工业机器人技术(郭洪红)第4章

1、第4章 工业机器人的环境感觉技术 4.1 工业机器人的视觉 4.2 工业机器人的触觉 4.3 工业机器人的位置及位移 4.4 多感觉智能机器人 习题 4.1工业机器器人的视视觉4.1.1视视觉系统统的硬件件组成视觉系统统可以分分为图像像输入(获取)、图像像处理、图像理理解、图图像存储储和图像像输出几几个部分(见图4.1)。实际系统统可以根根据需要要选择其其中的若若干部件件。图4.1视觉系统统的硬件件组成1.视视觉传感感器视觉传感感器是将将景物的的光信号号转换成成电信号号的器件件。大多多数机器器人视觉觉都不必必通过胶胶卷等媒媒介物,而是直直接把景景物摄入入。过去去经常使使用光导导摄像等等电视摄摄

2、像机作作为机器器人的视视觉传感感器,近近年来来开发了了CCD(电荷耦合合器件)和MOS(金属氧化化物半导导体)器器件等组组成的固固体视觉觉传感器器。固体体传感器器又可以以分为一一维线性性传感器器和二维维线性传传感器,目前二二维线性性传感器器已经能能做到四四千个像像素以上上。由于于固体视视觉传感感器具有有体积小小、重重量轻等等优点, 因此此应用日日趋广泛。由视觉传传感器得得到的电电信号, 经过过AD转换成数数字信号号,称称为数字字图像。一般地地,一个个画面可可以分成成256256像素素、512512像素或或10241024像素,像素的的灰度可可以用4位或8位二进进制数来来表示。一般情情况下, 这

3、么么大的信信息量对对机器人人系统来来说是足足够的。要求比比较高的的场合,还可以以通过彩彩色摄像像系统或或在黑白白摄像管管前面加加上红、绿、蓝蓝等滤光光器得到到颜色信信息和较较好的反反差。如果能在在传感器器的信息息中加入入景物各各点与摄摄像管之之间的距距离信息息,显然然是很有有用的。每个像像素都含含有距离离信息的的图像, 称之之为距离离图像。目前,有人正正在研究究获得距距离信息息的各种种办法,但至今还还没有一一种简单单实用的的装置。2.摄摄像机和和光源控控制机器人的的视觉系系统直接接把景物物转化成成图像输输入信号号,因因此取景景部分应应当能根根据具体体情况自自动调节节光圈的的焦点, 以便便得到一

4、一张容易易处理的的图像。为此应应能调节节以下几几个参量量:(1)焦焦点能能自动对对准要看看的物体体。(2)根根据光光线强弱弱自动调调节光圈圈。(3)自自动转转动摄像像机,使使被摄摄物体位位于视野野中央。 (4)根根据目目标物体体的颜色色选择滤滤光器。 此外,还应当调调节光源源的方向向和强度度,使目标物物体能够够看得更更清楚。3.计计算机由视觉传传感器得得到的图图像信息息要由计计算机存存储和处处理,根根据各各种目的的输出处处理后的的结果。20世世纪80年代以以前,由由于微计计算机的的内存量量小,内内存的价价格高, 因此此往往另另加一个个图像存存储器来来储存图图像数据据。现在在,除除了某些些大规模

5、模视觉系系统之外外,一一般都使使用微计计算机或或小型机机。除了通过过显示器器显示图图形之外外,还可可以用打打印机或或绘图仪仪输出图图像，且且使用转转换精度度为8位位A/D转换器就就可以了了。但由由于数据据量大,要求转换换速度快快,目前已在在使用100MB以上的8位AD转换芯片片。4.图图像处理理机一般计算算机都是是串行运运算的, 要处处理二维维图像很很费时间间。在在要求较较高的场场合,可可以设设置一种种专用的的图像处处理机,以便缩缩短计算算时间。 图像像处理只只是对图图像数据据做了一一些简单单、重复复的预处理理,数据进入入计算机机后,还要进行行各种运运算。4.1.2机机器人视视觉的应应用1.弧

