工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺技術(shù)

1、工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感覺技術(shù)第1頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三3.1 工業(yè)機(jī)器人的視覺3.1.1 視覺系統(tǒng)的硬件組成 視覺系統(tǒng)可以分為圖像輸入(獲取)、圖像處理、圖像理解、圖像存儲和圖像輸出幾個部分(見圖4.1)。 實際系統(tǒng)可以根據(jù)需要選擇其中的若干部件。 第2頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.1 視覺系統(tǒng)的硬件組成 第3頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三1. 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。大多數(shù)機(jī)器人視覺都不必通過膠卷等媒介物,而是直接把景物攝入。過去經(jīng)常使用光導(dǎo)攝像等電視攝像機(jī)作為機(jī)器人的視

2、覺傳感器, 近年來開發(fā)了CCD(電荷耦合器件)和MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)器件等組成的固體視覺傳感器。固體傳感器又可以分為一維線性傳感器和二維線性傳感器,目前二維線性傳感器已經(jīng)能做到四千個像素以上。由于固體視覺傳感器具有體積小、 重量輕等優(yōu)點, 因此應(yīng)用日趨廣泛。 第4頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三由視覺傳感器得到的電信號, 經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號, 稱為數(shù)字圖像。一般地,一個畫面可以分成256256像素、 512512像素或10241024像素,像素的灰度可以用4位或8位二進(jìn)制數(shù)來表示。一般情況下, 這么大的信息量對機(jī)器人系統(tǒng)來說是足夠的。要求比較高的場合,還可以通

3、過彩色攝像系統(tǒng)或在黑白攝像管前面加上紅、綠、藍(lán)等濾光器得到顏色信息和較好的反差。 如果能在傳感器的信息中加入景物各點與攝像管之間的距離信息,顯然是很有用的。每個像素都含有距離信息的圖像, 稱之為距離圖像。目前,有人正在研究獲得距離信息的各種辦法, 但至今還沒有一種簡單實用的裝置。 第5頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三2. 攝像機(jī)和光源控制機(jī)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)要看的物體。 (2) 根據(jù)光線強(qiáng)弱自動調(diào)節(jié)光圈。 (3)

4、自動轉(zhuǎn)動攝像機(jī), 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(qiáng)度, 使目標(biāo)物體能夠看得更清楚。 第6頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三3. 計算機(jī)由視覺傳感器得到的圖像信息要由計算機(jī)存儲和處理, 根據(jù)各種目的輸出處理后的結(jié)果。20世紀(jì)80年代以前,由于微計算機(jī)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(jī)或小型機(jī)。除了通過顯示器顯示圖形之外,還可以用打印機(jī)或繪圖儀輸出圖像，且使用轉(zhuǎn)換精度為8位A/D轉(zhuǎn)換器就可以了。但由于數(shù)據(jù)量大, 要求轉(zhuǎn)換

5、速度快, 目前已在使用100 MB 以上的8位AD轉(zhuǎn)換芯片。 第7頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三4. 圖像處理機(jī)一般計算機(jī)都是串行運算的, 要處理二維圖像很費時間。 在要求較高的場合, 可以設(shè)置一種專用的圖像處理機(jī),以便縮短計算時間。 圖像處理只是對圖像數(shù)據(jù)做了一些簡單、重復(fù)的預(yù)處理, 數(shù)據(jù)進(jìn)入計算機(jī)后, 還要進(jìn)行各種運算。 第8頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三3.1.2 機(jī)器人視覺的應(yīng)用1. 弧焊過程中焊槍對焊縫的自動對中圖4.2所示為具有視覺焊縫對中的弧焊機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 圖像傳感器直接安裝在機(jī)器人末端執(zhí)行器。焊接過程中,圖像傳感器對焊縫

