第八講工業(yè)機(jī)器人的傳感器分類及要求101008

1、第4章 工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用引言：人的環(huán)境感覺:通過五官接收外界信息。 大腦進(jìn)行信息加工、發(fā)指令、 調(diào)動肌體。 機(jī)器人的大腦-計 算 機(jī) 判斷和控制 四肢-執(zhí)行機(jī)構(gòu) 五官-傳 感 器 傳感器處于連接外界環(huán)境與機(jī)器人接口位置，是 機(jī)器人的信息窗口。關(guān) 聯(lián) 及 依 賴 手 - 把握 足 - 行走 皮膚 - 觸覺 眼睛 - 視覺 耳朵 - 聽覺 舌頭 - 味覺機(jī)器人環(huán)境感覺的條件： 感知環(huán)境的能力: 用傳感器采集環(huán)境信息。 處理控制能力： 如何采取適當(dāng)方法，將多個傳感器獲取的環(huán)境信息加以綜合處理，控制機(jī)器人進(jìn)行智能作業(yè)。 引言： 給機(jī)器人裝備什么樣的傳感器，對這些傳感器有什么要求，這是設(shè)計機(jī)器

2、人感覺系統(tǒng)時遇到的首要問題。選擇機(jī)器人傳感器應(yīng)當(dāng)完全取決于機(jī)器人的工作需要和應(yīng)用特點。例：裝配機(jī)器人 距離傳感器決定零件安裝位置 視覺傳感器檢測零件形狀 滑覺傳感器檢測手的把握狀態(tài) 力覺傳感器 檢測安裝狀態(tài)一、機(jī)器人需要的感覺能力1 觸覺能力：主要指確定工作對象是否存在，以及它的尺寸大小和形狀等。 接近覺： 主要用于探測機(jī)器人自身與周圍物體之間相對位置或距離的傳感器。接近覺界于觸覺與視覺之間。 視覺： 孔、邊、拐角的檢測及工作對象形狀的檢測等。一、機(jī)器人需要的感覺能力2 壓覺： 主要用于檢測機(jī)器人與作業(yè)對象之間接觸面的法向壓力值的大小。 滑覺： 主要用于檢測物體因自重相對于機(jī)器人手爪的滑移量的

3、大小。4.1 工業(yè)機(jī)器人傳感器的分類及要求一、工業(yè)機(jī)器人傳感器的分類內(nèi)傳感器：采集機(jī)器人本體、關(guān)節(jié)和手爪 的位移、速度、加速度等信息。 外傳感器：采集機(jī)器人和外部環(huán)境及工作對象之間信息 1內(nèi)傳感器： 內(nèi)傳感器是用于測量機(jī)器人自身狀態(tài)的功能元件。具體檢測的對象有：關(guān)節(jié)的線位移、角位移等幾何量；速度、角速度、加速度等運動量；傾斜角、方位角、振動等物理量。內(nèi)傳感器常用于控制系統(tǒng)中，用作反響元件，檢測機(jī)器人自身的狀態(tài)參數(shù)。2外傳感器： 測量與機(jī)器人作業(yè)有關(guān)的外部因素。通常與機(jī)器人的目標(biāo)識別、作業(yè)平安等因素有關(guān)。工業(yè)機(jī)器人傳感器的分類二、工業(yè)機(jī)器人傳感器的要求精度高、重復(fù)性好 穩(wěn)定性好，可靠性高 抗干擾

