传感器在机械手上的应用

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传感器在机械手上的应用

【摘要】：随着制造业在我国的迅速发展，各种工程机械的制作与应用都开始向自动化与智能化等方向转变，其中机械手便是做直接的体现。机械手经过诞生、成长、成熟后，已成为自动化装备中不可缺少的核心部分，现代化加工车间常配有机械手以提高生产效率，不仅可以将人从繁重、重复的工作中解放出来，而且可以代替人在恶劣的环境下进行操作。机械手的技术创新和广泛应用，大大提高了生产力，其带来的经济效益显而易见。传感器是实现信息感受、检测变换和传输的一种技术，其广泛用于机械手中。

[关键词]：机械手加速度传感器倾角传感器虚拟指尖力传感器三维力传感器由于能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或

操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

1·机械手与传感器的关系

机械手通过感知器的内部传感器检测本身的状态，如位置、速度、加速度等，实现本身与环境信息（距离、温度、力等）的交互，环境信息则由外部传感器检测，接着，控制器选择相应的环境模式指挥机械手完成任务。传感器为机械手的动作提供了反馈信息。传感器就是利用传感器把被测物件的变化量测定出来，反馈给控制设备修正。传感器是实现自动控制、自动调节的关键环节，所以其水平高低在很大程度上影响和决定着系统功能。

传感器原理图

由此可见传感检测部分就如同机械手的感觉器官，没有它，机械手无法实现准确定位、动作，整个系统将陷入瘫痪。而先进的传感检测系统能够快速、准确地捕捉信息，不失真地进行信号的检测、转换，并且能够经受环境的考验，其精确度不随温度、湿度、光照、辐射等极端因素的影响。这是系统进行信号处理、控制决策的前提。由此可见，传感器是机械手系统的重要组成部分，直接决定于机械手的灵敏性、准确性和稳定性。

2·机械手上传感器的种类

在机械手系统中，一般可以安装光电开关、限位开关、电位器等保障机械手位移的幅度；测速发电机测量机械手的运动速度；加速度传感器安装在机械手的关节部位，用于检测控制各关节的加速度；安装在手指关节的握力传感器和安装在手爪与手臂连接处的腕力传感器，能够有效调整手指、手臂位置，以合适的力度抓起物体；另外，各类视觉、滑觉、接近觉传感器也可应用于机械手。在机械手闭环系统中，由于传感检测技术的应用，将被控对象的相关参数通过检测反馈给控制系统，大大提高了机械手的精准度。

1.传感器的总体分类

内部传感器：检测机器人本身状态（手臂间角度等）的传感器。

外部传感器：检测机器人所处环境（是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（抓取的物体滑落等）的传感器。

外部传感器分为末端执行器传感器和环境传感器。

末端执行器传感器：主要装在作为末端执行器的手上，检测处理精巧作业的感觉信息。相当于触觉。

环境传感器：用于识别物体和检测物体与机器人的距离。相当于视觉。

2.内部状态的感觉

（1）位置和角度传感器

典型的传感器是电位计。检测的是以电阻中心为基准位置的移动距离。另有光电传感器

(2)角度传感器：

回转式编码器。

3.外部状况的感觉

（1）物体识别传感器

典型的是视觉传感器。如摄像机。视觉是利用光（机器人可用红外线等）的非接触方式。

触觉也能识别物体。机器人可以用触觉传感器来实现这种机能。

（2）物体探测传感器

视觉传感器是一种识别物体而且知道其存在的传感器。

例如光电开关。

视觉传感器、光电开关和超声波传感器，即使物体较远也能探测其存在。（3）极近物体探测传感器

探测非常近的物体存在的传感器称为接近传感器。

（4）距离传感器

摄像机做距离传感器。

超声波做距离传感器。可用于鱼群探测、金属内部探伤等方面。

（5）力觉传感器

力觉传感器是检测力和力矩的施加地点大小方向三个两的传感器。

力的检测主要是用电阻应变片。

（6）其他传感器

利用声波：语音识别传感器。分析振动声音探测机械故障的点传感器。

热传感器：点检传感器。

通过分析敲打的声音测定果品成熟程度的传感器。

根据近红外线的糖度吸收程度测定水果甜度的传感器

下面将着重介绍加速度传感器、虚拟指尖力传感器、倾角传感器、三维力传感器等在机械手上的应用。

一、加速度传感器

由于机械臂作成了轻

型、柔性的结构, 它所激发的

弹性振动严重地影响了机械

手的定位和跟踪控制,如何消

除柔性振动是人们所关注的

问题。利用传感器侧量的振动

信息构成反馈回路来抑制柔

性振动是一条可行的途径。测

量振动信息的传感器常采用应变片和加速度传感器, 用应变片构成的应变率反馈对消除柔性振动有明显的效果, 但是空间的高温恶劣环境以及应变片难于在空间更换等因素, 使这种系统的可靠性有所降低。利用加速度传感器输出反馈进行振动控制, 目前的研究主要是基于混合控制策略用各种高级智能算法来实现。

1、加速度传感器的工作原理

在系统中, 采用型号为一的高精度加速度传感器。它主要由石英摆片敏感质量、型永久磁钢、力矩器、换能器和电流放大器组成。当沿加速度传感器的敏感轴方向有加速度时, 石英摆片相对平衡位置运动而产生惯性力, 换能器便输出与惯性力成正比的电信号。该电信号再反馈到处于恒磁场中的力矩线圈,产生与惯性力相平衡的反馈力, 使石英摆片恢复到原平衡位置。由牛顿第二定律和电磁感应定律可推知, 换能器输出的电信号与加速度成正比, 即电信号的大小正确地反映了加速度的变化。

2、加速度传感器的应用

加速度传感器通常安装在柔性机械手臂的前端, 柔性机械手在高速运动过程中, 加速度传感器检测到的信息包含刚体运动加速度以下简称运动加速度和柔性振