《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ) 》課件-第五章 工業(yè)機(jī)器人感知系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)智能制造學(xué)院復(fù)習(xí)內(nèi)容：工業(yè)機(jī)器人由機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分組成。感知系統(tǒng)感知系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的“感知器官”，類似人的五官，負(fù)責(zé)檢測(cè)和收集機(jī)器人自身狀態(tài)信息（機(jī)器人的位置、姿態(tài)、速度等信息）和周圍環(huán)境信息（物體位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、距離等），轉(zhuǎn)換成可處理的數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的“大腦”，負(fù)責(zé)接收感知系統(tǒng)的信息，根據(jù)預(yù)設(shè)的程序和算法，對(duì)信息進(jìn)行處理，通過向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出指令，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，如運(yùn)動(dòng)位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動(dòng)作時(shí)間等。機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，決定了機(jī)器人的外形及基本運(yùn)動(dòng)形態(tài)。機(jī)械部分通常由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)座、腰部、臂部、腕部、末端執(zhí)行器組成，有的工業(yè)機(jī)器人還具備行走系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力來源，負(fù)責(zé)根據(jù)控制系統(tǒng)的指令驅(qū)動(dòng)機(jī)械部分運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)指定操作。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常由驅(qū)動(dòng)裝置和傳動(dòng)裝置等組成，通常采用電氣、液壓、氣壓驅(qū)動(dòng)方式或是幾種方式的結(jié)合，根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的驅(qū)動(dòng)方式。復(fù)習(xí)內(nèi)容：第五章工業(yè)機(jī)器人感知系統(tǒng)目錄CONTENTS

5.1工業(yè)機(jī)器人感知技術(shù)概述5.2工業(yè)機(jī)器人傳感器分類5.3工業(yè)機(jī)器人視覺技術(shù)5.4工業(yè)機(jī)器人傳感器技術(shù)

的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)工業(yè)機(jī)器人感知系統(tǒng)機(jī)器人感知系統(tǒng)擔(dān)任著機(jī)器人神經(jīng)系統(tǒng)的角色，將機(jī)器人各種內(nèi)部狀態(tài)信息和環(huán)境信息從信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人自身或者機(jī)器人之間能夠理解和應(yīng)用的數(shù)據(jù)、信息甚至知識(shí)，它與機(jī)器人控制系統(tǒng)和決策系統(tǒng)組成機(jī)器人的核心。機(jī)器人任何行動(dòng)都要從感知環(huán)境開始，如果這個(gè)過程遇到障礙，那么它以后的所有行動(dòng)都沒有依托。沒有傳感器組成的感知系統(tǒng)的支持，就相當(dāng)于人失去了眼睛、鼻子等感覺器官。一個(gè)機(jī)器人的智能在很大程度上取決于它的感覺系統(tǒng)。機(jī)器人感知系統(tǒng)通常由多種傳感器組成。目前，構(gòu)成機(jī)器人感知和控制的傳感器種類繁多，具體包括視覺、聽覺、觸覺、力覺、距離覺、平衡覺等類型傳感器。5.1工業(yè)機(jī)器人感知技術(shù)概述01PART

ONE5.1工業(yè)機(jī)器人感知技術(shù)概述機(jī)器人感知系統(tǒng)通常由多種傳感器或視覺系統(tǒng)組成。目前，構(gòu)成機(jī)器人感知和控制的傳感器種類繁多，具體包括視覺、聽覺、觸覺、力覺、距離覺、平衡覺等類型傳感器。傳感器用于為機(jī)器人系統(tǒng)提供輸入信息，由這些傳感器組成的“感覺”外部環(huán)境的系統(tǒng)就構(gòu)成了機(jī)器人的感知系統(tǒng)，它將機(jī)器人內(nèi)部狀態(tài)信息（位置、姿態(tài)、線速度、角速度、加速度、角加速度、平衡）和外部環(huán)境信息轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人系統(tǒng)自身、機(jī)器人相互之間能夠理解和應(yīng)用的數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)的系統(tǒng)，包括各種機(jī)器人專用傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換、處理器構(gòu)成的硬件部分和傳感器識(shí)別、校準(zhǔn)、信息融合與傳感數(shù)據(jù)庫(kù)所構(gòu)成的軟件部分。對(duì)于不同傳感器，原理雖各不相同，但無論是那種原理的傳感器，最后都需要將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電阻、電容、電感等電量信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理變?yōu)橛?jì)算機(jī)能夠識(shí)別、傳輸?shù)男盘?hào)；對(duì)于執(zhí)行器，則需要將控制數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流、電壓信號(hào)。5.1.1人類與機(jī)器人的感知系統(tǒng)研究機(jī)器人，首先從模仿人開始。通過考察人的勞動(dòng)發(fā)現(xiàn)，人類是通過5種熟知的感官（視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺）接收外界信息的，這些信息通過神經(jīng)傳遞給大腦，大腦對(duì)這些分散的信息進(jìn)行加工、綜合后發(fā)出行為指令，調(diào)動(dòng)肌體（如手足等）執(zhí)行某些動(dòng)作。如果希望機(jī)器人代替人類勞動(dòng)，可以將當(dāng)今的計(jì)算機(jī)看做與大腦相當(dāng)，機(jī)器人的機(jī)構(gòu)本體（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）可與肌體相當(dāng)，機(jī)器人的各種外部傳感器可與五官相當(dāng)。計(jì)算機(jī)是人類大腦或智力的外延，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是人類四肢的外延，傳感器視人類五官的外延。機(jī)器人要獲得環(huán)境信息，同人類一樣需要通過感覺器官。要使機(jī)器人擁有智能，對(duì)環(huán)境變化作出反應(yīng)的步驟：首先，必須使機(jī)器人具有感知環(huán)境的能力，用傳感器采集信息是機(jī)器人智能化的第一步；其次，如何采取適當(dāng)?shù)姆椒ǎ瑢⒍鄠€(gè)傳感器獲取的環(huán)境信息加以綜合處理，控制機(jī)器人進(jìn)行智能作業(yè)，則是提高機(jī)器人智能程度的重要體現(xiàn)。因此，傳感器及其信息處理系統(tǒng)，是構(gòu)成機(jī)器人智能的重要部分，它為機(jī)器人智能作業(yè)提供決策依據(jù)。5.1.2工業(yè)機(jī)器人感知技術(shù)傳感器是一種以一定精度測(cè)量出物體的物理和化學(xué)變化（如位移、力、加速度、溫度等），并將這些變化變換成與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、易于精確處理和測(cè)量的某種電信號(hào)（如電壓、電流、電容和頻率等）的檢測(cè)部件或裝置。通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路和輔助電源四部分組成。傳感器的特性主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系。當(dāng)輸入量為常量或變化極慢時(shí)，這一關(guān)系稱之為靜態(tài)特性；當(dāng)輸入量隨時(shí)間變化時(shí)就稱為動(dòng)態(tài)特性。傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鬓D(zhuǎn)換的被測(cè)量（輸入信號(hào)）數(shù)值是常量（處于穩(wěn)定狀態(tài)）或者變化極緩慢時(shí)，傳感器的輸出與輸入之間關(guān)系如圖5-3所示。傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)主要有靈敏度、線性度、遲滯、重復(fù)性、最小檢測(cè)量和分辨率、零點(diǎn)漂移、溫漂等5.1.3傳感器特性圖5-3傳感器靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性5.1.3傳感器特性1）靈敏度

