/扭矩傳感器

對于一些驅(qū)動裝置，比如伺服電機(jī)，可以直接通過測量電機(jī)的電流來測量驅(qū)動力，即用一個檢測電阻和電機(jī)串聯(lián)來測量檢測電阻兩端的電壓降。常見的驅(qū)動力傳感器如圖5-13。圖5-13常見的驅(qū)動力傳感器

對于一般的力控制作業(yè)，需要6個力分量來提供完整的接觸力信息，即3個平移力分量和3個力矩。力/扭矩傳感器有各種尺寸和動態(tài)范圍，為了方便機(jī)器人手腕更靈活地完成動作，更多的力/扭矩傳感器被研發(fā)出來。各種六軸力傳感器結(jié)構(gòu)如圖5-14所示。圖5-14各類六軸力傳感器結(jié)構(gòu)圖

5.3機(jī)器人外部傳感器

5.3.1觸覺傳感器觸覺傳感器是機(jī)器人中模仿觸覺功能的傳感器。觸覺是人與外界環(huán)境直接接觸時的重要感覺功能。觸覺傳感器可以判斷機(jī)器人與物體是否接觸，也可以判斷物體的大致形狀及表面特征，這類傳感器通常安裝在末端執(zhí)行器上。簡單的觸覺傳感器以陣列形式排列組合，可以按一定規(guī)律向控制器發(fā)送接觸的形狀信息。機(jī)械式觸覺傳感器如圖5-15所示。圖5-15-機(jī)械式觸覺傳感器

一般情況下，機(jī)器人通過觸覺傳感器可以獲得如下信息。

(1)接觸：判斷機(jī)器人是否接觸物體。

(2)力：觸元受力的大小，以及根據(jù)觸元受力計算得出的更多的表面受力信息。

(3)幾何形狀：接觸區(qū)域的位置、接觸面的形狀，如平面、斜坡、曲面等，或用多次測量匯總出的物體的形狀，如球形、圓柱形等。

(4)機(jī)械特性：摩擦特性和彈性等，以及物體的溫度特性。

(5)滑動狀況：物體與傳感器之間的滑動情況及滑動狀態(tài)。

根據(jù)功能的不同，觸覺傳感器可分為接觸式傳感器、壓覺傳感器、滑覺傳感器。

1.接觸式傳感器

接觸式傳感器主要輔助機(jī)器人完成操作、探測、響應(yīng)三種行為，在現(xiàn)代機(jī)器人的精細(xì)作業(yè)中運(yùn)用廣泛，常用于機(jī)器人末端執(zhí)行器的接觸判定，物體表面硬度、熱特性、粗糙度等信息的獲取等，使得末端執(zhí)行器更穩(wěn)定地完成工作任務(wù)。常見的接觸式傳感器有微動開關(guān)、觸須式傳感器、柔性接觸傳感器、觸覺傳感器陣列，如圖5-16所示。圖5-16常見的接觸式傳感器圖5-16常見的接觸式傳感器

(1)微動開關(guān)：最簡單的接觸式傳感器。它主要由彈簧和觸點構(gòu)成。觸點接觸外界物體后離開基板，造成信號通路斷開或閉合，從而檢測到與外界物體的接觸。微動開關(guān)的觸點間距小、動作行程短、按動力小、通斷迅速，具有使用方便、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。

(2)觸須式傳感器：與昆蟲的觸須類似，可以安裝在移動機(jī)器人的四周，用以發(fā)現(xiàn)外界環(huán)境中的障礙物。該傳感器的控制桿采用柔軟的彈性物質(zhì)制成，相當(dāng)于微動開關(guān)的觸點，當(dāng)觸須式傳感器觸及物體時，接通輸出回路，輸出電壓信號。

(3)柔性接觸傳感器：具有獲取物體表面形狀二維信息的潛在能力。這種傳感器的結(jié)構(gòu)與物體周圍的輪廓相吻合，移去物體時，傳感器即恢復(fù)到最初形狀。

