第8章-机器人传感器

Robotics济南大学10/6/2019第8章传感器传感器技术是材料学、力学、电学、磁学、微电子学、光学、声学、化学、生物学、精密机械、仿生学、测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、乃至系统科学、人工智能、自动化技术等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术。传感器技术广泛应用于航空航天、兵器、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保、材料、灾害预测预防、农林渔业、食品、烟酒制造、建筑、汽车、舰船、机器人、家电、公共安全等领域。Robotics济南大学10/6/20198.1引言视觉听觉嗅觉味觉触觉给机器人装备什么样的传感器，对这些传感器有什么要求，这是设计机器人感觉系统时遇到的首要问题。选择机器人传感器应当完全取决于机器人的工作需要和应用特点。多传感器在移动机器人中的应用Robotics济南大学10/6/2019采用两级分布式计算机实时控制系统在机器人中，起到内部反馈控制作用或感知与外部环境的相互作用的装置被称为传感器。灵巧手三个手指3个关节微电机角度传感器三维力传感器•概念：Robotics济南大学10/6/20198.2传感器分类控制器内部传感外部传感机器人机器人信息传感位置传感器速度传感器加速度传感器力和压力传感器力矩传感器微动开关可见光和红外传感器接触和视觉传感器接近觉传感器测距仪嗅觉传感器视觉传感器语音识别装置语音合成器内传感器是用于测量机器人自身状态的功能元件。测量与机器人作业有关的外部因素。通常与机器人的目标识别、作业安全等因素有关。Robotics济南大学10/6/2019旋转编码器电位器伺服电机伺服控制器步进电机步进控制器传感器如何选择？Robotics济南大学10/6/2019传感器特性成本尺寸重量输出的类型接口分辨率灵敏度线性度量程响应时间频率响应可靠性重复精度精度Robotics济南大学10/6/20198.3内传感器：•内传感器是用于测量机器人自身状态的功能元件。•具体检测的对象有：–关节的线位移、角位移等几何量；–速度、角速度、加速度等运动量；–倾斜角、方位角、振动等物理量。•内传感器常用于控制系统中，用作反馈元件，检测机器人自身的状态参数。常用的有：Robotics济南大学10/6/20191．规定位置检测的内传感器：应用场合：检测规定的位置，常用ON/OFF两个状态值。这种方法用于检测机器人的起始原点、终点位置或某个确定的位置。典型元器件：给定位置检测常用的检测元件有微型开关、光电开关等。1）微型开关规定的位移量或力作用在微型开关的可动部分上，开关的电气触点断开（常闭）或接通（常开）并向控制回路发出动作信号。Robotics济南大学10/6/2019一般在限位开关的执行器上安装滚轮。限位开关就是用以限定机械设备的运动极限位置的电气开关。这种开关有接触式的和非接触式两种。接触式的比较直观，机械设备的运动部件上，安装行程开关，与其相对运动的固定点上安装极限位置的挡块，或者是相反安装位置。当行程开关的机械触头碰上挡块时，切断了（或改变了）控制电路，机械就停止运行或改变运行。由于机械的惯性运动，这种行程开关有一定的“超行程”以保护开关不受损坏。非接触式的形式很多，常见的有干簧管、光电式、感应式等，这几种形式在电梯中都能够见到。当然还有更多的先进形式。执行器形状不同的限位开关Robotics济南大学10/6/20192）光电开关光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电开关在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。光电开关的原理是根据投光器发出的光束,被物体阻断或部分反射,受光器最终据此作出判断反应，启动开关作用。光电开关的原理特点：非接触性检测，精度达0.5mm.Robotics济南大学10/6/20192．位置、角度测量•测量机器人关节线位移和角位移的传感器是机器人位置反馈控制中必不可少的元件。常用的有电位器、旋转变压器、编码器等。其中编码器既可以检测直线位移，又可以检测角位移。Robotics济南大学10/6/2019•1）光电编码器：–光电编码器由发光元件、聚光镜、漏光盘、光栏板、光敏管等构成。灯泡发出的光线经过聚焦后变成平行光束，当漏光盘上的条纹与光栏板上的条纹重合时，光敏管便接受一次光的信号并记数，由此可以测试旋转速度。光电编码器工作原理图1-光源2-聚光镜3-漏光盘4-光敏管5-光拦板Robotics济南大学10/6/20192）电位器由环状或棒状电阻丝和滑动片（电刷）组成。将线位移或角位移转化成电阻的变化，以电压或电流形式输出。检测的是以电阻中心为基准位置的移动距离。E：输入电压L：触头最大移动距离X：向左端移动的距离e：电阻右侧的输出电压EEeL)2(Robotics济南大学10/6/20193）编码器检测细微运动，输出数字信号根据信号输出形式分为增量式和绝对式A增量式简单旋转式增量编码器简单直线增量编码器Robotics济南大学10/6/2019旋转式增量编码器通过内部两个光敏接收管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量增加（正方向）或减少（负方向）。顺时针运动逆时针运动AB11010010AB11100001S2S1S0S1S0顺时针逆时针S0S0S2S2Robotics济南大学10/6/2019无法输出轴转动的绝对位置信息增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90º，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。优点原理构造简单寿命长，可靠性高抗干扰能力强缺点Robotics济南大学10/6/2019B绝对式#格雷码二进制码#格雷码二进制码00000000060101011010001000170100011120011001081100100030010001191101100140110010010111110105011101011111101011每个位置都对应着透光与不透光弧段的惟一确定组合，这种确定组合有惟一的特征。