现代检测技术导论-物理量检测3

现代检测技术导论第三章物理量检测与传感器3 8热敏效应与温度检测3 9多传感器手爪 3 8热敏效应与温度检测 3 8 1热电阻Rt R0 1 t t0 感温电阻选材原则 1 电阻温度系数较高 提高灵敏度 2 在测温范围内化学 物理性能稳定 保证精度 3 具有良好的输出特性 接近线性关系 4 具有较高的电阻率 以减小体积 5 具有良好的可加工性 且价格便宜 常用感温材料 铂 铜 铁 镍 铟 锰 碳 3 8 2热敏电阻金属氧化物 添加剂 陶瓷工艺电阻温度系数 T 1 RT dRT dT 100 正温度系数热敏电阻 PTC BaTiO3 稀土元素负温度系数热敏电阻 NTC 混合过渡金属氧化物临界温度系数热敏电阻 CTC V2O3 Ge Ni W Mn NTC热敏电阻 PTC热敏电阻和CTR热敏电阻的典型电阻 温度特性曲线 3 8 3半导体热敏电阻 半导体电阻率 1 nq n pq p n为电子浓度 p为空穴浓度 n为电子迁移率 p为空穴迁移率 q为电子的电量 硅热电阻的温度特性 50050100150200温度 C 300025002000150010005000 电阻值 3 8 4热电偶 热电效应 1823年赛贝克发现 总电势EAB T T0 TT0 TABdT EAB T EAB T0 其中 TAB为热电势率 与热材料和两接点温度有关 3 9多传感器手爪目前 开发和利用太空已成为各国高科技和军事发展的焦点 而空间机器人在人类的太空活动中发挥了重要的作用 空间机器人的重要要求就是自身的灵活性和局部自主能力 而多传感器手爪是提供这些能力的关键部件 目前 多传感器机器人手爪已成为国际上研究的一个热点 研究的问题主要围绕新型的传感器和执行器 手爪结构 传感器集成和信息融合和控制方法 空间机器人多传感器手爪的特点 在太空中 手爪必须可靠地抓取和作业 这就要求机械结构一定要可靠 机器人多指灵巧手因为缺乏机械的可靠性和实用性 并且存在着抓取不稳固和控制复杂性的问题 目前并未用于太空作业中 空间机器人为了能够在存在着不确定性的环境下进行灵巧的操作 其手爪必须具有较强的感知能力 国内外研究概况 美 日 德等发达国家都开展了用于空间的多传感器手爪的研究工作 其中具有代表性的是德国宇航中心研制的舱外机器人ROTEX和日本的ETS 上的多传感器手爪 在国内方面 中国科学院合肥智能机械研究所 哈尔滨工业大学以及北京航空航天大学等多家研究机构都进行了多传感器机器人手爪的研究 SRMS空间机械臂 1975年 加拿大SPAR公司与美国宇航局 NASA 签署了研制遥控机械臂SRMS ShuttleRemoteManipulatorSystem SRMS 后来以加拿大臂著称 1984年 SRMS正式被用于协助宇航员进行舱外活动 标志着空间机器人进入使用阶段 SRMS空间机械臂 德国宇航中心的ROTEX多传感器手爪 1993年美国哥伦比亚号航天飞机成功地搭载了德国DLR研制的基于多传感器的小型空间机器人系统ROTEX ROTEX系统配有一个多传感器智能手爪 手爪上安装了六维腕力传感器 距离觉 触觉等多种传感器 并配有一对微型摄像机作为视觉系统 ROTEX多传感器手爪的ORU实验 在轨道上 ROTEX进行了构架机构的装配 插拔轨道可更换单元 ORU OrbitReplacementUnit 和捕获漂浮物体等多个实验 ROTEX多传感器手爪 手爪上安装有多种传感器 其上的传感器配置如下 1 9个激光测距传感器 其中一个中距离扫描测距传感器 其测距范围为3 35mm 其余8个短距离测距传感器的测距范围为0 30mm 它们均匀地安装在2个手指指尖部位 ROTEX多传感器手爪 2 2个面积为32 16平方毫米 4 8个感应单元的二进制触觉陈列传感器 3 1个基于应变片测量的刚性六自由度力 力矩传感器 4 1个基于光电原理柔性六自由度力 力矩传感器 5 1个微型CCD摄像机 ROTEX多传感器手爪的控制系统框图 日本技术实验卫星ETS 上的多传感器手爪 1997年 日本宇宙开发事业团 NASDA 发射了一颗用于空间交会对接及空间机器人技术研究的实验卫星ETS VII 星上搭载一大一小两个机器人手臂 大机械臂 ERA 具有六个自由度 长约2 4米 由NASADA研制 小机械手 ARH 由日本通商产业省 MITI 研制 长约0 5米 用于精密操作 ARH在实验卫星ETS VII上的空间实验 