傳感器的靜態(tài)特性5.1.3傳感器特性2）線性度

傳感器的靜態(tài)特性5.1.3傳感器特性3）遲滯是指?jìng)鞲衅髟诠ぷ鲿r(shí)，因物理結(jié)構(gòu)和工作原理的限制，輸出信號(hào)的變化不能立即跟隨輸入信號(hào)變化的現(xiàn)象。遲滯時(shí)間是指當(dāng)傳感器受到輸入信號(hào)變化時(shí)，輸出信號(hào)達(dá)到90%或95%變化的時(shí)間。因此，遲滯可視為一個(gè)延時(shí)時(shí)間，會(huì)影響對(duì)于被測(cè)量對(duì)象狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和測(cè)量準(zhǔn)確性。4）重復(fù)性在相同測(cè)量條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行連續(xù)多次測(cè)量所得結(jié)果之間的一致性。若一致性好，傳感器的測(cè)量誤差就越小，重復(fù)性越好。對(duì)于多數(shù)傳感器來說，重復(fù)性指標(biāo)都優(yōu)于精度指標(biāo)，這些傳感器的精度不一定很高，但只要溫度、濕度、受力條件和其它參數(shù)不變，傳感器的測(cè)量結(jié)果也不會(huì)有較大變化，同樣，對(duì)于傳感器的重復(fù)性也應(yīng)考慮使用條件和測(cè)試方法的問題。對(duì)于示教-再現(xiàn)型機(jī)器人，傳感器的重復(fù)性至關(guān)重要，它直接關(guān)系到機(jī)器人能否準(zhǔn)確再現(xiàn)示教軌跡。傳感器的靜態(tài)特性5.1.3傳感器特性5）測(cè)量范圍傳感器能夠測(cè)量的最大被測(cè)量的數(shù)值被稱為測(cè)量上限，而最小被測(cè)量數(shù)值則被稱為測(cè)量下限。而測(cè)量范圍就是上限和下限之間的范圍。一般要求傳感器的測(cè)量范圍必須覆蓋機(jī)器人有關(guān)被測(cè)量的工作范圍。如果無法達(dá)到這一要求，可以設(shè)法選用某種轉(zhuǎn)換裝置，但這樣會(huì)引入某種誤差，使傳感器的測(cè)量精度受到一定的影響。6）分辨率分辨率是指?jìng)鞲衅髟谡麄€(gè)測(cè)量范圍內(nèi)所能識(shí)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)。如果它辨別的被測(cè)量最小變化量越小，或者被測(cè)量個(gè)數(shù)越多，則分辨率越高；反之，則分辨率越低。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(duì)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)定傳感器分辨率的最低限度要求。傳感器的靜態(tài)特性5.1.3傳感器特性7）零點(diǎn)漂移由于各種原因（溫度、機(jī)械振動(dòng)、電源電壓、加速度、設(shè)備老化等因素），傳感器的輸出信號(hào)并不完全等于被測(cè)量的信號(hào)值。傳感器零點(diǎn)漂移就是指?jìng)鞲衅髟跊]有受到外界力的作用下，輸出值隨時(shí)間的變化而發(fā)生的變化現(xiàn)象。簡(jiǎn)單來說，就是傳感器的輸出值沒有實(shí)際被測(cè)量值穩(wěn)定。5.1.3傳感器特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器從接收到輸入信號(hào)到輸出測(cè)量值穩(wěn)定的時(shí)間?？焖俚捻憫?yīng)時(shí)間可以提高傳感器的實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)性能。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。傳感器輸出信號(hào)的振蕩對(duì)于機(jī)器人控制系統(tǒng)來說非常不利，它有時(shí)可能會(huì)造成一個(gè)虛設(shè)位置，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(shí)間越短越好。響應(yīng)時(shí)間的計(jì)算應(yīng)當(dāng)以輸入信號(hào)起始變化的時(shí)刻為始點(diǎn)，以輸出信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)刻為終點(diǎn)。實(shí)際上，還需要規(guī)定一個(gè)穩(wěn)定值范圍，只要輸出信號(hào)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。1）響應(yīng)時(shí)間2）頻率響應(yīng)傳感器對(duì)輸入信號(hào)頻率變化的響應(yīng)能力。頻率響應(yīng)用于評(píng)估傳感器在不同頻率范圍內(nèi)的精確度和穩(wěn)定性。5.1.3傳感器特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器輸出與輸入之間的線性關(guān)系程度。較高的響應(yīng)線性度表示傳感器輸出能準(zhǔn)確地反映輸入變化。傳感器線性度是一個(gè)關(guān)鍵的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，它的大小和精度對(duì)于傳感器的使用有著重要的意義。一個(gè)傳感器的線性度越高，代表它輸出與輸入之間的關(guān)系越接近于線性。這對(duì)于一些需要高精度的應(yīng)用非常關(guān)鍵，例如醫(yī)療器械、航空儀表、精密測(cè)量等領(lǐng)域。3）響應(yīng)線性度4）動(dòng)態(tài)范圍傳感器能夠測(cè)量的最小和最大輸入信號(hào)之間的范圍。較大的動(dòng)態(tài)范圍表示傳感器可以在更大范圍內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。5.1.3傳感器特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器輸出中包含的無用信號(hào)。噪聲將影響傳感器的精度和穩(wěn)定性，因此較低的噪聲特性可以提高傳感器的性能。5）噪聲特性6）響應(yīng)頻率傳感器對(duì)輸入信號(hào)變化的反應(yīng)速度。高響應(yīng)頻率意味著傳感器可以捕捉到高頻率的變化。7）臨界阻尼傳感器輸出的動(dòng)態(tài)響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的最短時(shí)間。臨界阻尼表明傳感器具有良好的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償能力。5.1.3傳感器特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性機(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，因此對(duì)于機(jī)器人用傳感器必須考慮其抗干擾能力。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)作或發(fā)生故障，設(shè)計(jì)傳感器系統(tǒng)時(shí)必須采用可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)。通?？垢蓴_能力是通過單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率來定義的，因此它是一個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。在選擇工業(yè)機(jī)器人傳感器時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際工況、檢測(cè)精度、控制精度等具體的要求來確定所用傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)，同時(shí)還需要考慮機(jī)器人工作的一些特殊要求，比如重復(fù)性、穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾性要求等，最終選擇出性價(jià)比較高的傳感器。8）抗干擾能力5.2工業(yè)機(jī)器人傳感器分類02PART