通过这特征，在任意时刻都可以确定码盘的精确位置。绝对式旋转编码器根据读出码盘上的编码检测绝对位置。Robotics济南大学10/6/20193）旋转变压器原理：转子转动引起磁通量旋转，在次级线圈产生变化的电压。从而可以用来测量角位移。旋转变压器又称分解器，是一种控制用的微电机，它将机械转角变换成与该转角呈某一函数关系的电信号的一种间接测量装置。在结构上与二相线绕式异步电动机相似，由定子和转子组成。定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到转子绕组上，感应电动势由定子绕组输出。旋转变压器结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。Robotics济南大学10/6/20193、速度传感器•编码器原理：在闭环伺服系统中，编码器的反馈脉冲个数和系统所走位置的多少成正比。对任意给定的角位移，编码器将产生确定数量的脉冲信号，通过统计指定时间内脉冲信号的数量，能计算出相应的角速度。•速度、角速度的测量是驱动器反馈控制中必不可少的环节。可利用前面所述的位移传感器或编码器测量，也可用测速发电机测量。Robotics济南大学10/6/2019从工作原理上讲,它属于“发电机”的范畴。测速发电机在控制系统中主要作为阻尼元件、微分元件、积分元件和测速元件来使用。测速发电机是一种测量转速的微型发电机，它把输入的机械转速变换为电压信号输出，并要求输出的电压信号与转速成正比，即测速发电机分直流测速发电机和交流测速发电机两大类。测速发电机Robotics济南大学10/6/20191）直流测速发电机直流测速发电机实际就是一种微型直流发电机，按定子磁极的励磁方式分为电磁式和永磁式。直流测速发电机的输出电压与转速要严格保持正比关系,这在实际中是难以做到的，直流测速发电机输出的是一个脉动电压，其交变分量对速度反馈控制系统、高精度的解算装置有较明显的影响。2）交流测速发电机交流异步测速发电机与交流伺服电动机的结构相似，其转子结构有笼型的，也有杯型的，在自动控制系统中多用空心杯转子异步测速发电机。交流同步测速发电机因感应电势频率随转速而变，致使电机本身的阻抗及负载阻抗均随转速而变化，因此，输出电压不再与转速成正比关系。故同步测速发电机应用较少。测速发电机的作用是将机械速度转换为电气信号，常用作测速元件、校正元件、解算元件，与伺服电机配合，广泛使用于许多速度控制或位置控制系统中，如在稳速控制系统中，测速发电机将速度转换为电压信号作为速度反馈信号，可达到较高的稳定性和较高的精度，在计算解答装置中，常作为微分、积分元件。Robotics济南大学10/6/20198.4典型外传感器用来检测机器人所处环境（如是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。主要有：物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。Robotics济南大学10/6/20198.4.1外部状况的感觉1、物体识别传感器典型的是视觉传感器，如摄像机。视觉是利用光（机器人可用红外线等）的非接触方式。触觉也能识别物体。机器人可以用触觉传感器来实现这种机能。2、物体探测传感器物体探测传感器是一种识别物体而且知道其存在的传感器。例如视觉传感器、光电开关和超声波传感器等，即使物体较远也能探测其存在。Robotics济南大学10/6/20193、极近物体探测传感器探测非常近的物体存在的传感器称为接近传感器。接近传感器又称无触点接近传感器，是理想的电子开关量传感器。当金属类被检测体接近传感器的感应区域，开关就能在无接触、无压力、无火花的情况下迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程。即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。常用的有：两线制接近传感器：两线制接近传感器安装简单，接线方便；应用比较广泛，但却有残余电压和漏电流大的缺点。直流三线式接近传感器的输出型有NPN和PNP两种，70年代日本产品绝大多数是NPN输出，西欧各国NPN、PNP两种输出型都有。PNP输出接近传感器一般应用在PLC或计算机上作为控制指令的较多，NPN输出接近传感器用于控制直流继电器较多，在实际应用中要根据控制电路的特性进行选择其输出形式。Robotics济南大学10/6/2019带有RS232数据接口激光测距传感器超声波距离传感器红外线距离传感器4、距离传感器摄像机距离传感器。超声波距离传感器。超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波对液体、固体的穿透能力很大，尤其是在不透光的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。可用于鱼群探测、金属内部探伤等方面。激光距离传感器：利用激光传输时间来测量距离的基本原理是，通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离。Robotics济南大学10/6/20195.力觉传感器力觉传感器使用的主要元件是电阻应变片。（3）装在机器人手爪指关节（或手指上）的力传感器，称为指力传感器。通常我们将机器人的力传感器分为三类：（1）装在关节驱动器上的力传感器，称为关节力传感器。用于控制中的力反馈。（2）装在末端执行器和机器人最后一个关节之间的力传感器，称为腕力传感器。Robotics济南大学10/6/2019SRI（StanfordResearchInstitute）研制的六维腕力传感器，如图所示。它由一段直径为75mm的铝管铣削而成，具有八个窄长的弹性梁，每个梁的颈部只传递力，扭矩作用很小。梁的另一头贴有应变片。图中从Px+到Qy-代表了8根应变梁的变形信号的输出。SRI传感器Robotics济南大学10/6/2019日本大和制衡株式会社林纯一研制