6、進(jìn)行掃描檢測, 獲得焊前區(qū)焊縫的截面參數(shù)曲線， 計算機(jī)根據(jù)該截面參數(shù)計算出末端執(zhí)行器相對焊縫中心線的偏移量,然后發(fā)出位移修正指令,調(diào)整末端執(zhí)行器直到偏移量=0為止。瑞典ASEA公司研制的Opotocator 弧焊用視覺系統(tǒng), 安裝在距工件175 mm高度,視野寬度32 mm,分辨率0.06 mm; 安裝在IRL62弧焊機(jī)器人上能達(dá)到對中精度為0.40 mm。這種傳感器還可測量出鋼板厚度,能自動調(diào)節(jié)弧焊電流, 從而保證焊接質(zhì)量, 并使厚度為0.80 mm的薄鋼板焊接成為可能。弧焊機(jī)器人裝上視覺系統(tǒng)后給編程帶來了方便, 編程時只需嚴(yán)格按圖樣進(jìn)行。 在焊接過程中產(chǎn)生的焊縫變形、裝卡及傳動系統(tǒng)的誤差均

7、可由視覺系統(tǒng)自動檢測并加以補(bǔ)償。 第9頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.2 具有視覺焊縫對中的弧焊機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第10頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.3 實現(xiàn)機(jī)器人弧焊工作焊縫的自動跟蹤原理圖 第11頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三2. 裝配作業(yè)中的應(yīng)用圖4.4所示為一個吸塵器自動裝配實驗系統(tǒng), 由2臺關(guān)節(jié)機(jī)器人和7臺圖像傳感器組成。組裝的吸塵器部件包括底盤、氣泵和過濾器等, 都自由堆放在右側(cè)備料區(qū),該區(qū)上方裝設(shè)三臺圖像傳感器(、), 用以分辨物料的種類和方位。機(jī)器人的前部為裝配區(qū),這里有4臺圖像傳感器A

8、、B、C和D, 用來對裝配過程進(jìn)行監(jiān)控。使用這套系統(tǒng)裝配一臺吸塵器只需2分鐘。 第12頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.4 吸塵器自動裝配實驗系統(tǒng) 第13頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三3. 機(jī)器人非接觸式檢測在機(jī)器人腕部配置視覺傳感器,可用于對異形零件進(jìn)行非接觸式測量, 如圖4.5所示。這種測量方法除了能完成常規(guī)的空間幾何形狀、形體相對位置的檢測外,如配上超聲、激光、 x射線探測裝置, 則還可進(jìn)行零件內(nèi)部的缺陷探傷、 表面涂層厚度測量等作業(yè)。 第14頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.5 具有視覺系統(tǒng)的機(jī)器人進(jìn)

9、行非接觸式測量 第15頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三4. 利用視覺的自主機(jī)器人系統(tǒng)日本日立中央研究所研制的具有自主控制功能的智能機(jī)器人, 可以用來完成按圖裝配產(chǎn)品的作業(yè),圖4.6所示為其工作示意圖。它的兩個視覺傳感器作為機(jī)器人的眼睛,一個用于觀察裝配圖紙，并通過計算機(jī)來理解圖中零件的立體形狀及裝配關(guān)系; 另一個用于從實際工作環(huán)境中識別出裝配所需的零件,并對其形狀、位置、姿態(tài)等進(jìn)行識別。此外,多關(guān)節(jié)機(jī)器人還帶有觸覺。 利用這些傳感器信息,可以確定裝配順序和裝配方法, 逐步將零件裝成與圖紙相符的產(chǎn)品。 第16頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.

10、6 日立自主控制機(jī)器人工作示意圖 第17頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三從功能上看,這種機(jī)器人具有圖形識別功能和決策規(guī)劃功能, 前者可以識別一定的目標(biāo)(如宏指令)、裝配圖紙、多面體等; 后者可以確定操作序列, 包括裝配順序、手部軌跡、抓取位置等。這樣,只要對機(jī)器人發(fā)出類似于人的表達(dá)形式的宏指令, 機(jī)器人則會自動考慮執(zhí)行這些指令的具體工作細(xì)節(jié)。該機(jī)器人已成功地進(jìn)行了印刷板檢查和晶體管、電動機(jī)等裝配工作。 第18頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三3.2 工業(yè)機(jī)器人的觸覺 為使機(jī)器人準(zhǔn)確地完成工作,需時刻檢測機(jī)器人與對象物體的配合關(guān)系。 機(jī)器人觸覺可分成

