第八讲工业机器人的传感器分类及要求101008

1、第4章 工业机器人的传感器及其应用引言：人的环境感觉:通过五官接收外界信息。 大脑进行信息加工、发指令、 调动肌体。 机器人的大脑-计 算 机 判断和控制 四肢-执行机构 五官-传 感 器 传感器处于连接外界环境与机器人接口位置，是 机器人的信息窗口。关 联 及 依 赖 手 - 把握 足 - 行走 皮肤 - 触觉 眼睛 - 视觉 耳朵 - 听觉 舌头 - 味觉机器人环境感觉的条件： 感知环境的能力: 用传感器采集环境信息。 处理控制能力： 如何采取适当方法，将多个传感器获取的环境信息加以综合处理，控制机器人进行智能作业。 引言： 给机器人装备什么样的传感器，对这些传感器有什么要求，这是设计机器

2、人感觉系统时遇到的首要问题。选择机器人传感器应当完全取决于机器人的工作需要和应用特点。例：装配机器人 距离传感器决定零件安装位置 视觉传感器检测零件形状 滑觉传感器检测手的把握状态 力觉传感器 检测安装状态一、机器人需要的感觉能力1 触觉能力：主要指确定工作对象是否存在，以及它的尺寸大小和形状等。 接近觉： 主要用于探测机器人自身与周围物体之间相对位置或距离的传感器。接近觉界于触觉与视觉之间。 视觉： 孔、边、拐角的检测及工作对象形状的检测等。一、机器人需要的感觉能力2 压觉： 主要用于检测机器人与作业对象之间接触面的法向压力值的大小。 滑觉： 主要用于检测物体因自重相对于机器人手爪的滑移量的

3、大小。4.1 工业机器人传感器的分类及要求一、工业机器人传感器的分类内传感器：采集机器人本体、关节和手爪 的位移、速度、加速度等信息。 外传感器：采集机器人和外部环境及工作对象之间信息 1内传感器： 内传感器是用于测量机器人自身状态的功能元件。具体检测的对象有：关节的线位移、角位移等几何量；速度、角速度、加速度等运动量；倾斜角、方位角、振动等物理量。内传感器常用于控制系统中，用作反响元件，检测机器人自身的状态参数。2外传感器： 测量与机器人作业有关的外部因素。通常与机器人的目标识别、作业平安等因素有关。工业机器人传感器的分类二、工业机器人传感器的要求精度高、重复性好 稳定性好，可靠性高 抗干扰

4、能力强 质量小、体积小、安装方便可靠 价格廉价 常用工业机器人传感器机器人接触觉 机器人的接近觉 机器人压觉 机器人滑觉 机器人的力觉工业机器人的运动特性检测传感器陀螺仪 补充: 工业机器人的视觉 视觉系统可以分为图像输入(获取)、图像处理、图像理解、图像存储和图像输出几个局部(见图4.1)。 实际系统可以根据需要选择其中的假设干部件。 一、视觉系统的硬件组成图 4.1 视觉系统的硬件组成 1. 视觉传感器视觉传感器是将景物的光信号转换成电信号的器件。大多数机器人视觉都不必通过胶卷等媒介物,而是直接把景物摄入。过去经常使用光导摄像等电视摄像机作为机器人的视觉传感器, 近年来开发了CCD(电荷耦

5、合器件)和MOS(金属氧化物半导体)器件等组成的固体视觉传感器。 固体传感器又可以分为一维线性传感器和二维线性传感器,目前二维线性传感器已经能做到四千个像素以上。由于固体视觉传感器具有体积小、重量轻等优点, 因此应用日趋广泛。 由视觉传感器得到的电信号, 经过AD转换成数字信号, 称为数字图像。一般地,一个画面可以分成256256像素、 512512像素或10241024像素,像素的灰度可以用4位或8位二进制数来表示。一般情况下, 这么大的信息量对机器人系统来说是足够的。要求比较高的场合,还可以通过彩色摄像系统或在黑白摄像管前面加上红、绿、蓝等滤光器得到颜色信息和较好的反差。 如果能在传感器的

6、信息中参加景物各点与摄像管之间的距离信息,显然是很有用的。每个像素都含有距离信息的图像, 称之为距离图像。目前,有人正在研究获得距离信息的各种方法, 但至今还没有一种简单实用的装置。 像素定义：“像素Pixel 是由 Picture(图像) 和 Element(元素)这两个单词所组成的，是最小的图像单元，这种最小的图形的单元能在屏幕上显示通常是单个的染色点。特征： 用来表示一幅图像的像素越多，结果更接近原始的图像。一幅图像中的像素个数有时被称为图像解析度。 数码相机的图像质量是由像素决定的，像素越大，照片的分辨率也越大，打印 尺寸在不降低打印质量的同时也越大。像素的灰度 把每一网格中的亮度取平

