机器人技术及其应用6课件

第六章 机器人的感觉 第一节 机器人传感技术 第二节 机器人内部传感器 第三节 机器人外部传感器 第四节 机器人传感器的选择要求 第一节 机器人传感技术 一、机器人与传感器 研究机器人，首先从模仿人开始，通过考察人的劳动我们发现，人类是通过五种熟知的感官（视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉）接收外界信息的，这些信息通过神经传递给大脑，大脑对这些分散的信息进行加工、综合后发出行为指令，调动肌体（如手足等）执行某些动作。如果希望机器人代替人类劳动，则发现大脑可与当今的计算机相当，肌体与机器人的机构本体（执行机构）相当，五官可与机器人的各种外部传感器相当。机器人则是通过传感器得到感觉信息的。其中，传感器处于连接外界环境与机器人的接口位置，是机器人获取信息的窗口。要使机器人拥有智能，对环境变化做出反应，首先，必须使机器人具有感知环境的能力，用传感器采集信息是机器人智能化的第一步；其次，如何采取适当的方法，将多个传感器获取的环境信息加以综合处理，控制机器人进行智能作业，则是提高机器人智能程度的重要体现。因此，传感器及其信息处理系统，是构成机器人智能的重要部分，它为机器人智能作业提供决策依据。二、机器人传感器的分类 机器人用传感器也可分为内部传感器和外部传感器。内部传感器是用来确定机器人在其自身坐标系内的姿态位置的，如用来测量位移、速度、加速度和应力的通用型传感器。而外部传感器则用于机器人本身相对其周围环境的定位。外部传感机构的使用使机器人能以柔性方式与其环境互相作用。负责检验诸如距离、接近程度和接触程度之类的变量，便于机器人的引导及物体的识别和处理。第二节 机器人内部传感器 一、机器人的位置传感器 位置感觉是机器人最基本的感觉要求，它可以通过多种传感器来实现，常用的机器人位置传感器有电阻式位移传感器、电容式位移传感器、电感式位移传感器、光电式位移传感器、霍尔元件位移传感器、磁栅式位移传感器以及机械式位移传感器等。机器人各关节和连杆的运动定位精度要求、重复精度要求以及运动范围要求是选择机器人位置传感器的基本依据。典型的位置传感器是电位计（称为电位差计或分压计），它由一个线绕电阻（或薄膜电阻）和一个滑动触点组成。其中滑动触点通过机械装置受被检测量的控制。当被检测的位置量发生变化时，滑动触点也发生位移，改变了滑动触点与电位器各端之间的电阻值和输出电压值，根据这种输出电压值的变化，可以检测出机器人各关节的位置和位移量。如图61所示，这是一个位置传感器的实例。在载有物体的工作台下面有同电阻接触的触头，当工作台在左右移动时接触触头也随之左右移动，从而移动了与电阻接触的位置。检测的是以电阻中心为基准位置的移动距离。图61 线性电位计 假定输入电压为 ，最大移动距离（从电阻中心到一端的长度）为 ，在可动触头从中心向左端只移动 的状态，假定电阻右侧的输出电压为 。若在图61的电路上流过一定的电流，由于电压与电阻的长度成比例（全部电压按电阻长度进行分压），所以左右的电压比等于电阻长度比，也就是：因此，可得移动距离 为 (6-1)把图中的电阻元件弯成圆弧形，可动触头的另一端固定在圆的中心，并像时针那样回转时，由于电阻长随相应的回转角而变化，因此基于上述同样的理论可构成角度传感器。如图62所示:图62 角度式电位计 这种电位计由环状电阻器和与其一边电气接触一边旋转的电刷共同组成。当电流沿电阻器流动时，形成电压分布。如果这个电压分布制作成与角度成比例的形式，则从电刷上提取出的电压值，也与角度成比例。作为电阻器，可以采用两种类型，一种是用导电塑料经成形处理作成的导电塑料型，如图62（a）所示；另一种是在绝缘环上绕上电阻线作成的线圈型，如图62（b）所示。