11、接觸覺、接近覺、壓覺、滑覺和力覺五種, 如圖4.7所示。觸頭可裝配在機(jī)器人的手指上, 用來判斷工作中各種狀況。 第19頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.7 機(jī)器人觸覺 第20頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三3.2.1 機(jī)器人的接觸覺1. 接觸覺傳感器圖4.8所示的接觸覺傳感器由微動開關(guān)組成, 根據(jù)用途不同配置也不同, 一般用于探測物體位置、探索路徑和安全保護(hù)。這類配置屬于分散裝置,即把單個傳感器安裝在機(jī)械手的敏感位置上。 第21頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.8 接觸覺傳感器(a) 點式; (b) 棒式; (

12、c) 緩沖器式; (d) 平板式; (e) 環(huán)式 第22頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖4.9所示為二維矩陣接觸覺傳感器的配置方法, 一般放在機(jī)器人手掌的內(nèi)側(cè)。圖中柔軟導(dǎo)體可以使用導(dǎo)電橡膠、浸含導(dǎo)電涂料的氨基甲酸乙酯泡沫或炭素纖維等材料。陣列式接觸覺傳感器可用于測定自身與物體的接觸位置、被握物體中心位置和傾斜度, 甚至還可以識別物體的大小和形狀。 第23頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖4.9 矩陣式接觸覺傳感器 第24頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三2. 接觸覺應(yīng)用圖4.10(a)所示為一個具有接觸覺識別功能的機(jī)器人,

13、共有四個自由度(兩個移動和兩個轉(zhuǎn)動), 由一臺微機(jī)控制,各軸運動是由直流電機(jī)閉環(huán)驅(qū)動。手部裝有壓電橡膠接觸覺傳感器, 識別軟件具有搜索和識別的功能。 第25頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.10 具有接觸搜索識別功能的機(jī)器 第26頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三(1) 搜索過程。機(jī)器人有一扇形截面柱狀操作空間, 手爪在高度方向進(jìn)行分層搜索, 對每一層可根據(jù)預(yù)先給定的程序沿一定軌跡進(jìn)行搜索。搜索過程中,假定在位置遇到障礙物, 則手爪上的接觸覺傳感器就會發(fā)出停止前進(jìn)的指令, 使手臂向后縮回一段距離到達(dá)位置。如果已經(jīng)避開了障礙物, 則再前進(jìn)至,

14、又伸出到, 再運動到處與障礙物再次相碰。根據(jù)、 的位置計算機(jī)就能判斷被搜索物體的位置。再按、 的順序接近就能對搜索的目標(biāo)物進(jìn)行抓取, 如圖4.10(b)所示。 第27頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三(2) 識別功能。圖4.11是一個配置在手上的由34個觸覺元件組成的表面陣列觸覺傳感器,識別對象為一長方體。假定手與搜索對象的已知接觸目標(biāo)模式為x*,手的每一步搜索得到的接觸信息構(gòu)成了接觸模式xi,機(jī)器人根據(jù)每一步搜索的接觸模式x1、x2、x3不斷計算、估計、調(diào)整手的位姿, 直到目標(biāo)模式與接觸模式相符合為止。 第28頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖

15、4.11 用接觸覺陣列傳感器引導(dǎo)隨機(jī)搜索 第29頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三每一步搜索過程由三部分組成: 接觸覺信息的獲取、 量化和對象表面形心位置的估算; 對象邊緣特征的提取和姿勢估算; 運動計算及執(zhí)行運動。 要判定搜索結(jié)果是否滿足形心對中、姿勢符合要求,則還可設(shè)置一個目標(biāo)函數(shù), 要求目標(biāo)函數(shù)在某一尺度下最優(yōu), 用這樣的方法可判定對象的存在和位姿情況。 第30頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三3.2 .2機(jī)器人的接近覺接近覺是指機(jī)器人能感覺到距離幾毫米到十幾厘米遠(yuǎn)的對象物或障礙物, 能檢測出物體的距離、相對傾角或?qū)ο笪锉砻娴男再|(zhì)。這是非接觸式

