1、第4章 工業機器人的環境感覺技術 4.1 工業機器人的視覺 4.2 工業機器人的觸覺 4.3 工業機器人的位置及位移 4.4 多感覺智能機器人 習題 4.1工業機器器人的視視覺4.1.1視視覺系統統的硬件件組成視覺系統統可以分分為圖像像輸入(獲取)、圖像像處理、圖像理理解、圖圖像存儲儲和圖像像輸出幾幾個部分(見圖4.1)。實際系統統可以根根據需要要選擇其其中的若若干部件件。圖4.1視覺系統統的硬件件組成1.視視覺傳感感器視覺傳感感器是將將景物的的光信號號轉換成成電信號號的器件件。大多多數機器器人視覺覺都不必必通過膠膠卷等媒媒介物,而是直直接把景景物攝入入。過去去經常使使用光導導攝像等等電視攝攝

2、像機作作為機器器人的視視覺傳感感器,近近年來來開發了了CCD(電荷耦合合器件)和MOS(金屬氧化化物半導導體)器器件等組組成的固固體視覺覺傳感器器。固體體傳感器器又可以以分為一一維線性性傳感器器和二維維線性傳傳感器,目前二二維線性性傳感器器已經能能做到四四千個像像素以上上。由于于固體視視覺傳感感器具有有體積小小、重重量輕等等優點, 因此此應用日日趨廣泛。由視覺傳傳感器得得到的電電信號, 經過過AD轉換成數數字信號號,稱稱為數字字圖像。一般地地,一個個畫面可可以分成成256256像素素、512512像素或或10241024像素,像素的的灰度可可以用4位或8位二進進制數來來表示。一般情情況下, 這

3、么么大的信信息量對對機器人人系統來來說是足足夠的。要求比比較高的的場合,還可以以通過彩彩色攝像像系統或或在黑白白攝像管管前面加加上紅、綠、藍藍等濾光光器得到到顏色信信息和較較好的反反差。如果能在在傳感器器的信息息中加入入景物各各點與攝攝像管之之間的距距離信息息,顯然然是很有有用的。每個像像素都含含有距離離信息的的圖像, 稱之之為距離離圖像。目前,有人正正在研究究獲得距距離信息息的各種種辦法,但至今還還沒有一一種簡單單實用的的裝置。2.攝攝像機和和光源控控制機器人的的視覺系系統直接接把景物物轉化成成圖像輸輸入信號號,因因此取景景部分應應當能根根據具體體情況自自動調節節光圈的的焦點, 以便便得到一

4、一張容易易處理的的圖像。為此應應能調節節以下幾幾個參量量:(1)焦焦點能能自動對對準要看看的物體體。(2)根根據光光線強弱弱自動調調節光圈圈。(3)自自動轉轉動攝像像機,使使被攝攝物體位位于視野野中央。 (4)根根據目目標物體體的顏色色選擇濾濾光器。 此外,還應當調調節光源源的方向向和強度度,使目標物物體能夠夠看得更更清楚。3.計計算機由視覺傳傳感器得得到的圖圖像信息息要由計計算機存存儲和處處理,根根據各各種目的的輸出處處理后的的結果。20世世紀80年代以以前,由由于微計計算機的的內存量量小,內內存的價價格高, 因此此往往另另加一個個圖像存存儲器來來儲存圖圖像數據據。現在在,除除了某些些大規模

5、模視覺系系統之外外,一一般都使使用微計計算機或或小型機機。除了通過過顯示器器顯示圖圖形之外外,還可可以用打打印機或或繪圖儀儀輸出圖圖像，且且使用轉轉換精度度為8位位A/D轉換器就就可以了了。但由由于數據據量大,要求轉換換速度快快,目前已在在使用100MB以上的8位AD轉換芯片片。4.圖圖像處理理機一般計算算機都是是串行運運算的, 要處處理二維維圖像很很費時間間。在在要求較較高的場場合,可可以設設置一種種專用的的圖像處處理機,以便縮縮短計算算時間。 圖像像處理只只是對圖圖像數據據做了一一些簡單單、重復復的預處理理,數據進入入計算機機后,還要進行行各種運運算。4.1.2機機器人視視覺的應應用1.弧

