機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用6

1、 第六章 機(jī)器人的感覺 第一節(jié) 機(jī)器人傳感技術(shù) 第二節(jié) 機(jī)器人內(nèi)部傳感器 第三節(jié) 機(jī)器人外部傳感器 第四節(jié) 機(jī)器人傳感器的選擇要求 第一節(jié) 機(jī)器人傳感技術(shù) 一、機(jī)器人與傳感器 研究機(jī)器人，首先從模仿人開始，通過考察人的勞動(dòng)我們發(fā)現(xiàn)，人類是通過五種熟知的感官（視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺）接收外界信息的，這些信息通過神經(jīng)傳遞給大腦，大腦對這些分散的信息進(jìn)行加工、綜合后發(fā)出行為指令，調(diào)動(dòng)肌體（如手足等）執(zhí)行某些動(dòng)作。如果希望機(jī)器人代替人類勞動(dòng)，則發(fā)現(xiàn)大腦可與當(dāng)今的計(jì)算機(jī)相當(dāng)，肌體與機(jī)器人的機(jī)構(gòu)本體（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）相當(dāng)，五官可與機(jī)器人的各種外部傳感器相當(dāng)。 機(jī)器人則是通過傳感器得到感覺信息的。其中，傳感

2、器處于連接外界環(huán)境與機(jī)器人的接口位置，是機(jī)器人獲取信息的窗口。要使機(jī)器人擁有智能，對環(huán)境變化做出反應(yīng)，首先，必須使機(jī)器人具有感知環(huán)境的能力，用傳感器采集信息是機(jī)器人智能化的第一步；其次，如何采取適當(dāng)?shù)姆椒?，將多個(gè)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)，則是提高機(jī)器人智能程度的重要體現(xiàn)。因此，傳感器及其信息處理系統(tǒng)，是構(gòu)成機(jī)器人智能的重要部分，它為機(jī)器人智能作業(yè)提供決策依據(jù)。 二、機(jī)器人傳感器的分類 機(jī)器人用傳感器也可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。內(nèi)部傳感器是用來確定機(jī)器人在其自身坐標(biāo)系內(nèi)的姿態(tài)位置的，如用來測量位移、速度、加速度和應(yīng)力的通用型傳感器。而外部傳感器則用于機(jī)器人本身

3、相對其周圍環(huán)境的定位。外部傳感機(jī)構(gòu)的使用使機(jī)器人能以柔性方式與其環(huán)境互相作用。負(fù)責(zé)檢驗(yàn)諸如距離、接近程度和接觸程度之類的變量，便于機(jī)器人的引導(dǎo)及物體的識別和處理。 第二節(jié) 機(jī)器人內(nèi)部傳感器 一、機(jī)器人的位置傳感器 位置感覺是機(jī)器人最基本的感覺要求，它可以通過多種傳感器來實(shí)現(xiàn)，常用的機(jī)器人位置傳感器有電阻式位移傳感器、電容式位移傳感器、電感式位移傳感器、光電式位移傳感器、霍爾元件位移傳感器、磁柵式位移傳感器以及機(jī)械式位移傳感器等。機(jī)器人各關(guān)節(jié)和連桿的運(yùn)動(dòng)定位精度要求、重復(fù)精度要求以及運(yùn)動(dòng)范圍要求是選擇機(jī)器人位置傳感器的基本依據(jù)。 典型的位置傳感器是電位計(jì)（稱為電位差計(jì)或分壓計(jì)），它由一個(gè)線繞電阻

4、（或薄膜電阻）和一個(gè)滑動(dòng)觸點(diǎn)組成。其中滑動(dòng)觸點(diǎn)通過機(jī)械裝置受被檢測量的控制。當(dāng)被檢測的位置量發(fā)生變化時(shí)，滑動(dòng)觸點(diǎn)也發(fā)生位移，改變了滑動(dòng)觸點(diǎn)與電位器各端之間的電阻值和輸出電壓值，根據(jù)這種輸出電壓值的變化，可以檢測出機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置和位移量。 如圖61所示，這是一個(gè)位置傳感器的實(shí)例。在載有物體的工作臺下面有同電阻接觸的觸頭，當(dāng)工作臺在左右移動(dòng)時(shí)接觸觸頭也隨之左右移動(dòng)，從而移動(dòng)了與電阻接觸的位置。檢測的是以電阻中心為基準(zhǔn)位置的移動(dòng)距離。圖61 線性電位計(jì) 假定輸入電壓為 ，最大移動(dòng)距離（從電阻中心到一端的長度）為 ，在可動(dòng)觸頭從中心向左端只移動(dòng) 的狀態(tài)，假定電阻右側(cè)的輸出電壓為 。若在圖61的電路