16、感覺。 接近覺傳感器可分為6種: 電磁式(感應(yīng)電流式)、光電式(反射或透射式)、靜電容式、氣壓式、超聲波式和紅外線式, 如圖4.12所示。 第31頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.12 接近覺傳感器 第32頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三電磁式傳感器在一個線圈中通入高頻電流, 就會產(chǎn)生磁場, 這個磁場接近金屬物時, 會在金屬物中產(chǎn)生感應(yīng)電流, 也就是渦流。 渦流大小隨對象物體表面和線圈距離的大小而變化, 這個變化反過來又影響線圈內(nèi)磁場強(qiáng)度。磁場強(qiáng)度可用另一組線圈檢測出來, 也可以根據(jù)激磁線圈本身電感的變化或激勵電流的變化來檢測。 圖4.13

17、是它的原理圖。 這種傳感器的精度比較高, 而且可以在高溫下使用。由于工業(yè)機(jī)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應(yīng)用較廣, 在焊接機(jī)器人中可用它來探測焊縫。 第33頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.13 電磁式接近覺傳感原理圖 第34頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三光反射式接近覺傳感器由于光的反射量受到對象物體的顏色、 粗糙度和表面傾角的影響, 精度較差, 應(yīng)用范圍小。 靜電容式接近覺傳感器是根據(jù)傳感器表面與對象物體表面所形成的電容隨距離變化的原理制成的。將這個電容串接在電橋中, 或者把它當(dāng)作RC振蕩器中的元件, 都可以檢測

18、距離。氣壓式接近覺傳感器的原理如圖4.14所示, 由一根細(xì)的噴嘴噴出氣流。 如果噴嘴靠近物體, 則內(nèi)部壓力會發(fā)生變化, 這一變化可用壓力計測量出來。 圖中曲線表示在氣壓P的情況下, 壓力計的壓力與距離d之間的關(guān)系。它可用于檢測非金屬物體, 尤其適用于測量微小間隙。 第35頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.14 氣壓式接近覺傳感原理圖 第36頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三3.2.3 機(jī)器人的壓覺圖4.15所示為陣列式壓覺傳感器。圖(a)由條狀的導(dǎo)電橡膠排成網(wǎng)狀, 每個棒上附上一層導(dǎo)體引出,送給掃描電路; 圖(b)則由單向?qū)щ娤鹉z和印制電路板

19、組成, 電路板上附有條狀金屬箔, 兩塊板上的金屬條方向互相垂直; 圖(c)為與陣列式傳感器相配的陣列式掃描電路。 第37頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.15 陣列式壓覺傳感器(a) 網(wǎng)狀排列的導(dǎo)電橡膠； (b) 單向?qū)щ娤鹉z和印刷電路板； (c) 陣列式掃描電路 第38頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三比較高級的壓覺傳感器是在陣列式觸點上附一層導(dǎo)電橡膠, 并在基板上裝有集成電路, 壓力的變化使各接點間的電阻發(fā)生變化, 信號經(jīng)過集成電路處理后送出, 如圖4.16所示。 第39頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.16

20、 高級分布式壓覺傳感器 第40頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖4.17所示為變形檢測器, 用壓力使橡膠變形, 可用普通橡膠作傳感器面, 用光學(xué)和電磁學(xué)等手段檢測其變形量。和直接檢測壓力的方法相比, 這種方法可稱為間接檢測法。 第41頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.17 變形檢測器 第42頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三3.2.4 機(jī)器人的滑覺機(jī)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。 如果能在剛開始滑動之后便立即檢測出物體和手指間產(chǎn)生的相對位移, 且增加握力就能使滑動迅速停止, 那么該物體就可用最

