第六章_工业机器人感觉系统

第六章工业机器人感觉系统工业机器人系统组成执行系统驱动系统控制系统人工智能系统工业机器人臂部腕部机身手部行走机构各种电、液、气装置运动控制装置位置检测装置示教再现装置语音识别装置逻辑判断装置学习装置触觉、听觉、嗅觉、视觉装置机器人传感器•6.1传感器的功能与分类•6.2传感器的选择要求•6.3内部测量用传感器•6.4外部测量用传感器•6.5运动机器人的传感器•6.6传感器与集成控制机器人的传感器•几乎所有的机器人都使用内部传感嚣如：为测量回转关节位置的轴角编码器，测量速度以控制其运动的测速计。•大多数控制器也具备接口能力，故来自输送装置，机床以及机器人本身的信号，可被综合利用以完成一项任务。•外部传感器，如视觉传感器，可为更高层次的机器人控制提供大得多的适应能力，也就是给工业机器人增加了自动检测能力。6.1传感器的功能、定义与分类•人类熟悉的五种感觉，即视觉、嗅觉、味觉、听觉和触觉。•视觉的最重要功能是选择合适的、安全的运动路径。双目视觉和其它知觉的刺激，使我们能辨别物体的距离。彩色视觉可以很快辨别千百万种明暗不同的光线和颜色。由高密度杆型和锥型感受体所提供的空间鉴别力，使我们能在适宜的光线下，分辨尘埃微粒。我们对光亮的敏感度是如此之高，可以在漆黑的夜晚，看见30英里以外的烛光。从很亮的环境到很暗的环境，靠自动亮度控制，可以很快地调整适应。靠眼睛供给我们需要的大部分信息。据估计，传给大脑的信息中，有70％来自视觉器官。6.1.1听觉•象视觉一样，听觉也是立体的，可使我们判断声音的方向和距离。甚至在我们出生之前，这种感觉就发育得很好。当我们睡觉时，它也在很好地工作。它是如此的敏锐，以致很多母亲能够听到在另一个房间里新生婴儿的呼吸。我们也可以利用听觉来选择适当的运动形式，特别是当视觉丧失或视线受阻时，比如我们还没有看见汽车，而听到它开来，便是如此。我们也可用听觉作出判断。例如，很多富有经验的汽车维修工，只凭听发动机运转的声音，即可正确地辨别是否存在问题。我们可以区分很多不同的声调和波长，从而能够区分和辨识世界上数以万计的物体和现象。6.1.2嗅觉和味觉•无须再用任何其它器官，我们的嗅觉就能使我们区分很多物体和现象。嗅觉在帮助我们辨识那些看不见的或隐藏的东西，如气体时是特别重要的。•味觉在确定食物可饮用性时也很重要。四种味道——苦、酸、咸和甜有助于提高我们摄取基本营养品的食欲。很多人都会说他们的味觉发育得太好了。因而，可以用我们的味觉器官去识别和区分很多物体。例如，可以察觉食物中的微量金属(这就是为什么我们不用金属餐具去点调美昧食品的原因)，以及那些既看不见，又闻不到的某些气体或化学物质。6.1.3触觉•触觉蕴含比我们通常想象更高的敏感度。在我们的皮肤中，植入了成千上万的压力、温度和疼痛传感器。例如，约有2百万个疼痛传感器，50万个压力传感器和20万个温度传感器不均匀地遍布人体，主要在表皮。例如，膝盖每平方厘米有232个疼痛传感器，大姆指上每平方厦米有60个而鼻子尖上每平方厘米有44个。当其它感官失效或受到干扰时，我们还可以用这种感觉去辨识相区分物体和现象。比如说，无需其它感官就可以感觉和辨识则我们背上的一只毛虫，并采取相应的行动。6.1.4动觉和平衡觉•动觉感官位于筋、关节和肌肉等处的感觉接受器可以告知大脑、整个身体的位置和运动。它使我们不必盯着自己的腿就能走路，收缩肌肉而无须看它。闭着眼睛也可用手摸到鼻子。•平衡的感官主要位于内耳的前庭感官提供这种平衡感，这种感官告诉我们是头朝上还是脚朝下，是加快还是减慢，是上升还是下降。当我们乘座游戏车时，正是这种感官的巧妙控制给我们以惊险之感。6.1.5传感器的定义和组成•传感器按一定规律实现信号检测并将被测量(物理的、化学的和生物的信息)通过变送器变换为另一种物理量(通常是电压或电流量)。它既能把非电量变换为电量，也能实现电量之间或非电量之间的互相转换。总而言之，一切获取信息的仪表器件都可称为传感器。•国际上，传感技术被列为六大核心技术(计算机、激光、通讯、半到体、超导和传感)之一。