触觉传感器ppt课件.ppt

1,第六章 工业机器人感觉系统,2,工业机器人系统组成,3,机器人传感器,6.1 传感器的功能与分类6.2 传感器的选择要求6.3 内部测量用传感器6.4 外部测量用传感器6.5 运动机器人的传感器6.6 传感器与集成控制,4,机器人的传感器,几乎所有的机器人都使用内部传感嚣 如：为测量回转关节位置的轴角编码器， 测量速度以控制其运动的测速计。大多数控制器也具备接口能力，故来自输送装置，机床以及机器人本身的信号，可被综合利用以完成一项任务。外部传感器，如视觉传感器，可为更高层次的机器人控制提供大得多的适应能力，也就是给工业机器人增加了自动检测能力。,5,6.1 传感器的功能、定义与分类,人类熟悉的五种感觉，即视觉、嗅觉、味觉、听觉和触觉。视觉的最重要功能是选择合适的、安全的运动路径。双目视觉和其它知觉的刺激，使我们能辨别物体的距离。彩色视觉可以很快辨别千百万种明暗不同的光线和颜色。由高密度杆型和锥型感受体所提供的空间鉴别力，使我们能在适宜的光线下，分辨尘埃微粒。我们对光亮的敏感度是如此之高，可以在漆黑的夜晚，看见30英里以外的烛光。从很亮的环境到很暗的环境，靠自动亮度控制，可以很快地调整适应。靠眼睛供给我们需要的大部分信息。据估计，传给大脑的信息中，有70来自视觉器官。,6,6.1.1 听觉,象视觉一样，听觉也是立体的，可使我们判断声音的方向和距离。甚至在我们出生之前，这种感觉就发育得很好。当我们睡觉时，它也在很好地工作。它是如此的敏锐，以致很多母亲能够听到在另一个房间里新生婴儿的呼吸。我们也可以利用听觉来选择适当的运动形式，特别是当视觉丧失或视线受阻时，比如我们还没有看见汽车，而听到它开来，便是如此。我们也可用听觉作出判断。例如，很多富有经验的汽车维修工，只凭听发动机运转的声音，即可正确地辨别是否存在问题。我们可以区分很多不同的声调和波长，从而能够区分和辨识世界上数以万计的物体和现象。,7,6.1.2 嗅觉和味觉,无须再用任何其它器官，我们的嗅觉就能使我们区分很多物体和现象。嗅觉在帮助我们辨识那些看不见的或隐藏的东西，如气体时是特别重要的。味觉在确定食物可饮用性时也很重要。四种味道苦、酸、咸和甜有助于提高我们摄取基本营养品的食欲。很多人都会说他们的味觉发育得太好了。因而，可以用我们的味觉器官去识别和区分很多物体。例如，可以察觉食物中的微量金属(这就是为什么我们不用金属餐具去点调美昧食品的原因)，以及那些既看不见，又闻不到的某些气体或化学物质。,8,6.1.3 触觉,触觉蕴含比我们通常想象更高的敏感度。在我们的皮肤中，植入了成千上万的压力、温度和疼痛传感器。例如，约有2百万个疼痛传感器，50万个压力传感器和20万个温度传感器不均匀地遍布人体，主要在表皮。例如，膝盖每平方厘米有232个疼痛传感器，大姆指上每平方厦米有60个而鼻子尖上每平方厘米有44个。当其它感官失效或受到干扰时，我们还可以用这种感觉去辨识相区分物体和现象。比如说，无需其它感官就可以感觉和辨识则我们背上的一只毛虫，并采取相应的行动。,9,6.1.4 动觉和平衡觉,动觉感官位于筋、关节和肌肉等处的感觉接受器可以告知大脑、整个身体的位置和运动。它使我们不必盯着自己的腿就能走路，收缩肌肉而无须看它。闭着眼睛也可用手摸到鼻子。平衡的感官主要位于内耳的前庭感官提供这种平衡感，这种感官告诉我们是头朝上还是脚朝下，是加快还是减慢，是上升还是下降。当我们乘座游戏车时，正是这种感官的巧妙控制给我们以惊险之感。,10,6.1.5 传感器的定义和组成,传感器按一定规律实现信号检测并将被测量(物理的、化学的和生物的信息)通过变送器变换为另一种物理量(通常是电压或电流量)。