21、小的臨界握力抓住。 第43頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三檢測滑動的方法有以下幾種: (1) 根據(jù)滑動時產(chǎn)生的振動檢測, 如圖4.18(a)所示。(2) 把滑動的位移變成轉(zhuǎn)動, 檢測其角位移, 如圖4.18(b)所示。(3) 根據(jù)滑動時手指與對象物體間動靜摩擦力來檢測, 如圖4.18(c)所示。(4) 根據(jù)手指壓力分布的改變來檢測, 如圖4.18(d)所示。 第44頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.18 滑動引起的物理現(xiàn)象(a) 振動； (b) 轉(zhuǎn)動； (c) 剪動力; (d) 移位 第45頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，

22、星期三圖4.19所示是一種測振式滑覺傳感器。傳感器尖端用一個0.05 mm的鋼球接觸被握物體, 振動通過杠桿傳向磁鐵, 磁鐵的振動在線圈中感應(yīng)交變電流并輸出。在傳感器中設(shè)有橡膠阻尼圈和油阻尼器?；瑒有盘柲芮宄貜脑肼曋斜环蛛x出來。 但其檢測頭需直接與對象物接觸, 在握持類似于圓柱體的對象物時, 就必須準(zhǔn)確選擇握持位置, 否則就不能起到檢測滑覺的作用; 而且其接觸為點接觸, 可能因造成接觸壓力過大而損壞對象表面。 第46頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.19 測振式滑覺傳感器 第47頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖4.20所示的柱型滾輪式滑

23、覺傳感器比較實用。小型滾輪安裝在機(jī)器人手指上, 其表面稍突出手指表面, 使物體的滑動變成轉(zhuǎn)動。 滾輪表面貼有高摩擦因數(shù)的彈性物質(zhì), 一般用橡膠薄膜。 用板型彈簧將滾輪固定, 可以使?jié)L輪與物體緊密接觸, 并使?jié)L輪不產(chǎn)生縱向位移。滾輪內(nèi)部裝有發(fā)光二極管和光電三極管, 通過圓盤形光柵把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號。 第48頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.20 柱型滾輪式滑覺傳感器 (a) 機(jī)器人夾持器； (b) 傳感器 第49頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三滾輪式傳感器只能檢測一個方向的滑動。圖4.21所示為南斯拉夫貝爾格萊德大學(xué)研制的機(jī)器人專用滑覺傳

24、感器。它由一個金屬球和觸針組成, 金屬球表面分成許多個相間排列的導(dǎo)電和絕緣小格。 觸針頭很細(xì), 每次只能觸及一格。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了滑移速度, 脈沖信號的個數(shù)對應(yīng)滑移的距離。接觸器觸頭面積小于球面上露出的導(dǎo)體面積, 它不僅可做得很小, 而且提高了檢測靈敏度。 球與被握物體相接觸, 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(qiáng)。 第50頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.21 球形滑覺傳感器第51頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星

25、期三從機(jī)器人對物體施加力的大小看, 握持方式可分為三類: (1) 剛力握持機(jī)器人手指用一個固定的力, 通常是用最大可能的力握持物體。 (2) 柔力握持根據(jù)物體和工作目的不同, 使用適當(dāng)?shù)牧ξ粘治矬w。 握力可變或是自適應(yīng)控制的。 (3) 零力握持可握住物體但不用力, 即只感覺到物體的存在。 它主要用于探測物體、探索路徑、識別物體的形狀等目的。第52頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三3.2.5 機(jī)器人的力覺機(jī)器人作業(yè)是一個其與周圍環(huán)境的交互過程。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; 另一類工作是通過接觸才能完成的, 如擰螺釘、點焊、裝配、 拋

26、光、加工等。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。又如高樓清潔機(jī)器人, 當(dāng)它擦干凈玻璃時, 顯然用力不能太大也不能太小, 這要求機(jī)器人作業(yè)時具有力控制功能。當(dāng)然, 對于機(jī)器人的力傳感器, 不僅僅是上面描述的機(jī)器人末端執(zhí)行器與環(huán)境作用過程中發(fā)生的力測量, 還有如機(jī)器人自身運動控制過程中的力反饋測量、 機(jī)器手爪抓握物體時的握力測量等。 第53頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三通常將機(jī)器人的力傳感器分為以下三類: (1) 裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動器上的力傳感器, 稱為關(guān)節(jié)力傳感器。 它測量驅(qū)動

