机器人中的传感器

机器人控制技术基础第7章7机器人的感觉SensesofRobotics7.1传感器的种类7.2触觉信息的获取7.3视觉信息的获取7.4距离信息的获取SensesofRobotics7.1传感器的种类1.传感器的分类内部传感器：检测机器人本身状态（手臂间角度等）的传感器。外部传感器：检测机器人所处环境（是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（抓取的物体滑落等）的传感器。外部传感器分为末端执行器传感器和环境传感器。末端执行器传感器：主要装在作为末端执行器的手上，检测处理精巧作业的感觉信息。相当于触觉。环境传感器：用于识别物体和检测物体与机器人的距离。相当于视觉。7.1传感器的种类2.内部状态的感觉（1）位置和角度传感器典型的传感器是电位计。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：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SensesofRobotics(2)LeExE7.1传感器的种类2.内部状态的感觉（1）位置和角度传感器另有光电传感器。SensesofRobotics7.1传感器的种类2.内部状态的感觉(2)角度传感器：回转式编码器。SensesofRobotics编码器——增量式和绝对式测量在增量式测量中，移动部件每移动一个基本长度单位，位置传感器便发出一个测量信号，此信号通常是脉冲形式。这样，一个脉冲所代表的基本长度单位就是分辨力，对脉冲计数，便可得到位移量。绝对式测量的特点是：每一被测点都有一个对应的编码，常以二进制数据形式来表示。绝对式测量即使断电之后再重新上电，也能读出当前位置的数据。典型的绝对式位置传感器有绝对式角编码器。增量式测量得到的脉冲波形数字式角编码器信号航空插头（参考德国沃申道夫公司资料）其他角编码器外形（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）其他角编码器外形（续）拉线式角编码器利用线轮，能将直线运动转换成旋转运动。一、绝对式编码器10码道光电绝对式码盘绝对式编码器按照角度直接进行编码，可直接把被测转角用数字代码表示出来。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等形式。透光区不透光区零位标志绝对式接触式编码器演示4个电刷4位二进制码盘+5V输入公共码道最小分辨角度为α=360°/2n2．绝对式光电编码器a）光电码盘的平面结构（8码道）b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4码道）高位低位绝对式光电编码器的分辨力及分辨率绝对式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘上的码道数n有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：α=360°/2n分辨率=1/2n增量式光电编码器的分辨力及分辨率增量式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数n有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：360n1n分辨率二、增量式编码器转轴盘码及狭缝光敏元件光栏板及辨向用的A、B狭缝LEDABC零位标志ABC光电编码器的输出波形为了判断码盘旋转的方向，在上图的光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的两个狭缝距离的（m+1/4）倍，m为正整数，并设置了两组光敏元件A、B，有时又称为sin、cos元件。辨向信号和零标志光电编码器的光栏板上有A组与B组两组狭缝，彼此错开1/4节距，两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号A、B彼此相差90相位，用于辩向。当编码正转时，A信号超前B信号90；当码盘反转时，B信号超前A信号90。在上一页图的码盘里圈，还有一根狭缝C，每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。三、角编码器的应用角编码器除了能直接测量角位移或间接测量直线位移外，可用于数字测速、工位编码、伺服电机控制等。M法测速（适合于高转速场合）T编码器每转产生N个脉冲，在T时间段内有m1个脉冲产生，则转速（r/min)为：n=60m1/（NT）m1例题T有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，在5s时间内测得65536个脉冲，则转速（r/min)为：n=60×65536/（1024×5）r/min=768r/minm1T法测速（适合于低转速场合）时钟脉冲fc编码器输出脉冲m2···编码器每转产生N个脉冲，用已知频率fc作为时钟，填充到编码器输出的两个相邻脉冲之间的脉冲数为m2，则转速(r/min)为n=60fc/（Nm2）T法测速举例时钟脉冲fc编码器输出脉冲m2···n=60fc/（Nm2）=60*1000000/（1024*3000）=19.53r/min有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，时钟频率fc为1MHz，则转速（r/min)为：安装套编码器的安装方式1.编码器的套式安装安装轴2.编码器的轴式安装编码器在数控加工中心的刀库选刀控制中的应用旋转刀库被加工工件刀具角编码器的输出为当前刀具号角编码器与旋转刀库连接编码器在伺服电机中的应用利用编码器测量伺服电机的转速、转角，并通过伺服控制系统控制其各种运行参数。•转速测量•转子磁极位置测量•角位移测量SensesofRobotics7.1传感器的种类3.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。SensesofRobotics7.1传感器的种类3.外部状况的感觉（2）物体探测传感器视觉传感器是一种识别物体而且知道其存在的传感器。例如光电开关。