它既能把非电量变换为电量，也能实现电量之间或非电量之间的互相转换。总而言之，一切获取信息的仪表器件都可称为传感器。国际上，传感技术被列为六大核心技术(计算机、激光、通讯、半到体、超导和传感)之一。传感技术也是现代信息技术的三大基础(传感技术、通讯技术、计算机技术)之一。传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。,11,6.1.6 传感器的分类,传感器可以按不同的方式进行分类。例如：按被测物理量、按传感器的工作原理、按传感器转换能量的情况、按传感器的工作机理、按传感器输出信号的形式(模拟信号、数字信号)等分类。按机器人用传感器功能可分为检测内部状态信息传感器和检测外部对象和外部环境状态的外部信息传感器。 内部信息传感器包括检测位置、速度、力、力矩、温度以及异常变化的传感器。 外部信息传感器包括视觉传感器、触觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、角度觉(平衡觉)传感器等。具有多种外部传感器是先进机器人的重要标志。,12,6.2 传感器的选择要求传感器类型的选择传感器性能指标的确定传感器物理特征的选挥,13,一、传感器类型的选择,1从机器人对传感器的需要来选择 机器人对传感器的一般要求是： (1)精度高，重复性好。 (2)稳定性好，可靠性高。 (3)抗干扰能力强。 (4)重量轻，体积小，安装方便可靠。 (5)价格便宜。,14,2从加工任务的要求来选择,在现代工业中，机器人被用于执行各种加工任务，其中比较常见的加工任务有物料搬运、装配、喷漆、焊接、检验等。不同的加工任务对机器人提出了不同的要求。,15,3从机器人控制的要求来选择,机器人控制需要采用传感器检测机器人的运动位置、速度、加速度。除了较简单的开环控制机器人外，多数机器人都采用了位置传感器作为闭环控制器的反馈元件。机器人根据位置传感器反馈的位置信息，对机器人的运动误差进行补偿。不少机器人还装备有速度传感器和加速度传感器。加速度传感器可以检测机器人构件受到的惯性力，使控制能够补偿惯性力引起的变形误差。速度检测用于预测机器人的运动时间，计算和控制由离心力引起的变形误差。,16,4从辅助工作的要求来选择,工业机器人在从事某些辅助工作时，也要求有一定的感觉能力。这些辅助工作包括产品的检验和工件的准备等。 机器人在外观检验中的应用日益增多。机器人在这方面的主要用途有检查毛刺、裂缝或孔洞的存在，确定表面粗糙度和装饰质量，检查装配体的完成等。在外观检验中，机器人主要需要视觉能力，有时也需要其他类型的传感器。,17,5从安全方面的要求来选择,从安全方面考虑，机器人对传感器的要求包括以下两个方面：(1)为了使机器人安全地工作而不受损坏，机器人的各个构件都不能超过其受力极限。2)从保护机器人使用者的安全出发，也要考虑对机器人传感器的要求。,18,二、传感器性能指标的确定,(1)灵敏度(2)线性度(3)测量范围(4)精度(5)重复性(6)分辨率(7)响应时间(8)可靠性,19,三、传感器物理特征的选择,(1)尺寸和重量(2)输出形式 (3)可插接性,20,6.3 内部传感器,电位器：电位器是种典型的位置传感器，可分为直线型(测量位移)和旋转型(测量角度)。电位器由环状或棒状电阻丝和滑动片(或称为电刷)组成，滑动片接触电阻丝取出电信号。电刷与驱动器连成体，将其线位移或角位移转换成电阻的变化，在电路中以电压或电流的变化形式输出。电位器可分为导电塑料、线绕式、混合式等滑片型和磁阻式、光标式等非接触型。,21,测速发电机：测速发电机是利用发电机原理的速度传感器或角速度传感器。 