27、器本身的輸出力和力矩, 用于控制中的力反饋。 (2) 裝在末端執(zhí)行器和機(jī)器人最后一個關(guān)節(jié)之間的力傳感器, 稱為腕力傳感器。 腕力傳感器能直接測出作用在末端執(zhí)行器上的各向力和力矩。 (3) 裝在機(jī)器人手爪指關(guān)節(jié)上(或指上)的力傳感器, 稱為指力傳感器。 它用來測量夾持物體時的受力情況。 第54頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖4.22所示為Draper實驗室研制的六維腕力傳感器的結(jié)構(gòu)。 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)。該傳感器結(jié)構(gòu)比較簡單, 靈敏度

28、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。 第55頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.22 Draper的腕力傳感器 第56頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖4.23所示是SRI(Stanford Research Institute)研制的六維腕力傳感器。 它由一只直徑為75 mm的鋁管銑削而成, 具有八個窄長的彈性梁, 每一個梁的頸部開有小槽以使頸部只傳遞力, 扭矩作用很小。在梁的另一頭兩側(cè)貼有應(yīng)變片, 若應(yīng)變片的阻值分別為R1、R2, 則將其連成如圖4.24所示的形式輸出, 由于R1、R2所受應(yīng)

29、變方向相反, 因此Vout輸出比使用單個應(yīng)變片時大一倍。 第57頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.23 SRI腕力傳感器 第58頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.24 SRI腕力傳感器應(yīng)變片連接方式 第59頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖4.25是日本大和制衡株式會社林純一在JPL實驗室研制的腕力傳感器基礎(chǔ)上提出的一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)。它是一種整體輪輻式結(jié)構(gòu), 傳感器在十字梁與輪緣聯(lián)接處有一個柔性環(huán)節(jié), 在四根交叉梁上總共貼有32個應(yīng)變片(圖中以小方塊表示), 組成8路全橋輸出, 六維力的獲得須通過解耦計算。這一傳感

30、器一般將十字交叉主桿與手臂的聯(lián)接件設(shè)計成彈性體變形限幅的形式, 可有效起到過載保護(hù)作用, 是一種較實用的結(jié)構(gòu)。 第60頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.25 林純一的腕力傳感器 第61頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖4.26所示是一種非徑向中心對稱三梁腕力傳感器, 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。 每根梁的上下、左右各貼一對應(yīng)變片,這樣,這非徑向的三根梁共粘貼6對應(yīng)變片, 分別組成六組半橋, 對這六組電橋信號進(jìn)行解耦可得到六維力(力矩)的精確解。 這種力覺傳感器結(jié)構(gòu)有較好的剛性, 最先由卡

31、納基梅隆大學(xué)提出。在我國, 華中科技大學(xué)也曾對此結(jié)構(gòu)的傳感器進(jìn)行過研究。 第62頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.26 非徑向中心對稱三梁腕力傳感器 第63頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三3.3 工業(yè)機(jī)器人的位置及位移 3.3.1 電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器由一個線繞電阻(或薄膜電阻)和一個滑動觸點組成。 其中滑動觸點通過機(jī)械裝置受被檢測量的控制。當(dāng)被檢測的位置量發(fā)生變化時,滑動觸點也發(fā)生位移, 從而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, 根據(jù)這種輸出電壓值的變化, 可以檢測出機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置和位移量。 第64頁，

32、共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三電位器式位移傳感器具有很多優(yōu)點。它的輸入輸出特性(即輸入位移量與電壓量之間的關(guān)系)可以是線性的,也可以根據(jù)需要選擇其他任意函數(shù)關(guān)系的輸入輸出特性; 它的輸出信號選擇范圍很大,只需改變電阻器兩端的基準(zhǔn)電壓,就可以得到比較小的或比較大的輸出電壓信號。這種位移傳感器不會因為失電而破壞其已感覺到的信息。當(dāng)電源因故斷開時,電位器的滑動觸點將保持原來的位置不變, 只需重新接通電源, 原有的位置信息就會重新出現(xiàn)。另外,它還具有性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單， 尺寸小，重量輕，精度高等優(yōu)點。電位器式位移傳感器的一個主要缺點是容易磨損。由于滑動觸點和電阻器表面的磨損, 使

