工业机器人的传感系统

最通用的速度、角速度传感器是测速发电机或比率发电机。测量角速 度的测速发电机，按其构造可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。
2)加速度测量
随着机器人的高速化和高精度化，机器人的振动问题会越来越严重。 为了解决振动问题，有时在机器人的运动手臂等位置安装加速度传感 器，测量振动加速度，并把它反馈到驱动器上。
根据扫描机构的不同，激光测距雷达有2D和3D两种。激光测距方法主要分为两 类:一类是脉冲测距方法，另一类是连高、隐蔽性好、低空探测性能好、体积小 且质量轻。但是激光雷达工作时受天气和大气影响也较大，这是它的不足之处。
3.2.5机器人视觉装置
激光测距法：激光测距法也可以利用回波法，或者利用激光测距仪，其工作原 理如下：
将氦氖激光器固定在基线上，并在基线的一端由反射镜将激光点射向被测物体。 将反射镜固定在电动机轴上促使电动机连续旋转，此时使激光点稳定地扫描被测目 标。由CCD(电荷耦合器件)摄像机接受反射光，采用图像处理的方法检测出激光点图 像，并根据位置坐标及摄像机光学特点计算出激光反射角。之后利用三角测距原理 即可算出反射点的位置。
3)滑觉
机器人在抓取不知属性的物体时，需要确定最佳的握紧力。当握 紧力不够时被握物体与机器人手爪间会存在滑动。在不损害物体的前 提下，通过测量物体与机器人手爪间的滑动状态来保证最可靠的夹持 力度，实现此功能的传感器称为滑觉传感器。
滑觉传感器有滚动式和球式，还有一种通过振动检测滑觉的传感 器。物体在传感器表面滑动时，将与滚轮或环相接触，物体的滑动转 变成转动。滚动式传感器一般只能检测到一个方向的滑动，而球式传 感器则可以检测各个方向的滑动。振动式滑觉传感器表面伸出的触针 能和物体接触。当物体滚动时，触针与物体接触而产生振动，这个振 动由压电传感器或磁场线圈结构的微小位移计进行检测。
3.2.4 激光雷达
工作在红外和可见光波段的雷达称为激光雷达，如图3-1所示。它由 激光发射、光学接收、转合和信息处理等系统组成。发射系统是各种形式 的激光器。接收系统采用望远镜和各种形式的光电探测器。激光雷达采用 脉冲和连续波两种工作方式，按照探测原理的不同探测方法可以分为米散 射、瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射、荧光、多普勒等。
编码器输出波形为位移增量的脉冲信号。根据检测原理，编码器可分为：光学式、 磁式、感应式和电容式。
3.1.2速度和加速度传感器
1)速度、角速度测量
速度、角速度测量是驱动器反馈控制必不可少的环节。有时也利用测 位移传感器测量速度及检测单位采样时间的位移量，但这种方法有其 局限性：低速时存在测量不稳定的风险；高速时，测量精度较低。
3.2.3距离传感器
距离传感器可用于机器人导航和回避障碍物，也可用于对机器人空间内的物体 进行定位及确定其形状特征。目前最常用的测距法有超声波测距法和激光测距法。
超声波测距法：超声波是频率20kHz以上的机械振动波，利用发射脉冲和接收脉 冲的时间间隔推算出距离。超声波测距法的缺点是波束较宽，其分辨力受到严重的 限制。因此主要用于导航和回避障碍物。
3.2 工业机器人外部传感器
3.2.1触觉传感器
触觉是接触、冲击、压迫等机械刺激感觉的综合，机器人可以利用触觉来 进行抓取，利用触觉还可以进一步感知物体的形状、软硬等物理性质。一般把 检测感知和外部直接接触而产生的接触觉、压力、触觉及接近觉的传感器称为 机器人触觉传感器。
1)接触觉
接触觉是通过与对象物体彼此接触而产生的，所以最好使用手指表面高密 度分布触觉传感器阵列方法。它柔软易于变形，可增大接触面积，并且有一定 的强度，便于抓握。接触觉传感器能够检测机器人是否接触目标或环境，用于 寻找物体或感知碰撞，主要有机械式、弹性式和光纤式等。
1)检测应变或应力的应变片式，应变片力觉传感器被机器人广泛采用。
2)利用压电效应的压电元件式。
3)用位移计测量负载产生的位移的差动变压器、电容位移计式。
在选用力传感器时，首先要特别注意额定值，其次在机器人通常的力控制中， 力的精度意义不大，重要的是分辨率。在机器人上安装使用力觉传感器时一定要 事先检查操作区域，清除障碍物。这对实验者的人身安全、对保证机器人及外围 设备不受损害有重要意义。
机械式传感器：利用触点的接触和断开获取信息，通常采用微动开关来识 别物体的二维轮廓，但由于结构关系无法形成高密度列阵。
弹性式传感器：这类传感器都由弹性元件、导电触点和绝缘体构 成。如采用导电性石墨化碳纤维、氨基甲酸乙酯泡沫、印制电路板和 金属触点构成的传感器，碳纤维被压后与金属触点接触，开关导通。 也可由弹性海绵、导电橡胶和金属触点构成，导电橡胶受压后，海绵 变形，导电橡胶和金属触点接触，开关导通。也可由金属和铍青铜构 成，被绝缘体覆盖的青铜箔片被压后与金属接触，触点闭合。
