工业机器人-智能传感与感知

讲解人：Dou之所向工业机器人-智能传感与感知吉林大学机械与航空航天工程学院目录Content1工业机器人简介2工业机器人传感器3工业机器人感知简介Part1工业机器人工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。定义种类•移动机器（AGV）•点焊机器人•弧焊机器人•激光加工机器人•真空机器人-真空中使用（半导体工业）•洁净机器人-洁净环境使用种类•移动机器（AGV）-自动移载KUKA种类•移动机器（AGV）-自动移载平移、自转-子母轮种类解决方案四大家族ABBKUKAFANUCYASKAWA四大家族传感Part2工业机器人要求精度高、重复性好稳定性和可靠性好抗干扰能力强质量轻、体积小、安装方便适应加工任务要求满足机器人控制的要求满足安全性要求以及其它辅助工作的要求分类机器人传感器按用途可分为内部传感器和外部传感器。内部传感器：装在操作机上，包括位移、速度、加速度传感器，是为了检测机器人操作机内部状态，在伺服控制系统中作为反馈信号。外部传感器：如视觉、触觉、力觉距离等传感器，是为了检测作业对象及环境与机器人的联系。内部传感器1）规定位置、规定角度的检测检测预先规定的位置或角度，可以用开/关两个状态值，用于检测机器人的起始原点、越限位置或确定位置。a)微型开关：规定的位移或力作用到微型开关的可动部分(称为执行器)时，开关的电气触点断开或接通。限位开关通常装在盒里，以防外力的作用和水、油、尘埃的侵蚀。b)光电开关：光电开关是由LED光源和光敏二极管或光敏晶体管等光敏元件组成，相隔一定距离而构成的透光式开关。当光由基准位置的遮光片通过光源和光敏元件的缝隙时，光射不到光敏元件上，而起到开关的作用内部传感器2）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。a)电位器-电压变化b)旋转变压器-电压变化c)编码器-脉冲信号内部传感器3）速度、角速度测量速度、角速度测量是驱动器反馈控制必不可少的环节。有时也利用测位移传感器测量速度及检测单位采样时间位移量，但这种方法有其局限性：低速时测量不稳定的危险；高速时，只能获得较低的测量精度。最通用的速度、角速度传感器是测速发电机或成为转速表的传感器、比率发电机。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。内部传感器4）加速度测量随着机器人的高速比、高精度化，机器人的振动问题提上日程。为了解决振动问题，有时在机器人的运动手臂等位置安装加速度传感器，测量振动加速度，并把它反馈到驱动器上。a)应变片加速度传感器b)伺服加速度传感器c)压电感应加速度传感器外部传感器（1）触觉传感器触觉是接触、冲击、压迫等机械刺激感觉的综合，触觉可以用来进行机器人抓取，利用触觉可进一步感知物体的形状、软硬等物理性质。一般把检测感知和外部直接接触而产生的接触觉、压力、触觉及接近觉的传感器称为机器人触觉传感器。•接触觉•接近觉•滑觉外部传感器1)接触觉：接触觉是通过与对象物体彼此接触而产生的，所以最好使用手指表面高密度分布触觉传感器阵列，可检测机器人是否接触目标或环境，用于寻找物体或感知碰撞。①机械式传感器：利用触点的接触断开(微动开关)。②弹性式传感器：由弹性元件、导电触点和绝缘体构成。（碳纤维、导电橡胶、金属箔片变形与触点接触而导通）③光纤传感器：变形表面不同点对光线束反射强度不同，用高速光扫描技术进行处理，即可得到反射表面的受力情况。外部传感器2)接近觉接近觉是一种粗略的距离感觉，接近觉传感器的主要作用是在接触对象之前获得必要的信息，用来探测在一定距离范围内是否有物体接近、物体的接近距离和对象的表面形状及倾斜等状态。在机器人中，主要用于对物体的抓取和躲避。接近觉一般用非接触式测量元件，如霍尔效应传感器、电磁式接近开关和光学接近传感器。外部传感器以光学接近传感器为例，其结构如图:由发光二极管和光敏晶体管组成。