傳感器在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用

1、傳感器在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，是靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。它可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運(yùn)行，現(xiàn)代的工業(yè)機(jī)器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，機(jī)器需要傳感器提供必要的信息,以正確執(zhí)行相關(guān)的操作。機(jī)器人已經(jīng)開始應(yīng)用大量的傳感器以提高適應(yīng)能力。絕大多數(shù)智能機(jī)器人的外部傳感器，可以大致分為觸覺傳感器，接近傳感器、力學(xué)傳感器，以及視覺、滑覺、熱覺等多種類型的傳感器。例如有很多的協(xié)作機(jī)器人集成了力矩傳感器和攝像機(jī)，以確保在操作中擁有更好的視角，同時(shí)保證工作

2、區(qū)域的安全等。用于避障的傳感器避障可以說是各種機(jī)器人最基本的功能，不然機(jī)器人一走動(dòng)就碰到花花草草就不好了。機(jī)器人并不一定要通過視覺感知自己前方是否有障礙物，它們也可以通過觸覺或像蝙蝠那樣通過聲波感知。因此，檢測(cè)機(jī)器人前方是否存在障礙物的傳感器，可以分為接觸式和非接觸式的。最典型的接觸式測(cè)障傳感器便是碰撞開關(guān)（圖1）。碰撞開關(guān)的工作原理非常簡(jiǎn)單，完全依靠?jī)?nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)來完成電路的導(dǎo)通和中斷。圖1碰撞開關(guān)在機(jī)器人上的用法多數(shù)是將探測(cè)臂加長(zhǎng)，擴(kuò)大探測(cè)范圍和靈敏度。當(dāng)機(jī)器人撞到前面的障礙物，碰撞開關(guān)的信號(hào)端便可返回一個(gè)高電平，控制芯片由此可以知道小車面前存在著障礙物。非接觸式測(cè)障開關(guān)一般的工作原理與聲

3、納和雷達(dá)相似,發(fā)射聲波或某種射線，遇到我們障礙物，聲波或射線被反射回來，并被傳感器接收，這時(shí)傳感器就認(rèn)為發(fā)現(xiàn)了障礙物。最常用的便是發(fā)射和接收紅外線的傳感器（圖3,圖4）。圖3紅外發(fā)射管圖4紅外接收管紅外測(cè)障傳感器成本較低（當(dāng)然比碰撞開關(guān)還是要高一點(diǎn)），電路簡(jiǎn)單，檢測(cè)范圍大。如果在電路中加上一個(gè)電位器，就可以隨時(shí)調(diào)節(jié)傳感器的檢測(cè)范圍。這種檢測(cè)方式為非接觸式，控制起來更加方便、靈活。但這種測(cè)障方式也有缺點(diǎn)，多個(gè)紅外傳感器之間容易互相干擾，因此在傳感器的布局上需要多花心思，安裝位置也要盡可能地避免紅外信號(hào)的碰撞。用于測(cè)距的傳感器機(jī)器人光知道哪個(gè)方向有障礙物并不夠，還必須知道障礙物距離自己具體有多遠(yuǎn)，

4、才好判斷下一步的行動(dòng)。這時(shí)我們就需要測(cè)距傳感器。測(cè)距傳感器大多為非接觸式的，目前在個(gè)人機(jī)器人制作領(lǐng)域用得比較多的是紅外和超聲波測(cè)距傳感器兩種。提到紅外測(cè)距傳感器，就不能不提夏普的GP2D1紅外測(cè)距傳感器（圖5）。GP2D12L乎在我們平時(shí)?？吹降囊恍﹤€(gè)人機(jī)器人作品中,絕大多可以說是機(jī)器人愛好者的必備傳感器，數(shù)都可以看到它的身影。圖5紅外測(cè)距傳感器這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是體積小，測(cè)量準(zhǔn)確，電源電壓與輸出信號(hào)都較常規(guī)，一般單片機(jī)系統(tǒng)都可直接使用，缺點(diǎn)是成本較高，購(gòu)買途徑較少。超聲波測(cè)距傳感器（圖6）也是一種很常見的測(cè)距傳感器，依靠超聲波的發(fā)射與反射接收中的時(shí)間差來判斷距離，這和動(dòng)物界的蝙蝠是一樣的，算是

5、仿生學(xué)的一項(xiàng)應(yīng)用。圖6超聲波測(cè)距傳感器超聲波測(cè)距傳感器規(guī)格很多，測(cè)試距離也從遠(yuǎn)到近都有，價(jià)格相差也較大，一般機(jī)器人愛好者使用的是測(cè)量范圍在幾厘米到幾米的。超聲波測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量范圍較大且不使用光學(xué)信號(hào)，所以被測(cè)物體的顏色對(duì)于測(cè)量結(jié)果沒有影響，但其成本較高。由于它依靠聲速測(cè)距，所以對(duì)于一些影響聲速的因素較敏感，比如溫度、風(fēng)速等，而且最大允許角度較小。用于亮度判斷的傳感器很多朋友制作的機(jī)器人都需要判斷環(huán)境光的亮度,這時(shí)就需要亮度傳感器。最常用的便是光敏電阻（圖7）。光敏電阻是一種隨著照射在上面的可見光強(qiáng)度變化而阻值發(fā)生相應(yīng)變化的電阻，可以根據(jù)其阻值的變化判斷出光強(qiáng)。光敏電阻的使用也非常簡(jiǎn)單，只要

