焊接机器人技术071第7章传感器3rd

第七章传感器7.1引言视觉听觉嗅觉味觉触觉人类熟悉的五种感觉，即视觉、嗅觉、味觉、听觉和触觉。4.4.1传感器的功能、定义与分类机器人在焊接中的功能是产生符合工艺要求的焊枪运动。本章主要讨论有关机器人运动控制和弧焊跟踪传感器的概况与使用方面的内容。采用两级分布式计算机实时控制系统在机器人中，起到内部反馈控制作用或感知与外部环境的相互作用的装置被称为传感器。灵巧手三个手指3个关节微电机角度传感器三维力传感器概念：传感器的定义和组成传感器按一定规律实现信号检测并将被测量(物理的、化学的和生物的信息)通过变送器变换为另一种物理量(通常是电压或电流量)。它既能把非电量变换为电量，也能实现电量之间或非电量之间的互相转换。总而言之，一切获取信息的仪表器件都可称为传感器。国际上，传感技术被列为六大核心技术(计算机、激光、通讯、半导体、超导和传感)之一。传感技术也是现代信息技术的三大基础(传感技术、通讯技术、计算机技术)之一。传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。4.4.1.6传感器的分类传感器可以按不同的方式进行分类。例如：按被测物理量、按传感器的工作原理、按传感器转换能量的情况、按传感器的工作机理、按传感器输出信号的形式(模拟信号、数字信号)等分类。按机器人用传感器功能可分为检测内部状态信息传感器和检测外部对象和外部环境状态的外部信息传感器。

内部信息传感器包括检测位置、速度、力、力矩、温度以及异常变化的传感器。

外部信息传感器包括视觉传感器、触觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、角度觉(平衡觉)传感器等。具有多种外部传感器是先进机器人的重要标志。7.2传感器特性控制器内部传感外部传感机器人机器人信息传感位置传感器速度传感器加速度传感器力和压力传感器力矩传感器微动开关可见光和红外传感器接触和视觉传感器接近觉传感器测距仪嗅觉传感器视觉传感器语音识别装置语音合成器内部传感器内传感器中位置和速度传感器已成为机器人反馈控制不可缺少的元件，而倾斜角传感器、方位角传感器及振动传感器用作机器人内传感器的时间不长，性能尚不理想。机器人的传感器几乎所有的机器人都使用内部传感嚣如：为测量回转关节位置的轴角编码器，测量速度以控制其运动的测速计。大多数控制器也具备接口能力，故来自输送装置，机床以及机器人本身的信号，可被综合利用以完成一项任务。外部传感器，如视觉传感器，可为更高层次的机器人控制提供大得多的适应能力，也就是给工业机器人增加了自动检测能力。7.2传感器特性？成本尺寸重量输出的类型接口分辨率灵敏度线性度量程响应时间频率响应可靠性重复精度精度旋转编码器电位器伺服电机伺服控制器步进电机步进控制器7.3位置传感器

电位器通过电阻把位置信息转化为随位置变化的电压。电位器信号调理A/D（10）微处理器3605V5000mv/1024bit=5mv/bit360°/5000mV=0.07°/mv0.35°/bit电位器是—种典型的位置传感器，可分为直线型(测量位移)和旋转型(测量角度)。电位器：电位器由环状或棒状电阻丝和滑动片(或称为电刷)组成，滑动片接触电阻丝取出电信号。电刷与驱动器连成—体，将其线位移或角位移转换成电阻的变化，在电路中以电压或电流的变化形式输出。电位器可分为导电塑料、线绕式、混合式等滑片型和磁阻式、光标式等非接触型。7.3位置传感器

