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機器人傳感器的類别及應用原理 [2017/3/30]

一般機器人系統由機械手、環境、任務和控制器四個互相作用的部分組成。我們稱一般安裝在機器人機械手上的傳感器為内傳感器(Inner Sensons),而稱作為環境的一部分的傳感器為外傳感器(External Sensons)。 
  一般機器人系統由機械手、環境、任務和控制器四個互相作用的部分組成。我們稱一般安裝在機器人機械手上的傳感器為内傳感器(Inner Sensons),而稱作為環境的一部分的傳感器為外傳感器(External Sensons)。下面将以此為主,結合機器人傳感器其它分類方法進行闡述。
  機器人産業近年來發展很快,2012年全球産量為16萬台,歐、美、日等工業發達國家機器人市場已比較成熟,已處于平增長階段。其機器人密度(萬名員工使用機器人台數)韓國為347台,日本為339台,法國為261台,而我國為10台(有統計數據稱為21台, 僅供參考)。而我國機器人市場也發展很快,工業機器人每年裝機量增長速度均超過20%,2010年裝機量為52290台,2011年上漲到74317台,實現了42%的增長率。在2012年,我國出台了《智能制造科技發展“十二五”專項規劃》,2013年4月21日還成立了“中國機器人産業聯盟”,這些均證明了我國機器人産業将會有更大的發展。
  機器人産品目前分類為工業機器人和服務機器人兩大類。國内也有分為工業機器人和特種機器人兩大類的;或分為一般機器人和智能機器人兩大類;或分為一般機器人和移動機器人兩類;或分為一般機器人和拟人機器人兩類等。目前工業機器人多用于搬運、分揀、上下料、包裝、碼垛、焊接、噴塗、打磨、抛光、切割、擺放、裝配等方面。
  随着智能化的程度提高,機器人傳感器應用越來越多。智能機器人主要有交互機器人、傳感機器人和自主機器人3種。從拟人功能出發,視覺、力覺、觸覺最為重要,早已進入實用階段,聽覺也有較大進展,其它還有嗅覺、味覺、滑覺等,對應有多種傳感器,所以機器人傳感産業也形成了生産和科研力量。
  機器人的控制系統相當于人類大腦,執行機構相當于人類四肢,傳感器相當于人類的五官。因此,要讓機器人像人一樣接收和處理外界信息,機器人傳感器技術是機器人智能化的重要體現。
  傳感器是機器人完成感覺的必要手段,通過傳感器的感覺作用,将機器人自身的相關特性或相關物體的特性轉化為機器人執行某項功能時所需要的信息。根據傳感器在機器人上應用的目的和使用範圍不同,可分為内部傳感器和外部傳感器。
  内部傳感器用于檢測機器人自身狀态(如手臂間角度、機器人運動工程中的位置、速度和加速度等);外部傳感器用于檢測機器人所處的外部環境和對象狀況等,如抓取對象的形狀、空間位置、有沒有障礙、物體是否滑落等。
機器人傳感器的類别及應用
  機器人傳感器主要類别:

