智慧制造-机器人传感技术与控制

智慧制造:机器人传感技术与控制第一代机器人：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。机器人传感器分为内部传感器和外部传感器。机器人的内部传感器是安装在机器人自身中,用来感知它自己的状态，以调整并控制机器人的行动。它通常由位置、速度、加速度及压力传感器组成。机器人的外部传感器是检测环境、目标的状态特征，使机器人--环境发生交互作用，从而使机器人对环境有自校正和自适应能力。类型：包括触觉传感器、视觉传感器、接近觉传感器、听觉传感器等。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多指协调控制抓取规划多指多关节灵巧机械手三个手指3个关节电机角度传感器复合触觉传感器通过从结构与功能上模仿人手，实现对各种形状物体的灵巧操作，精确的力控制与运动控制传感器在机器人身上分布5.1机器人内部传感器机器人内传感器包括位移（位置）传感器、速度、加速度传感器等。一、位置传感器1.电位器式位移传感器直线电位器和圆形电位器，用作直线位移和角位移传感器。电位器式位移传感器结构简单，性能稳定可靠，精度高，较方便地选择其输出信号范围。电位器式位移传感器的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。电位器式位移传感器位移和电压关系：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EEeL)2(旋转型电位器式位移传感器直线型电位器式位移传感器2.旋转光电编码器旋转光电编码器是角度、角速度检测装置，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或角速度。编码器在机器人中的应用伺服电机伺服电机编码器伺服电机伺服电机编码器编码器编码器(1)绝对式编码器绝对式编码器按照角度直接进行编码，直接用数字代码表示。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等。绝对式光电编码器的编码盘由透明及不透明区组成。接触式4个电刷4位二进制码盘最小分辨角＝360°／2n当n＝4，＝360°／24＝22.5°导电为“1”，非导电为“0”绝对式光电编码器原理光电式LED光敏元件光电编码器位置测量动画演示（2）增量式光电编码器的结构码盘光栏板LED零位标志（一转脉冲）光敏元件＝360／条纹数＝360／1024＝0.352透光条纹90ABAB辨向：光敏元件所产生的信号A、B彼此相差90相位。当码盘正转时，A信号超前B信号90；当码盘反转时，B信号超前A信号90。零位标记槽LED光源编码盘透光槽均匀分布零位读出光电元件“一转信号”或零标志脉冲，测量的起始基准增量式编码器原理动画演示绝对式编码器输出二进制编码，增量式编码器输出脉冲。二、速度传感器速度传感器：测量机器人关节速度。测速发电机、增量光电编码器。测速发电机：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=KnK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。直流测速发电机交流测速发电机光电编码器转速测量动画演示5.2机器人外部传感器外部传感器用来检测机器人所处环境及目标状况，从而使得机器人能够与环境发生交互作用并对环境具有自我校正和适应能力。如：是什么物体，离物体的距离有多远，抓取的物体是否滑落等。广义来看，机器人外部传感器就是具有人类五官的感知能力的传感器。外力沿压电材料特定晶向作用使晶体产生形变，在相应的晶面上将产生电荷，去掉外力后压电材料又重回不带电状态，这种由外力作用产生电极化的现象叫正压电效应。逆压电效应：压电效应是可逆的。在压电材料特定晶向施加电场时，不仅有极化现象发生，还特产生机械形变。去掉电场，应力和形变也随之消失，这种现象称作逆压电效应。半导体材料受到外力作用时电阻率会发生变化。原因是外力作用使原子点阵排列发生变化，晶格间距的改变使禁带宽度变化，导致载流子迁移率及浓度变化，即电阻率发生变化。压阻效应压电效应物质在光照作用下释放电子的现象称为光电效应，释放的电子叫光电子，光电子在外电场作用下形成的电流叫光电流。由实验发现的光电效应的规律是光电流大小与入射光频率有关，当入射光频率低于某一极限频率时，将不产生光电效应。只有当入射光频率高于极限额串时，光电流的大小才与入射光强度成正比。在既无外电场也无外力作用时，电石、水晶等晶体材料受温度变化的影响，其晶格的原子排列发生变化，也能产生自发极化。这是由于当环境温度变化时，晶体的热膨胀和热振动状态发生变化，在晶面上将产生电荷，表现出自发极化现象，称作热释电效应。热释电效应光电效应一、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。主要包括腕力、关节力、指力和支座力传感器，是机器人重要的传感器之一。关节力传感器:测量驱动器本身的输出力和力矩，用于控制中的力反馈。腕力传感器：测量作用在末端执行器上的各向力和力矩。指力传感器：测量夹持物体手指的受力情况。力觉传感器主要使用的元件是电阻应变片。113172212533234363844448552566616365677800000000000000000000000000000000xyzxyzWkkWFkkWFkkkkWFkkWMkkWMkkkkWMWF六维腕力传感器具有八个窄长的弹性梁，每个梁只传递力。梁的另一头贴有应变片。图中从Px+到Qy-代表了8根应变梁的变形信号的输出。