编码器检测细微运动，输出数字信号基本形式：增量式，绝对式1

增量式简单旋转式增量码盘简单直线增量编码器光学编码器：光学编码器是机器人关节伺服系统中常用的一种检测装置；它实际是一种量化式的模拟数字转换器。将机械轴的转角值或直线运动的位移值转换成相应的电脉冲。增量式旋转编码器通过内部两个光敏接收管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量增加（正方向）或减少（负方向）。顺时针运动逆时针运动AB11010010AB11100001S2S1S0S1S0顺时针逆时针ABS0S0S2S2顺时针逆时针无法输出轴转动的绝对位置信息增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90º，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。优点原理构造简单寿命长，可靠性高抗干扰能力强缺点2绝对式#格雷码二进制码#格雷码二进制码00000000060101011010001000170100011120011001081100100030010001191101100140110010010111110105011101011111101011

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。3线位移差动变压器（LVDT）4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。5磁反射型传感器§7.3

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。测速发电机：测速发电机是利用发电机原理的速度传感器或角速度传感器。根据这个原理测量角速度的测速发电机，可按其构造分为直流测速发电机、交流测速发电机和感应式交流测速发电机。直流测速发电机的定子是永久磁铁，转子是线圈绕组。可以测量0～10000r／min的旋转速度，线性度为0.1%；此外，停机时不易产生残留电压，因此，它最适宜作速度传感器。位置信号微分原理：对位置信号求微分来测试速度力觉传感器力觉传感器是一类触觉传感器，它在机器人和机电一体化设备中具有广泛的应用，这里专门加以介绍。力和力矩传感器是用来检测设备内部力或与外界环境相互作用力为目的的，力不是直接可测量的物理量，力是通过其他物理量间接测量出的。力传感器可用作变换器，如压电元件，它可提供一个与变形、亦即作用于接触点的力成正比的信号。这样的测量可用以提供碰撞复原时的力反馈，或使机器人卡爪能够夹持像鸡蛋一类的易损物体而不弄碎它。力和力矩的一般检测方法(1)通过检测物体弹性变形测量力，如采用应变片、弹簧的变形测量力；(2)通过检测物体压电效应检测力；(3)通过检测物体压磁效应检测力；(4)采用电动机、液压马达驱动的设备可以通过检测电动机电流及液压马达油压等方法测量力或转矩；(5)装有速度、加速度传感器的设备，可以通过速度与加速度的测量推出作用力。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。力敏电阻3.应变片输出与形变成正比

应变片惠斯通电桥4.4.4.4力觉传感器原理和腕力传感器力觉传感器主要使用的元件是电阻应变片。电阻应变片利用了金属丝拉伸时电阻变大的现象，它被贴在加力的方向上。电阻应变片用导线接到外部电路上可测定输出电压，得出电阻值的变化。作用在一点的负载，包含力的3个分量和力矩的3个分量，能够同时测出这6个分量的传感器是六轴力觉传感器。机器人的力控制主要控制机器人手爪的任意方向的负载分量．因此需要六轴力觉传感器。六轴传感器一般安装在机器人手腕上，因此也称为腕力传感器。腕力传感器分类筒式腕力传感器十字形腕力传感器§

7.5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§7.6

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。机器人的触觉广义上可获取的信息是：接触信息；狭小区域上的压力信息；分布压力信息；力和力矩信息；滑觉信息。这些信息分别用于触觉识别和触觉控制。从检测信息及等级考虑，触觉识别可分为点信息识别、平面信息识别和空间信息识别3种。接触觉传感器：单向微动开关—当规定的位移或力作用到可动部分(称为执行器)时，开关的接点断开或接通而发出相应的信号。接近开关：非接触式接近传感器有高频振荡式屈感应式、电容感应式、超声波式、气动式、光电式、光纤式等多种接近开关。光电开关是由LED光源和光电二极管或光电三极管等光敏元件，相隔一定距离间构成的透光式开关。当充当基准位置的遮光片通过光源和光敏元件间的缝隙时，光射不到光敏元件上，而起到开关的作用。光电开关的特点是非接触检测，精度可达0.5mm左右。触觉传感器阵列人类的触觉能力是相当强的。人们不但能够拣起一个物体，而且不用眼睛也能识别它的外形，并辨别出它是什么东西。许多小型物体完全可以靠人的触觉辨认出来，如螺钉、开口销、圆销等。如果要求机器人能够进行复杂的装配工作．它也需要具有这种能力。采用多个接触传感器组成的触觉传感器阵列是辨认物体的方法之一。