6、焊過程程中焊槍槍對焊縫縫的自動動對中圖4.2所示為為具有視視覺焊縫縫對中的的弧焊機機器人的的系統結結構。圖圖像傳傳感器直直接安裝裝在機器器人末端端執行器器。焊接接過程中中,圖像像傳感器器對焊縫縫進行掃掃描檢測測,獲獲得焊前前區焊縫縫的截面面參數曲曲線，計計算機機根據該該截面參參數計算算出末端端執行器器相對焊焊縫中心心線的偏偏移量,然后發出出位移修修正指令令,調整整末端執執行器直直到偏移移量=0為止。瑞瑞典ASEA公司研制制的Opotocator弧焊用視視覺系統統,安安裝在距距工件175mm高度,視視野寬度度32mm,分辨率0.06mm;安裝在IRL62弧焊機器器人上能能達到對對中精度度為0.4

7、0mm。這種傳感感器還可可測量出出鋼板厚厚度,能能自動調調節弧焊焊電流, 從而而保證焊焊接質量量,并并使厚度度為0.80mm的薄鋼板板焊接成成為可能能。弧焊焊機器人人裝上視視覺系統統后給編編程帶來來了方便便,編編程時只只需嚴格格按圖樣樣進行。 在焊焊接過程程中產生生的焊縫縫變形、裝卡及及傳動系統的的誤差均均可由視視覺系統統自動檢檢測并加加以補償償。圖4.2具有視覺覺焊縫對對中的弧弧焊機器器人的系系統結構構圖4.3實現機器器人弧焊焊工作焊焊縫的自自動跟蹤蹤原理圖圖2.裝裝配作業業中的應應用圖4.4所示為為一個吸吸塵器自自動裝配配實驗系系統,由由2臺臺關節機機器人和和7臺圖圖像傳感感器組成成。組裝

8、裝的吸塵塵器部件件包括底底盤、氣氣泵和過過濾器等等,都都自由堆堆放在右右側備料料區,該該區上方方裝設三三臺圖像像傳感器器(、),用用以分辨辨物料的的種類和和方位。機器人人的前部部為裝配配區,這這里有4臺圖像像傳感器器A、B、C和和D,用用來對對裝配過過程進行行監控。使用這這套系統統裝配一一臺吸塵塵器只需需2分鐘鐘。圖4.4吸塵器自自動裝配配實驗系系統3.機機器人非非接觸式式檢測在機器人人腕部配配置視覺覺傳感器器,可用用于對異異形零件件進行非非接觸式式測量, 如圖圖4.5所示。這種測測量方法法除了能能完成常常規的空空間幾何何形狀、形體相相對位置置的檢測測外,如如配上超超聲、激激光、x射線探測測裝

9、置,則還可進進行零件件內部的的缺陷探探傷、表面涂層層厚度測測量等作作業。圖4.5具有視覺覺系統的的機器人人進行非非接觸式式測量4.利利用視覺覺的自主主機器人人系統日本日立立中央研研究所研研制的具具有自主主控制功功能的智智能機器器人,可可以用用來完成成按圖裝裝配產品品的作業業,圖4.6所所示為其其工作示示意圖。它的兩兩個視覺覺傳感器器作為機機器人的的眼睛,一個用用于觀察察裝配圖圖紙，并并通過計計算機來來理解圖圖中零件件的立體體形狀及及裝配關關系;另另一個個用于從從實際工工作環境境中識別別出裝配配所需的的零件,并對其其形狀、位置、姿態等等進行識識別。此此外,多多關節機機器人還還帶有觸觸覺。利利用這

10、這些傳感感器信息息,可以以確定裝裝配順序序和裝配配方法, 逐步步將零件件裝成與圖紙紙相符的的產品。圖4.6日立自主主控制機機器人工工作示意意圖從功能上上看,這這種機器器人具有有圖形識識別功能能和決策策規劃功功能,前前者可可以識別別一定的的目標(如宏指指令)、裝配圖圖紙、多多面體等等;后后者可以以確定操操作序列列,包包括裝配配順序、手部軌軌跡、抓抓取位置置等。這這樣,只只要對機機器人發發出類似似于人的的表達形形式的宏宏指令, 機器器人則會會自動考考慮執行行這些指指令的具具體工作作細節。該機器器人已成成功地進進行了印印刷板檢檢查和晶晶體管、電動機機等裝配工作。4.2工業機器器人的觸觸覺為使機器器人