4、能力強(qiáng) 質(zhì)量小、體積小、安裝方便可靠 價格廉價 常用工業(yè)機(jī)器人傳感器機(jī)器人接觸覺 機(jī)器人的接近覺 機(jī)器人壓覺 機(jī)器人滑覺 機(jī)器人的力覺工業(yè)機(jī)器人的運動特性檢測傳感器陀螺儀 補(bǔ)充: 工業(yè)機(jī)器人的視覺 視覺系統(tǒng)可以分為圖像輸入(獲取)、圖像處理、圖像理解、圖像存儲和圖像輸出幾個局部(見圖4.1)。 實際系統(tǒng)可以根據(jù)需要選擇其中的假設(shè)干部件。 一、視覺系統(tǒng)的硬件組成圖 4.1 視覺系統(tǒng)的硬件組成 1. 視覺傳感器視覺傳感器是將景物的光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件。大多數(shù)機(jī)器人視覺都不必通過膠卷等媒介物,而是直接把景物攝入。過去經(jīng)常使用光導(dǎo)攝像等電視攝像機(jī)作為機(jī)器人的視覺傳感器, 近年來開發(fā)了CCD(電荷耦

5、合器件)和MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)器件等組成的固體視覺傳感器。 固體傳感器又可以分為一維線性傳感器和二維線性傳感器,目前二維線性傳感器已經(jīng)能做到四千個像素以上。由于固體視覺傳感器具有體積小、重量輕等優(yōu)點, 因此應(yīng)用日趨廣泛。 由視覺傳感器得到的電信號, 經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號, 稱為數(shù)字圖像。一般地,一個畫面可以分成256256像素、 512512像素或10241024像素,像素的灰度可以用4位或8位二進(jìn)制數(shù)來表示。一般情況下, 這么大的信息量對機(jī)器人系統(tǒng)來說是足夠的。要求比較高的場合,還可以通過彩色攝像系統(tǒng)或在黑白攝像管前面加上紅、綠、藍(lán)等濾光器得到顏色信息和較好的反差。 如果能在傳感器的

6、信息中參加景物各點與攝像管之間的距離信息,顯然是很有用的。每個像素都含有距離信息的圖像, 稱之為距離圖像。目前,有人正在研究獲得距離信息的各種方法, 但至今還沒有一種簡單實用的裝置。 像素定義：“像素Pixel 是由 Picture(圖像) 和 Element(元素)這兩個單詞所組成的，是最小的圖像單元，這種最小的圖形的單元能在屏幕上顯示通常是單個的染色點。特征： 用來表示一幅圖像的像素越多，結(jié)果更接近原始的圖像。一幅圖像中的像素個數(shù)有時被稱為圖像解析度。 數(shù)碼相機(jī)的圖像質(zhì)量是由像素決定的，像素越大，照片的分辨率也越大，打印 尺寸在不降低打印質(zhì)量的同時也越大。像素的灰度 把每一網(wǎng)格中的亮度取平

7、均值，或是交叉處的連續(xù)圖像的亮度值作為像素的值，這些像素點的值仍是連續(xù)值，量化即是將這些連續(xù)的值離散化為有限個整數(shù)值的操作，一般用一個字節(jié)表示。如，把一幅黑白圖像的亮度連續(xù)變化量化為0255共256個灰度等級，量化后的灰度值反映了對應(yīng)像素點的亮度明暗值。一幅黑白圖像不一定是簡單的黑或白構(gòu)成的，常會有一些中間過渡的灰色，灰度等級越多，就越能準(zhǔn)確地再現(xiàn)原稿的顏色深度，又稱位深度。目前最為普遍的是采用256個灰度等級，即每個像素的灰度用一個字節(jié)(8位)表示，其中0為全黑，255為全白，介于兩者之間為不同亮度的灰色。2. 攝像機(jī)和光源控制機(jī)器人的視覺系統(tǒng)直接把景物轉(zhuǎn)化成圖像輸入信號, 因此取景局部應(yīng)當(dāng)