(4)觸覺傳感器陣列：由若干個感知單元組成陣列結(jié)構(gòu)，用于感知目標(biāo)物體的形狀。

2.壓覺傳感器

壓覺傳感器在機(jī)器人的手部和足部應(yīng)用較多，其檢測手部抓取物體時的壓力，用來控制抓取力，保證抓取力不會過大而將物體損壞。例如，抓取雞蛋、西紅柿等物體時，壓覺傳感器可以很好地控制力度。機(jī)器人足部的壓覺傳感器能用來控制機(jī)器人的步態(tài)，實現(xiàn)穩(wěn)定走動。常見的壓覺傳感器包括電容式壓覺陣列、電阻式壓覺陣列和微機(jī)電壓覺陣列，如圖5-17所示。圖5-17常見的壓覺傳感器圖5-17常見的壓覺傳感器

(1)電容式壓覺陣列。電容式壓覺陣列式是最早且最普遍的壓覺傳感器，常用于嵌入機(jī)器人指尖與物體接觸部分，便于靈巧操作。這種傳感器中電容單元的兩電極被彈性介質(zhì)

分開，在機(jī)器人接觸部分因受力產(chǎn)生變形后會導(dǎo)致電容發(fā)生變化，間接地感知壓力大小。

(2)電阻式壓覺陣列。電阻式壓覺陣列一般采用模塑導(dǎo)電橡膠或壓阻油墨制作，通過受力后的電阻變化感知壓力。

(3)微機(jī)電壓覺陣列。微機(jī)電壓覺陣列通常采用硅、壓電陶瓷、壓電薄膜等多層復(fù)合結(jié)構(gòu)嵌入彈性體中來模擬人類皮膚感知彈性體中復(fù)雜的應(yīng)力變化。

3.滑覺傳感器

滑覺是物體與感覺器官有相對位移趨勢時的感覺。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，滑覺傳感器檢測被提物體的滑動，

利用該檢測信號，在不損害物體的前提下，考慮采取最可靠的夾持方法握緊物體。因此，壓覺通常用于控制末端夾持器的握力，而滑覺用于檢測滑動以及修正設(shè)定的握力值以防止滑動。常見的滑覺傳感器有滾動式滑覺傳感器、球式滑覺傳感器和振動式滑覺傳感器，如圖5-18所示，它們的不同點是轉(zhuǎn)換滑動的形式不同?？偟膩碚f，當(dāng)傳感器接觸表面產(chǎn)生滑動時，滑覺感知器先將滑動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動，再進(jìn)行檢測。圖5-18常見的滑覺傳感器圖5-18常見的滑覺傳感器

(1)滾動式滑覺傳感器?；瑒右饾L輪轉(zhuǎn)動，帶動磁鐵發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過檢測磁鐵與磁頭處的磁阻變化量得出滑動量。

(2)球式滑覺傳感器。這類傳感器由金屬球和探針組成，金屬球表面依次排列著導(dǎo)電與絕緣小方格?；瑒訋咏饘偾蜣D(zhuǎn)動，根據(jù)探針上探測的脈沖信號的頻率可以測得滑動速

度和滑動位移。

(3)振動式滑覺傳感器。當(dāng)探針的鋼球與滑動物體接觸時，物體的滑動引起探針振動，依據(jù)內(nèi)部感應(yīng)線圈輸出的信號來判定物體是否滑動。

5.3.2接近覺傳感器

1.電容式接近覺傳感器

電容式接近覺傳感器利用電容量的變化感知接近物體，其實物圖及原理圖如圖5-19所示。圖5-19電容式接近覺傳感器的實物圖及原理圖

電容式接近覺傳感器本身作為一個極板，被接近物體作為另一個極板，將該電容接入電橋電路或RC振蕩電路，利用電容極板距離變化產(chǎn)生的電容變化可以檢測出被接近物體的距離。電容器的電容值受極板間距、相對面積和極板間介電系數(shù)的影響，其表達(dá)為

式中，d

為極板間距，A

為兩極板相對面積，ε為極板間介電常數(shù)，ε0

為真空介電常數(shù)，εr為介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)。

2.電感式接近覺傳感器

電感式接近覺傳感器的工作原理是電磁感應(yīng)，即把機(jī)器人傳感器感知的距離變化轉(zhuǎn)換為電感量變化。常用的電感式接近覺傳感器主要有線圈磁鐵式接近覺傳感器、電渦流式接

近覺傳感器以及霍爾式接近覺傳感器。

(1)線圈磁鐵式接近覺傳感器：由裝在殼體內(nèi)的一小塊永磁鐵和繞在磁鐵上的線圈構(gòu)成。當(dāng)被測物體進(jìn)入永磁鐵的磁場時，這種接近覺傳感器在線圈里感應(yīng)出電壓信號。