根据这个原理测量角速度的测速发电机，可按其构造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。直流测速发电机的定子是永久磁铁，转子是线圈绕组。可以测量010000rmin的旋转速度，线性度为0.1%；此外，停机时不易产生残留电压，因此，它最适宜作速度传感器。,22,光学编码器：光学编码器是机器人关节伺服系统中常用的一种检测装置；它实际是一种量化式的模拟数字转换器。将机械轴的转角值或直线运动的位移值转换成相应的电脉冲。 和所有量化式编码器一样，光学编码器分为增量式和绝对式两种。所谓增量式编码器，即在编码盘上的读数起始点是不固定的，它从读数起始点开始，把角位移或线位移的变化量进行累积检测。它只能检测角值或线值的变化量(增量)故称为增量式编码器。所谓绝对式编码器，其读数起始点是给定的，它以编码盘固有的某图案为起始点，检测角位移或线位移。它能同时检测角值或线值的初始量和增量，也就是能取出总量(绝对量)，放称为绝对式编码器。,23,24,6.4 外部传感器 6.4.1 触觉传感器,机器人的触觉广义上可获取的信息是：接触信息；狭小区域上的压力信息；分布压力信息；力和力矩信息；滑觉信息。这些信息分别用于触觉识别和触觉控制。从检测信息及等级考虑，触觉识别可分为点信息识别、平面信息识别和空间信息识别3种。接触觉传感器：单向微动开关当规定的位移或力作用到可动部分(称为执行器)时，开关的接点断开或接通而发出相应的信号。,25,接近开关： 非接触式接近传感器有高频振荡式屈感应式、电容感应式、超声波式、气动式、光电式、光纤式等多种接近开关。光电开关是由LED光源和光电二极管或光电三极管等光敏元件，相隔一定距离间构成的透光式开关。当充当基准位置的遮光片通过光源和光敏元件间的缝隙时，光射不到光敏元件上，而起到开关的作用。光电开关的特点是非接触检测，精度可达0.5mm左右。,26,触须传惑器 触须传感器由须状触头及其检测部构成，触头由具有一定长度的柔空软条丝构成，它与物体接触所产生的弯曲由在根部的检测单元检测。与昆虫的触角的功能一样，触须传感器的功能是识别接近的物体用于确认所设定的动作的结束，以及根据接触发出回避动作的指令或搜索对象物的存在。,27,触觉传感器阵列,人类的触觉能力是相当强的。人们不但能够拣起一个物体，而且不用眼睛也能识别它的外形，并辨别出它是什么东西。许多小型物体完全可以靠人的触觉辨认出来，如螺钉、开口销、圆销等。如果要求机器人能够进行复杂的装配工作它也需要具有这种能力。采用多个接触传感器组成的触觉传感器阵列是辨认物体的方法之一。,28,6.4.2 滑觉传感器,滑觉传感器是检测垂直加压方向的力和位移的传感器。用手爪抓取处于水平位置的物体时，手爪对物体施加水平压力，如果压力较小，垂直方向作用的重力会克服这个压力使物体下滑。能够克服重力的手抓把持力称为最小把持力。,（a）力的平衡 （b）重心的移动,29,30,6.4.3 力觉传感器,力觉传感器是一类触觉传感器，它在机器人和机电一体化设备中具有广泛的应用，这里专门加以介绍。力和力矩传感器是用来检测设备内部力或与外界环境相互作用力为目的的，力不是直接可测量的物理量，力是通过其他物理量间接测量出的。力传感器可用作变换器，如压电元件，它可提供一个与变形、亦即作用于接触点的力成正比的信号。这样的测量可用以提供碰撞复原时的力反馈，或使机器人卡爪能够夹持像鸡蛋一类的易损物体而不弄碎它。