6、焊过程程中焊枪枪对焊缝缝的自动动对中图4.2所示为为具有视视觉焊缝缝对中的的弧焊机机器人的的系统结结构。图图像传传感器直直接安装装在机器器人末端端执行器器。焊接接过程中中,图像像传感器器对焊缝缝进行扫扫描检测测,获获得焊前前区焊缝缝的截面面参数曲曲线，计计算机机根据该该截面参参数计算算出末端端执行器器相对焊焊缝中心心线的偏偏移量,然后发出出位移修修正指令令,调整整末端执执行器直直到偏移移量=0为止。瑞瑞典ASEA公司研制制的Opotocator弧焊用视视觉系统统,安安装在距距工件175mm高度,视视野宽度度32mm,分辨率0.06mm;安装在IRL62弧焊机器器人上能能达到对对中精度度为0.4

7、0mm。这种传感感器还可可测量出出钢板厚厚度,能能自动调调节弧焊焊电流, 从而而保证焊焊接质量量,并并使厚度度为0.80mm的薄钢板板焊接成成为可能能。弧焊焊机器人人装上视视觉系统统后给编编程带来来了方便便,编编程时只只需严格格按图样样进行。 在焊焊接过程程中产生生的焊缝缝变形、装卡及及传动系统的的误差均均可由视视觉系统统自动检检测并加加以补偿偿。图4.2具有视觉觉焊缝对对中的弧弧焊机器器人的系系统结构构图4.3实现机器器人弧焊焊工作焊焊缝的自自动跟踪踪原理图图2.装装配作业业中的应应用图4.4所示为为一个吸吸尘器自自动装配配实验系系统,由由2台台关节机机器人和和7台图图像传感感器组成成。组装

8、装的吸尘尘器部件件包括底底盘、气气泵和过过滤器等等,都都自由堆堆放在右右侧备料料区,该该区上方方装设三三台图像像传感器器(、),用用以分辨辨物料的的种类和和方位。机器人人的前部部为装配配区,这这里有4台图像像传感器器A、B、C和和D,用用来对对装配过过程进行行监控。使用这这套系统统装配一一台吸尘尘器只需需2分钟钟。图4.4吸尘器自自动装配配实验系系统3.机机器人非非接触式式检测在机器人人腕部配配置视觉觉传感器器,可用用于对异异形零件件进行非非接触式式测量, 如图图4.5所示。这种测测量方法法除了能能完成常常规的空空间几何何形状、形体相相对位置置的检测测外,如如配上超超声、激激光、x射线探测测装

9、置,则还可进进行零件件内部的的缺陷探探伤、表面涂层层厚度测测量等作作业。图4.5具有视觉觉系统的的机器人人进行非非接触式式测量4.利利用视觉觉的自主主机器人人系统日本日立立中央研研究所研研制的具具有自主主控制功功能的智智能机器器人,可可以用用来完成成按图装装配产品品的作业业,图4.6所所示为其其工作示示意图。它的两两个视觉觉传感器器作为机机器人的的眼睛,一个用用于观察察装配图图纸，并并通过计计算机来来理解图图中零件件的立体体形状及及装配关关系;另另一个个用于从从实际工工作环境境中识别别出装配配所需的的零件,并对其其形状、位置、姿态等等进行识识别。此此外,多多关节机机器人还还带有触触觉。利利用这

10、这些传感感器信息息,可以以确定装装配顺序序和装配配方法, 逐步步将零件件装成与图纸纸相符的的产品。图4.6日立自主主控制机机器人工工作示意意图从功能上上看,这这种机器器人具有有图形识识别功能能和决策策规划功功能,前前者可可以识别别一定的的目标(如宏指指令)、装配图图纸、多多面体等等;后后者可以以确定操操作序列列,包包括装配配顺序、手部轨轨迹、抓抓取位置置等。这这样,只只要对机机器人发发出类似似于人的的表达形形式的宏宏指令, 机器器人则会会自动考考虑执行行这些指指令的具具体工作作细节。该机器器人已成成功地进进行了印印刷板检检查和晶晶体管、电动机机等装配工作。4.2工业机器器人的触触觉为使机器器人