发光二极管发出的光经过反射被光敏晶体管接收，接收到的光强和传感器与目标的距离有关，输出信号是距离的函数。外部传感器3)滑觉1)机器人在抓取不知属性的物体时，其自身应能确定最佳握紧力的给定值。当握紧力不够时，要检测被握紧物体的滑动，利用该检测信号，在不损害物体的前提下，考虑最可靠的夹持方法。2)滑觉传感器有滚动式和球式，还有一种通过振动检测滑觉的传感器。物体在传感器表面上滑动时，和滚轮或环相接触，把滑动变成转动。外部传感器例如振动式滑觉传感器，表面伸出的触针能和物体接触，物体滚动时，触针与物体接触而产生振动，这个振动由压电传感器或磁场线圈结构的微小位移计检测。外部传感器（2）力觉传感器力觉是指对机器人的指、肢和关节等运动中所受力的感知。如腕力觉、关节力觉和支座力觉。根据被测对象的负载，可以把力传感器分为测力传感器(单轴力传感器)、力矩表(单轴力矩传感器)、手指传感器(检测机器人手指作用力的超小型单轴力传感器)和六轴力觉传感器。检测方式：应变式、压电式等。外部传感器SRI腕力传感器应变片连接方式SRI腕力传感器外部传感器（3）距离传感器距离传感器可用于机器人导航和回避障碍物，也可用于机器人空间内的物体进行定位及确定其一般形状特征。1)超声波测距法超声波是频率20kHz以上的机械振动波，利用发射脉冲和接收脉冲的时间间隔推算出距离。缺点:波束较宽，其分辨力受到严重的限制，主要用于导航和回避障碍物。2)激光测距法激光测距法也可以利用回波法，或者利用激光测距仪，其工作原理如下：氦氖激光器固定在基线上，在基线的一端由反射镜将激光点射向被测物体，反射镜固定在电动机轴上，电动机连续旋转，使激光点稳定地对被测目标扫描。由CCD(电荷耦合器件)摄像机接受反射光，采用图像处理的方法检测出激光点图像，并根据位置坐标及摄像机光学特点计算出激光反射角。利用三角测距原理即可算出反射点的位置。外部传感器(4)其他外部传感器除以上介绍的机器人外部传感器外，还可根据机器人特殊用途安装听觉传感器、味觉传感器及电磁波传感器，而这些机器人主要用于科学研究、海洋资源探测或食品分析、救火等特殊用途。这些传感器多数属于开发阶段，有待于更进一步完善，以丰富机器人专用功能Part3感知工业机器人三维视觉传感器零件检测传感器碰撞检测传感器二维视觉传感器感知利用前面所讲述的各类传感器原理，我们可以为工业机器人提供完善的感知能力。例子：视觉传感器-物体夹取实现机械手姿态调整与夹取视觉传感器是机器视觉系统的核心，是提取环境特征最多的信息源。它既要容纳进行轮廓测量的各种光学、机械、电子、敏感器等各方面的元器件，又要体积小、重量轻。视觉传感器包括激光器、扫描电动机及扫描机构、角度传感器、线性CCD敏感器及其驱动板和各种光学组件。原理：三角测量法、立体视觉法等等。多传感器数据融合多传感器数据融合算法简介1.嵌入约束法由多种传感器所获得的客观环境的多组数据就是客观环境按照某种映射关系形成的像，传感器信息融合就是通过像求解原像，即对客观环境加以了解。嵌入约束法有两种基本的方法：贝叶斯估计和卡尔曼滤波。2.证据组合法分析传感器每一数据作为支持某种决策证据的支持程度，并将不同传感器数据的支持程度进行组合，分析出现有组合证据支持程度最大的决策。常用的证据组合方法有：概率统计方法、D-S证据推理法。3.人工神经网络法人工神经网络通过模仿人脑的结构和工作原理，设计和建立相应的机器和模型并完成一定的智能任务。神经网络根据当前系统所接收到的样本的相似性，确定分类标准。这种确定方法主要表现在网络权值分布上，同时可采用神经网络特定的学习算法来获取知识，得到不确定性推理机制。人机共舞匕首测试安全工业机器人人机协作感知能力工业机器人人机协作感知能力ABB-YuMi人机协作机器人YuMi是全球首款名副其实的人机协作机器人，既能与人类并肩执行相同的作业任务，又可确保其周边区域安全无虞。无论是手表、平板电脑还是其他各类产品,YuMi都能轻松处理，甚至连穿针引线也不在话下，YuMi将彻底改变我们对装配自动化的固有思维。JiLinUniversityThanks感谢聆听