11、準確確地完成成工作,需時刻刻檢測機機器人與與對象物物體的配配合關系系。機機器人觸觸覺可分分成接觸觸覺、接接近覺、壓覺、滑覺和和力覺五五種,如如圖4.7所所示。觸觸頭可裝裝配在機器器人的手手指上,用來判斷斷工作中中各種狀狀況。圖4.7機器人觸觸覺4.2.1機機器人的的接觸覺覺1.接觸覺傳傳感器圖4.8所示的的接觸覺覺傳感器器由微動動開關組組成,根根據用用途不同同配置也也不同, 一般般用于探探測物體體位置、探索路路徑和安安全保護護。這類類配置屬屬于分散散裝置,即把單單個傳感感器安裝裝在機械械手的敏敏感位置上上。圖 4.8接接觸覺傳傳感器(a)點式; (b)棒式;(c)緩沖器式式; (d)平板式;

12、(e)環式圖4.9所示為為二維矩矩陣接觸觸覺傳感感器的配配置方法法,一一般放在在機器人人手掌的的內側。圖中柔柔軟導體體可以使使用導電電橡膠、浸含導導電涂料料的氨基基甲酸乙乙酯泡沫沫或炭素素纖維等等材料。陣列式式接觸覺覺傳感器器可用于于測定自自身與物物體的接接觸位置置、被握握物體中中心位置置和傾斜斜度,甚甚至還還可以識別物體體的大小小和形狀狀。圖4.9矩陣式接接觸覺傳傳感器2.接接觸覺應應用圖4.10(a)所示為一一個具有有接觸覺覺識別功功能的機機器人,共有四四個自由由度(兩兩個移動動和兩個個轉動),由由一臺微微機控制制,各軸軸運動是是由直流流電機閉閉環驅動動。手部部裝有壓壓電橡膠膠接觸覺覺傳感

13、器,識別軟件件具有搜搜索和識識別的功功能。圖4.10具有接觸觸搜索識識別功能能的機器器(1)搜搜索過過程。機機器人有有一扇形形截面柱柱狀操作作空間, 手爪爪在高度度方向進進行分層層搜索, 對每每一層可可根據預預先給定定的程序序沿一定定軌跡進進行搜索索。搜索索過程中中,假定定在位位置遇到到障礙物物,則則手爪上上的接觸觸覺傳感感器就會會發出停停止前進進的指令令,使使手臂向向后縮回回一段距距離到達達位置置。如果果已經避避開了障障礙物, 則再再前進至至,又又伸出出到, 再運運動到處與障障礙物再再次相碰碰。根據據、的位位置計算算機就能能判斷被被搜索物物體的位位置。再再按、 的的順序接接近就能能對搜索的目

14、標標物進行行抓取,如圖4.10(b)所示。(2)識識別功功能。圖圖4.11是一一個配置置在手上上的由34個個觸覺元元件組成成的表面面陣列觸觸覺傳感感器,識識別對象象為一長長方體。假定手手與搜索索對象的的已知接接觸目標標模式為為x*,手的的每一步步搜索得得到的接接觸信息息構成了了接觸模模式xi,機器人人根據每每一步搜搜索的接接觸模式式x1、x2、x3不斷計計算、估估計、調調整手的的位姿, 直到到目標模模式與接接觸模式式相符合合為止。圖4.11用接觸覺覺陣列傳傳感器引引導隨機機搜索每一步搜搜索過程程由三部部分組成成: 接觸觸覺信息息的獲取取、量量化和對對象表面面形心位位置的估估算; 對象象邊緣特特

15、征的提提取和姿姿勢估算算; 運動動計算及及執行運運動。要判定搜搜索結果果是否滿滿足形心心對中、姿勢符符合要求求,則還還可設置置一個目目標函數數,要要求目標標函數在某某一尺度度下最優優,用這樣的的方法可可判定對對象的存存在和位位姿情況況。4.2.2機機器人的的接近覺覺接近覺是是指機器器人能感感覺到距距離幾毫毫米到十十幾厘米米遠的對對象物或或障礙物物,能能檢測出出物體的的距離、相對傾傾角或對對象物表表面的性性質。這這是非接接觸式感感覺。接近覺傳傳感器可可分為6種:電電磁式式(感應應電流式式)、光光電式(反射或或透射式式)、靜靜電容式式、氣壓壓式、超超聲波式式和紅外外線式, 如圖圖4.12所示示。圖