11、准确确地完成成工作,需时刻刻检测机机器人与与对象物物体的配配合关系系。机机器人触触觉可分分成接触触觉、接接近觉、压觉、滑觉和和力觉五五种,如如图4.7所所示。触触头可装装配在机器器人的手手指上,用来判断断工作中中各种状状况。图4.7机器人触触觉4.2.1机机器人的的接触觉觉1.接触觉传传感器图4.8所示的的接触觉觉传感器器由微动动开关组组成,根根据用用途不同同配置也也不同, 一般般用于探探测物体体位置、探索路路径和安安全保护护。这类类配置属属于分散散装置,即把单单个传感感器安装装在机械械手的敏敏感位置上上。图 4.8接接触觉传传感器(a)点式; (b)棒式;(c)缓冲器式式; (d)平板式;

12、(e)环式图4.9所示为为二维矩矩阵接触触觉传感感器的配配置方法法,一一般放在在机器人人手掌的的内侧。图中柔柔软导体体可以使使用导电电橡胶、浸含导导电涂料料的氨基基甲酸乙乙酯泡沫沫或炭素素纤维等等材料。阵列式式接触觉觉传感器器可用于于测定自自身与物物体的接接触位置置、被握握物体中中心位置置和倾斜斜度,甚甚至还还可以识别物体体的大小小和形状状。图4.9矩阵式接接触觉传传感器2.接接触觉应应用图4.10(a)所示为一一个具有有接触觉觉识别功功能的机机器人,共有四四个自由由度(两两个移动动和两个个转动),由由一台微微机控制制,各轴轴运动是是由直流流电机闭闭环驱动动。手部部装有压压电橡胶胶接触觉觉传感

13、器,识别软件件具有搜搜索和识识别的功功能。图4.10具有接触触搜索识识别功能能的机器器(1)搜搜索过过程。机机器人有有一扇形形截面柱柱状操作作空间, 手爪爪在高度度方向进进行分层层搜索, 对每每一层可可根据预预先给定定的程序序沿一定定轨迹进进行搜索索。搜索索过程中中,假定定在位位置遇到到障碍物物,则则手爪上上的接触触觉传感感器就会会发出停停止前进进的指令令,使使手臂向向后缩回回一段距距离到达达位置置。如果果已经避避开了障障碍物, 则再再前进至至,又又伸出出到, 再运运动到处与障障碍物再再次相碰碰。根据据、的位位置计算算机就能能判断被被搜索物物体的位位置。再再按、 的的顺序接接近就能能对搜索的目

14、标标物进行行抓取,如图4.10(b)所示。(2)识识别功功能。图图4.11是一一个配置置在手上上的由34个个触觉元元件组成成的表面面阵列触触觉传感感器,识识别对象象为一长长方体。假定手手与搜索索对象的的已知接接触目标标模式为为x*,手的的每一步步搜索得得到的接接触信息息构成了了接触模模式xi,机器人人根据每每一步搜搜索的接接触模式式x1、x2、x3不断计计算、估估计、调调整手的的位姿, 直到到目标模模式与接接触模式式相符合合为止。图4.11用接触觉觉阵列传传感器引引导随机机搜索每一步搜搜索过程程由三部部分组成成: 接触触觉信息息的获取取、量量化和对对象表面面形心位位置的估估算; 对象象边缘特特

15、征的提提取和姿姿势估算算; 运动动计算及及执行运运动。要判定搜搜索结果果是否满满足形心心对中、姿势符符合要求求,则还还可设置置一个目目标函数数,要要求目标标函数在某某一尺度度下最优优,用这样的的方法可可判定对对象的存存在和位位姿情况况。4.2.2机机器人的的接近觉觉接近觉是是指机器器人能感感觉到距距离几毫毫米到十十几厘米米远的对对象物或或障碍物物,能能检测出出物体的的距离、相对倾倾角或对对象物表表面的性性质。这这是非接接触式感感觉。接近觉传传感器可可分为6种:电电磁式式(感应应电流式式)、光光电式(反射或或透射式式)、静静电容式式、气压压式、超超声波式式和红外外线式, 如图图4.12所示示。图