ARH多传感器手爪 该手爪共配置五种传感器 具体如下 1 三个接近觉测距传感器 安装在手爪外壳上 主要用于接近工作台控制 也用于始终面对工作台的姿态控制 2 一个CCD眼在手上 Eye in Hand 摄像机 主要用于目标物体的测定 微细定位及监视 3 一对夹持力传感器 通过握力反馈控制执行3指抓取目标物体 ARH多传感器手爪 4 一个六自由度力 力矩传感器 安装在微型机器人手臂的腕部 主要用于微型手臂的力控制 也用于基于任务知识库通过模型匹配技术监视空间任务的执行情况 5 一个柔顺力 力矩传感器 该传感器比六自由度力 力矩传感器更敏感 监视微细作业的执行 ARH多传感器手爪测量和控制的基本策略 1 机器人用接近距离传感器 或手眼摄像机 或者这两种传感器 来搜索目标物体 2 用非接触传感器来确定物体的精确位置或大小 例如 用接近觉传感器来测量到任务板的距离 当三只传感器的距离值相等时 就可以获得垂直于任务面板的本地坐标系 接着利用手眼摄像机所获得的任务面板上标志的图像 机器人就可以设定本地坐标系 并把它作为手臂相对导航的精密参考点 通过对手眼摄像机所获得的图像进行处理 机器人还可以分辨目标的大小 3 在外部摄像机或力 力矩传感器的监视下 进行手臂的相对导航 4 执行基于接触传感器的补偿 在抓握一个物体之前 用手指上的力传感器所获得的触点进行位置补偿 在抓取的过程中 可以通过腕部的柔顺装置所测得的位移来进行手臂位置的精确调整 美国Maryland大学研制的Ranger太空机器人 美国Maryland大学为NASA研制的Ranger机器人于1996年10月进行了飞行试验 Ranger机器人是一个四臂机器人系统 其中两只7自由度的机械臂 配有可更换末端操作器 另一只7自由度抓取机械臂用于与操作环境固连 以稳定自身姿态 还有一只6自由度机械臂用于携带相机 哈尔滨工业大学研制的多传感器手爪 1 平行双指末端执行器模块 2 带有自动锁紧机构的被动柔顺RCC模块 3 指尖短距离激光测距传感器模块 4 激光扫描 测距传感器模块 5 触 滑觉传感器模块 中科院合肥智能所研制的EMR多传感器手爪 EMR机器人手眼系统设计主要内容包括 1 高可靠性手足两用夹持机构设计 2 力觉 接近觉 位移传感器设计与选用 3 视觉信息采集与处理 物体识别与定位 4 感知信息的网络传输与多传感器信息融合 5 手眼系统的协调控制与实验 手眼系统总体设计 手爪机械结构感知系统 自由移动机器人实验系统 手爪机构原理图 手爪传动部分 传动部分由两部分组成 齿轮传动与螺杆传动 齿轮传动将原动部分的转动传递到螺杆上 螺杆再将转动转换为执行机构的平动 选用直流电机 减速器 光电码盘光电码盘可做手爪开合度传感器 机器人手眼系统实物图片 多传感器的配置 手爪上配置了多种传感器以实现机器人的局部自主操作 手爪上一共安装了八个力觉传感器 七个触觉传感器 手爪上还装配有一对小型CCD 可以通过立体视觉进行对物体的视觉定位 我们分别在两个平指的根部和三个V形块的六个指的根部粘贴应变片来获得正压力的大小 触觉传感器是一个短量程的微动开关 电机本身自带一个光电编码器 可以测出手爪的开合距离 力觉传感器 机器人在行走和抓取物体时 都需要力传感器来感知手爪夹持力的大小 以确定是否抓紧工字梁和物体 力传感器设计的好坏将直接影响到机器人的安全性和可靠性 我们采用一体化设计 将机器人的手指作为弹性体 在其根部贴应变片 测所受到的正压力的大小 力觉传感器 触觉传感器 在空间作业时 机器人手爪与外部环境的接触情况是机器人实现本地局部自主的一个重要信息 触觉传感器可以检测这种接触情况 在这里 我们使用微动开关作为触觉传感器的主要部件 微动开关是用于检测物体是否存在的一种最简单的触觉 致动器件 触觉传感器 触觉传感器由圆滚珠 微动开关 压簧等组成 右图为触觉传感器的实物图 触觉传感器工作原理是 当有外力作用在圆滚珠上并将其压进时 圆滚珠触动微动开关 微动开关状态发生改变并发出一个电信号 手爪开合度传感器 手爪的开合度大小是判别手爪是否稳固抓取物体的一个重要条件 考虑到手爪本身的结构特点 我们选用脉冲增量式光电编码器 用来检测手爪的开合距离 光电码盘选用maxon的103937型光电码盘 每转发100个两路正交编码脉冲 电机与传动齿轮之间有一个减速机构 减速比率为28 1 所以 传动齿轮转1圈 手爪开合3mm 光电编码器发2800个脉冲 根据这个关系 