8、能根據(jù)具體情況自動調(diào)節(jié)光圈的焦點, 以便得到一張容易處理的圖像。為此應(yīng)能調(diào)節(jié)以下幾個參量: (1) 焦點能自動對準(zhǔn)要看的物體。 (2) 根據(jù)光線強(qiáng)弱自動調(diào)節(jié)光圈。 (3) 自動轉(zhuǎn)動攝像機(jī), 使被攝物體位于視野中央。 (4) 根據(jù)目標(biāo)物體的顏色選擇濾光器。 此外, 還應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)光源的方向和強(qiáng)度, 使目標(biāo)物體能夠看得更清楚。 3. 計算機(jī)由視覺傳感器得到的圖像信息要由計算機(jī)存儲和處理, 根據(jù)各種目的輸出處理后的結(jié)果。20世紀(jì)80年代以前,由于微計算機(jī)的內(nèi)存量小,內(nèi)存的價格高, 因此往往另加一個圖像存儲器來儲存圖像數(shù)據(jù)。現(xiàn)在, 除了某些大規(guī)模視覺系統(tǒng)之外, 一般都使用微計算機(jī)或小型機(jī)。除了通過顯示器顯

9、示圖形之外,還可以用打印機(jī)或繪圖儀輸出圖像，且使用轉(zhuǎn)換精度為8位A/D轉(zhuǎn)換器就可以了。但由于數(shù)據(jù)量大, 要求轉(zhuǎn)換速度快, 目前已在使用100 MB 以上的8位AD轉(zhuǎn)換芯片。 4. 圖像處理機(jī)一般計算機(jī)都是串行運算的, 要處理二維圖像很費時間。 在要求較高的場合, 可以設(shè)置一種專用的圖像處理機(jī),以便縮短計算時間。 圖像處理只是對圖像數(shù)據(jù)做了一些簡單、重復(fù)的預(yù)處理, 數(shù)據(jù)進(jìn)入計算機(jī)后, 還要進(jìn)行各種運算。 二、機(jī)器人視覺的應(yīng)用六大智能系統(tǒng)： 1、 計算機(jī)系統(tǒng)2、 導(dǎo)航系統(tǒng)3、 感應(yīng)系統(tǒng)：4、 清潔系統(tǒng)5、 記憶系統(tǒng)6、 自動充電系統(tǒng)三種獨特的工作模式： 1、 六邊行逆時針，點到 面擴(kuò)展清掃方式；

10、2、 延墻邊直線清掃方式； 3、 障礙物繞行清掃方式； 產(chǎn)品特點： 1、 操作簡單； 2、 超強(qiáng)吸力； 3、 超靜音，無揚塵； 4、 過濾空氣； 5、 自動充電、自開工作； 美嘉樂掃地機(jī)器人視頻 :/=4619740_4619729&pos=13&word=%D6%C7%C4%DC%C9%A8%B5%D8%BB%FA%C6%F7%C8%CB1. 弧焊過程中焊槍對焊縫的自動對中圖4.2所示為具有視覺焊縫對中的弧焊機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 圖像傳感器直接安裝在機(jī)器人末端執(zhí)行器。焊接過程中,圖像傳感器對焊縫進(jìn)行掃描檢測, 獲得焊前區(qū)焊縫的截面參數(shù)曲線， 計算機(jī)根據(jù)該截面參數(shù)計算出末端執(zhí)行器相對焊縫中心線的

11、偏移量,然后發(fā)出位移修正指令,調(diào)整末端執(zhí)行器直到偏移量=0為止。瑞典ASEA公司研制的Opotocator 弧焊用視覺系統(tǒng), 安裝在距工件175 mm高度,視野寬度32 mm,分辨率0.06 mm；安裝在IRL62弧焊機(jī)器人上能到達(dá)對中精度為0.40 mm。這種傳感器還可測量出鋼板厚度,能自動調(diào)節(jié)弧焊電流, 從而保證焊接質(zhì)量, 并使厚度為0.80 mm的薄鋼板焊接成為可能。弧焊機(jī)器人裝上視覺系統(tǒng)后給編程帶來了方便, 編程時只需嚴(yán)格按圖樣進(jìn)行。 在焊接過程中產(chǎn)生的焊縫變形、裝卡及傳動系統(tǒng)的誤差均可由視覺系統(tǒng)自動檢測并加以補(bǔ)償。 圖 4.2 具有視覺焊縫對中的弧焊機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2. 裝配作業(yè)中