ONE5.2工業(yè)機(jī)器人傳感器分類機(jī)器人傳感器包括信息獲取和處理兩部分，傳感器和執(zhí)行器之間聯(lián)系密切，傳感器檢測(cè)的信息處理后直接用于反饋控制，從而決定機(jī)器人的行動(dòng)。這就要求機(jī)器人傳感器不僅要求體積小，易于安裝，過載能力強(qiáng)，且對(duì)敏感材料的柔性和功能有特定的要求。機(jī)器人傳感器有多種分類方法，如接觸式傳感器或非接觸式傳感器，內(nèi)部信息傳感器或外部傳感器，無源傳感器或有源傳感器，無擾傳感器或擾動(dòng)傳感器等?！墙佑|式傳感器以某種電磁射線（可見光、X射線、紅外線、雷達(dá)波和電磁射線等）、聲波、超聲波的形式來測(cè)量目標(biāo)的響應(yīng)?！佑|式傳感器則以某種實(shí)際接觸（如觸碰、力或力矩、壓力、位置、溫度、磁量、電量等）形式來測(cè)量目標(biāo)的響應(yīng)。最普通的觸覺傳感器就是一個(gè)簡(jiǎn)單的開關(guān)，當(dāng)它接觸零部件時(shí)，開關(guān)閉合。▲內(nèi)部信息傳感器是以機(jī)器人本身的坐標(biāo)軸來確定其位置，安裝在機(jī)器人自身中，用來感知機(jī)器人自己的狀態(tài)，采集機(jī)器人本體、關(guān)節(jié)和手爪的位移、速度、加速度等來自機(jī)器人內(nèi)部的信息，以調(diào)整和控制機(jī)器人的行動(dòng)。內(nèi)部傳感器通常由位置、加速度、速度及壓力傳感器等組成?！獠總鞲衅饔糜跈C(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境、目標(biāo)物的狀態(tài)特征獲取信息，使機(jī)器人和環(huán)境發(fā)生交互作用，采集機(jī)器人和外部環(huán)境以及工作對(duì)象之間相互作用的信息，從而使機(jī)器人對(duì)環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力。5.2.1工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部傳感器機(jī)器人內(nèi)部傳感器是用來檢測(cè)機(jī)器人本身狀態(tài)的傳感器，多為檢測(cè)位置和角度的傳感器。在工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部傳感器中，位置傳感器和速度傳感器是當(dāng)今機(jī)器人反饋控制中不可缺少的元件?，F(xiàn)已有多種傳感器大量生產(chǎn)，但傾斜角傳感器、方位角傳感器及振動(dòng)傳感器等用于機(jī)器人內(nèi)部傳感器的時(shí)間不長(zhǎng)，其性能尚需進(jìn)一步改進(jìn)。圖5-4位移傳感器分類位移和位置傳感器：工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的位置控制是機(jī)器人最基本的控制要求，而對(duì)位置和位移的檢測(cè)也是機(jī)器人最基本的感覺要求。位置和位移傳感器根據(jù)其工作原理和組成的不同有多種形式。如圖5-4所示。5.2.1工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部傳感器電位器式位移傳感器由一個(gè)繞線電阻（或薄膜電阻）和一個(gè)滑動(dòng)觸點(diǎn)組成?；瑒?dòng)觸點(diǎn)通過機(jī)械裝置受被檢測(cè)量的控制，當(dāng)被檢測(cè)的位置量發(fā)生變化時(shí)，滑動(dòng)觸點(diǎn)也發(fā)生位移，從而改變滑動(dòng)觸點(diǎn)與電位器各端之間的電阻值和輸出電壓值。傳感器根據(jù)這種輸出電壓值的變化，可以檢測(cè)出機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置和位移量。按照傳感器的結(jié)構(gòu)，電位器式位移傳感器可分為兩大類，一類是直線型電位器式位移傳感器，另一類是旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器。電位器式位移傳感器具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、尺寸小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。它的輸入/輸出特性可以是線性的。這種傳感器不會(huì)因?yàn)槭щ姸鴣G失其已感覺到的信息。當(dāng)電源因故斷開時(shí)，電位器的觸點(diǎn)將保持原來的位置不變，只要重新接通電源，原有的位置信號(hào)就會(huì)重新出現(xiàn)。電位器式位移傳感器的一個(gè)主要缺點(diǎn)是容易磨損，當(dāng)滑動(dòng)觸點(diǎn)和電位器之間的接觸面有磨損或有塵埃附著時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，使電位器的可靠性和壽命受到一定的影響。位移和位置傳感器：1）電位器式位移傳感器5.2.1工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部傳感器