33、電位器的可靠性和壽命受到一定的影響, 正因如此,電位器式位移傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用受到了極大的局限, 近年來隨著光電編碼器價格的降低而逐漸被取代。 第65頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三按照電位器式位移傳感器的結(jié)構(gòu), 可以把它分成兩大類: 一類是直線型電位器, 另一類是旋轉(zhuǎn)型電位器。 直線型電位器主要用于檢測直線位移, 其電阻器采用直線型螺線管或直線型碳膜電阻, 滑動觸點也只能沿電阻的軸線方向做直線運動。直線型電位器的工作范圍和分辨率受電阻器長度的限制。線繞電阻、電阻絲本身的不均勻性會造成電位器式傳感器的輸入輸出關(guān)系的非線性。 第66頁，共92頁，2022年，5月20日

34、，3點25分，星期三旋轉(zhuǎn)型電位器的電阻元件呈圓弧狀, 滑動觸點也只能在電阻元件上做圓周運動。旋轉(zhuǎn)型電位器有單圈電位器和多圈電位器兩種。 由于滑動觸點等的限制, 單圈電位器的工作范圍只能小于360;對分辨率也有一定限制。 對于多數(shù)應(yīng)用情況來說, 這并不會妨礙它的使用。假如需要更高的分辨率和更大的工作范圍, 可以選用多圈電位器。 圖4.27為一種典型的電位器式測試電路。當(dāng)輸入電壓VCC加在電位器的兩個輸入端時,電位器的輸出信號Vout與滑動觸點的位置成比例。 圖4.28所示為兩種典型的商用旋轉(zhuǎn)式電位器。 第67頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.27 作為位置傳感器的電

35、位器 第68頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.28 典型的商用旋轉(zhuǎn)式電位器 第69頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.29 旋轉(zhuǎn)電位器的結(jié)構(gòu)原理圖(a) 導(dǎo)電塑料型； (b) 線圈型 第70頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三3.3.2 光電編碼器 1. 絕對型光電編碼器絕對型編碼器即使發(fā)生電源中斷, 也能正確地給出角度位置。 絕對型編碼器產(chǎn)生供每種軸用的獨立的和單值的碼字。 與相對型編碼器不同,它的每個讀數(shù)都與前面的讀數(shù)無關(guān)。絕對型編碼器最大的優(yōu)點是系統(tǒng)電源中斷時, 器件可記錄發(fā)生中斷的地點, 當(dāng)電源恢復(fù)時,它可把

36、記錄情況通知系統(tǒng)。 絕對型編碼器通常由三個主要元件構(gòu)成: 多路(或通道)光源(如發(fā)光二極管); 光敏元件; 光電碼盤。 第71頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖4.30是絕對型光電編碼器的編碼原理圖, 碼盤上有5條碼道。所謂碼道, 就是碼盤上的同心圓。 按照二進(jìn)制分布規(guī)律, 把每條碼道加工成透明和不透明區(qū)域相間的形式。 碼盤的一側(cè)安裝光源,另一側(cè)安裝一排徑向排列的光電管, 每個光電管對準(zhǔn)一條碼道。當(dāng)光源照射碼盤時, 如果是透明區(qū), 則光線被光電管接收, 并轉(zhuǎn)變成電信號, 輸出信號為“1”; 如果是不透明區(qū), 則光電管接收不到光線, 輸出信號為“0”。被測工作軸帶動碼盤旋

37、轉(zhuǎn)時, 光電管輸出的信息就代表了軸的對應(yīng)位置, 即絕對位置。 第72頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.30 絕對型光電編碼器 第73頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三光電編碼盤大多采用格雷碼編碼盤,格雷碼的特點是每一相鄰數(shù)碼之間僅改變一位二進(jìn)制數(shù), 這樣,即使制作和安裝不十分準(zhǔn)確, 產(chǎn)生的誤差最多也只是最低位的一位數(shù)。在圖4.30中，五位二進(jìn)制碼盤分辨的最小角度(分辨率)為 碼道越多,分辨率越高。目前, 碼盤碼道可做到十八條, 能分辨的最小角度為=360/2180.0014。 第74頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三2.

