《机器人技术与应用》第3章-传感器在机器人上的应用

机电工程学院1机电工程学院机器人技术与应用第3章传感器在机器人上的应用机电工程学院23.0引言第一代机器人：不具有感知和反馈，示教再现型第二代机器人：对外界环境有一定感知能力，具有视觉、触觉、听觉等功能。第三代机器人：智能机器人，具有感觉能力，有记忆、推理和决策的能力，有与外部世界——对象、环境和人相适应、相协调的工作机能。为了检测作业对象、环境或机器人与它们的关系，在机器人上安装了触觉、视觉、力觉、接近觉、超声波等传感器，进行定位和控制，实现类似人类感知作用。机器人传感器是指机器人对内外部环境感知的物理量变换为电量输出的装置。机电工程学院33.1机器人常用传感器简介1.机器人需要的感觉能力传感器使得机器人初步具有类似于人的感知能力，不同类型的传感器组合构成了机器人的感知系统。机器人传感器主要可以分为触觉、力觉、接近觉、视觉、听觉、嗅觉等六大类。不过从人类生理学观点来看，人的感觉可分为内部感觉和外部感觉，类似的，机器人传感器也可分为内部传感器和外部传感器。机器人机械系统——执行机构驱动系统控制系统感知系统基座（固定或移动）手部腕部臂部腰部电驱动装置液压驱动装置气压驱动装置处理器关节伺服控制器内部传感器外部传感器机电工程学院43.1机器人常用传感器简介1.机器人需要的感觉能力（1）触觉能力作为视觉的补充，触觉能感知目标物体的表面性能和物理特性，如柔软性、硬度、弹性、粗糙度和导热性等。1）功能：①保证机器人可靠地抓住各种物体；②使机器人获取环境信息，识别物体形状和表面纹路；③确定物体空间位置和姿态参数等。2）触觉研究从20世纪80年代初开始，到20世纪90年代初已取得了大量的成果。一般包括：接触觉传感器、压觉传感器、滑觉传感器等。机电工程学院53.1机器人常用传感器简介1.机器人需要的感觉能力（2）力觉能力用来检测机器人自身与外部环境之间的相互作用力。1）力觉传感器经常装于机器人关节处，通过检测弹性体变形来间接测量所受力。装于机器人关节处的力觉传感器常以固定的三坐标形式出现，有利于满足控制系统的要求。2）按照安装部位分为：关节力传感器、腕力传感器、指力传感器。机电工程学院63.1机器人常用传感器简介1.机器人需要的感觉能力（3）接近觉能力用于感知机器人与物体之间的接近程度。1）主要两个用途：避障和防止冲击。例如，移动机器人绕开障碍物，机械手抓取物体时柔性接触。2）一般采用非接触型测量元件。探测的距离一般在几毫米到十几厘米之间。常见：电涡流式、光纤式、超声波式及红外线式等类型。机电工程学院73.1机器人常用传感器简介1.机器人需要的感觉能力（4）视觉能力1）视觉信息可分为图形、立体、空间和运动等信息。①图形信息是平面图像，可记录二维图像的明暗、色彩，可用于识别文字和形状等；②立体信息表明物体的三维形状，如远近、配置等信息；③空间信息用来感知活动空间、手足活动的余地等信息；④运动信息是随时间变化的信息，用来表示物体运动的有无、方向和速度等信息。2）视觉传感器是智能机器人最重要的传感器之一。机器人通过视觉传感器获取环境的二维图像，并做进一步分析和解释，转换为符号，让机器人能够辨识物体，并确定其位置，又称计算机视觉。机电工程学院83.1机器人常用传感器简介1.机器人需要的感觉能力（5）听觉能力听觉也是机器人的重要感觉器官之一。现在已经部分实现用机器代替人耳，能通过语音处理及辨识技术识别讲话人，还能理解一些简单的语句。机器人听觉系统中的听觉传感器技术已经非常成熟。关键问题是语音识别技术。它与图像识别同属于模式识别领域，而模式识别技术就是最终实现人工智能的主要手段。1）特定人的语音识别系统2）非特定人的语音识别系统：包括①语言识别系统，②单词识别系统，③数字音识别系统。机电工程学院93.1机器人常用传感器简介1.机器人需要的感觉能力（6）嗅觉能力目前主要三种方法实现机器人的嗅觉功能：1）在机器人上安装单个或多个其他传感器例如，气体/气味烟羽(smokeplume)跟踪机器人2）简易嗅觉装置例如，立体电子鼻，使用活的蚕蛾触角配上电极构造的嗅觉传感器。