位移和位置傳感器：1）電位器式位移傳感器圖5-5直線型電位器位移傳感器工作原理

圖5-6直線型電位器式位移傳感器實(shí)物5.2.1工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部傳感器

位移和位置傳感器：1）電位器式位移傳感器圖5-7旋轉(zhuǎn)型電位器位移傳感器工作原理

圖5-8旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器實(shí)物5.2.1工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部傳感器光電編碼器是集光、機(jī)、電技術(shù)于一體的數(shù)字化傳感器，它利用光電轉(zhuǎn)換原理將旋轉(zhuǎn)的角度信息轉(zhuǎn)換為電信息，并以數(shù)字代碼輸出，可以高精度地測(cè)量轉(zhuǎn)角或直線位移。光電編碼器具有測(cè)量范圍大、檢測(cè)精度高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人的位置檢測(cè)及其他工業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。一般把該傳感器裝在機(jī)器人各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸上，用來測(cè)量各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度。根據(jù)檢測(cè)原理，編碼器可分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式編碼器采用電刷輸出，以電刷接觸導(dǎo)電區(qū)和絕緣區(qū)分別表示代碼的1和0狀態(tài)；非接觸式編碼器的敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時(shí)以透光區(qū)和不透光區(qū)表示代碼的1和0狀態(tài)。根據(jù)測(cè)量方式，編碼器可分為直線型（如光柵尺、磁柵尺）和旋轉(zhuǎn)型兩種，目前機(jī)器人中較為常用的是旋轉(zhuǎn)型光電式編碼器。根據(jù)測(cè)出的信號(hào)，編碼器可分為絕對(duì)式和增量式兩種。以下主要介紹絕對(duì)式編碼器和增量式編碼器。位移和位置傳感器：2）角度傳感器（光電編碼器）5.2.1工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部傳感器

位移和位置傳感器：2）角度傳感器（光電編碼器）圖5-94位絕對(duì)式編碼器簡(jiǎn)圖

圖5-104位絕對(duì)式編碼器編碼盤如有10個(gè)碼道，則此時(shí)角度分辨率可達(dá)0.350。目前市場(chǎng)上使用的光電編碼器的碼盤數(shù)為4～18道。在應(yīng)用中通?？紤]伺服系統(tǒng)要求的分辨率和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)，以選擇合適的編碼器。二進(jìn)制編碼器的主要缺點(diǎn)是碼盤上的圖案變化較大，在使用中容易產(chǎn)生誤讀。在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用格雷碼代替二進(jìn)制編碼。5.2.1工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部傳感器

位移和位置傳感器：1）電位器式位移傳感器5.2.1工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部傳感器增量式光電編碼器位移和位置傳感器：1）電位器式位移傳感器5.2.1工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部傳感器速度傳感器：速度傳感器是工業(yè)機(jī)器人中較重要的內(nèi)部傳感器之一。由于在機(jī)器人中主要需測(cè)量的是機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)行速度，故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)電動(dòng)機(jī)和增量式光電編碼器兩種。測(cè)速發(fā)電動(dòng)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測(cè)量增量角位移又可以測(cè)量瞬時(shí)角速度。速度傳感器的輸出有模擬式和數(shù)字式兩種。5.2.1工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部傳感器速度傳感器：1）測(cè)速發(fā)電動(dòng)機(jī)圖5-13直流測(cè)速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖測(cè)速發(fā)電動(dòng)機(jī)是一種用于檢測(cè)機(jī)械轉(zhuǎn)速的電磁裝置，它能把機(jī)械轉(zhuǎn)速變換為電壓信號(hào)，其輸出電壓與輸入的轉(zhuǎn)速成正比，其實(shí)質(zhì)是一種微型直流發(fā)電動(dòng)機(jī)，它的繞組和磁路經(jīng)精確設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)原理如圖5-13所示。直流測(cè)速發(fā)電動(dòng)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(shí)，位于磁場(chǎng)中的線圈旋轉(zhuǎn)使線圈兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與線圈轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，即U=kn式中：U為測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓（V）；n為測(cè)速發(fā)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；k為比例系數(shù)。5.2.1工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部傳感器速度傳感器：1）測(cè)速發(fā)電動(dòng)機(jī)圖5-13直流測(cè)速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖改變旋轉(zhuǎn)方向時(shí)輸出電動(dòng)勢(shì)的極性即相應(yīng)改變。在被測(cè)機(jī)構(gòu)與測(cè)速發(fā)電機(jī)同軸聯(lián)接時(shí)，只要檢測(cè)出輸出電動(dòng)勢(shì)，就能獲得被測(cè)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速，故又稱速度傳感器。測(cè)速發(fā)電機(jī)廣泛用于各種速度或位置控制系統(tǒng)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為檢測(cè)速度的元件，以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或通過反饋來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度；在解算裝置中可作為微分、積分元件，也可作為加速或延遲信號(hào)用或用來測(cè)量各種運(yùn)動(dòng)機(jī)械在擺動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)以及直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度。5.2.1工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部傳感器速度傳感器：2）增量式光電編碼器