5、上流過一定的電流，由于電壓與電阻的長度成比例（全部電壓按電阻長度進(jìn)行分壓），所以左右的電壓比等于電阻長度比，也就是： 因此，可得移動(dòng)距離 為 (6-1) ELxe)/()(/ )(xLxLeeExEEeLx)2( 把圖中的電阻元件彎成圓弧形，可動(dòng)觸頭的另一端固定在圓的中心，并像時(shí)針那樣回轉(zhuǎn)時(shí)，由于電阻長隨相應(yīng)的回轉(zhuǎn)角而變化，因此基于上述同樣的理論可構(gòu)成角度傳感器。如圖62所示:圖62 角度式電位計(jì) 這種電位計(jì)由環(huán)狀電阻器和與其一邊電氣接觸一邊旋轉(zhuǎn)的電刷共同組成。當(dāng)電流沿電阻器流動(dòng)時(shí)，形成電壓分布。如果這個(gè)電壓分布制作成與角度成比例的形式，則從電刷上提取出的電壓值，也與角度成比例。作為電阻器，可

6、以采用兩種類型，一種是用導(dǎo)電塑料經(jīng)成形處理作成的導(dǎo)電塑料型，如圖62（a）所示；另一種是在絕緣環(huán)上繞上電阻線作成的線圈型，如圖62（b）所示。 圖63所示的位置傳感器是利用光電監(jiān)測元件的，如果事先求出光源（LED）和感光部分（光敏晶體管）之間的距離同感光量 的關(guān)系（如圖62中b）就能從計(jì)測時(shí)的感光量檢測出位移 。圖63 光電位置傳感器 x二、機(jī)器人的角度傳感器 應(yīng)用最多的旋轉(zhuǎn)角度傳感器是旋轉(zhuǎn)編碼器。旋轉(zhuǎn)編碼器又稱轉(zhuǎn)軸編碼器、回轉(zhuǎn)編碼器等，它把作為連續(xù)輸入的軸的旋轉(zhuǎn)角度同時(shí)進(jìn)行離散化（樣本化）和量化處理后予以輸出。 光學(xué)編碼器是一種應(yīng)用廣泛的角位移傳感器，其分辨率完全能滿足機(jī)器人技術(shù)要求。這種非

7、接觸型傳感器可分為絕對型和增量型。 1光學(xué)式絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器 如圖64所示為一光學(xué)式絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器，在輸入軸上的旋轉(zhuǎn)透明圓盤上，設(shè)置條同心圓狀的環(huán)帶，對環(huán)帶上角度實(shí)施二進(jìn)制編碼，并將不透明條紋印刷到環(huán)帶上。 圖64 光學(xué)式絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器 將圓盤置于光線的照射下，當(dāng)透過圓盤的光由個(gè)光傳感器進(jìn)行判讀時(shí)，判讀出的數(shù)據(jù)變成為 的二進(jìn)制碼。二進(jìn)制碼有不同的種類，但是只有葛萊碼是沒有判讀誤差的碼，所以它獲得了廣泛的應(yīng)用。編碼器的分辨率由比特?cái)?shù)（環(huán)帶數(shù)）決定，例如 編碼器的分辨率，由于 所以可以以 的分辨率，對1轉(zhuǎn) 進(jìn)行檢測。 編碼器，設(shè)定以十進(jìn)制作為基數(shù)，所以其分辨率變?yōu)?。 絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用場

8、合，可以用一個(gè)傳感器檢測角度和角速度。因?yàn)檫@種編碼器的輸出，表示的是旋轉(zhuǎn)角度的現(xiàn)時(shí)值，所以若對單位時(shí)間前的值進(jìn)行記憶，并取它與現(xiàn)時(shí)值之間的差值，就可以求得角速度。 nbitbit1240962124096/10360BCD0)4000/360(2光學(xué)式增量型旋轉(zhuǎn)編碼器 在旋轉(zhuǎn)圓盤上設(shè)置一條環(huán)帶，將環(huán)帶沿圓周方向分割成等分，并用不透明的條紋印刷到上面。把圓盤置于光線的照射下，透過去的光線用一個(gè)光傳感器（A）進(jìn)行判讀。因?yàn)閳A盤每轉(zhuǎn)過一定角度，光傳感器的輸出電壓A在H（high level）與L（low level）之間就會交替地進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以當(dāng)把這個(gè)轉(zhuǎn)換次數(shù)用計(jì)數(shù)器進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)，就能夠知道旋轉(zhuǎn)過的角