传感技术也是现代信息技术的三大基础(传感技术、通讯技术、计算机技术)之一。•传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。6.1.6传感器的分类•传感器可以按不同的方式进行分类。例如：按被测物理量、按传感器的工作原理、按传感器转换能量的情况、按传感器的工作机理、按传感器输出信号的形式(模拟信号、数字信号)等分类。•按机器人用传感器功能可分为检测内部状态信息传感器和检测外部对象和外部环境状态的外部信息传感器。内部信息传感器包括检测位置、速度、力、力矩、温度以及异常变化的传感器。外部信息传感器包括视觉传感器、触觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、角度觉(平衡觉)传感器等。具有多种外部传感器是先进机器人的重要标志。6.2传感器的选择要求•传感器类型的选择•传感器性能指标的确定•传感器物理特征的选挥一、传感器类型的选择•1．从机器人对传感器的需要来选择机器人对传感器的一般要求是：(1)精度高，重复性好。(2)稳定性好，可靠性高。(3)抗干扰能力强。(4)重量轻，体积小，安装方便可靠。(5)价格便宜。2．从加工任务的要求来选择•在现代工业中，机器人被用于执行各种加工任务，其中比较常见的加工任务有物料搬运、装配、喷漆、焊接、检验等。•不同的加工任务对机器人提出了不同的要求。3．从机器人控制的要求来选择•机器人控制需要采用传感器检测机器人的运动位置、速度、加速度。•除了较简单的开环控制机器人外，多数机器人都采用了位置传感器作为闭环控制器的反馈元件。机器人根据位置传感器反馈的位置信息，对机器人的运动误差进行补偿。•不少机器人还装备有速度传感器和加速度传感器。加速度传感器可以检测机器人构件受到的惯性力，使控制能够补偿惯性力引起的变形误差。速度检测用于预测机器人的运动时间，计算和控制由离心力引起的变形误差。4．从辅助工作的要求来选择•工业机器人在从事某些辅助工作时，也要求有一定的感觉能力。这些辅助工作包括产品的检验和工件的准备等。•机器人在外观检验中的应用日益增多。机器人在这方面的主要用途有检查毛刺、裂缝或孔洞的存在，确定表面粗糙度和装饰质量，检查装配体的完成等。在外观检验中，机器人主要需要视觉能力，有时也需要其他类型的传感器。5．从安全方面的要求来选择从安全方面考虑，机器人对传感器的要求包括以下两个方面：(1)为了使机器人安全地工作而不受损坏，机器人的各个构件都不能超过其受力极限。2)从保护机器人使用者的安全出发，也要考虑对机器人传感器的要求。二、传感器性能指标的确定•(1)灵敏度•(2)线性度•(3)测量范围•(4)精度•(5)重复性•(6)分辨率•(7)响应时间•(8)可靠性三、传感器物理特征的选择•(1)尺寸和重量•(2)输出形式•(3)可插接性6.3内部传感器•电位器：电位器是—种典型的位置传感器，可分为直线型(测量位移)和旋转型(测量角度)。电位器由环状或棒状电阻丝和滑动片(或称为电刷)组成，滑动片接触电阻丝取出电信号。电刷与驱动器连成—体，将其线位移或角位移转换成电阻的变化，在电路中以电压或电流的变化形式输出。•电位器可分为导电塑料、线绕式、混合式等滑片型和磁阻式、光标式等非接触型。•测速发电机：测速发电机是利用发电机原理的速度传感器或角速度传感器。•根据这个原理测量角速度的测速发电机，可按其构造分为直流测速发电机、交流测速发电机和感应式交流测速发电机。•直流测速发电机的定子是永久磁铁，转子是线圈绕组。可以测量0～10000r／min的旋转速度，线性度为0.1%；此外，停机时不易产生残留电压，因此，它最适宜作速度传感器。•光学编码器：光学编码器是机器人关节伺服系统中常用的一种检测装置；它实际是一种量化式的模拟数字转换器。将机械轴的转角值或直线运动的位移值转换成相应的电脉冲。和所有量化式编码器一样，光学编码器分为增量式和绝对式两种。