5.2.1工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部傳感器磁性編碼器磁性編碼器是近年發(fā)展起來的一種新型編碼器，磁性編碼器不易受塵埃和結(jié)露影響，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、可高速運(yùn)轉(zhuǎn)、響應(yīng)速度快（可達(dá)500~700kHz）、體積小、成本低。目前高分辨率的磁性編碼器分辨率可達(dá)每圈數(shù)千個(gè)脈沖，因此，其在精密機(jī)械磁盤驅(qū)動(dòng)器、機(jī)器人等各個(gè)領(lǐng)域旋轉(zhuǎn)量（位置、速度、角度等）的檢測(cè)和控制中有著廣泛的應(yīng)用。圖5-14磁性編碼器磁性編碼器由磁鼓和磁傳感器磁頭構(gòu)成，如圖5-14所示，高分辨率磁性編碼器的磁鼓由在鋁鼓的外緣涂敷一層磁性材料而成。磁頭以前采用感應(yīng)式錄音機(jī)磁頭，現(xiàn)在多采用各向異性金屬磁電阻磁頭或巨磁電阻磁頭，這種磁頭采用光刻等微加工工藝制作，精度高、一致性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且靈敏度高，其分辨率可與光學(xué)編碼器媲美。5.2.2工業(yè)機(jī)器人外部傳感器機(jī)器人外部傳感器是用來檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境（物體確認(rèn)及距離檢測(cè)）及狀況（如抓取物體是否滑落）的傳感器。為了檢測(cè)作業(yè)對(duì)象及環(huán)境或機(jī)器人之間協(xié)調(diào)關(guān)系，在機(jī)器人上安裝了觸覺傳感器、視覺傳感器（視覺傳感器將在5.3節(jié)介紹。）、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。外部傳感器的安裝能夠最大限度的改善機(jī)器人的工作狀況，使其能夠更充分地完成復(fù)雜的工作。隨著外部傳感器的進(jìn)一步完善，機(jī)器人的功能也越來越強(qiáng)大，在更多的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槿祟惙?wù)。觸覺傳感器觸覺是人與外界環(huán)境直接接觸時(shí)的重要感覺功能，研制滿足要求的觸覺傳感器是機(jī)器人發(fā)展中的技術(shù)關(guān)鍵之一。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和各種有機(jī)材料的出現(xiàn)，已經(jīng)提出了多種多樣的觸覺傳感器的研制方案，但目前大都屬于實(shí)驗(yàn)室階段，達(dá)到產(chǎn)品化的不多。觸覺傳感器按功能大致可分為接觸覺傳感器、力—力矩覺傳感器、壓覺傳感器和滑覺傳感器等。5.2.2工業(yè)機(jī)器人外部傳感器觸覺傳感器觸覺傳感器用以判斷機(jī)器人(主要指四肢)是否接觸到外界物體或測(cè)量被接觸物體的特征的傳感器。接觸覺傳感器有微動(dòng)開關(guān)、導(dǎo)電橡膠、含碳海綿、碳素纖維、氣動(dòng)復(fù)位式裝置等類型。圖5-15常見接觸式傳感器①微動(dòng)開關(guān)它由彈簧和觸頭構(gòu)成。觸頭接觸外界物體后離開基板，造成信號(hào)通路斷開，從而測(cè)到與外界物體的接觸。這種常閉式（未接觸時(shí)一直接通）微動(dòng)開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是使用方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是易產(chǎn)生機(jī)械振蕩和觸頭易氧化。5.2.2工業(yè)機(jī)器人外部傳感器觸覺傳感器②導(dǎo)電橡膠式它以導(dǎo)電橡膠為敏感元件。當(dāng)觸頭接觸外界物體受壓后，壓迫導(dǎo)電橡膠，使它的電阻發(fā)生改變，從而使流經(jīng)導(dǎo)電橡膠的電流發(fā)生變化。這種傳感器的缺點(diǎn)是由于導(dǎo)電橡膠的材料配方存在差異，出現(xiàn)的漂移和滯后特性也不一致，優(yōu)點(diǎn)是具有柔性。③含碳海綿式它在基板上裝有海綿構(gòu)成的彈性體，在海綿中按陣列布以含碳海綿。接觸物體受壓后,含碳海綿的電阻減小,測(cè)量流經(jīng)含碳海綿電流的大小，可確定受壓程度。這種傳感器也可用作壓力覺傳感器。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、彈性好、使用方便。缺點(diǎn)是碳素分布均勻性直接影響測(cè)量結(jié)果和受壓后恢復(fù)能力較差。5.2.2工業(yè)機(jī)器人外部傳感器觸覺傳感器④碳素纖維式以碳素纖維為上表層，下表層為基板，中間裝以氨基甲酸酯和金屬電極。接觸外界物體時(shí)碳素纖維受壓與電極接觸導(dǎo)電。優(yōu)點(diǎn)是柔性好，可裝于機(jī)械手臂曲面處，但滯后較大。⑤氣動(dòng)復(fù)位式它有柔性絕緣表面，受壓時(shí)變形，脫離接觸時(shí)則由壓縮空氣作為復(fù)位的動(dòng)力。與外界物體接觸時(shí)其內(nèi)部的彈性圓泡(鈹銅箔)與下部觸點(diǎn)接觸而導(dǎo)電。優(yōu)點(diǎn)是柔性好、可靠性高，但需要壓縮空氣源。5.2.2工業(yè)機(jī)器人外部傳感器力覺傳感器力覺傳感器是指工業(yè)機(jī)器人的指、肢和關(guān)節(jié)等運(yùn)動(dòng)中所受力或力矩的感知。工業(yè)機(jī)器人在進(jìn)行裝配、搬運(yùn)、研磨等作業(yè)時(shí)需要對(duì)工作力或力矩進(jìn)行控制。例如裝配時(shí)需完成將軸類零件插入孔里、調(diào)準(zhǔn)零件的位置、擰緊螺釘?shù)纫幌盗胁襟E，在擰緊螺釘過程中需要有確定的擰緊力矩；搬運(yùn)時(shí)機(jī)器人手爪對(duì)工件需要合理的握緊力。握力太小不足以搬動(dòng)工件，太大則會(huì)損壞工件；研磨時(shí)需要有合適的砂輪進(jìn)給力以保證研磨質(zhì)量。