,31,力和力矩的一般检测方法,(1)通过检测物体弹性变形测量力，如采用应变片、弹簧的变形测量力；(2)通过检测物体压电效应检测力；(3)通过检测物体压磁效应检测力；(4)采用电动机、液压马达驱动的设备可以通过检测电动机电流及液压马达油压等方法测量力或转矩；(5)装有速度、加速度传感器的设备，可以通过速度与加速度的测量推出作用力。,32,6.4.4 力觉传感器原理和腕力传感器,力觉传感器主要使用的元件是电阻应变片。电阻应变片利用了金属丝拉伸时电阻变大的现象，它被贴在加力的方向上。电阻应变片用导线接到外部电路上可测定输出电压，得出电阻值的变化。作用在一点的负载，包含力的3个分量和力矩的3个分量，能够同时测出这6个分量的传感器是六轴力觉传感器。机器人的力控制主要控制机器人手爪的任意方向的负载分量因此需要六轴力觉传感器。六轴传感器一般安装在机器人手腕上，因此也称为腕力传感器。,33,腕力传感器分类,筒式腕力传感器十字形腕力传感器,34,6.4.5 接近与距离觉传感器,接近与距离觉传感器是机器人用以探测自身与周围物体之间相对位置和距离的传感器。它的使用对机器人工作过程中适时地进行轨迹规划与防止事故发生具有重要意义。人类没有专门的接近觉器官，如果仿照人的功能使机器人具有接近觉将非常复杂，所以机器人采用了专门的接近觉传感器。它主要起以下3个方面的作用：在接触对象物前得到必要的信息，为后面动作做准备；发现障碍物时，改变路径或停止，以免发生碰撞；得到对象物体表面形状的信息。,35,分类,由于这类传感器可用以感知对象位置，故也被称为位置觉传感器。传感器越接近物体越能精确地确定物体位置，因此常安装于机器人的手部。根据感知范围(或距离)，接近觉传感器大致可分为3类：感知近距离物体(mm级)的有磁力式(感应式)、气压式、电容式等；感知中距离(大致30cm以内)物体的有红外光电式：感知远距离(30cm以外)物体有超声式和激光式。视觉传感器也可作为接近觉传感器。,36,主要距离传感器,磁力式接近传感器：这种传感器不大受光、热、物体表面特征影响，可小型化与轻量化。但只能探测金属对象。 日本日立公司将其用于孤焊机器人上，用以跟踪焊缝。在200以下探测距离08mm，误差只有4。气压式接近传感器： 这种传感器具有较强防火、防磁、防辐射能力，但要求气源保持一定程度的净化。红外式接近传感器： 其特点在于发送器与接受器尺寸都很小，因此可以方便地安装于机器人手部。红外线传感器能根容易地检测出工作空间内某物体的存在与否，但作为距离的测量仍有很复杂的问题。,37,38,超声波距离传感器：超声式接近传感器是用于机器人对周围物体的存在与距离的探测。尤其对移动式机器人，安装这种传感器可随时探测前进道路上是否出现障碍物，以免发生碰撞。超声波发生器有压电式、电磁式及磁滞伸缩式等。在检测技术中最常用的是压电式。,39,40,6.4.6 视觉传感器,机器人视觉系统：如同人类视觉系统的作用一样，机器人视觉系统赋予机器人一种高级感觉机构，使得机器人能以“智能”和灵活的方式对其周围环境作出反应。机器人的视觉信息系统类似人的视觉信息系统，它包括图像传感器、数据传递系统，以及计算机和处理系统。机器人视觉：利用视觉传感器(如摄像机)获取三维景物的二维图像，通过视觉处理器对一幅或多幅图像进行处理、分析和解释，得到有关景物的符号描述，并为特定任务提供有用的信息，用于指导机器人的动作。机器人视觉可以划分为六个主要部分：感觉与处理、分割、描述、识别、解释。根据上述过程所涉及的方法和技术的复杂性可分为3个处理层次：低层视觉处理、中层视觉处理和高层视觉处理。,41,(1) 机器人视觉系统的发展,第一代系统根据物体的剪影工作，可由其剪影形状推断诸如物体的位置，方位和尺寸等参数。此种系统以二值即两个灰度级图象处理为其特征，而图象系出逆光景象生成。