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接近与距离觉传感器接近与距离觉传感器是机器人用以探测自身与周围物体之间相对位置和距离的传感器。它的使用对机器人工作过程中适时地进行轨迹规划与防止事故发生具有重要意义。人类没有专门的接近觉器官，如果仿照人的功能使机器人具有接近觉将非常复杂，所以机器人采用了专门的接近觉传感器。它主要起以下3个方面的作用：在接触对象物前得到必要的信息，为后面动作做准备；发现障碍物时，改变路径或停止，以免发生碰撞；得到对象物体表面形状的信息。分类由于这类传感器可用以感知对象位置，故也被称为位置觉传感器。传感器越接近物体越能精确地确定物体位置，因此常安装于机器人的手部。根据感知范围(或距离)，接近觉传感器大致可分为3类：感知近距离物体(mm级)的有磁力式(感应式)、气压式、电容式等；感知中距离(大致30cm以内)物体的有红外光电式：感知远距离(30cm以外)物体有超声式和激光式。视觉传感器也可作为接近觉传感器。4.

接近觉传感器

用于探测两个物体接触之前一物体向另一物体接近。（非接触）常见接近觉传感器（1）磁感应接近传感器：测量转子速度（转数）、接通或关断电路。磁力式接近传感器：这种传感器不大受光、热、物体表面特征影响，可小型化与轻量化。但只能探测金属对象。日本日立公司将其用于孤焊机器人上，用以跟踪焊缝。在200℃以下探测距离0～8mm，误差只有4％。（2）光学接近传感器（3）超声波接近觉传感器（5）电容式接近觉传感器超声波距离传感器：超声式接近传感器是用于机器人对周围物体的存在与距离的探测。尤其对移动式机器人，安装这种传感器可随时探测前进道路上是否出现障碍物，以免发生碰撞。超声波发生器有压电式、电磁式及磁滞伸缩式等。在检测技术中最常用的是压电式。（4）感应式接近觉传感器（6）涡流接近觉传感器一般而言，高频率振荡型接近传感器具有接近非磁性金属后高频率振荡的频率将产生变化的特性。铝接近传感器即是采用检测振荡频率变化的原理。由检测线圈产生高频率磁场。如果检测物体（金属）接近该磁场，则会因电磁感应而使感应电流（过电流）流入检测物体。该电流将使检测线圈的阻抗产生变化，然后停止振荡，进而完成检测。（7）气压式接近传感器：

这种传感器具有较强防火、防磁、防辐射能力，但要求气源保持一定程度的净化。（8）红外式接近传感器：其特点在于发送器与接受器尺寸都很小，因此可以方便地安装于机器人手部。红外线传感器能根容易地检测出工作空间内某物体的存在与否，但作为距离的测量仍有很复杂的问题。§7.7