38、 相對型光電編碼器與絕對型光電編碼器一樣, 相對型光電編碼器也是由前述三個主要元件構(gòu)成的。兩者的工作原理基本相同, 所不同的是后者的光源只有一路或兩路。光電碼盤一般只刻有一圈或兩圈透明和不透明區(qū)域, 當(dāng)光透過碼盤時, 光敏元件導(dǎo)通, 產(chǎn)生低電平信號, 代表二進(jìn)制的“0”; 不透明的區(qū)域代表二進(jìn)制的“1”。因此,這種編碼器只能通過計算脈沖個數(shù)來得到輸入軸所轉(zhuǎn)過的相對角度。 第75頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三由于相對型光電編碼器的碼盤加工相對容易, 因此其成本比絕對型編碼器的低, 而分辨率高。然而,只有使機(jī)器人首先完成校準(zhǔn)操作以后才能獲得絕對位置信息。通常,這不是很大的

39、缺點,因為這樣的操作一般只有在加上電源后才能完成。若在操作過程中電源意外地消失, 由于相對型編碼器沒有“記憶”功能, 故必須再次完成校準(zhǔn)。 如圖4.31所示,編碼器的分辨率通常由徑向線數(shù)n來確定。 這意味著, 編碼器能分辨的角度位置等于360n。典型的有100、128、200、256、500、512、1000、1024和2048線分辨率的編碼器。 第76頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.31 光學(xué)式增量型旋轉(zhuǎn)編碼器 第77頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三3.3.3 角速度傳感器1. 旋轉(zhuǎn)編碼器當(dāng)使用旋轉(zhuǎn)編碼器時,也可以用一個傳感器檢測角度和

40、角速度, 比較方便。 1) 絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用因為這種編碼器的輸出表示的是旋轉(zhuǎn)角度的實際值, 所以若對單位時間前的值進(jìn)行記憶, 并取它與現(xiàn)時值之間的差值, 就可以求得角速度。 2) 相對型旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用這種編碼器單位時間內(nèi)輸出脈沖的數(shù)目與角速度成比例。 第78頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三2. 測速發(fā)電機(jī)圖4.32所示為測速發(fā)電機(jī)的構(gòu)造。測速發(fā)電機(jī)與普通發(fā)電機(jī)的原理相同, 除具有直流輸出型和交流輸出型以外, 還有感應(yīng)型。 對于直流輸出型,在其定子的永久磁鐵產(chǎn)生的靜止磁場中, 安裝著繞有線圈的轉(zhuǎn)子。當(dāng)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子時,就會產(chǎn)生交流電流, 因此, 經(jīng)過二極管整流后,就會變

41、換成直流進(jìn)行輸出。輸出電壓與轉(zhuǎn)子的角速度成比例, 因此得到 uA 式中, A為常數(shù)。通常, 轉(zhuǎn)速為1000 rmin時, 輸出的電壓可以達(dá)到7 V。 第79頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三圖 4.32 測速發(fā)電機(jī)(a) 帶整流子的直流輸出測速發(fā)電機(jī)； (b) 交流輸出測速發(fā)電機(jī) 第80頁，共92頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三4.4 多感覺智能機(jī)器人 多感覺傳感系統(tǒng)使機(jī)器人擁有一定的智能, 而多感覺信息融合技術(shù)在智能機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用, 則提高了機(jī)器人的認(rèn)知水平。 多感覺智能機(jī)器人的組成如圖4.33所示。它由機(jī)器人本體、控制及驅(qū)動器、多傳感器系統(tǒng)、計算機(jī)系統(tǒng)和機(jī)器人示教盒組成, 其工作環(huán)境為固定工作平臺。多傳感