16、 4.12接接近觉觉传感器器电磁式传传感器在在一个线线圈中通通入高频频电流, 就会会产生磁磁场,这这个磁磁场接近近金属物物时,会会在金金属物中中产生感感应电流流,也也就是涡涡流。涡涡流大大小随对对象物体体表面和和线圈距距离的大大小而变变化,这这个变变化反过过来又影影响线圈圈内磁场场强度。磁场强强度可用用另一组组线圈检检测出来来,也也可以根根据激磁磁线圈本本身电感感的变化化或激励励电流的的变化来来检测。 图4.13是它的的原理图图。这这种传感感器的精精度比较较高,而而且可可以在高高温下使使用。由由于工业业机器人人的工作作对象大大多是金金属部件件,因因此电磁磁式接近近觉传感感器应用用较广, 在焊焊

17、接机器器人中可可用它来来探测焊焊缝。图 4.13电电磁式式接近觉觉传感原原理图光反射式式接近觉觉传感器器由于光光的反射射量受到到对象物物体的颜颜色、粗粗糙度度和表面面倾角的的影响, 精度度较差, 应用用范围小小。静电容式式接近觉觉传感器器是根据据传感器器表面与与对象物物体表面面所形成成的电容容随距离离变化的的原理制制成的。将这个个电容串串接在电电桥中, 或者者把它当当作RC振荡器器中的元元件,都都可以以检测距距离。气压式接接近觉传传感器的的原理如如图4.14所所示,由由一根根细的喷喷嘴喷出出气流。 如果果喷嘴靠靠近物体体,则则内部压压力会发发生变化化,这这一变化化可用压压力计测测量出来来。图图

18、中曲线线表示在在气压P的情况下下,压压力计的的压力与与距离d之间的关关系。它它可用于于检测非非金属物物体,尤尤其适适用于测测量微小小间隙。图 4.14气气压式式接近觉觉传感原原理图4.2.3机机器人的的压觉图4.15所示示为阵列列式压觉觉传感器器。图(a)由由条状的的导电橡橡胶排成成网状, 每个个棒上附附上一层层导体引引出,送送给扫描描电路; 图(b)则则由单向向导电橡橡胶和印印制电路路板组成成,电电路板上上附有条条状金属属箔,两两块板板上的金金属条方方向互相相垂直; 图(c)为为与阵列列式传感感器相配配的阵列列式扫描描电路。图 4.15阵阵列式式压觉传传感器(a)网网状排排列的导导电橡胶胶；

19、(b)单单向导导电橡胶胶和印刷刷电路板板；(c)阵阵列式式扫描电电路比较高级级的压觉觉传感器器是在阵阵列式触触点上附附一层导导电橡胶胶,并并在基板板上装有有集成电电路,压压力的的变化使使各接点点间的电电阻发生生变化, 信号号经过集集成电路路处理后后送出, 如图图4.16所示示。图 4.16高高级分分布式压压觉传感感器图4.17所示示为变形形检测器器,用用压力使使橡胶变变形,可可用普普通橡胶胶作传感感器面, 用光光学和电电磁学等等手段检检测其变变形量。和直接接检测压压力的方方法相比比,这这种方法法可称为为间接检检测法。图 4.17变变形检检测器4.2.4机机器人的的滑觉机器人的的握力应应满足物物

20、体既不不产生滑滑动而握握力又为为最小临临界握力力。如如果能在在刚开始始滑动之之后便立立即检测测出物体体和手指指间产生生的相对对位移, 且增增加握力力就能使使滑动迅迅速停止止,那那么该物物体就可可用最小小的临界界握力抓抓住。检测滑动动的方法法有以下下几种: (1)根根据滑滑动时产产生的振振动检测测,如如图4.18(a)所所示。(2)把把滑动动的位移移变成转转动,检检测其其角位移移,如如图4.18(b)所所示。(3)根根据滑滑动时手手指与对对象物体体间动静静摩擦力力来检测测,如如图4.18(c)所所示。(4)根根据手手指压力力分布的的改变来来检测, 如图图4.18(d)所示示。图 4.18滑滑动引