16、 4.12接接近覺覺傳感器器電磁式傳傳感器在在一個線線圈中通通入高頻頻電流, 就會會產生磁磁場,這這個磁磁場接近近金屬物物時,會會在金金屬物中中產生感感應電流流,也也就是渦渦流。渦渦流大大小隨對對象物體體表面和和線圈距距離的大大小而變變化,這這個變變化反過過來又影影響線圈圈內磁場場強度。磁場強強度可用用另一組組線圈檢檢測出來來,也也可以根根據激磁磁線圈本本身電感感的變化化或激勵勵電流的的變化來來檢測。 圖4.13是它的的原理圖圖。這這種傳感感器的精精度比較較高,而而且可可以在高高溫下使使用。由由于工業業機器人人的工作作對象大大多是金金屬部件件,因因此電磁磁式接近近覺傳感感器應用用較廣, 在焊焊

17、接機器器人中可可用它來來探測焊焊縫。圖 4.13電電磁式式接近覺覺傳感原原理圖光反射式式接近覺覺傳感器器由于光光的反射射量受到到對象物物體的顏顏色、粗粗糙度度和表面面傾角的的影響, 精度度較差, 應用用范圍小小。靜電容式式接近覺覺傳感器器是根據據傳感器器表面與與對象物物體表面面所形成成的電容容隨距離離變化的的原理制制成的。將這個個電容串串接在電電橋中, 或者者把它當當作RC振蕩器器中的元元件,都都可以以檢測距距離。氣壓式接接近覺傳傳感器的的原理如如圖4.14所所示,由由一根根細的噴噴嘴噴出出氣流。 如果果噴嘴靠靠近物體體,則則內部壓壓力會發發生變化化,這這一變化化可用壓壓力計測測量出來來。圖圖

18、中曲線線表示在在氣壓P的情況下下,壓壓力計的的壓力與與距離d之間的關關系。它它可用于于檢測非非金屬物物體,尤尤其適適用于測測量微小小間隙。圖 4.14氣氣壓式式接近覺覺傳感原原理圖4.2.3機機器人的的壓覺圖4.15所示示為陣列列式壓覺覺傳感器器。圖(a)由由條狀的的導電橡橡膠排成成網狀, 每個個棒上附附上一層層導體引引出,送送給掃描描電路; 圖(b)則則由單向向導電橡橡膠和印印制電路路板組成成,電電路板上上附有條條狀金屬屬箔,兩兩塊板板上的金金屬條方方向互相相垂直; 圖(c)為為與陣列列式傳感感器相配配的陣列列式掃描描電路。圖 4.15陣陣列式式壓覺傳傳感器(a)網網狀排排列的導導電橡膠膠；

19、(b)單單向導導電橡膠膠和印刷刷電路板板；(c)陣陣列式式掃描電電路比較高級級的壓覺覺傳感器器是在陣陣列式觸觸點上附附一層導導電橡膠膠,并并在基板板上裝有有集成電電路,壓壓力的的變化使使各接點點間的電電阻發生生變化, 信號號經過集集成電路路處理后后送出, 如圖圖4.16所示示。圖 4.16高高級分分布式壓壓覺傳感感器圖4.17所示示為變形形檢測器器,用用壓力使使橡膠變變形,可可用普普通橡膠膠作傳感感器面, 用光光學和電電磁學等等手段檢檢測其變變形量。和直接接檢測壓壓力的方方法相比比,這這種方法法可稱為為間接檢檢測法。圖 4.17變變形檢檢測器4.2.4機機器人的的滑覺機器人的的握力應應滿足物物

20、體既不不產生滑滑動而握握力又為為最小臨臨界握力力。如如果能在在剛開始始滑動之之后便立立即檢測測出物體體和手指指間產生生的相對對位移, 且增增加握力力就能使使滑動迅迅速停止止,那那么該物物體就可可用最小小的臨界界握力抓抓住。檢測滑動動的方法法有以下下幾種: (1)根根據滑滑動時產產生的振振動檢測測,如如圖4.18(a)所所示。(2)把把滑動動的位移移變成轉轉動,檢檢測其其角位移移,如如圖4.18(b)所所示。(3)根根據滑滑動時手手指與對對象物體體間動靜靜摩擦力力來檢測測,如如圖4.18(c)所所示。(4)根根據手手指壓力力分布的的改變來來檢測, 如圖圖4.18(d)所示示。圖 4.18滑滑動引