7、均值，或是交叉处的连续图像的亮度值作为像素的值，这些像素点的值仍是连续值，量化即是将这些连续的值离散化为有限个整数值的操作，一般用一个字节表示。如，把一幅黑白图像的亮度连续变化量化为0255共256个灰度等级，量化后的灰度值反映了对应像素点的亮度明暗值。一幅黑白图像不一定是简单的黑或白构成的，常会有一些中间过渡的灰色，灰度等级越多，就越能准确地再现原稿的颜色深度，又称位深度。目前最为普遍的是采用256个灰度等级，即每个像素的灰度用一个字节(8位)表示，其中0为全黑，255为全白，介于两者之间为不同亮度的灰色。2. 摄像机和光源控制机器人的视觉系统直接把景物转化成图像输入信号, 因此取景局部应当

8、能根据具体情况自动调节光圈的焦点, 以便得到一张容易处理的图像。为此应能调节以下几个参量: (1) 焦点能自动对准要看的物体。 (2) 根据光线强弱自动调节光圈。 (3) 自动转动摄像机, 使被摄物体位于视野中央。 (4) 根据目标物体的颜色选择滤光器。 此外, 还应当调节光源的方向和强度, 使目标物体能够看得更清楚。 3. 计算机由视觉传感器得到的图像信息要由计算机存储和处理, 根据各种目的输出处理后的结果。20世纪80年代以前,由于微计算机的内存量小,内存的价格高, 因此往往另加一个图像存储器来储存图像数据。现在, 除了某些大规模视觉系统之外, 一般都使用微计算机或小型机。除了通过显示器显

9、示图形之外,还可以用打印机或绘图仪输出图像，且使用转换精度为8位A/D转换器就可以了。但由于数据量大, 要求转换速度快, 目前已在使用100 MB 以上的8位AD转换芯片。 4. 图像处理机一般计算机都是串行运算的, 要处理二维图像很费时间。 在要求较高的场合, 可以设置一种专用的图像处理机,以便缩短计算时间。 图像处理只是对图像数据做了一些简单、重复的预处理, 数据进入计算机后, 还要进行各种运算。 二、机器人视觉的应用六大智能系统： 1、 计算机系统2、 导航系统3、 感应系统：4、 清洁系统5、 记忆系统6、 自动充电系统三种独特的工作模式： 1、 六边行逆时针，点到 面扩展清扫方式；

10、2、 延墙边直线清扫方式； 3、 障碍物绕行清扫方式； 产品特点： 1、 操作简单； 2、 超强吸力； 3、 超静音，无扬尘； 4、 过滤空气； 5、 自动充电、自开工作； 美嘉乐扫地机器人视频 :/=4619740_4619729&pos=13&word=%D6%C7%C4%DC%C9%A8%B5%D8%BB%FA%C6%F7%C8%CB1. 弧焊过程中焊枪对焊缝的自动对中图4.2所示为具有视觉焊缝对中的弧焊机器人的系统结构。 图像传感器直接安装在机器人末端执行器。焊接过程中,图像传感器对焊缝进行扫描检测, 获得焊前区焊缝的截面参数曲线， 计算机根据该截面参数计算出末端执行器相对焊缝中心线的

11、偏移量,然后发出位移修正指令,调整末端执行器直到偏移量=0为止。瑞典ASEA公司研制的Opotocator 弧焊用视觉系统, 安装在距工件175 mm高度,视野宽度32 mm,分辨率0.06 mm；安装在IRL62弧焊机器人上能到达对中精度为0.40 mm。这种传感器还可测量出钢板厚度,能自动调节弧焊电流, 从而保证焊接质量, 并使厚度为0.80 mm的薄钢板焊接成为可能。弧焊机器人装上视觉系统后给编程带来了方便, 编程时只需严格按图样进行。 在焊接过程中产生的焊缝变形、装卡及传动系统的误差均可由视觉系统自动检测并加以补偿。 图 4.2 具有视觉焊缝对中的弧焊机器人的系统结构 2. 装配作业中

12、的应用图4.4所示为一个吸尘器自动装配实验系统, 由2台关节机器人和7台图像传感器组成。组装的吸尘器部件包括底盘、气泵和过滤器等, 都自由堆放在右侧备料区,该区上方装设三台图像传感器(、), 用以分辨物料的种类和方位。机器人的前部为装配区,这里有4台图像传感器A、B、C和D, 用来对装配过程进行监控。使用这套系统装配一台吸尘器只需2分钟。 图 4.4 吸尘器自动装配实验系统 3. 机器人非接触式检测 在机器人腕部配置视觉传感器,可用于对异形零件进行非接触式测量, 如图4.5所示。这种测量方法除了能完成常规的空间几何形状、形体相对位置的检测外,如配上超声、激光、 x射线探测装置, 那么还可进行零