我们可以很方便由光电编码器发出的脉冲数来得知手爪的开合距离 视觉子系统 采用Eye in hand方式 即在手爪上安置一对摄像机 以构成手眼系统 并用双目立体视觉来完成目标物体的定位 硬件部分 视觉系统的硬件部分分为三个部分 视觉传感器 信号采集与传输及双眼系统 视觉传感器就是摄像机 它包括成像传感器和镜头 由摄像机输出的信号为模拟复合视频信号 通过图像采集设备将模拟视频信号转换为24位RGB格式的数字信号 直接送入计算机内存 同所选用的图像卡为大恒DH CG400彩色 黑白视频采集卡 双眼系统的安装位置 双眼基线设计成平行于手爪掌面 位于中分两指的对称面上 两只眼睛的光轴向手掌内成一定夹角 理想情况下 两光轴在同一平面内 该平面与手爪掌面垂直 根据手爪的尺寸以及所选摄像机镜头的视场参数 双眼光轴配置成向内偏转12度 光心距约100mm 工件定位 因双眼摄像机在手爪上是固定安装的 在机器人以及手爪的运动过程中 双眼之间的关系不会改变 并且 因镜头的焦距也是固定的 所以可对双眼摄像机进行预标定 这样 当已知空间某点在左右图像中的坐标位置后 即可计算出该点的空间坐标位置 设 x y z 是空间点P在摄像机坐标系中的三维坐标 如果不考虑镜头畸变 以像素为单位的图像坐标 u v 与以毫米为单位的摄像机坐标 x y z 之间的关系为 视觉系统的交互界面示意图 视觉子系统的软件主要包括图像处理 模式识别 立体视觉计算 图像获取与显示控制 交互界面等部分 问题的提出手爪与工字梁的接触状态是机器人进行位姿微调的重要判据 在视觉不起作用的情况下 如何从非视觉传感器的信息来得知手爪与工字梁的接触状态是十分重要的 我们面临的最大问题就是传感器信息的不充分 感知信息融合 传感器数据融合和其它辅助信息的使用 多传感器数据融合可以在一定程度上解决传感器信息不充分的问题 可以得到更为完整的信息 但由于各种传感器本质上是不同的 它们的有效性在时空上都存在着差别 这意味着有些传统的传感器集成和融合方法不是很合适 目前人们过多地关注于传感器本身的使用上 而很少对机器人的几何结构特点进行分析 我们认为借助于机器人手爪的结构化的几何信息融合传感器信息可以得到更为丰富的信息 可以克服传感信息的不充分性 任务描述 我们将研究的任务确定为机器人抓取工字梁 这是自由舱外移动机器人要实现的最重要的一项功能 工字梁表面与地面水平 机器人通过一对手眼相机对工字梁进行视觉定位后 引导手爪处于其上方 然后自上而下抓握工字梁 由于视觉的误差以及机器人本身的误差 手爪的三个V型指放在工字梁的上表面时 手爪的坐标系与工字梁的坐标系没有完全重合 接触状态辨别 根据特定的任务 机器人有时不需要调整位姿的所有参数 在机器人抓取工字梁的任务中 我们假设手爪上的手眼相机可以将手爪引导到手爪的Z轴和工字梁的Z轴平行这一位姿 另外 当机器人手爪接触在工字梁的上表面时 手爪不能在沿Z轴方向平移 工字梁足够长 机器人不需考虑沿Y轴的偏移 在这个特定任务中 机器人手爪只需调整沿X轴的偏移和绕Z轴的旋转角 手爪与工字梁的接触状态俯视图 结合力传感器的信息和已知的机器人手爪几何信息和力学分析 推导出这两个位姿偏移参数 几何条件是 手爪的最大开合度为H 工字梁的宽度为L 我们假设V型指的上部是一个悬臂梁 定义三个悬臂梁的接触点为A B C X1 X2 X3分别是接触点到边界线的距离 F为相应点的正压力 从几何条件 我们可以得到如下几何关系 1 2 挠度公式为 3 传感器的应变与正应力有这样的关系将其代入 3 得变形方程 4 由边界条件和变形方程 我们可以得到这三个接触点的挠度 5 6 7 其中 l和h分别是梁的长度和高度 因为手爪的Z轴和工字梁的Z轴平行 我们就可以假设A B C这三个接触点的挠度是一样的 我们可以有如下关系式 8 从上面的几何条件 变形方程以及假设条件 我们可以得到变形以及绕Z轴的旋转角 9 10 其中K满足如下方程 11 满足如下方程式 12 同样的 可以得到沿X轴的偏移量 13 这样就得到了机器人手爪沿X轴的偏移和绕Z轴的旋转角 根据这些信息 机器人就可以调整它的位姿以使自己的坐标系和工字梁的坐标系重合 这样手爪便能稳固抓取工字梁 大作业每三名学生组合成一组 选择一个大作业题目 4月28日 完成调研 资料阅读 方案设计 教师根据方案的可行性 表达的准确性和团队的合作精神评分 6月底 评分标准 方案可行性50 基本概念10 工作原理10