21、引起的物物理現象象(a)振振動； (b)轉轉動；(c) 剪動動力;(d) 移位位圖4.19所示示是一種種測振式式滑覺傳傳感器。傳感器器尖端用用一個0.05mm的鋼鋼球接觸觸被握物物體,振振動通通過杠桿桿傳向磁磁鐵,磁磁鐵的的振動在在線圈中中感應交交變電流流并輸出出。在傳傳感器中中設有橡橡膠阻尼尼圈和油油阻尼器器。滑動動信號能能清楚地地從噪聲聲中被分分離出來來。但但其檢測測頭需直直接與對對象物接接觸,在在握持持類似于于圓柱體體的對象象物時, 就必必須準確確選擇握握持位置置,否否則就不不能起到到檢測滑滑覺的作作用;而而且其其接觸為為點接觸觸,可可能因造造成接觸觸壓力過過大而損損壞對象象表面。圖 4

22、.19測測振式式滑覺傳傳感器圖4.20所示示的柱型型滾輪式式滑覺傳傳感器比比較實用用。小型型滾輪安安裝在機機器人手手指上, 其表表面稍突突出手指指表面, 使物物體的滑滑動變成成轉動。 滾輪輪表面貼貼有高摩摩擦因數數的彈性性物質, 一般般用橡膠膠薄膜。 用板板型彈簧簧將滾輪輪固定, 可以以使滾輪輪與物體體緊密接接觸,并并使滾滾輪不產產生縱向向位移。滾輪內內部裝有有發光二二極管和和光電三三極管, 通過過圓盤形形光柵把把光信號號轉變為為脈沖信信號。圖 4.20柱柱型滾滾輪式滑滑覺傳感感器(a)機機器人人夾持器器；(b)傳傳感器器滾輪式傳傳感器只只能檢測測一個方方向的滑滑動。圖圖4.21所示示為南斯斯

23、拉夫貝貝爾格萊萊德大學學研制的的機器人人專用滑滑覺傳感感器。它它由一個個金屬球球和觸針針組成, 金屬屬球表面面分成許許多個相相間排列列的導電電和絕緣緣小格。 觸針針頭很細細,每每次只能能觸及一一格。當當工件滑滑動時, 金屬屬球也隨隨之轉動動,在在觸針上上輸出脈脈沖信號號。脈沖沖信號的的頻率反反映了滑滑移速度度,脈脈沖信號號的個數數對應滑滑移的距距離。接接觸器觸觸頭面積積小于球球面上露露出的導導體面積積,它它不僅可可做得很很小,而而且提提高了檢檢測靈敏敏度。球球與被被握物體體相接觸觸,無無論滑動動方向如如何,只只要球球一轉動動,傳傳感器就就會產生生脈沖輸輸出。該該球體在在沖擊力力作用下下不轉動動

24、,因因此抗干干擾能力力強。圖 4.21球球形滑滑覺傳感感器從機器人人對物體體施加力力的大小小看,握握持方方式可分分為三類類:(1)剛剛力握握持機器器人手指指用一個個固定的的力,通通常是是用最大大可能的的力握持持物體。 (2)柔柔力握握持根據據物體和和工作目目的不同同,使使用適當當的力握握持物體體。握握力可變變或是自自適應控控制的。 (3)零零力握握持可握握住物體體但不用用力,即即只感感覺到物物體的存存在。它它主要要用于探探測物體體、探索索路徑、識別物物體的形形狀等目目的。4.2.5機機器人的的力覺機器人作作業是一一個其與與周圍環環境的交交互過程程。作業業過程有有兩類: 一類類是非接接觸式的的,

25、如如弧焊、噴漆等等,基基本不涉涉及力; 另一一類工作作是通過過接觸才才能完成成的,如如擰螺螺釘、點點焊、裝裝配、拋拋光、加工等等。目前前已有將將視覺和和力覺傳傳感器用用于非事事先定位位的軸孔孔裝配, 其中中,視視覺完成成大致的的定位, 裝配配過程靠靠孔的倒倒角作用用不斷產產生的力力反饋得得以順利利完成。又如高高樓清潔潔機器人人,當當它擦干干凈玻璃璃時,顯顯然用用力不能能太大也也不能太太小,這這要求求機器人人作業時時具有力力控制功功能。當當然,對對于機機器人的的力傳感感器,不不僅僅僅是上面面描述的的機器人人末端執執行器與與環境作作用過程程中發生生的力測測量,還還有如如機器人人自身運運動控制制過程