机器视觉系统的特点如下： 1、非接触测量：因为机器人视觉系统与被测量对象不会直接接触，所以 不会产生任何物理损伤，从而提高系统的可靠性。 2、具有较宽的光谱响应范围：可以测量人眼看不见的红外线等。 3、成本低，效率高：机器视觉系统的性价比越来越高，而且视觉系统的 操作和维护费用非常低。在长时间、大批量工业生产过程中，人工检查产品质 量效率低且精度不高，用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自 动化程度。 4、机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术。在 自动化生产过程中，机器视觉系统广泛地被应用于工况监视、成品检验和质量 控制等领域。 5、精度高：人眼在连续的目测产品过程中，能发现的最小瑕疵为0.3mm， 而机器视觉的检测精度可达到千分之一英寸。 6、灵活性高、适应性强。视觉系统能够进行各种不同的测量，而且当生 产线重组后，视觉系统往往可以重复使用。
光纤传感器：这种传感器由一束光纤构成的光缆和一个可变形的 反射表面两部分构成。光通过光纤束投射到可变形的反射材料上，反 射光按相反方向通过光纤束返回。如果反射表面是平的，则通过每条 光纤所返回的光的强度是相同的。如果反射表面因与物体接触受力而 变形，则反射的光强度不同。用高速光扫描技术进行处理，即可得到 反射表面的受力情况。
第3章 工业机器人的传感系统
3.1 工业机器人内部传感器
在工业机器人的内部传感器中，位置传感器和速度传感器是机器人 反馈控制中不可缺少的元件。同时还有倾斜角传感器、方位角传感器及 振动传感器等也被用作机器人的内部传感器。
内部传感器的功能分类： 1)规定位置、规定角度的检测 2)位置、角度测量 3)速度、角速度测量 4)加速度测量
光电开关：光电开关是由LED光源和光敏二极管或光敏晶体管等光敏 元件组成，是相隔一定距离而构成的透光式开关。当光由基准位置的遮光 片通过光源和光敏元件的缝隙时，光射不到光敏元件上，而起到开关的作 用。
2)位置、角度测量
测量工业机器人关节线位移和角位移的传感器是工业机器人位置反馈控制中必不 可少的元件。
图3-1激光雷达
激光器将电脉冲变成光脉冲(激光束)作为探测信号向目标发射出去，打在物体 上并反射回来。光接收机接收从目标反射回来的光脉冲信号(目标回波)并与发射信 号进行比较，还原成电脉冲，送到显示器。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反 射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总是能够在下一个脉冲发出 之前收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间可被转换为对距离 的测量。然后经过适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高 度、速度、姿态甚至形状等参数，从而对目标进行探测、跟踪和识别。
视觉系统能够将对象物体或工件进行拍摄与处理，因此它广泛取代了大部分的人工 目视检测和确认工作。一个高性能的机器视觉图像处理过程主要包括：
1、拍摄：能够拍取到与焦点对比度良好的图像或视频数据。
2、传送：能够将原始数据快速发送至控制器。
3、预处理或主要处理：能够将原始数据加工至最适于进行计算和处理的图像，能够以高 精度、高速的方式进行满足需要的处理。
工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件，选择合适的相机也是机器视觉系统设 计中的重要环节。相机的选择不仅直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等，同时 也与整个系统的运行模式直接相关。
市面上工业相机大多是基于CCD(Charge Coupled Device)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)芯片的相机。
电位器可作为直线位移和角位移的检测元件。为了保证电位器的线性输出，应保 证等效负载电阻远远大于电位器总电阻。电位器式传感器结构简单、性能稳定，使用 方便但分辨率不高，且当电刷和电阻之间接触面磨损或有尘埃附着时会产生噪声。
旋转变压器由铁心、两个定子线圈和两个转子线圈组成，是测量旋转角度的传感 器。定子和转子由硅钢片和坡莫合金叠层制成。给各定子线圈加上交流电压，转子线 圈由于交链磁通的变化产生感应电压。感应电压和励磁电压之间相关联的耦合系数将 随转子的转角而改变。根据测得的输出电压，就可以知道转子转角的大小。
4、输出：将处理后的数据信息以能够匹配控制装置的通讯方式输出。
在自动化流水线上，当目标物（例如零部件）在输送带上前进时，视觉系统将进行 检测。在拍摄到零部件图像后，图像数据被传递到视觉控制器，根据图像像素的分布和 亮度、颜色等信息，通过运算就可以抽取目标零部件的纹理、位置、长度、面积、数量 等特征。根据这些特征就可以自动判断出零部件的尺寸、角度、偏移量、合格或不合格 等结果。
3.1.1位移位置传感器
1) 规定位置、规定角度的检测
检测预先规定的位置或角度，可以用开或关两个状态值。一般用于 检测工业机器人的起始原点、越限位置或确定位置。
微型开关：规定的位移或力作用到微型开关的可动部分(称为执行器) 时，开关的电气触点断开或接通。限位开关通常装在盒里，以防水、油、 尘埃的侵蚀和外力的作用。
CCD图像传感器是目前机器视觉中最为常用的，如图4-2所示。CCD的突出特点是以 电荷作为信号，而不同于其它器件是以电流或者电压为信号。典型的CCD相机由光学镜 头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。