21、引起的物物理现象象(a)振振动； (b)转转动；(c) 剪动动力;(d) 移位位图4.19所示示是一种种测振式式滑觉传传感器。传感器器尖端用用一个0.05mm的钢钢球接触触被握物物体,振振动通通过杠杆杆传向磁磁铁,磁磁铁的的振动在在线圈中中感应交交变电流流并输出出。在传传感器中中设有橡橡胶阻尼尼圈和油油阻尼器器。滑动动信号能能清楚地地从噪声声中被分分离出来来。但但其检测测头需直直接与对对象物接接触,在在握持持类似于于圆柱体体的对象象物时, 就必必须准确确选择握握持位置置,否否则就不不能起到到检测滑滑觉的作作用;而而且其其接触为为点接触触,可可能因造造成接触触压力过过大而损损坏对象象表面。图 4

22、.19测测振式式滑觉传传感器图4.20所示示的柱型型滚轮式式滑觉传传感器比比较实用用。小型型滚轮安安装在机机器人手手指上, 其表表面稍突突出手指指表面, 使物物体的滑滑动变成成转动。 滚轮轮表面贴贴有高摩摩擦因数数的弹性性物质, 一般般用橡胶胶薄膜。 用板板型弹簧簧将滚轮轮固定, 可以以使滚轮轮与物体体紧密接接触,并并使滚滚轮不产产生纵向向位移。滚轮内内部装有有发光二二极管和和光电三三极管, 通过过圆盘形形光栅把把光信号号转变为为脉冲信信号。图 4.20柱柱型滚滚轮式滑滑觉传感感器(a)机机器人人夹持器器；(b)传传感器器滚轮式传传感器只只能检测测一个方方向的滑滑动。图图4.21所示示为南斯斯

23、拉夫贝贝尔格莱莱德大学学研制的的机器人人专用滑滑觉传感感器。它它由一个个金属球球和触针针组成, 金属属球表面面分成许许多个相相间排列列的导电电和绝缘缘小格。 触针针头很细细,每每次只能能触及一一格。当当工件滑滑动时, 金属属球也随随之转动动,在在触针上上输出脉脉冲信号号。脉冲冲信号的的频率反反映了滑滑移速度度,脉脉冲信号号的个数数对应滑滑移的距距离。接接触器触触头面积积小于球球面上露露出的导导体面积积,它它不仅可可做得很很小,而而且提提高了检检测灵敏敏度。球球与被被握物体体相接触触,无无论滑动动方向如如何,只只要球球一转动动,传传感器就就会产生生脉冲输输出。该该球体在在冲击力力作用下下不转动动

24、,因因此抗干干扰能力力强。图 4.21球球形滑滑觉传感感器从机器人人对物体体施加力力的大小小看,握握持方方式可分分为三类类:(1)刚刚力握握持机器器人手指指用一个个固定的的力,通通常是是用最大大可能的的力握持持物体。 (2)柔柔力握握持根据据物体和和工作目目的不同同,使使用适当当的力握握持物体体。握握力可变变或是自自适应控控制的。 (3)零零力握握持可握握住物体体但不用用力,即即只感感觉到物物体的存存在。它它主要要用于探探测物体体、探索索路径、识别物物体的形形状等目目的。4.2.5机机器人的的力觉机器人作作业是一一个其与与周围环环境的交交互过程程。作业业过程有有两类: 一类类是非接接触式的的,

25、如如弧焊、喷漆等等,基基本不涉涉及力; 另一一类工作作是通过过接触才才能完成成的,如如拧螺螺钉、点点焊、装装配、抛抛光、加工等等。目前前已有将将视觉和和力觉传传感器用用于非事事先定位位的轴孔孔装配, 其中中,视视觉完成成大致的的定位, 装配配过程靠靠孔的倒倒角作用用不断产产生的力力反馈得得以顺利利完成。又如高高楼清洁洁机器人人,当当它擦干干净玻璃璃时,显显然用用力不能能太大也也不能太太小,这这要求求机器人人作业时时具有力力控制功功能。当当然,对对于机机器人的的力传感感器,不不仅仅仅是上面面描述的的机器人人末端执执行器与与环境作作用过程程中发生生的力测测量,还还有如如机器人人自身运运动控制制过程