26、中中的力反反饋測量量、機機器手爪爪抓握物物體時的的握力測測量等。通常將機機器人的的力傳感感器分為為以下三三類:(1)裝裝在關關節驅動動器上的的力傳感感器,稱稱為關關節力傳傳感器。 它測測量驅動動器本身身的輸出出力和力力矩,用用于控控制中的的力反饋饋。(2)裝裝在末末端執行行器和機機器人最最后一個個關節之之間的力力傳感器器,稱稱為腕力力傳感器器。腕腕力傳感感器能直直接測出出作用在在末端執執行器上上的各向向力和力力矩。(3)裝裝在機機器人手手爪指關關節上(或指上上)的力力傳感器器,稱稱為指力力傳感器器。它它用來測測量夾持持物體時時的受力力情況。圖4.22所示示為Draper實驗驗室研制制的六維維腕

27、力傳傳感器的的結構。 它將將一個整整體金屬屬環周壁壁銑成按按120周向向分布的的三根細細梁。其其上部部圓環上上有螺孔孔與手臂臂相聯, 下部部圓環上上的螺孔孔與手爪爪聯接, 傳感感器的測測量電路路置于空空心的彈彈性構架架體內。該傳感感器結構構比較簡簡單,靈靈敏度度也較高高,但但六維力力(力矩矩)的獲獲得需要要解耦運運算,傳傳感器器的抗過過載能力力較差, 較易易受損。圖 4.22Draper的腕力力傳感器器圖4.23所示示是SRI(StanfordResearchInstitute)研制制的六維維腕力傳傳感器。 它由由一只直直徑為75mm的鋁鋁管銑削削而成, 具有有八個窄窄長的彈彈性梁, 每一一個

28、梁的的頸部開開有小槽槽以使頸頸部只傳傳遞力, 扭矩矩作用很很小。在在梁的另另一頭兩兩側貼有有應變片片,若若應變片片的阻值值分別為為R1、R2, 則將將其連成成如圖4.24所示的的形式輸輸出,由由于R1、R2所受應變變方向相相反,因因此Vout輸出比使使用單個個應變片片時大一一倍。圖4.23 SRI腕力傳感感器圖4.24 SRI腕力傳感感器應變變片連接接方式圖4.25是日日本大和和制衡株株式會社社林純一一在JPL實驗室研研制的腕腕力傳感感器基礎礎上提出出的一種種改進結結構。它它是一種種整體輪輪輻式結結構,傳傳感器器在十字字梁與輪輪緣聯接接處有一一個柔性性環節, 在四四根交叉叉梁上總總共貼有有32

29、個個應變片片(圖中中以小方方塊表示示),組組成8路全橋橋輸出, 六維維力的獲獲得須通通過解耦耦計算。這一傳傳感器一一般將十十字交叉叉主桿與與手臂的的聯接件件設計成成彈性體體變形限限幅的形式,可有效起起到過載載保護作作用,是一種較較實用的的結構。圖4.25林純一的的腕力傳傳感器圖4.26所示示是一種種非徑向向中心對對稱三梁梁腕力傳傳感器, 傳感感器的內內圈和外外圈分別別固定于于機器人人的手臂臂和手爪爪,力力沿與內內圈相切切的三根根梁進行行傳遞。 每根根梁的上上下、左左右各貼貼一對應應變片,這樣,這非徑徑向的三三根梁共共粘貼6對應變變片,分分別組組成六組組半橋, 對這這六組電電橋信號號進行解解耦可

30、得得到六維維力(力力矩)的的精確解解。這這種力覺覺傳感器器結構有有較好的的剛性, 最先先由卡納納基梅隆大學學提出。在我國國,華中科技技大學也也曾對此此結構的的傳感器器進行過過研究。圖4.26非徑向中中心對稱稱三梁腕腕力傳感感器4.3工業機器器人的位位置及位位移4.3.1電電位器式式位移傳傳感器電位器式式位移傳傳感器由由一個線線繞電阻阻(或薄薄膜電阻阻)和一一個滑動動觸點組組成。其其中滑滑動觸點點通過機機械裝置置受被檢檢測量的的控制。當被檢檢測的位位置量發發生變化化時,滑滑動觸點點也發生生位移, 從而而改變了了滑動觸觸點與電電位器各各端之間間的電阻阻值和輸輸出電壓壓值,根根據這這種輸出出電壓值值