(2)電渦流式接近覺傳感器：由線圈、激勵電路和測量電路組成，它的線圈受激勵而產(chǎn)生交變磁場，當(dāng)金屬物體接近時就會由于電渦流效應(yīng)而輸出電信號。

(3)霍爾式接近覺傳感器：由霍爾元件或磁敏二極管、三極管構(gòu)成。當(dāng)磁敏元件進(jìn)入磁場時，霍爾式接近覺傳感器就產(chǎn)生霍爾電勢，從而能檢測出引起磁場變化的物體的接近。

3.光電式接近覺傳感器

光電式接近覺傳感器主要包括光電開關(guān)和光幕。

1)光電開關(guān)

通常我們所說的光電式接近覺傳感器也叫光電開關(guān)，其主要通過檢測物體對光束的遮擋或反射，把光信號轉(zhuǎn)化為電信號，從而檢測物體的有無、位置變化情況、顏色等信息。在光電式接近覺傳感器中，發(fā)光二極管(或半導(dǎo)體激光管)的光束軸線和光電三極管的軸線在一個平面上，并成一定的夾角，兩軸線在傳感器前方交于一點。

光電開關(guān)一般由發(fā)射器、接收器和檢測電路三部分構(gòu)成，如圖5-20所示。圖5-20光電開關(guān)組成

根據(jù)檢測方式的不同，光電開關(guān)可分為對射式光電開關(guān)、漫反射式光電開關(guān)、鏡面反射式光電開關(guān)、槽式光電開關(guān)和光纖式光電開關(guān)。

(1)對射式光電開關(guān)。對射式光電開關(guān)由發(fā)射器和接收器組成，兩者在結(jié)構(gòu)上是相互分離的，在光束被中斷的情況下會產(chǎn)生一個開關(guān)信號變化。對射式光電開關(guān)典型的方式是位于同一軸線上的光電開關(guān)可以相互分開較遠(yuǎn)距離，用于辨別不透明的反光物體，且不易受干擾。

(2)漫反射式光電開關(guān)。漫反射式光電開關(guān)是指當(dāng)開關(guān)發(fā)射光束時，目標(biāo)產(chǎn)生漫反射，發(fā)射器和接收器構(gòu)成單個的標(biāo)準(zhǔn)部件。當(dāng)有足夠的組合光返回接收器時，開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變

化。漫反射式光電開關(guān)的特征是有效作用距離由目標(biāo)的反射能力、目標(biāo)表面性質(zhì)和顏色決定，對目標(biāo)上的灰塵敏感和對目標(biāo)變化了的反射性能敏感。

(3)鏡面反射式光電開關(guān)。鏡面反射式光電開關(guān)由發(fā)射器和接收器構(gòu)成，從發(fā)射器發(fā)出的光束被對面的反射鏡反射，即返回接收器，當(dāng)光束被中斷時，會產(chǎn)生一個開關(guān)信號的變化。光的通過時間是兩倍的信號持續(xù)時間。這種光電開關(guān)可辨別物體的透明程度。

(4)槽式光電開關(guān)。槽式光電開關(guān)通常是標(biāo)準(zhǔn)的U型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊。當(dāng)被檢測物體經(jīng)過U型槽且阻斷光軸時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測到的開關(guān)量信號。槽式光電開關(guān)比較安全可靠，適合檢測高速變化以及分辨透明與半透明物體。

(5)光纖式光電開關(guān)。光纖式光電開關(guān)采用塑料或玻璃光纖傳感器引導(dǎo)光線，以實現(xiàn)被檢測物體不在相近區(qū)域的檢測。

2)光幕

配置安全光幕的機(jī)器人如圖5-21所示。圖5-21配置安全光幕的機(jī)器人

4.超聲波式接近覺傳感器

超聲波式接近覺傳感器是移動機(jī)器人避障、測距時常用的傳感器之一，其也可用來測量物體的距離。超聲波式接近覺傳感器由超聲波發(fā)射器和接收器組成，如圖5-22所示。圖5-22超聲波式接近覺傳感器

5.3.3視覺傳感器

機(jī)器人視覺傳感器是通過光學(xué)裝置和非接觸式傳感器自動地接收和處理一個真實物體的圖像，以獲得所需信息或控制機(jī)器人運(yùn)動的裝置。機(jī)器視覺系統(tǒng)如圖5-23所示。一個典