13、件内部的缺陷探伤、 外表涂层厚度测量等作业。 图 4.5 具有视觉系统的机器人进行非接触式测量 4. 利用视觉的自主机器人系统日本日立中央研究所研制的具有自主控制功能的智能机器人, 可以用来完成按图装配产品的作业,图4.6所示为其工作示意图。它的两个视觉传感器作为机器人的眼睛,一个用于观察装配图纸，并通过计算机来理解图中零件的立体形状及装配关系; 另一个用于从实际工作环境中识别出装配所需的零件,并对其形状、位置、姿态等进行识别。此外,多关节机器人还带有触觉。 利用这些传感器信息,可以确定装配顺序和装配方法, 逐步将零件装成与图纸相符的产品。 图 4.6 日立自主控制机器人工作示意图 从功能上看

14、,这种机器人具有图形识别功能和决策规划功能, 前者可以识别一定的目标(如宏指令)、装配图纸、多面体等; 后者可以确定操作序列, 包括装配顺序、手部轨迹、抓取位置等。这样,只要对机器人发出类似于人的表达形式的宏指令, 机器人那么会自动考虑执行这些指令的具体工作细节。该机器人已成功地进行了印刷板检查和晶体管、电动机等装配工作。 工业机器人的触觉 引言 触觉能力：主要指确定工作对象是否存在，以及它的尺寸大小和形状等。引言 为使机器人准确地完成工作,需时刻检测机器人与对象物体的配合关系。 机器人触觉可分成接触觉、接近觉、压觉、滑觉和力觉五种, 如图4.7所示。 触头可装配在机器人的手指上, 用来判断工

15、作中各种状况。 图 4.7 机器人触觉 一、机器人的接触觉1. 接触觉传感器接触觉传感器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。工作原理：在电极和柔性导体之间留有间隙，当施加外力时，受压局部的柔性导体和柔性绝缘体发生变形，利用柔性导体和电极之间的接通状态形成接触觉。接触觉传感器图例：1接触觉传感器： 图4.8所示的接触觉传感器由微动开关组成, 根据用途不同配置也不同, 一般用于探测物体位置、探索路径和平安保护。这类配置属于分散装置,即把单个传感器安装在机械手的敏感位置上。图 4.8 接触觉传感器(a) 点式; (b) 棒式; (c) 缓冲器式; (d) 平板式; (e) 环式 典

16、型元器件图例：图4.9所示为二维矩阵接触觉传感器的配置方法, 一般放在机器人手掌的内侧。图中柔软导体可以使用导电橡胶、浸含导电涂料的氨基甲酸乙酯泡沫或炭素纤维等材料。阵列式接触觉传感器可用于测定自身与物体的接触位置、被握物体中心位置和倾斜度, 甚至还可以识别物体的大小和形状。 矩阵式分布接触觉传感器 柔软的电极 柔软的绝缘体 电极 电极板2. 接触觉应用 图4.10(a)所示为一个具有接触觉识别功能的机器人,共有四个自由度(两个移动和两个转动), 由一台微机控制,各轴运动是由直流电机闭环驱动。手部装有压电橡胶接触觉传感器, 识别软件具有搜索和识别的功能。 图 4.10 具有接触搜索识别功能的机

17、器 (1) 搜索过程。 机器人有一扇形截面柱状操作空间, 手爪在高度方向进行分层搜索, 对每一层可根据预先给定的程序沿一定轨迹进行搜索。搜索过程中,假定在位置遇到障碍物, 那么手爪上的接触觉传感器就会发出停止前进的指令, 使手臂向后缩回一段距离到达位置。如果已经避开了障碍物, 那么再前进至, 又伸出到, 再运动到处与障碍物再次相碰。根据、 的位置计算机就能判断被搜索物体的位置。再按、 的顺序接近就能对搜索的目标物进行抓取, 如图4.10(b)所示。 (2) 识别功能。 图4.11是一个配置在手上的由34个触觉元件组成的外表阵列触觉传感器,识别对象为一长方体。假定手与搜索对象的接触目标模式为x*

18、,手的每一步搜索得到的接触信息构成了接触模式xi,机器人根据每一步搜索的接触模式x1、x2、x3不断计算、估计、调整手的位姿, 直到目标模式与接触模式相符合为止。 图 4.11 用接触觉阵列传感器引导随机搜索 每一步搜索过程由三局部组成: 接触觉信息的获取、 量化和对象外表形心位置的估算; 对象边缘特征的提取和姿势估算; 运动计算及执行运动。 要判定搜索结果是否满足形心对中、姿势符合要求,那么还可设置一个目标函数, 要求目标函数在某一尺度下最优, 用这样的方法可判定对象的存在和位姿情况。 机器人的接近觉 电磁式(感应电流式) 光电式(反射或透射式) 静电容式气压式超声波式高频振荡式 电磁式接近觉传感器 电磁式传感器在一个线圈中通入高频电流，就会产生磁场，这个磁场接近金属物时，会在金属物中产生感应电流，也就是涡流。涡流大小随对象物体外表和线圈距离大小而变化，这个变化反过来又影响线圈内磁场强