31、的變化化,可以檢測測出機器器人各關關節的位位置和位位移量。電位器式式位移傳傳感器具具有很多多優點。它的輸輸入輸出出特性(即輸入入位移量量與電壓壓量之間間的關系系)可以以是線性性的,也也可以根根據需要要選擇其其他任意意函數關關系的輸輸入輸出出特性; 它的的輸出信信號選擇擇范圍很很大,只只需改變變電阻器器兩端的的基準電電壓,就就可以得得到比較較小的或或比較大大的輸出出電壓信信號。這這種位移移傳感器器不會因因為失電電而破壞壞其已感感覺到的的信息。當電源源因故斷斷開時,電位器器的滑動動觸點將將保持原原來的位位置不變變,只只需重新新接通電電源,原原有的的位置信信息就會會重新出出現。另另外,它它還具有有性

32、能穩穩定，結結構簡單單，尺尺寸小，重量輕輕，精度度高等優優點。電電位器式式位移傳傳感器的的一個主主要缺點點是容易易磨損。由于滑滑動觸點點和電阻阻器表面面的磨損損,使使電位器器的可靠靠性和壽壽命受到到一定的的影響, 正因因如此,電位器器式位移移傳感器器在機器器人上的的應用受受到了極極大的局限,近年來隨隨著光電電編碼器器價格的的降低而而逐漸被被取代。按照電位位器式位位移傳感感器的結結構,可可以把把它分成成兩大類類:一一類是直直線型電電位器, 另一一類是旋旋轉型電電位器。 直線型電電位器主主要用于于檢測直直線位移移,其其電阻器器采用直直線型螺螺線管或或直線型型碳膜電電阻,滑滑動觸觸點也只只能沿電電阻

33、的軸軸線方向向做直線線運動。直線型型電位器器的工作作范圍和和分辨率率受電阻阻器長度度的限制制。線繞繞電阻、電阻絲絲本身的的不均勻勻性會造造成電位位器式傳傳感器的的輸入輸輸出關系的非非線性。旋轉型電電位器的的電阻元元件呈圓圓弧狀, 滑動動觸點也也只能在在電阻元元件上做做圓周運運動。旋旋轉型電電位器有有單圈電電位器和和多圈電電位器兩兩種。由由于滑滑動觸點點等的限限制,單單圈電電位器的的工作范范圍只能能小于360;對分分辨率也也有一定定限制。 對于于多數應應用情況況來說, 這并并不會妨妨礙它的的使用。假如需需要更高高的分辨辨率和更更大的工工作范圍圍,可可以選用用多圈電電位器。圖4.27為一一種典型型

34、的電位位器式測測試電路路。當輸輸入電壓壓VCC加在電位位器的兩兩個輸入入端時,電位器器的輸出出信號Vout與滑動觸觸點的位位置成比比例。圖4.28所示為兩兩種典型型的商用用旋轉式式電位器器。圖4.27作為位置置傳感器器的電位位器圖4.28典型的商商用旋轉轉式電位位器圖 4.29旋旋轉電電位器的的結構原原理圖(a)導電塑料料型；(b)線圈型4.3.2光電編碼碼器1.絕絕對型光光電編碼碼器絕對型編編碼器即即使發生生電源中中斷,也也能正正確地給給出角度度位置。 絕對對型編碼碼器產生生供每種種軸用的的獨立的的和單值值的碼字字。與與相對型型編碼器器不同,它的每每個讀數數都與前前面的讀讀數無關關。絕對對型

35、編碼碼器最大大的優點點是系統統電源中中斷時, 器件件可記錄錄發生中中斷的地地點,當當電源源恢復時時,它可可把記錄錄情況通通知系統統。絕對型編編碼器通通常由三三個主要要元件構構成:多多路(或或通道)光源(如發光光二極管管);光光敏元件;光電碼盤盤。圖4.30是絕絕對型光光電編碼碼器的編編碼原理理圖,碼碼盤上上有5條條碼道。所謂碼碼道,就就是碼碼盤上的的同心圓圓。按按照二進進制分布布規律, 把每每條碼道道加工成成透明和和不透明明區域相相間的形形式。碼碼盤的的一側安安裝光源源,另一一側安裝裝一排徑徑向排列列的光電電管,每每個光光電管對對準一條條碼道。當光源源照射碼碼盤時, 如果果是透明明區,則則光線