9、度。如圖65所示。圖65 光學(xué)式增量型旋轉(zhuǎn)編碼器 由于這種方法不論是順時(shí)針方向（CW）旋轉(zhuǎn)時(shí)，還是逆時(shí)針方向（CCW）旋轉(zhuǎn)時(shí)，都同樣地會在H與L間交替轉(zhuǎn)換，所以不能得到旋轉(zhuǎn)方向。 因此，從一個(gè)條紋到下一個(gè)條紋可以作為一個(gè) 周期 ，在相對于傳感器（A）移動(dòng) 周期的位置上增加傳感器（B），并提取輸出量B。于是，輸出量A的時(shí)域波形與輸出量B的時(shí)域波形，在相位上相差 周期，如圖66所示。圖66 增量型旋轉(zhuǎn)編碼器輸出波形 4/14/1 線圈型電位計(jì)，其電壓分布成階段狀，所以它的分辨率由可能檢測范圍（在一周回轉(zhuǎn)型中，可以是3400）內(nèi)繞制的電阻線圈數(shù)來決定，可以作到從1/1000-1/20000這一范圍。

10、對于導(dǎo)電塑料型來說，因?yàn)槠潆妷悍植即篌w上是連續(xù)的，所以其分辨率可以取作無窮小。這類傳感器的缺點(diǎn)是，由作為接觸型這一特點(diǎn)造成的。在電刷與電阻器表面的多次摩擦中，兩者都會受到磨損，從而使平滑的接觸變得不可能，因此，會因?yàn)榻佑|不好而產(chǎn)生噪聲。 圖63所示的位置傳感器是利用光電監(jiān)測元件的，如果事先求出光源（LED）和感光部分（光敏晶體管）之間的距離同感光量的關(guān)系（如圖62中b）就能從計(jì)測時(shí)的感光量 檢測出位移 。圖63 光電位置傳感器 x二、機(jī)器人的角度傳感器 1光學(xué)式絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器 如圖64所示為一光學(xué)式絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器，在輸入軸上的旋轉(zhuǎn)透明圓盤上，設(shè)置條同心圓狀的環(huán)帶，對環(huán)帶上角度實(shí)施二進(jìn)制編碼

11、，并將不透明條紋印刷到環(huán)帶上。圖64 光學(xué)式絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器 將圓盤置于光線的照射下，當(dāng)透過圓盤的光由 個(gè)光傳感器進(jìn)行判讀時(shí)，判讀出的數(shù)據(jù)變成為 的二進(jìn)制碼。二進(jìn)制碼有不同的種類，但是只有葛萊碼是沒有判讀誤差的碼，所以它獲得了廣泛的應(yīng)用。編碼器的分辨率由比特?cái)?shù)（環(huán)帶數(shù)）決定，例如 ，編碼器的分辨率，由于 ，所以可以以 的分辨率，對1轉(zhuǎn) 進(jìn)行檢測。 編碼器，設(shè)定以十進(jìn)制作為基數(shù)，所以其分辨率變?yōu)?。 nnbitbit1240962124096/10360BCD0)4000/360( 絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用場合，可以用一個(gè)傳感器檢測角度和角速度。因?yàn)檫@種編碼器的輸出，表示的是旋轉(zhuǎn)角度的現(xiàn)時(shí)值，所以

12、若對單位時(shí)間前的值進(jìn)行記憶，并取它與現(xiàn)時(shí)值之間的差值，就可以求得角速度。 2光學(xué)式增量型旋轉(zhuǎn)編碼器 在旋轉(zhuǎn)圓盤上設(shè)置一條環(huán)帶，將環(huán)帶沿圓周方向分割成 等分，并用不透明的條紋印刷到上面。把圓盤置于光線的照射下，透過去的光線用一個(gè)光傳感器（A）進(jìn)行判讀。因?yàn)閳A盤每轉(zhuǎn)過一定角度，光傳感器的輸出電壓A在H（high level）與L（low level）之間就會交替地進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以當(dāng)把這個(gè)轉(zhuǎn)換次數(shù)用計(jì)數(shù)器進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)，就能夠知道旋轉(zhuǎn)過的角度。如圖65所示。 m圖65 光學(xué)式增量型旋轉(zhuǎn)編碼器 由于這種方法不論是順時(shí)針方向（CW）旋轉(zhuǎn)時(shí)，還是逆時(shí)針方向（CCW）旋轉(zhuǎn)時(shí)，都同樣地會在H與L間交替轉(zhuǎn)換，所以不能