5.2.2工業(yè)機(jī)器人外部傳感器力覺傳感器目前使用最廣泛的是電阻應(yīng)變片式六維力和力矩傳感器，如圖5-16所示，它能同時(shí)獲取三維空間的三維力和力矩信息，廣泛應(yīng)用于力/位置控制、軸孔配合、輪廓跟蹤及雙機(jī)器人協(xié)調(diào)等機(jī)器人控制領(lǐng)域。在實(shí)踐應(yīng)用中，傳感器兩端通過法蘭盤與工業(yè)機(jī)器人腕部連接。當(dāng)機(jī)器人腕部受力時(shí)，其內(nèi)部測(cè)力或力矩元件發(fā)生不同程度的變形，使敏感點(diǎn)的應(yīng)變片發(fā)生應(yīng)變，輸出電信號(hào)，通過一定的數(shù)學(xué)關(guān)系式就可解算出x、y、z三個(gè)坐標(biāo)上的分力和分力矩。圖5-16電阻應(yīng)變片式六維力和力矩傳感器5.2.2工業(yè)機(jī)器人外部傳感器應(yīng)力定義為“單位面積上所承受的附加內(nèi)力”。應(yīng)力應(yīng)變就是應(yīng)力與應(yīng)變的統(tǒng)稱。最簡(jiǎn)單的應(yīng)力應(yīng)變傳感器就是電阻應(yīng)變片，直接貼裝在被測(cè)物體表面就可以，應(yīng)力的話是通過標(biāo)定轉(zhuǎn)換應(yīng)變來的。物體受力產(chǎn)生變形時(shí)，特別是彈性元件，體內(nèi)各點(diǎn)處變形程度一般并不相同。用以描述一點(diǎn)處變形的程度的力學(xué)量是該點(diǎn)的應(yīng)變。應(yīng)力應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。當(dāng)被測(cè)物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過測(cè)量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測(cè)量即受力的大小。應(yīng)力傳感器5.2.2工業(yè)機(jī)器人外部傳感器接近覺傳感器接近覺傳感器，介于觸覺傳感器和視覺傳感器之間，不僅能夠檢測(cè)物體接近距離和方位，而且可以融合視覺和觸覺傳感器的信息。接近覺傳感器可以輔助視覺系統(tǒng)的功能，來判斷對(duì)象物體的方位、外形，同時(shí)可以識(shí)別物體的表面形態(tài)。在生產(chǎn)過程和日常生活中廣泛應(yīng)用，如圖5-17所示。圖5-17接近度傳感器5.2.2工業(yè)機(jī)器人外部傳感器接近覺傳感器接近覺傳感器在工業(yè)機(jī)器人中的作用可歸納為：發(fā)現(xiàn)前方有障礙物時(shí)，可限制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍，以避免與障礙物發(fā)生碰撞；接觸對(duì)象前獲取要接觸對(duì)象必要信息，如：和物體之間相對(duì)距離、相對(duì)傾斜角等信息，以便為后續(xù)動(dòng)作做準(zhǔn)備；獲取對(duì)象物表面點(diǎn)之間的距離，從而得到有關(guān)對(duì)象物表面形狀信息。5.2.2工業(yè)機(jī)器人外部傳感器聲覺傳感器該傳感器主要用于感受和解釋在氣體（非接觸式感受）、液體或固體（接觸感受）中的聲波。常見聲波傳感器如圖5-18所示，聲波傳感器的復(fù)雜程度可從簡(jiǎn)單的聲波存在檢測(cè)到復(fù)雜的聲波頻率分析和對(duì)連續(xù)自然語言中單獨(dú)語音和詞匯的辨識(shí)。聲音識(shí)別系統(tǒng)已越來越多地獲得應(yīng)用。5.2.2工業(yè)機(jī)器人外部傳感器溫度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(jī)器人。當(dāng)機(jī)器人自主運(yùn)行時(shí)，或者不需要人在場(chǎng)時(shí)，或者需要知道溫度信號(hào)時(shí)，溫度感覺特性是很用的。有必要提高溫度傳感器（如測(cè)量鋼水溫度）的精度及區(qū)域反應(yīng)能力。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(cè)物體保持實(shí)際接觸，熱敏電阻的阻值與溫度成正比變化。熱電偶能夠產(chǎn)生一個(gè)與兩溫度差成正比的小電壓。5.2.2工業(yè)機(jī)器人外部傳感器滑覺傳感器這種傳感器主要檢測(cè)物體的滑動(dòng)，如圖5-19所示。當(dāng)機(jī)器人抓住特性未知的物體時(shí)，必須確定最適合的握力值。為此，需要檢測(cè)出握力不夠時(shí)所產(chǎn)生的物體滑動(dòng)信號(hào)，然后利用這個(gè)信號(hào)，在不損壞物體的情況下，牢牢地抓住該物體?，F(xiàn)在應(yīng)用的滑覺傳感器主要有兩種：一是利用光學(xué)系統(tǒng)的滑覺傳感器，二是利用晶體接收器的滑覺傳感器。前者的滑動(dòng)檢測(cè)靈敏度等隨滑動(dòng)方向不同而異，后者的檢測(cè)靈敏度則與滑覺方向無關(guān)。圖5-19智能機(jī)器人外部傳感器示意圖5.2.2工業(yè)機(jī)器人外部傳感器味覺傳感器味覺傳感器模仿人的味覺感受器可以獲取和人類味覺器官感知到的酸、甜、苦、辣、咸等相同感覺。實(shí)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(cè)味覺物質(zhì)。從不同的機(jī)理看，味覺傳感器采用的技術(shù)原理大致分為多通道類脂膜技術(shù)、基于表面等離子體共振技術(shù)、表面光伏電壓技術(shù)等，味覺模式識(shí)別由最初神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式發(fā)展到混沌識(shí)別?；煦缡且环N遵循一定非線性規(guī)律的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，它對(duì)初始條件敏感，混沌識(shí)別具有很高的靈敏度，因此應(yīng)用越來越廣。目前較典型的電子舌系統(tǒng)有新型味覺傳感器芯片和SHSAW味覺傳感器。5.3工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)03PART

