机器人学导论第7章1.ppt

第七章传感器 输出类型 数字式或模拟式 可以直接使用 也可能必须对其进行转换才能使用 接口 传感器必须能与其他设备相连接 如果没有现成接口 或与其他设备接口不匹配 或需要其他额外电路 此时 需要解决传感器与设备间接口问题 分辨率 在测量范围内所能分辨的最小值 绕线式电位器 一圈电阻值 n位数字设备 满量程 2n 机器人为了能够适应周围环境进行正常工作 需要使用传感器来感知现场的一些情况 具体来说有以下几个原因 1 机械定位法难以知道所有工件和设备的放置位置 2 当工件顺序不定或需要改变时 缺乏适应性和灵活性 3 高精度机械手的造价往往比用低精度机械手配以传感器灵活并方便地完成任务所需费用高得多 特点与分类 根据物体的特性分 几何式 机械式 光学式 材料的 语音的 电气的 磁性的 放射的和化学的等等 传感器常用的分类方法是将传感器按其与机器人的相对关系分为内传感器和外传感器 内传感器用来测试机器人本体内部的一些变量 外传感器常用来测试机器人工作的环境情况 传感器经常安装在机器人的某些极限位置 其目的是为了更方便地探知外部的信号 如何选择合适的位置安装在设计时要加以考虑 机器人的感觉顺序一般分两步进行 1 变换 通过硬件把目标特性转换为信号 2 处理 把所获信号变换为规划及执行某个机器人功能所需要的信息 处理通常包括预处理和解释两个步骤 在预处理阶段 一般通过硬件对信号加以改善 在解释阶段 一般通过软件对改善后的信号进行分析 并提取所需要的信息 在机器人中 传感器主要作用如下 1 为了控制系统测试机器人参数 2 发现物体的位置 3 纠正机器人模型中的误差 4 探知并且避免实效姿态 5 探知物体并避障 6 监测与环境的交互作用 7 监测可能对执行这项任务有影响的环境状态 8 检查处理结果 传感器由转换器和电路组成 转换器是将物理量和化学量转换为电信号的装置 通常来自转换器的信号很小 在使用前必须将这些信号放大 此外 经常有些信号是非线性的 在应用前必须将它们线性化 例如 来自热电偶的信号必须线性化以获得与温度成正比的电压 传感信号最普通的用途是用在闭环控制中 7 1位置传感器 用途 测量位移 包括角位移和线位移 也可用来检测运动 一 电位器通过电阻把位置信息转化为随位置变化的电压 电位器原理图 商品化电位器 二 编码器功能 检测细微运动 输出数字信号 原理 码盘或码尺被分成若干小区 每一小区可能不透明也可能透明 当光源例如发光二极管有码盘或码尺的一侧向另一侧发射一束光时 在另一侧用光敏传感器进行检测 如果码盘的角度正好位于光能穿过的地方 则另一侧的传感器将会导通 输出高电平 如果码盘的角度正好处在光不能穿过的地方 传感器将关断 输出低电平 如果对该信号计数就可测量任意时刻码盘的近似总位移 两种基本形式 增量式 绝对式增量式 用来测量角位置和直线位置的变化 但不能直接记录或指示位置的实际值 在所有利用增量式编码器进行位置跟踪的系统中 都必须在系统开始运行时进行复位 只要知道复位时的位置 控制器就能确定任意时刻的位移 1增量式 简单旋转式增量码盘 简单直线增量编码器 增量式编码器的输出信号 2绝对式每个位置都对应着透光与不透光弧段的惟一确定组合 这种确定组合有惟一的特征 通过这特征 在任意时刻都可以确定码盘的精确位置 商用增量式码盘和绝对码尺 三线位移差动变压器 LVDT 原理 铁心随被测位移移动 导致磁通强度的变化 从而引起次级电压的变化 同时将随唯一变化的模拟电压输出作为唯一的测量结果 旋转变压器原理 转子转动引起磁通量旋转 在次级线圈产生变化的电压 从而可以用来测量角位移 旋转变压器原理图 磁反射型传感器原理 