图63所示的位置传感器是利用光电监测元件的，如果事先求出光源（LED）和感光部分（光敏晶体管）之间的距离同感光量 的关系（如图62中b）就能从计测时的感光量检测出位移 。图63 光电位置传感器 二、机器人的角度传感器 应用最多的旋转角度传感器是旋转编码器。旋转编码器又称转轴编码器、回转编码器等，它把作为连续输入的轴的旋转角度同时进行离散化（样本化）和量化处理后予以输出。光学编码器是一种应用广泛的角位移传感器，其分辨率完全能满足机器人技术要求。这种非接触型传感器可分为绝对型和增量型。1光学式绝对型旋转编码器 如图64所示为一光学式绝对型旋转编码器，在输入轴上的旋转透明圆盘上，设置条同心圆状的环带，对环带上角度实施二进制编码，并将不透明条纹印刷到环带上。图64 光学式绝对型旋转编码器 将圆盘置于光线的照射下，当透过圆盘的光由个光传感器进行判读时，判读出的数据变成为 的二进制码。二进制码有不同的种类，但是只有葛莱码是没有判读误差的码，所以它获得了广泛的应用。编码器的分辨率由比特数（环带数）决定，例如 编码器的分辨率，由于 所以可以以 的分辨率，对1转 进行检测。编码器，设定以十进制作为基数，所以其分辨率变为 。绝对型旋转编码器的应用场合，可以用一个传感器检测角度和角速度。因为这种编码器的输出，表示的是旋转角度的现时值，所以若对单位时间前的值进行记忆，并取它与现时值之间的差值，就可以求得角速度。2光学式增量型旋转编码器 在旋转圆盘上设置一条环带，将环带沿圆周方向分割成等分，并用不透明的条纹印刷到上面。把圆盘置于光线的照射下，透过去的光线用一个光传感器（A）进行判读。因为圆盘每转过一定角度，光传感器的输出电压A在H（high level）与L（low level）之间就会交替地进行转换，所以当把这个转换次数用计数器进行统计时，就能够知道旋转过的角度。如图65所示。图65 光学式增量型旋转编码器 由于这种方法不论是顺时针方向（CW）旋转时，还是逆时针方向（CCW）旋转时，都同样地会在H与L间交替转换，所以不能得到旋转方向。因此，从一个条纹到下一个条纹可以作为一个 周期 ，在相对于传感器（A）移动 周期的位置上增加传感器（B），并提取输出量B。于是，输出量A的时域波形与输出量B的时域波形，在相位上相差 周期，如图66所示。图66 增量型旋转编码器输出波形 线圈型电位计，其电压分布成阶段状，所以它的分辨率由可能检测范围（在一周回转型中，可以是3400）内绕制的电阻线圈数来决定，可以作到从1/1000-1/20000这一范围。对于导电塑料型来说，因为其电压分布大体上是连续的，所以其分辨率可以取作无穷小。这类传感器的缺点是，由作为接触型这一特点造成的。在电刷与电阻器表面的多次摩擦中，两者都会受到磨损，从而使平滑的接触变得不可能，因此，会因为接触不好而产生噪声。图63所示的位置传感器是利用光电监测元件的，如果事先求出光源（LED）和感光部分（光敏晶体管）之间的距离同感光量的关系（如图62中b）就能从计测时的感光量 检测出位移 。图63 光电位置传感器 二、机器人的角度传感器 1光学式绝对型旋转编码器 如图64所示为一光学式绝对型旋转编码器，在输入轴上的旋转透明圆盘上，设置条同心圆状的环带，对环带上角度实施二进制编码，并将不透明条纹印刷到环带上。图64 光学式绝对型旋转编码器 将圆盘置于光线的照射下，当透过圆盘的光由 个光传感器进行判读时，判读出的数据变成为 的二进制码。二进制码有不同的种类，但是只有葛莱码是没有判读误差的码，所以它获得了广泛的应用。编码器的分辨率由比特数（环带数）决定，例如 ，编码器的分辨率，由于 ，所以可以以 的分辨率，对1转 进行检测。编码器，设定以十进制作为基数，所以其分辨率变为 。绝对型旋转编码器的应用场合，可以用一个传感器检测角度和角速度。