6、將它當(dāng)作普通電阻接入電路，根據(jù)電流變化便可得出電阻值的變化，進(jìn)而判斷出光強(qiáng)的變化。對(duì)于機(jī)器人制作，光敏電阻是一種成本低廉、可靠性好、測(cè)量準(zhǔn)確的元件。用于測(cè)量速度的傳感器機(jī)器人自身的行走速度對(duì)于判斷機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和機(jī)器人所在位置非常重要，這里我們主要討論一下對(duì)機(jī)器人小車運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)量。車型機(jī)器人依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪子來運(yùn)動(dòng)，因此測(cè)量機(jī)器人小車的速度可以歸結(jié)為測(cè)量驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。那么怎么測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速呢？測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速有很多種方法，比較適合個(gè)人機(jī)器人愛好者的是采用光電編碼器。光電編碼器也有很多種，在個(gè)人機(jī)器人上比較常見的有兩種，一種為反射式，一種為透射式。反射式的基本結(jié)構(gòu)是在電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上加一個(gè)圓形的黑白

7、相間碼盤，很多都是粘在輪子上的（圖8）,離碼盤很近的地方固定一個(gè)紅外發(fā)射/接收一體模塊，利用黑白色對(duì)紅外線的吸收率不同來進(jìn)行判斷。紅外線照射到黑色部分時(shí)，大部分被吸收，而無反射信號(hào)；紅外線照射到白色部分時(shí)，大部分紅外線被反射回來，而產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射信號(hào)。當(dāng)碼盤隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，紅外接收端的輸出信號(hào)便是一個(gè)由旋轉(zhuǎn)速度決定頻率的方波，進(jìn)而我們便可知道此時(shí)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。圖8碼盤外形圖透射式檢測(cè)原理與反射式相似。唯一的不同是它沒有圖9中黑白相間的碼盤，而是在光柵圓盤上開了一圈小孔，紅外線或可見光的發(fā)射端與檢測(cè)端分別位于光柵圓盤的兩側(cè)（圖9）,同樣利用光柵圓盤旋轉(zhuǎn)后產(chǎn)生的脈沖信號(hào)來檢測(cè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。從本質(zhì)

8、上來說，兩種傳感器都屬于光電傳感器，這類傳感器價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)可靠、檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，不過對(duì)于安裝位置要求較高。檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，除了光電傳感器之外，還有一些利用磁效應(yīng)原理的傳感器，汽車上經(jīng)常使用這種傳感器。二維視覺傳感器二維視覺基本上就是一個(gè)可以執(zhí)行多種任務(wù)的攝像頭。從檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體到傳輸帶上的零件定位等等。二維視覺在市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了很長(zhǎng)一段時(shí)間，并且占據(jù)了一定的份額。許多智能相機(jī)都可以檢測(cè)零件并協(xié)助機(jī)器人確定零件的位置，機(jī)器人就可以根據(jù)接收到的信息適當(dāng)調(diào)整其動(dòng)作。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，機(jī)器需要傳感器提供必要的信息,以正確執(zhí)行相關(guān)的操作。機(jī)器人已經(jīng)開始應(yīng)用大量的傳感器以提高適應(yīng)能力。例如有很多的協(xié)作機(jī)器人集

9、成了力矩傳感器和攝像機(jī)，以確保在操作中擁有更好的視角，同時(shí)保證工作區(qū)域的安全等。在此枚舉一些常用的可以集成到機(jī)器人單元里的各種傳感器，供諸君參考。.維視覺傳感器二維視覺基本上就是一個(gè)可以執(zhí)行多種任務(wù)的攝像頭。從檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體到傳輸帶上的零件定位等等。二維視覺在市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了很長(zhǎng)一段時(shí)間，并且占據(jù)了一定的份額。許多智能相機(jī)都可以檢測(cè)零件并協(xié)助機(jī)器人確定零件的位置，機(jī)器人就可以根據(jù)接收到的信息適當(dāng)調(diào)整其動(dòng)作。三維視覺傳感器與二維視覺相比，三維視覺是最近才出現(xiàn)的一種技術(shù)。三維視覺系統(tǒng)必須具備兩個(gè)不同角度的攝像機(jī)或使用激光掃描器。通過這種方式檢測(cè)對(duì)象的第三維度。同樣，現(xiàn)在也有許多的應(yīng)用使用了三維視覺技術(shù)。例如零件取放，利用三維視覺技術(shù)檢測(cè)物體并創(chuàng)建三維圖像，分析并選擇最好的拾取方式。力感測(cè)可以通過機(jī)械臂上內(nèi)嵌的力傳感器獲得，目前市場(chǎng)上的大部分協(xié)作機(jī)器人已經(jīng)具備。我已經(jīng)在優(yōu)傲機(jī)器人上內(nèi)嵌了力反饋回路，它們能做到我想要的事情。使用內(nèi)置力傳感器的唯一缺點(diǎn)是，你沒有一個(gè)精度相同的設(shè)備可以把力“讀”出來。大多是內(nèi)置力傳感器都是通過讀取機(jī)器人的電流來測(cè)量力