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1、第七章 傳感器,輸出類型：數(shù)字式或模擬式，可以直接使用，也可能必須對其進行轉換才能使用。 接口：傳感器必須能與其他設備相連接。如果沒有現(xiàn)成接口、或與其他設備接口不匹配、或需要其他額外電路，此時，需要解決傳感器與設備間接口問題。 分辨率：在測量范圍內(nèi)所能分辨的最小值。繞線式電位器一圈電阻值；n位數(shù)字設備滿量程/2n,機器人為了能夠適應周圍環(huán)境進行正常工作，需要使用傳感器來感知現(xiàn)場的一些情況，具體來說有以下幾個原因： 1) 機械定位法難以知道所有工件和設備的放置位置； 2) 當工件順序不定或需要改變時，缺乏適應性和靈活性； 3) 高精度機械手的造價往往比用低精度機械手配以傳感器靈活并方便
2、地完成任務所需費用高得多；,特點與分類： 根據(jù)物體的特性分：幾何式、機械式、光學式、材料的、語音的、電氣的、磁性的、放射的和化學的等等。 傳感器常用的分類方法是將傳感器按其與機器人的相對關系分為內(nèi)傳感器和外傳感器。 內(nèi)傳感器用來測試機器人本體內(nèi)部的一些變量； 外傳感器常用來測試機器人工作的環(huán)境情況。 傳感器經(jīng)常安裝在機器人的某些極限位置，其目的是為了更方便地探知外部的信號，如何選擇合適的位置安裝在設計時要加以考慮。,機器人的感覺順序一般分兩步進行： (1) 變換通過硬件把目標特性轉換為信號。 (2) 處理把所獲信號變換為規(guī)劃及執(zhí)行某個機器人功能所需要的信息。 處理通常包括預處理
3、和解釋兩個步驟。 在預處理階段，一般通過硬件對信號加以改善。 在解釋階段，一般通過軟件對改善后的信號進行分析，并提取所需要的信息。,在機器人中，傳感器主要作用如下： (1) 為了控制系統(tǒng)測試機器人參數(shù)； (2) 發(fā)現(xiàn)物體的位置； (3) 糾正機器人模型中的誤差； (4) 探知并且避免實效姿態(tài)； (5) 探知物體并避障； (6) 監(jiān)測與環(huán)境的交互作用； (7) 監(jiān)測可能對執(zhí)行這項任務有影響的環(huán)境狀態(tài)； (8) 檢查處理結果。,傳感器由轉換器和電路組成。 轉換器是將物理量和化學量轉換為電信號的裝置。通常來自轉換器的信號很小，在使用前必須將這些信號放大；此外，經(jīng)
4、常有些信號是非線性的，在應用前必須將它們線性化。 例如，來自熱電偶的信號必須線性化以獲得與溫度成正比的電壓。 傳感信號最普通的用途是用在閉環(huán)控制中 。,7.1 位置傳感器,用途：測量位移，包括角位移和線位移，也可用來檢測運動。 （一）電位器 通過電阻把位置信息轉化為隨位置變化的電壓。,電位器原理圖,商品化電位器,（二） 編碼器 功能：檢測細微運動，輸出數(shù)字信號。 原理： 碼盤或碼尺被分成若干小區(qū)，每一小區(qū)可能不透明也可能透明。 當光源例如發(fā)光二極管有碼盤或碼尺的一側向另一側發(fā)射一束光時，在另一側用光敏傳感器進行檢測。如果碼盤的角度正好位于光能穿過的地方，則另一側的傳感器將會導通，輸
5、出高電平。如果碼盤的角度正好處在光不能穿過的地方，傳感器將關斷，輸出低電平。如果對該信號計數(shù)就可測量任意時刻碼盤的近似總位移,兩種基本形式：增量式、絕對式 增量式：用來測量角位置和直線位置的變化，但不能直接記錄或指示位置的實際值。在所有利用增量式編碼器進行位置跟蹤的系統(tǒng)中，都必須在系統(tǒng)開始運行時進行復位。只要知道復位時的位置，控制器就能確定任意時刻的位移。 1 增量式,簡單旋轉式增量碼盤,簡單直線增量編碼器,增量式編碼器的輸出信號,2 絕對式 每個位置都對應著透光與不透光弧段的惟一確定組合，這種確定組合有惟一的特征。通過這特征，在任意時刻都可以確定碼盤的精確位置。,商用增量式碼盤和絕對碼尺,
6、,三 線位移差動變壓器（LVDT） 原理：鐵心隨被測位移移動，導致磁通強度的變化，從而引起次級電壓的變化，同時將隨唯一變化的模擬電壓輸出作為唯一的測量結果。,旋轉變壓器 原理：轉子轉動引起磁通量旋轉，在次級線圈產(chǎn)生變化的電壓。從而可以用來測量角位移。,旋轉變壓器原理圖,磁反射型傳感器 原理：導體發(fā)送脈沖，遇到磁體后反射回來，若已知脈沖傳輸速度，那么就能將脈沖到達磁體并返回的總時間換算成距離。,6.3 速度傳感器,編碼器 原理：對任意給定的角位移，編碼器將產(chǎn)生確定數(shù)量的脈沖信號，通過統(tǒng)計指定時間內(nèi)脈沖信號的數(shù)量，能計算出相應的角速度。 測速發(fā)電機 原理：將機械能轉化為電能的裝置，輸出是與輸入角速