36、線被光電電管接收收,并并轉變成成電信號號,輸輸出信號號為“1”;如如果是是不透明明區,則則光電電管接收收不到光光線,輸輸出信信號為“0”。被測工工作軸帶帶動碼盤盤旋轉時時,光光電管輸出出的信息息就代表表了軸的的對應位位置,即絕對位位置。圖4.30絕對型光光電編碼碼器光電編碼碼盤大多多采用格格雷碼編編碼盤,格雷碼碼的特點點是每一一相鄰數數碼之間間僅改變變一位二二進制數數,這這樣,即即使制作作和安裝裝不十分分準確, 產生生的誤差差最多也也只是最最低位的的一位數數。在圖圖4.30中，五位二二進制碼盤分分辨的最最小角度度(分辨率)為碼道越多多,分辨辨率越高高。目前前,碼碼盤碼道道可做到到十八條條,能能

37、分辨的的最小角角度為=360/2180.0014。2.相相對型光光電編碼碼器與絕對型型光電編編碼器一一樣,相相對型型光電編編碼器也也是由前前述三個個主要元元件構成成的。兩兩者的工工作原理理基本相相同,所所不同同的是后后者的光光源只有有一路或或兩路。光電碼碼盤一般般只刻有有一圈或或兩圈透透明和不不透明區區域,當當光透透過碼盤盤時,光光敏元元件導通通,產產生低電電平信號號,代代表二進進制的“0”; 不透透明的區區域代表表二進制制的“1”。因因此,這這種編碼碼器只能能通過計計算脈沖沖個數來來得到輸入軸所所轉過的的相對角角度。由于相對對型光電電編碼器器的碼盤盤加工相相對容易易,因因此其成成本比絕絕對型

38、編編碼器的的低,而而分辨辨率高。然而,只有使使機器人人首先完完成校準準操作以以后才能能獲得絕絕對位置置信息。通常,這不是是很大的的缺點,因為這這樣的操操作一般般只有在在加上電電源后才才能完成成。若在在操作過過程中電電源意外外地消失失,由由于相對對型編碼碼器沒有有“記憶憶”功能能,故故必須再再次完成成校準。 如圖4.31所所示,編編碼器的的分辨率率通常由由徑向線線數n來確定。 這意意味著, 編碼碼器能分分辨的角角度位置置等于360n。典型的的有100、128、200、256、500、512、1000、1024和2048線分辨辨率的編編碼器。圖4.31光學式增增量型旋旋轉編碼碼器4.3.3角角速度

39、傳傳感器1.旋轉編碼碼器當使用旋旋轉編碼碼器時,也可以以用一個個傳感器器檢測角角度和角角速度, 比較較方便。 1)絕對型旋旋轉編碼碼器的應應用因為這種種編碼器器的輸出出表示的的是旋轉轉角度的的實際值值,所所以若對對單位時時間前的的值進行行記憶,并取它與與現時值值之間的的差值,就可以求求得角速速度。2)相相對型旋旋轉編碼碼器的應應用這種編碼碼器單位位時間內內輸出脈脈沖的數數目與角角速度成成比例。2.測測速發電電機圖4.32所示示為測速速發電機機的構造造。測速速發電機機與普通通發電機機的原理理相同, 除具具有直流流輸出型型和交流流輸出型型以外, 還有有感應型型。對于直流流輸出型型,在其其定子的的永

40、久磁磁鐵產生生的靜止止磁場中中,安安裝著繞繞有線圈圈的轉子子。當轉轉動轉子子時,就就會產生生交流電電流,因因此, 經過過二極管管整流后后,就會會變換成成直流進進行輸出出。輸出出電壓與與轉子的的角速度度成比例, 因此此得到uA式中,A為常數。通常,轉速為1000 rmin時,輸出的電電壓可以以達到7 V。圖 4.32測測速發發電機(a)帶整流子子的直流流輸出測測速發電電機；(b)交流輸出出測速發發電機4.4多感覺智智能機器器人多感覺傳傳感系統統使機器器人擁有有一定的的智能, 而多多感覺信信息融合合技術在在智能機機器人系系統中的的應用, 則提提高了機機器人的的認知水水平。多感覺智智能機器器人的組組成如圖圖4.33所示示。它由由機器人人本體、控制及及驅動器器、多傳傳感器系系統、計計算機系系統和機機器人示示教盒組組成,其其工作