12、的應(yīng)用圖4.4所示為一個吸塵器自動裝配實驗系統(tǒng), 由2臺關(guān)節(jié)機(jī)器人和7臺圖像傳感器組成。組裝的吸塵器部件包括底盤、氣泵和過濾器等, 都自由堆放在右側(cè)備料區(qū),該區(qū)上方裝設(shè)三臺圖像傳感器(、), 用以分辨物料的種類和方位。機(jī)器人的前部為裝配區(qū),這里有4臺圖像傳感器A、B、C和D, 用來對裝配過程進(jìn)行監(jiān)控。使用這套系統(tǒng)裝配一臺吸塵器只需2分鐘。 圖 4.4 吸塵器自動裝配實驗系統(tǒng) 3. 機(jī)器人非接觸式檢測 在機(jī)器人腕部配置視覺傳感器,可用于對異形零件進(jìn)行非接觸式測量, 如圖4.5所示。這種測量方法除了能完成常規(guī)的空間幾何形狀、形體相對位置的檢測外,如配上超聲、激光、 x射線探測裝置, 那么還可進(jìn)行零

13、件內(nèi)部的缺陷探傷、 外表涂層厚度測量等作業(yè)。 圖 4.5 具有視覺系統(tǒng)的機(jī)器人進(jìn)行非接觸式測量 4. 利用視覺的自主機(jī)器人系統(tǒng)日本日立中央研究所研制的具有自主控制功能的智能機(jī)器人, 可以用來完成按圖裝配產(chǎn)品的作業(yè),圖4.6所示為其工作示意圖。它的兩個視覺傳感器作為機(jī)器人的眼睛,一個用于觀察裝配圖紙，并通過計算機(jī)來理解圖中零件的立體形狀及裝配關(guān)系; 另一個用于從實際工作環(huán)境中識別出裝配所需的零件,并對其形狀、位置、姿態(tài)等進(jìn)行識別。此外,多關(guān)節(jié)機(jī)器人還帶有觸覺。 利用這些傳感器信息,可以確定裝配順序和裝配方法, 逐步將零件裝成與圖紙相符的產(chǎn)品。 圖 4.6 日立自主控制機(jī)器人工作示意圖 從功能上看

14、,這種機(jī)器人具有圖形識別功能和決策規(guī)劃功能, 前者可以識別一定的目標(biāo)(如宏指令)、裝配圖紙、多面體等; 后者可以確定操作序列, 包括裝配順序、手部軌跡、抓取位置等。這樣,只要對機(jī)器人發(fā)出類似于人的表達(dá)形式的宏指令, 機(jī)器人那么會自動考慮執(zhí)行這些指令的具體工作細(xì)節(jié)。該機(jī)器人已成功地進(jìn)行了印刷板檢查和晶體管、電動機(jī)等裝配工作。 工業(yè)機(jī)器人的觸覺 引言 觸覺能力：主要指確定工作對象是否存在，以及它的尺寸大小和形狀等。引言 為使機(jī)器人準(zhǔn)確地完成工作,需時刻檢測機(jī)器人與對象物體的配合關(guān)系。 機(jī)器人觸覺可分成接觸覺、接近覺、壓覺、滑覺和力覺五種, 如圖4.7所示。 觸頭可裝配在機(jī)器人的手指上, 用來判斷工

15、作中各種狀況。 圖 4.7 機(jī)器人觸覺 一、機(jī)器人的接觸覺1. 接觸覺傳感器接觸覺傳感器檢測機(jī)器人是否接觸目標(biāo)或環(huán)境，用于尋找物體或感知碰撞。工作原理：在電極和柔性導(dǎo)體之間留有間隙，當(dāng)施加外力時，受壓局部的柔性導(dǎo)體和柔性絕緣體發(fā)生變形，利用柔性導(dǎo)體和電極之間的接通狀態(tài)形成接觸覺。接觸覺傳感器圖例：1接觸覺傳感器： 圖4.8所示的接觸覺傳感器由微動開關(guān)組成, 根據(jù)用途不同配置也不同, 一般用于探測物體位置、探索路徑和平安保護(hù)。這類配置屬于分散裝置,即把單個傳感器安裝在機(jī)械手的敏感位置上。圖 4.8 接觸覺傳感器(a) 點式; (b) 棒式; (c) 緩沖器式; (d) 平板式; (e) 環(huán)式 典