•所谓增量式编码器，即在编码盘上的读数起始点是不固定的，它从读数起始点开始，把角位移或线位移的变化量进行累积检测。它只能检测角值或线值的变化量(增量)．故称为增量式编码器。•所谓绝对式编码器，其读数起始点是给定的，它以编码盘固有的某图案为起始点，检测角位移或线位移。它能同时检测角值或线值的初始量和增量，也就是能取出总量(绝对量)，放称为绝对式编码器。6.4外部传感器6.4.1触觉传感器•机器人的触觉广义上可获取的信息是：接触信息；狭小区域上的压力信息；分布压力信息；力和力矩信息；滑觉信息。这些信息分别用于触觉识别和触觉控制。从检测信息及等级考虑，触觉识别可分为点信息识别、平面信息识别和空间信息识别3种。•接触觉传感器：单向微动开关—当规定的位移或力作用到可动部分(称为执行器)时，开关的接点断开或接通而发出相应的信号。•接近开关：非接触式接近传感器有高频振荡式屈感应式、电容感应式、超声波式、气动式、光电式、光纤式等多种接近开关。•光电开关是由LED光源和光电二极管或光电三极管等光敏元件，相隔一定距离间构成的透光式开关。当充当基准位置的遮光片通过光源和光敏元件间的缝隙时，光射不到光敏元件上，而起到开关的作用。光电开关的特点是非接触检测，精度可达0.5mm左右。触须传惑器•触须传感器由须状触头及其检测部构成，触头由具有一定长度的柔空软条丝构成，它与物体接触所产生的弯曲由在根部的检测单元检测。与昆虫的触角的功能一样，触须传感器的功能是识别接近的物体．用于确认所设定的动作的结束，以及根据接触发出回避动作的指令或搜索对象物的存在。触觉传感器阵列•人类的触觉能力是相当强的。人们不但能够拣起一个物体，而且不用眼睛也能识别它的外形，并辨别出它是什么东西。许多小型物体完全可以靠人的触觉辨认出来，如螺钉、开口销、圆销等。如果要求机器人能够进行复杂的装配工作．它也需要具有这种能力。采用多个接触传感器组成的触觉传感器阵列是辨认物体的方法之一。6.4.2滑觉传感器•滑觉传感器是检测垂直加压方向的力和位移的传感器。用手爪抓取处于水平位置的物体时，手爪对物体施加水平压力，如果压力较小，垂直方向作用的重力会克服这个压力使物体下滑。能够克服重力的手抓把持力称为最小把持力。6.4.3力觉传感器•力觉传感器是一类触觉传感器，它在机器人和机电一体化设备中具有广泛的应用，这里专门加以介绍。•力和力矩传感器是用来检测设备内部力或与外界环境相互作用力为目的的，力不是直接可测量的物理量，力是通过其他物理量间接测量出的。•力传感器可用作变换器，如压电元件，它可提供一个与变形、亦即作用于接触点的力成正比的信号。这样的测量可用以提供碰撞复原时的力反馈，或使机器人卡爪能够夹持像鸡蛋一类的易损物体而不弄碎它。力和力矩的一般检测方法(1)通过检测物体弹性变形测量力，如采用应变片、弹簧的变形测量力；(2)通过检测物体压电效应检测力；(3)通过检测物体压磁效应检测力；(4)采用电动机、液压马达驱动的设备可以通过检测电动机电流及液压马达油压等方法测量力或转矩；(5)装有速度、加速度传感器的设备，可以通过速度与加速度的测量推出作用力。6.4.4力觉传感器原理和腕力传感器•力觉传感器主要使用的元件是电阻应变片。电阻应变片利用了金属丝拉伸时电阻变大的现象，它被贴在加力的方向上。电阻应变片用导线接到外部电路上可测定输出电压，得出电阻值的变化。•作用在一点的负载，包含力的3个分量和力矩的3个分量，能够同时测出这6个分量的传感器是六轴力觉传感器。机器人的力控制主要控制机器人手爪的任意方向的负载分量．因此需要六轴力觉传感器。六轴传感器一般安装在机器人手腕上，因此也称为腕力传感器。腕力传感器分类•筒式腕力传感器•十字形腕力传感器6.4.5接近与距离觉传感器•接近与距离觉传感器是机器人用以探测自身与周围物体之间相对位置和距离的传感器。它的使用对机器人工作过程中适时地进行轨迹规划与防止事故发生具有重要意义。人类没有专门的接近觉器官，如果仿照人的功能使机器人具有接近觉将非常复杂，所以机器人采用了专门的接近觉传感器。•它主要起以下3个方面的作用：在接触对