导体发送脉冲 遇到磁体后反射回来 若已知脉冲传输速度 那么就能将脉冲到达磁体并返回的总时间换算成距离 6 3速度传感器 编码器原理 对任意给定的角位移 编码器将产生确定数量的脉冲信号 通过统计指定时间内脉冲信号的数量 能计算出相应的角速度 测速发电机原理 将机械能转化为电能的装置 输出是与输入角速度成正比的模拟电压 它可与电位器一起来使用来估计速度 位置信号微分原理 对位置信号求微分来测试速度 加速度传感器力和压力传感器压电晶体 压电材料受压后会产生一定电压 力敏电阻 阻值随垂直施加在表面的力的增加而降低 3 应变片输出与形变成正比 6 4力矩传感器 原理 如果在轴上施加力矩 力矩将在轴上产生两个方向相反的力和两个方向相反的形变 两个力传感器可以测出这两个力 根据所测力的大小可计算出力矩 用六个传感器测量三个彼此独立的轴上的力和力矩 6 5其它类型传感器 微动开关可以用它切断通过导体的电流 因此能用于安全保护 此外 还可以用来监测是否有接触或用作位移开关发送信号 2 可见光和红外传感器电阻随着投射在其上面光强的变化而改变 与移动光源联用 测量位移 建立与机器人进行远程通信的链路 3 接触和触觉传感器在实际接触时发出信号 简单的接触式传感器以阵列形式排列组合成触觉传感器 它以特定次序向控制器发送接触和形状信息 触觉传感器可以提供的物体的信息如下图 类皮肤触觉传感器 6 6接近觉传感器用途 探测两个物体接触之前一物体向另一物体接近 常见接近觉传感器 1 磁感应接近传感器 2 光学接近传感器 5超声波接近觉传感器 6感应式接近觉传感器7电容式接近觉传感器8涡流接近觉传感器 6 7测距仪 与接近觉传感器不同 测距仪用于测量较长的距离 它可以探测障碍物和物体表面的形状 并且用于向系统提供早期信息 常用的测量方法是三角法和测量传输时间法 三角法 测量原理如图所示 测量原理 仅在发射器以特定角度发射光线时 接收器才能检测到物体上的光斑 利用发射角的角度可以计算出距离 测量传输时间法 信号传输的距离包括从发射器到物体和被物体发射到接收器两部分 传感器与物体之间的距离是信号行进距离的一半 知道了传播速度 通过测量信号的往返时间即可计算出距离 超声波测距仪特点 结构坚固 简单 廉价并且能耗低 但是分辨率和最大工作距离受到限制 工作原理 发射器发射高频超声波脉冲 它在介质中行进一段距离 遇到障碍物后返回 由接受器接受 发射器和物体之间的距离等于超声波行进距离的一半 行进距离则等于传输时间与声速的乘积 关键技术 时间测量的准确性 时间测量精度 声速精度 背景噪声 光测距仪原理 基于光 包括激光 采用直接延迟时间测量法 间接幅值调制法和三角法等方法测量到物体的距离 6 8嗅觉传感器 原理 对特定的气体敏感 当探测到这些气体时就发出信号 6 9视觉系统 6 9语音识别装置 原理 所有信号都有各自的主要频率 它们构成了信号的特征频谱 通过识别这种频谱的特征就可以做到语音识别 为了进行语音识别 用户必须对系统进行训练 6 10语音合成器 语音合成的方法 一 将音素和元音组合来产生单词的发音二 录下系统可能需要合成的词 当需要时就从存储器或磁带中读出 6 11远程中心柔顺 RCC 装置 说明 RCC装置是机器人腕关节和末端执行器之间的辅助装置 它是为校正末端执行器和机器人部件的错位而设计的 装配零件间的错位 工作原理 零速度瞬时中心是一个物体相对另一个物体速度为零的点 四连杆机构的零速度瞬时中心如下图所示 RCC装置就是由这两部分组成的 它能提供关于远程中心点的微量平移和旋转运动 组成 它由两块刚性金属板组成 其中剪切柱在提供横侧向柔顺的同时 将保持轴向的刚度 实际上