26、中中的力反反馈测量量、机机器手爪爪抓握物物体时的的握力测测量等。通常将机机器人的的力传感感器分为为以下三三类:(1)装装在关关节驱动动器上的的力传感感器,称称为关关节力传传感器。 它测测量驱动动器本身身的输出出力和力力矩,用用于控控制中的的力反馈馈。(2)装装在末末端执行行器和机机器人最最后一个个关节之之间的力力传感器器,称称为腕力力传感器器。腕腕力传感感器能直直接测出出作用在在末端执执行器上上的各向向力和力力矩。(3)装装在机机器人手手爪指关关节上(或指上上)的力力传感器器,称称为指力力传感器器。它它用来测测量夹持持物体时时的受力力情况。图4.22所示示为Draper实验验室研制制的六维维腕

27、力传传感器的的结构。 它将将一个整整体金属属环周壁壁铣成按按120周向向分布的的三根细细梁。其其上部部圆环上上有螺孔孔与手臂臂相联, 下部部圆环上上的螺孔孔与手爪爪联接, 传感感器的测测量电路路置于空空心的弹弹性构架架体内。该传感感器结构构比较简简单,灵灵敏度度也较高高,但但六维力力(力矩矩)的获获得需要要解耦运运算,传传感器器的抗过过载能力力较差, 较易易受损。图 4.22Draper的腕力力传感器器图4.23所示示是SRI(StanfordResearchInstitute)研制制的六维维腕力传传感器。 它由由一只直直径为75mm的铝铝管铣削削而成, 具有有八个窄窄长的弹弹性梁, 每一一个

28、梁的的颈部开开有小槽槽以使颈颈部只传传递力, 扭矩矩作用很很小。在在梁的另另一头两两侧贴有有应变片片,若若应变片片的阻值值分别为为R1、R2, 则将将其连成成如图4.24所示的的形式输输出,由由于R1、R2所受应变变方向相相反,因因此Vout输出比使使用单个个应变片片时大一一倍。图4.23 SRI腕力传感感器图4.24 SRI腕力传感感器应变变片连接接方式图4.25是日日本大和和制衡株株式会社社林纯一一在JPL实验室研研制的腕腕力传感感器基础础上提出出的一种种改进结结构。它它是一种种整体轮轮辐式结结构,传传感器器在十字字梁与轮轮缘联接接处有一一个柔性性环节, 在四四根交叉叉梁上总总共贴有有32

29、个个应变片片(图中中以小方方块表示示),组组成8路全桥桥输出, 六维维力的获获得须通通过解耦耦计算。这一传传感器一一般将十十字交叉叉主杆与与手臂的的联接件件设计成成弹性体体变形限限幅的形式,可有效起起到过载载保护作作用,是一种较较实用的的结构。图4.25林纯一的的腕力传传感器图4.26所示示是一种种非径向向中心对对称三梁梁腕力传传感器, 传感感器的内内圈和外外圈分别别固定于于机器人人的手臂臂和手爪爪,力力沿与内内圈相切切的三根根梁进行行传递。 每根根梁的上上下、左左右各贴贴一对应应变片,这样,这非径径向的三三根梁共共粘贴6对应变变片,分分别组组成六组组半桥, 对这这六组电电桥信号号进行解解耦可

30、得得到六维维力(力力矩)的的精确解解。这这种力觉觉传感器器结构有有较好的的刚性, 最先先由卡纳纳基梅隆大学学提出。在我国国,华中科技技大学也也曾对此此结构的的传感器器进行过过研究。图4.26非径向中中心对称称三梁腕腕力传感感器4.3工业机器器人的位位置及位位移4.3.1电电位器式式位移传传感器电位器式式位移传传感器由由一个线线绕电阻阻(或薄薄膜电阻阻)和一一个滑动动触点组组成。其其中滑滑动触点点通过机机械装置置受被检检测量的的控制。当被检检测的位位置量发发生变化化时,滑滑动触点点也发生生位移, 从而而改变了了滑动触触点与电电位器各各端之间间的电阻阻值和输输出电压压值,根根据这这种输出出电压值值