日本大和制衡株式会社林纯一研制的腕力传感器。整体轮辐式结构，传感器在十字梁与轮缘联结处有一个柔性环节，在四根交叉梁上共贴有32个应变片（图中小方块），组成8路全桥输出。十字梁腕力传感器二、接近觉传感器接近觉传感器：感知传感器与物体之间接近程度。主要有两个用途：避障和防止冲击。移动机器人绕开障碍物机械手抓取物体时柔性接触探测的距离一般在几毫米到十几厘米之间。一般采用非接触型测量元件。常用有电涡流式、光纤式、超声波式及红外线式等类型。1.电涡流式传感器变化的磁场将在金属体内产生感应电涡流。涡流的大小随金属体表面与线圈的距离大小而变化。当电感线圈内通以高频电流时，金属体表面的涡流电流反作用于线圈L，改变L内的电感大小。通过检测电感便可获得线圈与金属体表面的距离信息。2.光纤式传感器光纤在远距离通信和遥测方面应用广泛。光纤接近觉传感器可以检测较远距离的目标。具有抗电磁干扰能力强，灵敏度高，响应快的特点。只能检测出不透明物体可检测透光和不透光材料可检测透光或半透光物体反射光3.超声波接近觉传感器检测物体的存在和测量距离，不能用于测量小于30至50cm的距离。利用超声波检测迅速、简单方便、对材料的依赖性小、易于实时控制，测量精度高，应用广泛。在移动式机器人上，检验前进道路上的障碍物，避免碰撞。超声波传感器对于水下机器人的作业非常重要。水下机器人安装超声波传感器后能使其定位精度达到微米级。时间与超声波的传播速度和距离成正比测量出超声波从物体发射经反射回到该物体（被接收）的时间超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播途中碰到障碍物即返回，超声波接收器收到反射波立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2-------时间差测距法。超声波测距误差：一是计时误差。当要求测距误差小于1mm时，若超声波速度C=344m/s(20℃室温)，忽略声速的传播误差，时间误差△t(0.001/344)≈0.000002907s，即2.907毫秒。采用MHz级的高精度石英晶振一般可以达到微秒量级误差。另一个是传播速度误差。超声波传播速度受空气密度影响，空气密度越高则超声波传播速度就越快，而空气密度又与温度有关。当温度0℃时超声波速度是332m/s,30℃时是350m/s，超声波速度变化为18m/s。若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离，测量误差达到5m，测量1m误差将达到5mm。超声波测距原理4.红外线接近觉传感器任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。非接触式测量，红外发光管发射经调制的信号，经目标物反射，红外光敏管接收到红外光强的调制信号。具有灵敏度高，响应快等优点。发送器和接收器都很小，能够装在机器人夹手上。易于检测出工作空间内是否存在某个物体。三、触觉传感器触觉是仅次于视觉的一种重要感知形式。触觉能保证机器人可靠地抓握各种物体，也能使机器人获取环境信息，识别物体形状和表面纹理，确定物体空间位置和姿态参数。机器人触觉与视觉一样，基本上是模拟人的感觉。广义上包括接触觉、压觉、力觉、滑觉等与接触有关的感觉。狭义上它是机械手与对象接触面上的力感觉。触觉传感器：测量自身敏感面和外界物体相互作用。触觉传感器的作用：(1)感知操作手指的作用力，使手指动作适当。(2)识别操作物的大小、形状、质量及硬度等。(3)躲避危险，以防碰撞障碍物。抓住鸡蛋触觉开关传感器最早的触觉传感器为开关式传感器，只有0和1两个信号，用于表示接触与不接触。光电开关由发射器、接收器和检测电路三部分组成。发射器对准目标发射光束，在光束被中断时产生一个开关信号变化指端应变式触觉传感器柔顺指端结构柔顺人工指端用金属弹性薄板4作弹性元件，应变片3作敏感元件，两个金属弹性薄板4安装在支撑座1上。当人工手指抓握物体时，触头7向左滑动，由压头5作用在弹性元件4上。凸缘到盖板的距离为最大量程。当被抓物体重量超过最大量程时，凸缘与盖板接触，将力传到底座2上。触头7右侧为封装电变流体部分，两层导电橡胶11之间用海绵隔开，海绵层填充电变流体。电流变流体作为人工手指的皮下组织介质，没有通电时．电流变流体层作保护层用；通电时，变成塑性体，借助电流变流体的柔顺可控性稳定抓握，防止被抓物体滑落。电流变流体是一种极具工程应用价值的新型智能材料。电流变流体是一种加入非导电介质微粒和高分子表面活性剂混合而成的液体，因其独特的电流变效应成为材料科学领域的研究热点。电流变效应指液体在电场作用下,电流变流体的力学性质发生变化甚至相变固化。这种变化是可逆的、连续无级的和可控制的。电流变效应的这种特性使电流变流体具有广阔的工程应用前景。电流变流体压阻阵列触觉传感器基本结构：压阻材料上面排列平行的列电极，下面排列平行的行电极，压阻材料放在中间，行列电极的交叉点构成阵列触觉触元。压阻阵列触觉传感器指标：阵列数、阵列密度、灵敏度、柔顺性和强固性。柔软的压阻敏感材料压阻材料：导电橡胶、碳毡(CSA)和碳纤维等。导电橡胶导电橡胶是在橡胶类材料中添加金属微粒而构成的聚合高分子导电材料，具有柔顺性，电阻随压力的变化而变化。导电橡胶作为压阻材料，工作温度范围宽，可塑性好，可浇铸成复杂(指尖)形状复合曲面，其输出电压信号强，频率响应可达至100Hz，但易疲劳、蠕变大、滞后大。导电橡胶受压时接触面积增加，电阻下降D型截面导电橡胶作行连接导线和列导电带构成行列寻址阵列。正向压力通过改变D型截面橡胶的变形程度来改变行与列间的接触电阻碳毡(CSA)碳毡是一种渗碳纤维材料，灵敏度