现代检测技术导论-物理量检测3

现代检测技术导论第三章物理量检测与传感器3.8热敏效应与温度检测3.9多传感器手爪3.8热敏效应与温度检测3.8.1热电阻Rt=R0[1+(t-t0)]感温电阻选材原则：1、电阻温度系数较高，提高灵敏度；2、在测温范围内化学、物理性能稳定，保证精度；3、具有良好的输出特性，接近线性关系；4、具有较高的电阻率，以减小体积；5、具有良好的可加工性，且价格便宜。常用感温材料：铂、铜、铁、镍、铟、锰、碳3.8.2热敏电阻金属氧化物＋添加剂＋陶瓷工艺电阻温度系数T=（1/RT）×(dRT/dT)×100%正温度系数热敏电阻（PTC）:BaTiO3+稀土元素负温度系数热敏电阻（NTC）：混合过渡金属氧化物临界温度系数热敏电阻（CTC）：V2O3+Ge、Ni、W、MnNTC热敏电阻、PTC热敏电阻和CTR热敏电阻的典型电阻-温度特性曲线3.8.3半导体热敏电阻半导体电阻率＝1/（nqn+pqp）n为电子浓度；p为空穴浓度；n为电子迁移率；p为空穴迁移率；q为电子的电量。硅热电阻的温度特性－50050100150200温度/C300025002000150010005000电阻值3.8.4热电偶•热电效应（1823年赛贝克发现）总电势EAB(T,T0)=TT0TABdT=EAB(T)–EAB(T0)其中TAB为热电势率，与热材料和两接点温度有关。TT0T0EAB(T,T0)AB3.9多传感器手爪目前，开发和利用太空已成为各国高科技和军事发展的焦点，而空间机器人在人类的太空活动中发挥了重要的作用。空间机器人的重要要求就是自身的灵活性和局部自主能力，而多传感器手爪是提供这些能力的关键部件。目前，多传感器机器人手爪已成为国际上研究的一个热点，研究的问题主要围绕新型的传感器和执行器、手爪结构、传感器集成和信息融合和控制方法。•空间机器人多传感器手爪的特点在太空中，手爪必须可靠地抓取和作业,这就要求机械结构一定要可靠。机器人多指灵巧手因为缺乏机械的可靠性和实用性,并且存在着抓取不稳固和控制复杂性的问题，目前并未用于太空作业中。空间机器人为了能够在存在着不确定性的环境下进行灵巧的操作,其手爪必须具有较强的感知能力。•国内外研究概况美、日、德等发达国家都开展了用于空间的多传感器手爪的研究工作，其中具有代表性的是德国宇航中心研制的舱外机器人ROTEX和日本的ETS-Ⅶ上的多传感器手爪。在国内方面，中国科学院合肥智能机械研究所、哈尔滨工业大学以及北京航空航天大学等多家研究机构都进行了多传感器机器人手爪的研究。SRMS空间机械臂1975年，加拿大SPAR公司与美国宇航局（NASA）签署了研制遥控机械臂SRMS（ShuttleRemoteManipulatorSystem，SRMS），后来以加拿大臂著称。1984年，SRMS正式被用于协助宇航员进行舱外活动，标志着空间机器人进入使用阶段。SRMS空间机械臂•德国宇航中心的ROTEX多传感器手爪1993年美国哥伦比亚号航天飞机成功地搭载了德国DLR研制的基于多传感器的小型空间机器人系统ROTEX。ROTEX系统配有一个多传感器智能手爪，手爪上安装了六维腕力传感器、距离觉、触觉等多种传感器，并配有一对微型摄像机作为视觉系统。ROTEX多传感器手爪的ORU实验在轨道上，ROTEX进行了构架机构的装配、插拔轨道可更换单元（ORU，OrbitReplacementUnit）和捕获漂浮物体等多个实验。ROTEX多传感器手爪手爪上安装有多种传感器,其上的传感器配置如下:(1)9个激光测距传感器,其中一个中距离扫描测距传感器,其测距范围为3～35mm,其余8个短距离测距传感器的测距范围为0～30mm,它们均匀地安装在2个手指指尖部位。ROTEX多传感器手爪(2)2个面积为32×16平方毫米,4×8个感应单元的二进制触觉陈列传感器。(3)1个基于应变片测量的刚性六自由度力/力矩传感器。