型的機(jī)器視覺系統(tǒng)包括光源、鏡頭、相機(jī)(包括CCD相機(jī)和COMS相機(jī))、圖像處理單元(或圖像捕獲卡)、圖像處理軟件、監(jiān)視器、通信/輸入輸出單元等。圖5-23機(jī)器視覺系統(tǒng)

機(jī)器視覺系統(tǒng)模擬人的視覺功能，從客觀事物的圖像中提取信息，進(jìn)行處理并加以理解，最終用于實際檢測、測量和控制，其主要功能有以下幾個方面：

(1)定位：找到目標(biāo)物體并精準(zhǔn)定位，引導(dǎo)機(jī)器人末端移動。

(2)測量：測量目標(biāo)物體的尺寸，如長、寬、高、體積、表面積等。

(3)檢查：確認(rèn)產(chǎn)品質(zhì)量，檢查有無缺陷。

(4)識別：識別指定內(nèi)容，如二維碼、光學(xué)字符等。

機(jī)器視覺技術(shù)具有精度高以及連續(xù)性、靈活性、標(biāo)準(zhǔn)性

等特點。

(1)精度高：機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠?qū)Χ鄠€目標(biāo)進(jìn)行空間測量。由于測量是非接觸式的，因此對目標(biāo)沒有損傷和危險，且具有極高的精度。

(2)連續(xù)性：機(jī)器視覺系統(tǒng)可以連續(xù)工作，減輕人們勞動負(fù)擔(dān)。因為沒有人工操作者，也就沒有了人為造成的停機(jī)錯誤。

(3)靈活性：機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠進(jìn)行各種不同信息的獲取或測量，根據(jù)測量對象的改變，只需對軟件做相應(yīng)改變或升級就可適應(yīng)新的需求。

(4)標(biāo)準(zhǔn)性：機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心是視覺圖像技術(shù)，因此不同廠商的機(jī)器視覺系統(tǒng)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)是一致的，這為機(jī)器視覺技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了極大的方便。

5.4機(jī)器人感知系統(tǒng)運(yùn)動控制實例

5.4.1焊接機(jī)器人傳統(tǒng)的電容式、電感式、超聲波式接近覺傳感器都可以用于焊縫的識別。但視覺傳感器的功能更為全面，它可以通過捕獲諸如電弧形態(tài)、熔池輪廓等信息提供決策支撐，其獲取的焊縫特征具有信息豐富、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度與精度高且與工件不接觸等優(yōu)點，適用于各種焊接形式，逐漸發(fā)展成為焊縫跟蹤系統(tǒng)中的主流傳感器。

視覺傳感器主要依靠焊縫中反饋回的光源信息進(jìn)行特征識別。焊縫識別跟蹤技術(shù)的原理如圖5-24所示。圖5-24焊縫識別跟蹤技術(shù)原理

激光傳感器也可以勝任視覺工作，其工作原理是將激光投射到焊縫表面，形成具有一定特征的激光條紋并由視覺傳感器進(jìn)行焊縫特征信息提取，進(jìn)而識別焊縫特征點位置，如圖5-25所示，后續(xù)焊接機(jī)器人依據(jù)相關(guān)信息進(jìn)行焊接位置實時校準(zhǔn)。激光焊縫跟蹤基本流程如圖5-26所示。圖5-25-激光傳感器的工作原理圖5-26激光焊縫跟蹤基本流程

5.4.2裝配機(jī)器人

一個具有柔性的自動裝配作業(yè)系統(tǒng)基本上具有以下幾個功能。

(1)搬運(yùn)工件：識別工件，將工件搬運(yùn)到指定的安裝位置，實現(xiàn)工件的高速分流輸送等。

(2)定位系統(tǒng)：決定工件、作業(yè)工具的位置。

(3)供給零件或裝配所使用的材料。

(4)裝配零部件。

(5)監(jiān)測和控制。

裝配零部件是機(jī)器人裝配生產(chǎn)的核心步驟。箱體中軸與軸承的裝配示意圖如圖5-27所示。圖5-27箱體中軸與軸承的裝配示意圖

裝配機(jī)器人經(jīng)常使用的傳感器有以下幾種。

(1)觸覺傳感器：用于判定物體的