ONE5.3工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)人類視覺所獲得信息據(jù)統(tǒng)計(jì)占到所有對(duì)外感知信息的80%，機(jī)器人的視覺系統(tǒng)可以分為圖像輸入（獲?。?、圖像處理、圖像理解、圖像存儲(chǔ)和圖像輸出幾個(gè)部分，實(shí)際系統(tǒng)可以根據(jù)需要選擇其中的若干模塊進(jìn)行組裝。機(jī)器視覺系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中又稱為“生產(chǎn)之眼”，這項(xiàng)技術(shù)貫穿監(jiān)測(cè)制造、質(zhì)量保障和內(nèi)部物流的所有相關(guān)流程。是一種非接觸式的光學(xué)傳感系統(tǒng)，同時(shí)集成軟硬件，綜合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、光學(xué)、電子技術(shù)，能夠自動(dòng)地從所采集到的圖像中獲取信息或者產(chǎn)生控制動(dòng)作。

人工視覺系統(tǒng)中，相當(dāng)于眼睛視覺細(xì)胞的固體圖像傳感器有CCD圖像傳感器和MOS圖像傳感器等。由于能實(shí)現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能，能給出直觀、真實(shí)多層次的可視圖像信息，它們已得到了廣泛的應(yīng)用。5.3.1光電轉(zhuǎn)換器件CCD圖像傳感器CCD（chargecoupleddevice）是電荷耦合器件的簡(jiǎn)稱，CCD圖像傳感器采用MOS結(jié)構(gòu)。如圖5-21所示，P型硅襯底上有一層SiO2絕緣層，其上排列著多個(gè)金屬電極，在電極上加正電壓，電極下面產(chǎn)生勢(shì)阱，勢(shì)阱的深度隨電壓而變化。如果依次改變加在電極上的電壓，勢(shì)阱則隨著電壓的變化而發(fā)生移動(dòng)，于是注入勢(shì)阱中的電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移。根據(jù)電極的配置和驅(qū)動(dòng)電壓相位的變化，有二相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)和三相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的傳輸方式。圖5-21CCD圖像傳感器示意圖

5.3.1光電轉(zhuǎn)換器件CCD圖像傳感器CCD圖像傳感器在硅襯底上配置光敏元件和電荷轉(zhuǎn)移器件，通過電荷的依次轉(zhuǎn)移，將多個(gè)像素的信息分時(shí)、順序地取出來。這種傳感器有二維的線型圖像傳感器和二維的面型圖像傳感器。二維面型圖像傳感器需要進(jìn)行水平垂直兩個(gè)方向掃描，有幀轉(zhuǎn)移方式和行間轉(zhuǎn)移方式。圖5-21CCD圖像傳感器識(shí)別系統(tǒng)

5.3.1光電轉(zhuǎn)換器件MOS圖像傳感器MOS圖像傳感器如圖5-22所示，又稱為自掃描光電光二極管陣列，由電光二極管和MOS場(chǎng)效應(yīng)管成對(duì)地排列在硅襯底上，構(gòu)成MOS圖像傳感器。通過選擇水平掃描線和垂直掃描線來確定像素的位置，使兩個(gè)掃描線的交點(diǎn)上的場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，然后從與之成對(duì)的光電二極管取出像素信息。掃描是分時(shí)按順序進(jìn)行的。圖5-22MOS圖像傳感器

5.3.2視覺傳感器分類視覺傳感器根據(jù)檢測(cè)的是平面還是立體的信息分為二維視覺傳感器和三維視覺傳感器兩大類。二維視覺傳感器二維視覺傳感器主要就是一個(gè)攝像頭，可以完成物體運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)以及定位等功能，二維視覺傳感器已經(jīng)出現(xiàn)了很長(zhǎng)時(shí)間，許多智能相機(jī)可以配合協(xié)調(diào)工業(yè)機(jī)器人的行動(dòng)路線，根據(jù)接收到的信息對(duì)機(jī)器人的行為進(jìn)行調(diào)整。三維視覺傳感器三維視覺傳感器又稱3D相機(jī)，近年逐漸興起。三維視覺系統(tǒng)必須具備兩個(gè)攝像機(jī)在不同角度進(jìn)行拍攝，這樣物體的三維模型可以被檢測(cè)識(shí)別出來。相比于二維視覺系統(tǒng)，三維視覺傳感器可以更加直觀的展現(xiàn)事物。

5.3.3工業(yè)機(jī)器人視覺原理圖5-23工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)原理圖類似人的視覺系統(tǒng)，機(jī)器人視覺系統(tǒng)如圖5-23所示，通過圖像和距離等傳感器，取環(huán)境對(duì)象的圖像、顏色和距離等信息，然后傳遞給圖像軟件處理器，利用計(jì)算機(jī)從二維的圖像理解和構(gòu)造出三維世界的真是模型。

5.3.3工業(yè)機(jī)器人視覺原理類似人的視覺系統(tǒng)，機(jī)器人視覺系統(tǒng)如圖5-23所示，通過圖像和距離等傳感器，取環(huán)境對(duì)象的圖像、顏色和距離等信息，然后傳遞給圖像軟件處理器，利用計(jì)算機(jī)從二維的圖像理解和構(gòu)造出三維世界的真是模型。

5.3.3工業(yè)機(jī)器人視覺原理工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)基本原理首先通過光學(xué)成像系統(tǒng)（一般用CCD攝像機(jī)）攝取目標(biāo)場(chǎng)景，通過圖像采集裝置獲取目標(biāo)場(chǎng)景二維圖像信息，然后利用圖像處理模塊對(duì)二維圖像進(jìn)行圖像處理，提取特征量并由此進(jìn)行三維重建，得到目標(biāo)場(chǎng)景的三維信息，根據(jù)計(jì)算出的三維信息，結(jié)合視頻系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的需求，進(jìn)行決策輸出和控制執(zhí)行來實(shí)現(xiàn)特定功能。攝像機(jī)獲取環(huán)境對(duì)象的圖像，經(jīng)A/D變換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，從而變成數(shù)字化圖形。一幅圖像劃分512╳512或者256╳256，各點(diǎn)亮度用8位二進(jìn)制表示，即可表示256級(jí)灰度。圖像輸入以后進(jìn)行各種各樣的處理、識(shí)別以及理解，另外通過距離測(cè)定器得到距離信息，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理得到物體的空間位置和方位，通過彩色濾光片得到顏色信息。上述信息經(jīng)圖像處理器進(jìn)行處理，提取特征，處理的結(jié)果再輸出到機(jī)器人，以控制機(jī)器人進(jìn)行下一步動(dòng)作。