31、的变化化,可以检测测出机器器人各关关节的位位置和位位移量。电位器式式位移传传感器具具有很多多优点。它的输输入输出出特性(即输入入位移量量与电压压量之间间的关系系)可以以是线性性的,也也可以根根据需要要选择其其他任意意函数关关系的输输入输出出特性; 它的的输出信信号选择择范围很很大,只只需改变变电阻器器两端的的基准电电压,就就可以得得到比较较小的或或比较大大的输出出电压信信号。这这种位移移传感器器不会因因为失电电而破坏坏其已感感觉到的的信息。当电源源因故断断开时,电位器器的滑动动触点将将保持原原来的位位置不变变,只只需重新新接通电电源,原原有的的位置信信息就会会重新出出现。另另外,它它还具有有性

32、能稳稳定，结结构简单单，尺尺寸小，重量轻轻，精度度高等优优点。电电位器式式位移传传感器的的一个主主要缺点点是容易易磨损。由于滑滑动触点点和电阻阻器表面面的磨损损,使使电位器器的可靠靠性和寿寿命受到到一定的的影响, 正因因如此,电位器器式位移移传感器器在机器器人上的的应用受受到了极极大的局限,近年来随随着光电电编码器器价格的的降低而而逐渐被被取代。按照电位位器式位位移传感感器的结结构,可可以把把它分成成两大类类:一一类是直直线型电电位器, 另一一类是旋旋转型电电位器。 直线型电电位器主主要用于于检测直直线位移移,其其电阻器器采用直直线型螺螺线管或或直线型型碳膜电电阻,滑滑动触触点也只只能沿电电阻

33、的轴轴线方向向做直线线运动。直线型型电位器器的工作作范围和和分辨率率受电阻阻器长度度的限制制。线绕绕电阻、电阻丝丝本身的的不均匀匀性会造造成电位位器式传传感器的的输入输输出关系的非非线性。旋转型电电位器的的电阻元元件呈圆圆弧状, 滑动动触点也也只能在在电阻元元件上做做圆周运运动。旋旋转型电电位器有有单圈电电位器和和多圈电电位器两两种。由由于滑滑动触点点等的限限制,单单圈电电位器的的工作范范围只能能小于360;对分分辨率也也有一定定限制。 对于于多数应应用情况况来说, 这并并不会妨妨碍它的的使用。假如需需要更高高的分辨辨率和更更大的工工作范围围,可可以选用用多圈电电位器。图4.27为一一种典型型

34、的电位位器式测测试电路路。当输输入电压压VCC加在电位位器的两两个输入入端时,电位器器的输出出信号Vout与滑动触触点的位位置成比比例。图4.28所示为两两种典型型的商用用旋转式式电位器器。图4.27作为位置置传感器器的电位位器图4.28典型的商商用旋转转式电位位器图 4.29旋旋转电电位器的的结构原原理图(a)导电塑料料型；(b)线圈型4.3.2光电编码码器1.绝绝对型光光电编码码器绝对型编编码器即即使发生生电源中中断,也也能正正确地给给出角度度位置。 绝对对型编码码器产生生供每种种轴用的的独立的的和单值值的码字字。与与相对型型编码器器不同,它的每每个读数数都与前前面的读读数无关关。绝对对型

35、编码码器最大大的优点点是系统统电源中中断时, 器件件可记录录发生中中断的地地点,当当电源源恢复时时,它可可把记录录情况通通知系统统。绝对型编编码器通通常由三三个主要要元件构构成:多多路(或或通道)光源(如发光光二极管管);光光敏元件;光电码盘盘。图4.30是绝绝对型光光电编码码器的编编码原理理图,码码盘上上有5条条码道。所谓码码道,就就是码码盘上的的同心圆圆。按按照二进进制分布布规律, 把每每条码道道加工成成透明和和不透明明区域相相间的形形式。码码盘的的一侧安安装光源源,另一一侧安装装一排径径向排列列的光电电管,每每个光光电管对对准一条条码道。当光源源照射码码盘时, 如果果是透明明区,则则光线