(4)1个基于光电原理柔性六自由度力/力矩传感器。(5)1个微型CCD摄像机。ROTEX多传感器手爪的控制系统框图日本技术实验卫星ETS-Ⅶ上的多传感器手爪1997年，日本宇宙开发事业团（NASDA〕发射了一颗用于空间交会对接及空间机器人技术研究的实验卫星ETS－VII,星上搭载一大一小两个机器人手臂。大机械臂（ERA）具有六个自由度，长约2.4米，由NASADA研制。小机械手（ARH）由日本通商产业省（MITI）研制，长约0.5米，用于精密操作。ARH在实验卫星ETS－VII上的空间实验ARH多传感器手爪该手爪共配置五种传感器,具体如下:(1)三个接近觉测距传感器,安装在手爪外壳上,主要用于接近工作台控制,也用于始终面对工作台的姿态控制。(2)一个CCD眼在手上(Eye-in-Hand)摄像机,主要用于目标物体的测定、微细定位及监视。(3)一对夹持力传感器,通过握力反馈控制执行3指抓取目标物体。ARH多传感器手爪(4)一个六自由度力/力矩传感器,安装在微型机器人手臂的腕部,主要用于微型手臂的力控制,也用于基于任务知识库通过模型匹配技术监视空间任务的执行情况。(5)一个柔顺力/力矩传感器,该传感器比六自由度力/力矩传感器更敏感,监视微细作业的执行。ARH多传感器手爪测量和控制的基本策略(1)机器人用接近距离传感器,或手眼摄像机,或者这两种传感器,来搜索目标物体。(2)用非接触传感器来确定物体的精确位置或大小。例如,用接近觉传感器来测量到任务板的距离,当三只传感器的距离值相等时,就可以获得垂直于任务面板的本地坐标系。接着利用手眼摄像机所获得的任务面板上标志的图像,机器人就可以设定本地坐标系,并把它作为手臂相对导航的精密参考点。通过对手眼摄像机所获得的图像进行处理,机器人还可以分辨目标的大小。(3)在外部摄像机或力/力矩传感器的监视下,进行手臂的相对导航。(4)执行基于接触传感器的补偿。在抓握一个物体之前,用手指上的力传感器所获得的触点进行位置补偿,在抓取的过程中,可以通过腕部的柔顺装置所测得的位移来进行手臂位置的精确调整。美国Maryland大学研制的Ranger太空机器人美国Maryland大学为NASA研制的Ranger机器人于1996年10月进行了飞行试验,Ranger机器人是一个四臂机器人系统，其中两只7自由度的机械臂，配有可更换末端操作器，另一只7自由度抓取机械臂用于与操作环境固连，以稳定自身姿态，还有一只6自由度机械臂用于携带相机。哈尔滨工业大学研制的多传感器手爪1.平行双指末端执行器模块。2.带有自动锁紧机构的被动柔顺RCC模块。3.指尖短距离激光测距传感器模块。4.激光扫描/测距传感器模块。5.触/滑觉传感器模块。中科院合肥智能所研制的EMR多传感器手爪EMR机器人手眼系统设计主要内容包括：1．高可靠性手足两用夹持机构设计；2．力觉、接近觉、位移传感器设计与选用；3．视觉信息采集与处理，物体识别与定位；4．感知信息的网络传输与多传感器信息融合；5．手眼系统的协调控制与实验。手眼系统总体设计三角帆定滑轮动滑轮悬挂吊丝手爪2手爪1关节2连杆1关节1连杆2连杆6关节5连杆5连杆4连杆3关节3关节4手爪机械结构感知系统•自由移动机器人实验系统手爪机构原理图手爪传动部分传动部分由两部分组成：齿轮传动与螺杆传动。齿轮传动将原动部分的转动传递到螺杆上；螺杆再将转动转换为执行机构的平动。选用直流电机+减速器+光电码盘光电码盘可做手爪开合度传感器。机器人手眼系统实物图片驱动电机摄像机触觉传感器V型手指平指触觉传感器力传感器力传感器多传感器的配置手爪上配置了多种传感器以实现机器人的局部自主操作。手爪上一共安装了八个力觉传感器，七个触觉传感器。手爪上还装配有一对小型CCD,可以通过立体视觉进行对物体的视觉定位。我们分别在两个平指的根部和三个V形块的六个指的根部粘贴应变片来获得正压力的大小。触觉传感器是一个短量程的微动开关。