5.3.3工業(yè)機(jī)器人視覺原理工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)的應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面：自動(dòng)拾?。禾岣呤叭【龋档蜋C(jī)械固定成本；傳送跟蹤：視覺跟蹤傳送帶上移動(dòng)的產(chǎn)品，進(jìn)行精確定位及拾取；精確放置：精確放置到裝配和加工位置；姿態(tài)調(diào)整：從拾取到放置過程中對(duì)產(chǎn)品姿態(tài)進(jìn)行精確調(diào)整。

5.3.3工業(yè)機(jī)器人視覺原理工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)采用機(jī)器視覺系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)器人將具有以下優(yōu)勢(shì)：可靠性：非接觸測(cè)量，不僅滿足狹小空間裝配過程的檢測(cè)，同時(shí)提高了系統(tǒng)安全性；精度高：可提高測(cè)量精度，人工目測(cè)受測(cè)量人員主觀意識(shí)的影響，而機(jī)器視覺這種精確的測(cè)量?jī)x器排出這種干擾，提高了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性；靈活性：視覺系統(tǒng)能夠進(jìn)行各種不同的測(cè)量。當(dāng)使用環(huán)境變化以后，只需軟件做相應(yīng)變化或者升級(jí)以適應(yīng)新的需求即可；自適應(yīng)性：機(jī)器視覺可以不斷獲取多次運(yùn)動(dòng)后的圖像信息，反饋給運(yùn)動(dòng)控制器，直至最終結(jié)果準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)閉環(huán)控制5.4工業(yè)機(jī)器人傳感器技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)04PART

FOUR5.4工業(yè)機(jī)器人傳感器技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)傳感器技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用對(duì)于提高工業(yè)機(jī)器人的自主行動(dòng)和環(huán)境感知能力至關(guān)重要，視覺傳感器、觸覺傳感器和運(yùn)動(dòng)傳感器等多種傳感器技術(shù)在機(jī)器人中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。此外，傳感器融合技術(shù)的應(yīng)用將進(jìn)一步提升工業(yè)機(jī)器人的智能化水平。傳感器在實(shí)際應(yīng)用情況下產(chǎn)生的電壓（流）等電學(xué)物理量的信號(hào)值都相當(dāng)微弱，難以帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)去實(shí)現(xiàn)控制動(dòng)作，所以一般是將傳感器和各種門電路、放大器等結(jié)合在一起使用，如圖5-24所示。傳感器放大轉(zhuǎn)換電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)顯示器

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)圖5-24傳感器實(shí)際應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖5.4.1工業(yè)機(jī)器人上傳感器技術(shù)的應(yīng)用裝配作業(yè)中工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用如圖5-25所示。圖5-25裝配吸塵器作業(yè)中機(jī)器人傳感器5.4.1工業(yè)機(jī)器人上傳感器技術(shù)的應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人非接觸式檢測(cè)如圖5-26所示。圖5-26工業(yè)機(jī)器人利用視覺對(duì)工件進(jìn)行非接觸式測(cè)量5.4.1工業(yè)機(jī)器人上傳感器技術(shù)的應(yīng)用利用視覺可以實(shí)現(xiàn)自主完成任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，如圖5-27所示。圖5-27自主控制工業(yè)機(jī)器人工作示意圖5.4.1工業(yè)機(jī)器人上傳感器技術(shù)的應(yīng)用多感覺智能機(jī)器人如圖5-28所示。傳感器的功能與品質(zhì)決定了傳感系統(tǒng)獲取自然信息的數(shù)據(jù)量和信息質(zhì)量，是高品質(zhì)傳感技術(shù)系統(tǒng)的第一個(gè)關(guān)鍵。信息處理包括信號(hào)的預(yù)處理、后置處理、特征提取與選擇等。識(shí)別的主要任務(wù)是對(duì)經(jīng)過處理的信息進(jìn)行辨識(shí)與分類。它利用被識(shí)別對(duì)象與特征信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系模式對(duì)輸入特征信息進(jìn)行辨識(shí)、比較、分類和判斷。因此，傳感器技術(shù)包含了眾多的高新技術(shù)，被各個(gè)產(chǎn)業(yè)廣泛采用。圖5-28多感覺智能機(jī)器人示意框圖5.4.2工業(yè)機(jī)器人傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)未來工業(yè)機(jī)器人傳感器技術(shù)除了不斷提高傳感器的精度、可靠性和降低成本等技術(shù)參數(shù)之外，隨著機(jī)器人技術(shù)轉(zhuǎn)向微型化、智能化，以及應(yīng)用領(lǐng)域從工業(yè)結(jié)構(gòu)環(huán)境拓展至深海、空間和其他人類難以進(jìn)入的非結(jié)構(gòu)環(huán)境，使機(jī)器人傳感器技術(shù)的研究與微電子機(jī)械系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有更加緊密的關(guān)聯(lián)。同時(shí)，對(duì)傳感器的高速處理技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)（如圖所示）和完善的靜、動(dòng)態(tài)標(biāo)定測(cè)試技術(shù)也將會(huì)成為機(jī)器人傳感器研究和發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，適應(yīng)未來機(jī)器人的感知系統(tǒng)及相關(guān)研究將成為主要研究方向，未來機(jī)器人傳感器及相關(guān)研究包括以下方面。多智能傳感器技術(shù)工業(yè)系統(tǒng)向大型、復(fù)雜、動(dòng)態(tài)和開放的方向轉(zhuǎn)變，使傳統(tǒng)的工業(yè)系統(tǒng)和機(jī)器人技術(shù)遇到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，分布式人工智能理論為解決這些挑戰(zhàn)提供了一種最佳途徑。將DAI和MAS應(yīng)用于工業(yè)和多機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)果，便產(chǎn)生了一門新興的機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域——多智能體機(jī)器人系統(tǒng)（MultiAgentRobotSystem,MARS）。在多智能體機(jī)器人系統(tǒng)中，最集中和關(guān)鍵的問題表現(xiàn)在其體系結(jié)構(gòu)、相應(yīng)的協(xié)調(diào)合作機(jī)制以及感知系統(tǒng)的規(guī)劃和協(xié)商等。5.4.2工業(yè)機(jī)器人傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展完全能夠?qū)⒏鞣N機(jī)器人傳感器連接到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)有效監(jiān)控。這種技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)操作控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化傳感器和傳感器