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。§7.8

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。§7.9视觉系统视觉系统是应用在机器人中最复杂的传感器4.4.4.6视觉传感器机器人视觉系统：如同人类视觉系统的作用一样，机器人视觉系统赋予机器人一种高级感觉机构，使得机器人能以“智能”和灵活的方式对其周围环境作出反应。机器人的视觉信息系统类似人的视觉信息系统，它包括图像传感器、数据传递系统，以及计算机和处理系统。机器人视觉：利用视觉传感器(如摄像机)获取三维景物的二维图像，通过视觉处理器对一幅或多幅图像进行处理、分析和解释，得到有关景物的符号描述，并为特定任务提供有用的信息，用于指导机器人的动作。机器人视觉可以划分为六个主要部分：感觉与处理、分割、描述、识别、解释。根据上述过程所涉及的方法和技术的复杂性可分为3个处理层次：低层视觉处理、中层视觉处理和高层视觉处理。(1)机器人视觉系统的发展第一代系统根据物体的剪影工作，可由其剪影形状推断诸如物体的位置，方位和尺寸等参数。此种系统以二值即两个灰度级图象处理为其特征，而图象系出逆光景象生成。第二代机器人视觉系统采用若干灰度等级以表征物体。这种系统可根据面光景象工作，并可区分纹理模式。第三代系统不仅检测灰度，而且采用立体技术以确定景象中可见物体的三维坐标。更高级的系统甚至可推断出不可见表面，例如一个物体背面的某些信息。现在正处于机器人视觉系统的第三代。机器人视觉系统的重要特点是数据量大且要求处理速度快。实用的机器人视觉系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括：景物和距离传感器、照明和光学系统、视频信号数字化设备、视频信号快速处理器、计算机及其外设、机器人或机械手及其控制器；软件部分包括：计算机系统软件、机器人视觉处理算法、机器人控制软件。从机器人应用角度，视觉技术有两大类：第一类是机器人控制的机器视觉。即通过传感器来控制机器人的操作和运动，这种应用的特殊要求是满足机器人控制的高速计算，因而采用的技术必须很简单。另一种机器人视觉应用是与质量控制的检验过程有关的，虽然也有高速计算的要求，但速度可能取决于传送装置，而不是机器人。工作状态大部分是立体型的，故可能需要采用更尖端的技术。(2)机器人视觉应用的几个关键要素照明系统摄象机定位、焦距、变焦和光圈控制图像的数字化图像处理速度(3)机器人视觉系统的应用机器人的视觉技术主要应用在下述两个方面：(1)装配机器人(机械手)视觉装置。要求视觉系统必须做到：识别传送带上所要装配的机械零件；确定该零件的空间位置。据此信息控制机械手的动作，做到准确装配。对机械零件的检查；检查工件的完好性；量测工件的极限尺寸；检查工件的磨损等。此外，机械手还可根据视觉的反馈信息进行自功焊接、喷漆和自动上下料等，(2)行走机器人视觉装置。要求视觉系统能够识别室内或室外的景物，进行道路跟踪和自主导航。用以完成危险材料的搬运和野外作业等任务；4.4.5运动机器人的传感器自主自导的运动机器人需要一些固定式机器人所不需要的特殊传感器。从安全方面考虑非常必要为运动机器人配备若干传感装置，例如使机器人避免碰撞或利用传感器反馈信息进行导引、定位以及寻找目标等。这些包括接触式触觉传感器、接近传感器、局部及整体位置传感器和水平传感器。运动机器人需要一些特殊传感器。进而由于传感器可能用于控制速度范围为l～20英尺/秒的机器人，因此高速算法也是需要的。接触开关、接近探测器、导引信号装置、光和声探测器、水平指示器以及局部和整体定位装置可能都是需要的。运动机器人所需要的最重要也是最困难的传感器系统之一就是定位装置。局部和整体位置信息都可能需要。这种信息的准确度对确定机器人控制对策也是很重要的，因为机械手作业的成功和淮确与机器人定位的成功和准确直接有关。在车轮上安装轴角编码对短距离可提供准确信息，而由于轮子打滑以及其它因素，对长距离可能造成大的累积误差。所以，一些可修正确定位置的整体方法也是需要的。§7.11

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，一种装置只在横侧向和轴向或者在弯曲和翘起方向提供一定的刚性（或柔性），它必须根据需要来选择。每种装置都有一个给定的中心到中心的距离，距离决定了远程柔顺中心相对柔顺装置中心的位置。因此，如果有多个零件或许多操作，则必须有多个RCC装置，并要分别选择。4.4.6传感器与集成控制因为一台智能机器人可能采用很多种传感器，所以把传感的信息和存储的信息