7、度成正比的模擬電壓，它可與電位器一起來使用來估計速度。,位置信號微分 原理：對位置信號求微分來測試速度,加速度傳感器 力和壓力傳感器 壓電晶體：壓電材料受壓后會產(chǎn)生一定電壓。 力敏電阻：阻值隨垂直施加在表面的力的增加而降低。,3.應變片 輸出與形變成正比,6.4 力矩傳感器,原理： 如果在軸上施加力矩，力矩將在軸上產(chǎn)生兩個方向相反的力和兩個方向相反的形變，兩個力傳感器可以測出這兩個力，根據(jù)所測力的大小可計算出力矩。,用六個傳感器測量三個彼此獨立的軸上的力和力矩,,6.5 其它類型傳感器,微動開關 可以用它切斷通過導體的電流，因此能用于安全保護。此外，還可以用來監(jiān)測是否有接觸或用作位移開關發(fā)送信
8、號。 2.可見光和紅外傳感器 電阻隨著投射在其上面光強的變化而改變，與移動光源聯(lián)用，測量位移。建立與機器人進行遠程通信的鏈路。 3.接觸和觸覺傳感器 在實際接觸時發(fā)出信號。,簡單的接觸式傳感器以陣列形式排列組合成觸覺傳感器，它以特定次序向控制器發(fā)送接觸和形狀信息。,觸覺傳感器可以提供的物體的信息如下圖,類皮膚觸覺傳感器,,6.6 接近覺傳感器 用途：探測兩個物體接觸之前一物體向另一物體接近。 常見接近覺傳感器 （1）磁感應接近傳感器 （2）光學接近傳感器,5 超聲波接近覺傳感器,6 感應式接近覺傳感器 7 電容式接近覺傳感器 8 渦流接近覺傳感器,6.7 測距儀,與接近覺傳感器不同，測距儀用于
9、測量較長的距離，它可以探測障礙物和物體表面的形狀，并且用于向系統(tǒng)提供早期信息。常用的測量方法是三角法和測量傳輸時間法。 三角法：測量原理如圖所示,測量原理：僅在發(fā)射器以特定角度發(fā)射光線時，接收器才能檢測到物體上的光斑，利用發(fā)射角的角度可以計算出距離。,測量傳輸時間法： 信號傳輸?shù)木嚯x包括從發(fā)射器到物體和被物體發(fā)射到接收器兩部分。傳感器與物體之間的距離是信號行進距離的一半，知道了傳播速度，通過測量信號的往返時間即可計算出距離。,超聲波測距儀 特點： 結構堅固、簡單、廉價并且能耗低，但是分辨率和最大工作距離受到限制。 工作原理： 發(fā)射器發(fā)射高頻超聲波脈沖，它在介質(zhì)中行進一段距離，遇到障礙物后返回，
10、由接受器接受，發(fā)射器和物體之間的距離等于超聲波行進距離的一半，行進距離則等于傳輸時間與聲速的乘積。 關鍵技術： 時間測量的準確性，時間測量精度，聲速精度，背景噪聲。,光測距儀 原理：基于光（包括激光），采用直接延遲時間測量法、間接幅值調(diào)制法和三角法等方法測量到物體的距離。,6.8 嗅覺傳感器,原理： 對特定的氣體敏感，當探測到這些氣體時就發(fā)出信號。,6.9 視覺系統(tǒng),6.9 語音識別裝置,原理： 所有信號都有各自的主要頻率，它們構成了信號的特征頻譜，通過識別這種頻譜的特征就可以做到語音識別。為了進行語音識別，用戶必須對系統(tǒng)進行訓練。,6.10 語音合成器,語音合成的方法： 一、將音素和元音組合
11、來產(chǎn)生單詞的發(fā)音 二、錄下系統(tǒng)可能需要合成的詞，當需要時就從存 儲器或磁帶中讀出。,6.11 遠程中心柔順（RCC）裝置,說明： RCC裝置是機器人腕關節(jié)和末端執(zhí)行器之間的輔助裝置，它是為校正末端執(zhí)行器和機器人部件的錯位而設計的。,裝配零件間的錯位,工作原理： 零速度瞬時中心是一個物體相對另一個物體速度為零的點。四連桿機構的零速度瞬時中心如下圖所示,RCC裝置就是由這兩部分組成的，它能提供關于遠程中心點的微量平移和旋轉運動。,組成： 它由兩塊剛性金屬板組成，其中剪切柱在提供橫側向柔順的同時，將保持軸向的剛度。實際上，一種裝置只在橫側向和軸向或者在彎曲和翹起方向提供一定的剛性（或柔性），它必須根據(jù)需要來選擇。每種裝置都有一個給定的中心到中心的距離，距離決定了遠程柔順中心相對柔順裝置中心的位置。因此，如果有多個零件或許多操作，則必須有多個RCC裝置，并要分別選擇。,
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