因为这种编码器的输出，表示的是旋转角度的现时值，所以若对单位时间前的值进行记忆，并取它与现时值之间的差值，就可以求得角速度。2光学式增量型旋转编码器 在旋转圆盘上设置一条环带，将环带沿圆周方向分割成 等分，并用不透明的条纹印刷到上面。把圆盘置于光线的照射下，透过去的光线用一个光传感器（A）进行判读。因为圆盘每转过一定角度，光传感器的输出电压A在H（high level）与L（low level）之间就会交替地进行转换，所以当把这个转换次数用计数器进行统计时，就能够知道旋转过的角度。如图65所示。图65 光学式增量型旋转编码器 由于这种方法不论是顺时针方向（CW）旋转时，还是逆时针方向（CCW）旋转时，都同样地会在H与L间交替转换，所以不能得到旋转方向，因此，从一个条纹到下一个条纹可以作为一个周期，在相对于传感器（A）移动周期的位置上增加传感器（B），并提取输出量B。于是，输出量A的时域波形与输出量B的时域波形，在相位上相差周期，如图66所示。通常，顺时针方向（CW）旋转时，A的变化比B的变化先发生，逆时针方向（CCW）旋转时，则情况相反，因此可以得知旋转方向。在采用增量型旋转编码器的情况下，得到的是从角度的初始值开始检测到的角度变化，问题变为要知道现在的角度，就必须利用其他方法来确定初始角度。角度的分辨率由环带上缝隙条纹的个数决定。例如，在一转 内能形成600个缝隙条纹，就称其为 （脉冲/转）。此外，以2的幂乘作为基准，例如，等这样一类分辨率的产品，已经在市场上销售。增量型旋转编码器的应用场合，也可以用一个传感器检测角度和角速度。这种编码器单位时间内输出脉冲的数目与角速度成正比。包含着绝对值型和增量型这两种类型的混合混合编码器编码器，也已经开发出来了。在使用这种编码器时，在决定的初始位置时，用绝对值型来进行，在决定由初始位置开始的变动角的精确位置时，则可以用增量型。如果不用圆形转盘而是采用一个轴向移动的板状编码器，则称为直线编码器。它是检测单位时间的位移距离，即速度传感器。直线编码器与回转编码器一样，也可作位置传感器和加速度传感器。3激光干涉式编码器 采用伺服电动机驱动的位置控制机器人，其高速旋转的电机，必须与低速转动的关节的速度相配合，为了获得转矩，应设计电机与关节之间的减速器。因此，当角度传感器不能直接连接到关节而连接到电机上时，检测关节角度的分辨率，乘以齿轮比后其值会变大，因而是有利的。因为大多数机器人采用了这种形式，所以在伺服电机中组装上旋转编码器。但是，齿轮旋转时，如果摩擦力大，则会出现齿隙和偏斜，从而妨碍平滑地运行，为了改善这一问题，就产生不带齿轮，而让电机与关节直接连接的机器人。称这种形式的机器人为，直接驱直接驱动型机器人动型机器人。但是，如果采用这种机器人，因为不能用齿轮比去增强对关节角度的检测能力，就必须研究具有高分辨率的传感器。其中，具有代表性的产品是激光干涉式编码激光干涉式编码器器，这种编码器是一种每转能输出225 000个正弦波的设备。因为这种正弦波的形状非常精确，所以可以利用电气方法进行精细地分割。例如，一个正弦波被分割成80分时，则可以获得每转具有1 800万个脉冲输出地产品。4分相器 分相器是一种用来检测旋转角度地旋转型感应电机，输出正弦波地相位，伴随着转子旋转角度地变化作相应地变化。根据这种相位变化，可以检测出旋转角度。图67 分相器工作原理 如图67所示，来说明分相器的工作原理。当在两个相互成直角配置的固定线圈上，施加相位差为 的两相正弦波电压 和 时，在内部空间会产生旋转磁场。于是，当在这个磁场中放置两个相互成直角的旋转线圈时，设与固定线圈之间的相对转角为 ，则在两个旋转线圈上产生的电压分别为 和 。若用识别电路把这个相位差识别出来，就可以实现的分辨率 。