视觉传感器、光电开关和超声波传感器，即使物体较远也能探测其存在。SensesofRobotics7.1传感器的种类3.外部状况的感觉（3）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。SensesofRobotics7.1传感器的种类3.外部状况的感觉（4）距离传感器摄像机做距离传感器。具体留待4.4节介绍。超声波做距离传感器。可用于鱼群探测、金属内部探伤等方面。SensesofRobotics7.1传感器的种类3.外部状况的感觉（5）力觉传感器力觉传感器是检测力和力矩的施加地点大小方向三个两的传感器。力的检测主要是用电阻应变片（参看4.2节）。SensesofRobotics7.1传感器的种类3.外部状况的感觉（6）其他传感器利用声波：语音识别传感器。分析振动声音探测机械故障的点传感器。热传感器：点检传感器。通过分析敲打的声音测定果品成熟程度的传感器。根据近红外线的糖度吸收程度测定水果甜度的传感器SensesofRobotics7.2触觉信息的获取1.接触觉传感器接触觉传感器：探测是否接触到物体，传感器接受由于接触产生的柔量。微动开关：按下开关就能进入电信号的简单机构。猫胡须传感器：如图a,bSensesofRobotics7.2触觉信息的获取2.压觉传感器压觉传感器：检测物体同手爪间产生的压力和力以及其分布情况。利用压电元件或弹簧。如图是使用弹簧的平面传感器。SensesofRobotics7.2触觉信息的获取3.滑觉传感器滑觉传感器：检测垂直加压力方向的力和位移。SensesofRobotics7.2触觉信息的获取4.力觉传感器力觉传感器主要利用电阻应变片。原理：金属丝拉伸时电阻变大。SensesofRobotics7.2触觉信息的获取图中电压与电流关系：则：所以：221121;)(2)2(RIVIRRVRIIRRV12(/2)(/2)1/24VRRVVVRRVRRVVRR4（一）电阻应变式传感器导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转换电路等组成。1、应变片的工作原理2llRAr金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。1、应变片的工作原理设有一长度为l、截面积为A、半径为r、电阻率为的金属单丝，它的电阻值R可表示为当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大；又如，某些半导体受拉时，将变大，导致R变大。实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量RR与材料力学中的轴向应变x的关系在很大范围内是线性的，即2llRArxRKRK—电阻应变片的灵敏度微应变对于不同的金属材料，K略微不同，一般为2左右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍。在材料力学中，x称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变，是量纲为1的数。x通常很小，常用10-6表示之。在应变测量中，也常将之称为微应变。对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于110-3，即1000m/m，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。应变片用于测量力F的计算公式由材料力学可知，x=F/（AE），所以R/R又可表示为如果应变片的灵敏度K和试件的横截面积A以及弹性模量Ｅ均为已知，则只要设法测出R/R的数值，即可获知试件受力Ｆ的大小，例如可用于电子秤的称重。RFKRAE2、应变片的种类与结构应变片可分为金属应变片和半导体应变片金属应变片：金属丝式、箔式、薄膜式三种。目前箔式应变片应用较多。金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。箔式应变片的外形半导体应变片及金属丝式应变片的结构半导体应变片外形金属丝式应变片的内部结构应变片的粘贴：1.去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。3.测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。4.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。5.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。4、测量转换电路——不平衡电桥金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转换电路是如何将R/R转换为输出电压Uo的。电桥平衡的条件：R1/R2=R4/R3调节RP，最终可以使R1/R2=R4/R3（R1、R2是R1、R2并联RP后的等效电阻），电桥趋于平衡，Uo被预调到零位，这一过程称为调零。图中的R5是用于减小调节范围的限流电阻。单臂电桥全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。双臂电桥R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻。应变片R1、R2感受到的应变1~2以及产生的电阻增量正负号相反，可以使输出电压Uo成倍地增大。四臂全桥全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片R1~R4产生的电阻增量（或感受到的应变1~4）正负号相反，就可以使输出电压Uo成倍地增大。上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。全桥的温度补偿原理当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能克服温漂。5、应变效应的应用应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。应变式力传感器应变式力传感器FFFF各种