36、线被光电电管接收收,并并转变成成电信号号,输输出信号号为“1”;如如果是是不透明明区,则则光电电管接收收不到光光线,输输出信信号为“0”。被测工工作轴带带动码盘盘旋转时时,光光电管输出出的信息息就代表表了轴的的对应位位置,即绝对位位置。图4.30绝对型光光电编码码器光电编码码盘大多多采用格格雷码编编码盘,格雷码码的特点点是每一一相邻数数码之间间仅改变变一位二二进制数数,这这样,即即使制作作和安装装不十分分准确, 产生生的误差差最多也也只是最最低位的的一位数数。在图图4.30中，五位二二进制码盘分分辨的最最小角度度(分辨率)为码道越多多,分辨辨率越高高。目前前,码码盘码道道可做到到十八条条,能能

37、分辨的的最小角角度为=360/2180.0014。2.相相对型光光电编码码器与绝对型型光电编编码器一一样,相相对型型光电编编码器也也是由前前述三个个主要元元件构成成的。两两者的工工作原理理基本相相同,所所不同同的是后后者的光光源只有有一路或或两路。光电码码盘一般般只刻有有一圈或或两圈透透明和不不透明区区域,当当光透透过码盘盘时,光光敏元元件导通通,产产生低电电平信号号,代代表二进进制的“0”; 不透透明的区区域代表表二进制制的“1”。因因此,这这种编码码器只能能通过计计算脉冲冲个数来来得到输入轴所所转过的的相对角角度。由于相对对型光电电编码器器的码盘盘加工相相对容易易,因因此其成成本比绝绝对型

38、编编码器的的低,而而分辨辨率高。然而,只有使使机器人人首先完完成校准准操作以以后才能能获得绝绝对位置置信息。通常,这不是是很大的的缺点,因为这这样的操操作一般般只有在在加上电电源后才才能完成成。若在在操作过过程中电电源意外外地消失失,由由于相对对型编码码器没有有“记忆忆”功能能,故故必须再再次完成成校准。 如图4.31所所示,编编码器的的分辨率率通常由由径向线线数n来确定。 这意意味着, 编码码器能分分辨的角角度位置置等于360n。典型的的有100、128、200、256、500、512、1000、1024和2048线分辨辨率的编编码器。图4.31光学式增增量型旋旋转编码码器4.3.3角角速度

39、传传感器1.旋转编码码器当使用旋旋转编码码器时,也可以以用一个个传感器器检测角角度和角角速度, 比较较方便。 1)绝对型旋旋转编码码器的应应用因为这种种编码器器的输出出表示的的是旋转转角度的的实际值值,所所以若对对单位时时间前的的值进行行记忆,并取它与与现时值值之间的的差值,就可以求求得角速速度。2)相相对型旋旋转编码码器的应应用这种编码码器单位位时间内内输出脉脉冲的数数目与角角速度成成比例。2.测测速发电电机图4.32所示示为测速速发电机机的构造造。测速速发电机机与普通通发电机机的原理理相同, 除具具有直流流输出型型和交流流输出型型以外, 还有有感应型型。对于直流流输出型型,在其其定子的的永

40、久磁磁铁产生生的静止止磁场中中,安安装着绕绕有线圈圈的转子子。当转转动转子子时,就就会产生生交流电电流,因因此, 经过过二极管管整流后后,就会会变换成成直流进进行输出出。输出出电压与与转子的的角速度度成比例, 因此此得到uA式中,A为常数。通常,转速为1000 rmin时,输出的电电压可以以达到7 V。图 4.32测测速发发电机(a)带整流子子的直流流输出测测速发电电机；(b)交流输出出测速发发电机4.4多感觉智智能机器器人多感觉传传感系统统使机器器人拥有有一定的的智能, 而多多感觉信信息融合合技术在在智能机机器人系系统中的的应用, 则提提高了机机器人的的认知水水平。多感觉智智能机器器人的组组成如图图4.33所示示。它由由机器人人本体、控制及及驱动器器、多传传感器系系统、计计算机系系统和机机器人示示教盒组组成,其其工作