第二代机器人视觉系统采用若干灰度等级以表征物体。这种系统可根据面光景象工作，并可区分纹理模式。第三代系统不仅检测灰度，而且采用立体技术以确定景象中可见物体的三维坐标。更高级的系统甚至可推断出不可见表面，例如一个物体背面的某些信息。现在正处于机器人视觉系统的第三代。,42,机器人视觉系统的重要特点是数据量大且要求处理速度快。实用的机器人视觉系统由硬件和软件两部分组成。 硬件部分包括：景物和距离传感器、照明和光学系统、视频信号数字化设备、视频信号快速处理器、计算机及其外设、机器人或机械手及其控制器； 软件部分包括：计算机系统软件、机器人视觉处理算法、机器人控制软件。,43,从机器人应用角度，视觉技术有两大类：第一类是机器人控制的机器视觉。即通过传感器来控制机器人的操作和运动，这种应用的特殊要求是满足机器人控制的高速计算，因而采用的技术必须很简单。另一种机器人视觉应用是与质量控制的检验过程有关的，虽然也有高速计算的要求，但速度可能取决于传送装置，而不是机器人。工作状态大部分是立体型的，故可能需要采用更尖端的技术。,44,(2) 机器人视觉应用的几个关键要素,照明系统摄象机定位、焦距、变焦和光圈控制图像的数字化图像处理速度,45,(3) 机器人视觉系统的应用,机器人的视觉技术主要应用在下述两个方面：(1)装配机器人(机械手)视觉装置。要求视觉系统必须做到：识别传送带上所要装配的机械零件；确定该零件的空间位置。据此信息控制机械手的动作，做到准确装配。对机械零件的检查；检查工件的完好性；量测工件的极限尺寸；检查工件的磨损等。此外，机械手还可根据视觉的反馈信息进行自功焊接、喷漆和自动上下料等，(2)行走机器人视觉装置。要求视觉系统能够识别室内或室外的景物，进行道路跟踪和自主导航。用以完成危险材料的搬运和野外作业等任务；,46,6.5 运动机器人的传感器,自主自导的运动机器人需要一些固定式机器人所不需要的特殊传感器。从安全方面考虑非常必要为运动机器人配备若干传感装置，例如使机器人避免碰撞或利用传感器反馈信息进行导引、定位以及寻找目标等。这些包括接触式触觉传感器、接近传感器、局部及整体位置传感器和水平传感器。运动机器人需要一些特殊传感器。进而由于传感器可能用于控制速度范围为l20英尺/秒的机器人，因此高速算法也是需要的。接触开关、接近探测器、导引信号装置、光和声探测器、水平指示器以及局部和整体定位装置可能都是需要的。,47,运动机器人所需要的最重要也是最困难的传感器系统之一就是定位装置。局部和整体位置信息都可能需要。这种信息的准确度对确定机器人控制对策也是很重要的，因为机械手作业的成功和淮确与机器人定位的成功和准确直接有关。在车轮上安装轴角编码对短距离可提供准确信息，而由于轮子打滑以及其它因素，对长距离可能造成大的累积误差。所以，一些可修正确定位置的整体方法也是需要的。,48,6.6 传感器与集成控制,因为一台智能机器人可能采用很多种传感器，所以把传感的信息和存储的信息集成起来，形成控制规则也是重要的问题。在某些情况下，一台计算机就完全能够控制机器人。在某些复杂系统中，运动机器人或柔性制造系统可能要采用分层的、分散的计算机。一台执行控制器可用以完成总体规划。它把信息传递给一系列专用的处理器，以控制机器人各中功能，并从传感器系统接受输入信号。不同的层次可用来完成不同的任务。,49,分散的传感器和控制系统在许多方面很像人类的中枢神经系统。很多动作可由脊椎神经网络控制，而无需大脑的意识控制。这种局部反应和自主功能对人类的生存是必要的，如何设法在机器人上仿真实现这类功能也是非常重要的。对机器人这类机构的研究将使我们进一步理解如何才能让机器工人作得更像人类一样。,