电机本身自带一个光电编码器，可以测出手爪的开合距离。力觉传感器机器人在行走和抓取物体时，都需要力传感器来感知手爪夹持力的大小，以确定是否抓紧工字梁和物体。力传感器设计的好坏将直接影响到机器人的安全性和可靠性。我们采用一体化设计，将机器人的手指作为弹性体，在其根部贴应变片，测所受到的正压力的大小。力觉传感器触觉传感器在空间作业时，机器人手爪与外部环境的接触情况是机器人实现本地局部自主的一个重要信息。触觉传感器可以检测这种接触情况，在这里，我们使用微动开关作为触觉传感器的主要部件。微动开关是用于检测物体是否存在的一种最简单的触觉-致动器件。触觉传感器触觉传感器由圆滚珠、微动开关、压簧等组成。右图为触觉传感器的实物图。触觉传感器工作原理是：当有外力作用在圆滚珠上并将其压进时，圆滚珠触动微动开关，微动开关状态发生改变并发出一个电信号。手爪开合度传感器手爪的开合度大小是判别手爪是否稳固抓取物体的一个重要条件。考虑到手爪本身的结构特点，我们选用脉冲增量式光电编码器，用来检测手爪的开合距离。光电码盘选用maxon的103937型光电码盘。每转发100个两路正交编码脉冲。电机与传动齿轮之间有一个减速机构，减速比率为28：1，所以，传动齿轮转1圈，手爪开合3mm，光电编码器发2800个脉冲。根据这个关系，我们可以很方便由光电编码器发出的脉冲数来得知手爪的开合距离。视觉子系统采用Eye-in-hand方式，即在手爪上安置一对摄像机，以构成手眼系统，并用双目立体视觉来完成目标物体的定位。硬件部分视觉系统的硬件部分分为三个部分：视觉传感器、信号采集与传输及双眼系统。视觉传感器就是摄像机，它包括成像传感器和镜头。由摄像机输出的信号为模拟复合视频信号。通过图像采集设备将模拟视频信号转换为24位RGB格式的数字信号，直接送入计算机内存；同所选用的图像卡为大恒DH-CG400彩色/黑白视频采集卡。双眼系统的安装位置双眼基线设计成平行于手爪掌面、位于中分两指的对称面上；两只眼睛的光轴向手掌内成一定夹角；理想情况下，两光轴在同一平面内，该平面与手爪掌面垂直。根据手爪的尺寸以及所选摄像机镜头的视场参数，双眼光轴配置成向内偏转12度，光心距约100mm。工件定位因双眼摄像机在手爪上是固定安装的，在机器人以及手爪的运动过程中，双眼之间的关系不会改变，并且，因镜头的焦距也是固定的，所以可对双眼摄像机进行预标定。这样，当已知空间某点在左右图像中的坐标位置后，即可计算出该点的空间坐标位置。设(x,y,z)是空间点P在摄像机坐标系中的三维坐标，如果不考虑镜头畸变，以像素为单位的图像坐标(u,v)与以毫米为单位的摄像机坐标(x,y,z)之间的关系为：0001001xyufsuxvfvyz视觉系统的交互界面示意图视觉子系统的软件主要包括图像处理、模式识别、立体视觉计算、图像获取与显示控制、交互界面等部分。问题的提出手爪与工字梁的接触状态是机器人进行位姿微调的重要判据。在视觉不起作用的情况下，如何从非视觉传感器的信息来得知手爪与工字梁的接触状态是十分重要的。我们面临的最大问题就是传感器信息的不充分。感知信息融合传感器数据融合和其它辅助信息的使用多传感器数据融合可以在一定程度上解决传感器信息不充分的问题，可以得到更为完整的信息。但由于各种传感器本质上是不同的，它们的有效性在时空上都存在着差别，这意味着有些传统的传感器集成和融合方法不是很合适。目前人们过多地关注于传感器本身的使用上，而很少对机器人的几何结构特点进行分析。我们认为借助于机器人手爪的结构化的几何信息融合传感器信息可以得到更为丰富的信息，可以克服传感信息的不充分性。任务描述我们将研究的任务确定为机器人抓取工字梁，这是自由舱外移动机器人要实现的最重要的一项功能。工字梁表面与地面水平，机器人通过一对手眼相机对工字梁进行视觉定位后，引导手爪处于其上方，然后自上而下抓握工字梁。由于视觉的误差以及机器人本身的误差，手爪