13、得到旋轉(zhuǎn)方向，因此，從一個(gè)條紋到下一個(gè)條紋可以作為一個(gè)周期，在相對于傳感器（A）移動(dòng)周期的位置上增加傳感器（B），并提取輸出量B。于是，輸出量A的時(shí)域波形與輸出量B的時(shí)域波形，在相位上相差周期，如圖66所示。 通常，順時(shí)針方向（CW）旋轉(zhuǎn)時(shí)，A的變化比B的變化先發(fā)生，逆時(shí)針方向（CCW）旋轉(zhuǎn)時(shí)，則情況相反，因此可以得知旋轉(zhuǎn)方向。 在采用增量型旋轉(zhuǎn)編碼器的情況下，得到的是從角度的初始值開始檢測到的角度變化，問題變?yōu)橐垃F(xiàn)在的角度，就必須利用其他方法來確定初始角度。 角度的分辨率由環(huán)帶上縫隙條紋的個(gè)數(shù)決定。例如，在一轉(zhuǎn) 內(nèi)能形成600個(gè)縫隙條紋，就稱其為 （脈沖/轉(zhuǎn)）。此外，以2的冪乘作為基準(zhǔn)，

14、例如， 等這樣一類分辨率的產(chǎn)品，已經(jīng)在市場上銷售。 )360(0ppr600ppr2048211 增量型旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用場合，也可以用一個(gè)傳感器檢測角度和角速度。這種編碼器單位時(shí)間內(nèi)輸出脈沖的數(shù)目與角速度成正比。 包含著絕對值型和增量型這兩種類型的混合混合編碼器編碼器，也已經(jīng)開發(fā)出來了。在使用這種編碼器時(shí)，在決定的初始位置時(shí)，用絕對值型來進(jìn)行，在決定由初始位置開始的變動(dòng)角的精確位置時(shí)，則可以用增量型。 如果不用圓形轉(zhuǎn)盤而是采用一個(gè)軸向移動(dòng)的板狀編碼器，則稱為直線編碼器。它是檢測單位時(shí)間的位移距離，即速度傳感器。直線編碼器與回轉(zhuǎn)編碼器一樣，也可作位置傳感器和加速度傳感器。 3激光干涉式編碼器 采

15、用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的位置控制機(jī)器人，其高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，必須與低速轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)的速度相配合，為了獲得轉(zhuǎn)矩，應(yīng)設(shè)計(jì)電機(jī)與關(guān)節(jié)之間的減速器。因此，當(dāng)角度傳感器不能直接連接到關(guān)節(jié)而連接到電機(jī)上時(shí)，檢測關(guān)節(jié)角度的分辨率，乘以齒輪比后其值會變大，因而是有利的。因?yàn)榇蠖鄶?shù)機(jī)器人采用了這種形式，所以在伺服電機(jī)中組裝上旋轉(zhuǎn)編碼器。 但是，齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果摩擦力大，則會出現(xiàn)齒隙和偏斜，從而妨礙平滑地運(yùn)行，為了改善這一問題，就產(chǎn)生不帶齒輪，而讓電機(jī)與關(guān)節(jié)直接連接的機(jī)器人。稱這種形式的機(jī)器人為，直接驅(qū)直接驅(qū)動(dòng)型機(jī)器人動(dòng)型機(jī)器人。但是，如果采用這種機(jī)器人，因?yàn)椴荒苡谬X輪比去增強(qiáng)對關(guān)節(jié)角度的檢測能力，就必須研究具有高分辨率的傳感器。 其中，具有代表性的產(chǎn)品是激光干涉式編碼激光干涉式編碼器器，這種編碼器是一種每轉(zhuǎn)能輸出225 000個(gè)正弦波的設(shè)備。因?yàn)檫@種正弦波的形狀非常精確，所以可以利用電氣方法進(jìn)行精細(xì)地分割。例如，一個(gè)正弦波被分割成80分時(shí)，則可以獲得每轉(zhuǎn)具有1 800萬個(gè)脈沖輸出地產(chǎn)品。4分相器 分相器是一種用來檢測旋轉(zhuǎn)角度地旋轉(zhuǎn)型感應(yīng)電機(jī)，輸出正弦波地相位