16、型元器件圖例：圖4.9所示為二維矩陣接觸覺傳感器的配置方法, 一般放在機(jī)器人手掌的內(nèi)側(cè)。圖中柔軟導(dǎo)體可以使用導(dǎo)電橡膠、浸含導(dǎo)電涂料的氨基甲酸乙酯泡沫或炭素纖維等材料。陣列式接觸覺傳感器可用于測定自身與物體的接觸位置、被握物體中心位置和傾斜度, 甚至還可以識別物體的大小和形狀。 矩陣式分布接觸覺傳感器 柔軟的電極 柔軟的絕緣體 電極 電極板2. 接觸覺應(yīng)用 圖4.10(a)所示為一個具有接觸覺識別功能的機(jī)器人,共有四個自由度(兩個移動和兩個轉(zhuǎn)動), 由一臺微機(jī)控制,各軸運動是由直流電機(jī)閉環(huán)驅(qū)動。手部裝有壓電橡膠接觸覺傳感器, 識別軟件具有搜索和識別的功能。 圖 4.10 具有接觸搜索識別功能的機(jī)

17、器 (1) 搜索過程。 機(jī)器人有一扇形截面柱狀操作空間, 手爪在高度方向進(jìn)行分層搜索, 對每一層可根據(jù)預(yù)先給定的程序沿一定軌跡進(jìn)行搜索。搜索過程中,假定在位置遇到障礙物, 那么手爪上的接觸覺傳感器就會發(fā)出停止前進(jìn)的指令, 使手臂向后縮回一段距離到達(dá)位置。如果已經(jīng)避開了障礙物, 那么再前進(jìn)至, 又伸出到, 再運動到處與障礙物再次相碰。根據(jù)、 的位置計算機(jī)就能判斷被搜索物體的位置。再按、 的順序接近就能對搜索的目標(biāo)物進(jìn)行抓取, 如圖4.10(b)所示。 (2) 識別功能。 圖4.11是一個配置在手上的由34個觸覺元件組成的外表陣列觸覺傳感器,識別對象為一長方體。假定手與搜索對象的接觸目標(biāo)模式為x*

18、,手的每一步搜索得到的接觸信息構(gòu)成了接觸模式xi,機(jī)器人根據(jù)每一步搜索的接觸模式x1、x2、x3不斷計算、估計、調(diào)整手的位姿, 直到目標(biāo)模式與接觸模式相符合為止。 圖 4.11 用接觸覺陣列傳感器引導(dǎo)隨機(jī)搜索 每一步搜索過程由三局部組成: 接觸覺信息的獲取、 量化和對象外表形心位置的估算; 對象邊緣特征的提取和姿勢估算; 運動計算及執(zhí)行運動。 要判定搜索結(jié)果是否滿足形心對中、姿勢符合要求,那么還可設(shè)置一個目標(biāo)函數(shù), 要求目標(biāo)函數(shù)在某一尺度下最優(yōu), 用這樣的方法可判定對象的存在和位姿情況。 機(jī)器人的接近覺 電磁式(感應(yīng)電流式) 光電式(反射或透射式) 靜電容式氣壓式超聲波式高頻振蕩式 電磁式接近覺傳感器 電磁式傳感器在一個線圈中通入高頻電流，就會產(chǎn)生磁場，這個磁場接近金屬物時，會在金屬物中產(chǎn)生感應(yīng)電流，也就是渦流。渦流大小隨對象物體外表和線圈距離大小而變化，這個變化反過來又影響線圈內(nèi)磁場強(qiáng)