3）电子鼻例如，利用气体传感器阵列的响应图案来识别气味的电子系统，可以在几小时、几天甚至数月的时间内连续地、实时地监测特定位置的气味状况，识别气味等。核心器件是气体传感器。机电工程学院103.1机器人常用传感器简介2.机器人传感器的分类机器人的感知通过各种传感器实现，分为：（1）内部传感器(内部感知)：用于检测和感知机器人自身状态，如：位置、速度、加速度、驱动力矩等。对内部传感器的要求：精度高、响应速度快、测量范围宽、体积小、重量轻、能耗低、工作可靠。（2）外部传感器(外部感知)：用于识别环境、工件情况或工件与机器人的关系。如：力觉、视觉、距离、听觉等传感器。对外部传感器的要求：①除精度高、响应速度快、测量范围宽外，尽量非接触测量，体积小、重量轻更加重要。②另外，还要求安装使用方便、安全可靠、对环境无不良影响。③通常安装在末端执行器上。机电工程学院113.1机器人常用传感器简介2.机器人传感器的分类控制器内部传感外部传感机器人位置传感器速度传感器加速度传感器力和压力传感器微动开关红外传感器接触和视觉传感器接近觉传感器超声波传感器视觉传感器语音合成器内传感器用于测量机器人自身状态测量与机器人作业有关的外部环境机电工程学院123.2机器人传感器的要求与选择一般要求抗干扰能力强稳定性和可靠性好精度高,重复性好质量轻,体积小,安装方便传感器选择完全取决于机器人的工作需要和应用特点。机电工程学院13特定的要求:因机器人的加工任务及工作环境不同适应加工任务的要求：选择传感器有针对性,如物料搬运,装配,喷漆,焊接,检验……满足机器人控制的要求：分辨率、灵敏度、线性度、响应时间、接口等满足机器人自身安全和机器人使用者的安全性要求成本：与机器人其他部分的设计要求相平衡3.2机器人传感器的要求与选择机电工程学院14机器人内传感器包括位移（位置）检测传感器、速度、加速度传感器等。一、位置检测传感器机器人位置检测传感器两类：1)检测规定位置例如，检测机器人的起始原点、终点位置或某个确定的位置。常见的有微型开关、光电开关等。2)测量可变位置和角度例如，测量机器人关节线位移和角位移的传感器等。常见的有电位器、旋转变压器、编码器等。3.3常用机器人内部传感器机电工程学院151.光电开关由LED光源、光敏二极管或光敏晶体管等光敏元件，相隔一定距离而构成的透光式开关。3.3常用机器人内部传感器机电工程学院161.光电开关1)特点：非接触检测，精度可达到0.5mm左右。2)类型：①漫反射式；②镜反射式；③对射式；④槽式；⑤光纤式。3.3常用机器人内部传感器机电工程学院171.光电开关①漫反射式光电开关：一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射光电开关原理是首选的检测模式。3.3常用机器人内部传感器光轴检测距离物体ESe通过检测接收光信号的强弱检测物体的有无机电工程学院181.光电开关3.3常用机器人内部传感器漫反射式光电开关的应用靠近物体,接收到的光信号就强机电工程学院191.光电开关②镜反射式光电开关：一种集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生检测开关信号。3.3常用机器人内部传感器反射镜机电工程学院201.光电开关③对射式光电开关：由在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器组成，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，就产生开关信号。特点：可辨别不透明的反光物体，有效距离大，不易受干扰，高灵敏度，高解析，高亮度，低功耗，响应时间快，使用寿命长等。当检测物体为不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测装置。3.3常用机器人内部传感器机电工程学院211.光电开关④槽式光电开关：通常采用标准U字型结构，又称U型光电开关，其发射器和接收器分别位于U形槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U形槽且阻断光轴时，光电开关就产生了开关量信号。槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体，并且它能分辨透明与半透明物体,使用安全可靠。3.3常用机器人内部传感器机电工程学院221.光电开关3.3常用机器人内部传感器槽式光电开关的应用机电工程学院231.光电开关3.3常用机器人内部传感器槽式光电开关的应用机电工程学院241.光电开关⑤光纤式光电开关：采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，可以对距离远的被检测物体进行检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。3.3常用机器人内部传感器检测原理机电工程学院251.光电开关3.3常用机器人内部传感器光纤式传感器的应用——IC脚位弯曲及脱落的检测机电工程学院262.编码式位移传感器——光电编码器光电编码器由光栅盘和光电检测装置（发光元件和光敏元件）组成，是角度（角速度）检测装置。通过光电转换，将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲数字量的传感器。具有体积小，精度高，工作可靠等优点，应用广泛。一般装在机器人各关节的转轴上，用来测量各关节转轴转过的角度。3.3常用机器人内部传感器机电工程学院27光电码盘随电动机转动，输出脉冲信号。根据旋转方向用计数器对输出脉冲计数就能确定电动机的位移或转速。根据其刻度方法及信号输出形式，分为增量式、绝对式以及混合式三种。透明圆盘上设置n条同心圆环，对环带进行二进制编码。16码道每个码道上黑（不透光）二进制数的1白（透光），二进制数的0码道沿径向具有不同的二进制值。码盘转动，光电元件接受光信号，并转成相应的数字电信号。3.3常用机器人内部传感器机电工程学院28增量式编码器3.3常用机器人内部传感器由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，如图所示。光敏元件零位标志光栏板及辨向用的A、B、C狭缝转轴盘码及狭缝也称光栅盘LEDABCABC机电工程学院29增量式编码器3.3常用机器人内部传感器机电工程学院303.电位器式位移传感器1)类型：直线电位器和圆形电位器，用作直线位移和角位移传感器。2)特点：结构简单，性能稳定可靠，精度高，较方便地选择其输出信号范围。3)工作原理：可动电刷与被测物体相连，物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。3.3常用机器人内部传感器机电工程学院31电位器式位移传感器位移和电压关系：式中：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(2)LeExE3.3常用机器人内部传感器机电工程学院32旋转型电位器式位移传感器直线型电位器式位移传感器3.3常用机器人内部传感器机电工程学院33二、速度传感器速度传感器：测量机器人关节速度。常用：①测速发电机、②增量光电编码器。测速发电机原理：把机械转速变换成电压信号，输出电压与输入的转速成正比。u=K*nK是常数直流测速发电机的结构原理1—永久磁铁；2—转子线圈；3—电刷；4—整流子3.3常用机器人内部传感器机电工程学院34测速发电机转子与机器人关节伺服驱动电动机相连，就能测出机器人运动过程中关节转动速度。测速发电机在机器人控制系统中有广泛的应用。直流测速发电机：①永磁式、②电磁式。结构与直流发电机相近。交流测速发电机：①同步测速发电机（一般只用作指示式转速计，较少用于自控系统的转速测量）②异步测速发电机（输出电压频率与励磁电压频率相同，与转速无关，输出电压与转速成正比，较常用）。3.3常用机器人内部传感器机电工程学院35小结：内传感器基本形式传感器种类特定位置,角度传感器微型开关,光电子开关任意位置,角度传感器电位器,旋转变压器,码盘,关节角传感器速度,角速度传感器测速发电机,码盘加速度传感器应变片式,伺服式,压电式,电动式倾斜角传感器液体式,垂直振子式方位角传感器陀螺仪,地磁