  内傳感器
  機器介機電一體化的産品,内傳感器和電機、軸等機械部件或機械結構如手臂(Arm)、手腕(Wrist)等安裝在一起,完成位置、速度、力度的測量,實現伺服控制。
  位置(位移)傳感器
  直線移動傳感器有電位計式傳感器和可調變壓器兩種。角位移傳感器有電位計式、可調變壓器(旋轉變壓器)及光電編碼器三種,其中光電編碼器有增量式編碼器和絕對式編碼器。增量式編碼器一般用于零位不确定的位置伺服控制,絕對式編碼器能夠得到對應于編碼器初始鎖定位置的驅動軸瞬時角度值,當設備受到壓力時,隻要讀出每個關節編碼器的讀數,就能夠對伺服控制的給定值進行調整,以防止機器人啟動時産生過劇烈的運動。
機器人傳感器的類别及應用
  速度和加速度傳感器
  速度傳感器有測量平移和旋轉運動速度兩種,但大多數情況下,隻限于測量旋轉速度。利用位移的導數,特别是光電方法讓光照射旋轉圓盤,檢測出旋轉頻率和脈沖數目,以求出旋轉角度, 及利用圓盤制成有縫隙,通過二個光電二極管辨别出角速度,即轉速,這就是光電脈沖式轉速傳感器。
  此外還有測速發電機用于測速等。
  應變儀即伸縮測量儀,也是一種應力傳感器,用于加速度測量。加速度傳感器用于測量工業機器人的動态控制信号。一般有由速度測量進行推演、已知質量物體加速度所産生動力,即應用應變儀測量此力進行推演,還有就是下面所說的方法:
  與被測加速度有關的力可由一個已知質量産生。這種力可以為電磁力或電動力,最終簡化為對電流的測量,這就是伺服返回傳感器,實際又能有多種振動式加速度傳感器。
機器人傳感器的類别及應用
  力覺傳感器
  力覺傳感器用于測量兩物體之間作用力的三個分量和力矩的三個分量。機器人中理想的傳感器是粘接在依從部件的半導體應力計。具體有金屬電阻型力覺傳感器、半導體型力覺傳感器、其它磁性壓力式和利用弦振動原理制作的力覺傳感器。
  還有轉矩傳感器(如用光電傳感器測量轉矩)、腕力傳感器(如國際斯坦福研究所的由6個小型差動變壓器組成, 能測量作用于腕部X、Y和Z三個方向的動力及各軸動轉矩)等。
  由于機器人發展曆史較長,近年來普遍采用以交流永磁電動機為主的交流伺服系統,對應位置、速度等傳感器大量應用的是:各種類型的光電編碼器、磁編碼器和旋轉變壓器。
機器人傳感器的類别及應用
  外傳感器
  以往一般工業機器人是沒有外部感覺能力的,而新一代機器人如多關節機器人,特别是移動機器人、智能機器人則要求具有校正能力和反應環境變化的能力,外傳感器就是實現這些能力的。
  觸覺傳感器
  微型開關是接觸傳感器最常用型式,另有隔離式雙态接觸傳感器(即雙穩态開關半導體電路)、單模拟量傳感器、矩陣傳感器(壓電元件的矩陣傳感器、人工皮膚——變電導聚合物、光反射觸覺傳感器等)。
  應力傳感器
  如多關節機器人進行動作時需要知道實際存在的接觸、接觸點的位置(定位)、接觸的特性即估計受到的力(表征)這三個條件,所以用上節已指出的應變儀,結合具體應力檢測的基本假設,如求出工作台面與物體間的作用力,具體有對環境裝設傳感器、對機器人腕部裝設測試儀器用傳動裝置作為傳感器等方法。
  接近度傳感器
  由于機器人的運動速度提高及對物體裝卸可能引起損壞等原因需要知道物體在機器人工作場地内存在位置的先驗信息以及适當的軌迹規劃,所以有必要應用測量接近度的遙感方法。接近傳感器分為無源傳感器和有源傳感器,所以除自然信号源外,還可能需要人工信号的發送器和接收器。
  超聲波接近度傳感器用于檢測物體的存在和測量距離。它不能用于測量小于30~50cm的距離,而測距範圍較大,它可用在移動機器人上,也可用于大型機器人的夾手上。還可做成超聲導航系統。
  紅外線接近度傳感器,其體積很小,隻有幾立方厘米大,因此可以安裝在機器人夾手上。
  聲覺傳感器
  用于感受和解釋在氣體(非接觸感受)、液體或固體(接觸感受)中的聲波。聲波傳感器複雜程度可以從簡單的聲波存在檢測到複雜的聲波頻率分析, 直到對連續自然語言中單獨語音和詞彙的辨别。
  接觸式或非接觸式溫度傳感器
  近年在機器人中應用較廣,除常用的熱電阻(熱敏電阻)、熱電偶等外,熱電電視攝像機測及感覺溫度圖像方面也取得進展。
  滑覺傳感器
  用于檢測物體的滑動。當要求機器人抓住特性未知的物體時,必須确定最适當的握力值,所以要求檢測出握力不夠時所産生的物體滑動信号。利用這一信号,在不損壞物體的情況下,牢牢抓住物體。
  目前有利用光學系統的滑覺傳感器和利用晶體接收器的滑覺傳感器,後者的檢測靈敏度與滑動方向無關。
機器人傳感器的類别及應用
  距離傳感器
  用于智能移動機器人的距離傳感器有:激光測距儀(兼可測角)、聲納傳感器等,近幾年得到發展。
機器人傳感器的類别及應用
  視覺傳感器
  20世紀50年代後期出現,發展十分迅速,是機器人中最重要的傳感器之一。機器視覺從20世紀60年代開始首先處理積木世界,後來發展到處理室外的現實世界。20世紀70年代以後,實用性的視覺系統出現了。視覺一般包括三個過程:圖像獲取、圖像處理和圖像理解。相對而言,圖像理解技術還很落後。
  傳感器的主要指标:

動态範圍:是指傳感器能檢測的範圍。比如電流傳感器能夠測量1mA-20A的電流,那麼這個傳感器的測量範圍就是10log(20/0.001)=43dB. 如果傳感器的輸入超出了傳感器的測量範圍,那麼傳感器就不會顯示正确的測量值了。比如超聲波傳感器對近距離的物體無法測量。
  分辨率:分辨率是指傳感器能測量的最小差異。比如電流傳感器,它的分辨率可能是5mA,也就是說小于5mA的電流差異,它沒法檢測出。當然越高分辨率的傳感器價格就越貴。
  線性度:這是一個非常重要的指标來衡量傳感器輸入和輸出的關系。
  頻率:是指傳感器的采樣速度。比如一個超聲波傳感器的采樣速度為20HZ,也就是說每秒鐘能掃描20次。
  機器人傳感器的要求和選擇
  機器人傳感器的選擇取決于機器人工作需要和應用特點,對機器人感覺系統的要求時選擇傳感器的基本依據。
  精度高、重複性好;
  穩定性和可靠性好
  抗幹擾能力強;
   重量輕、體積小、安裝方便。
  小結

所有液位計液位變送器電容式液位計料位開關電容式液位變送器物位開關的傳感器均與信号的檢測以後的信号變換、處理關系非常密切, 而且變換處理的軟件工作量很大,又與人工智能等信息技術融合,所以本文隻是抛磚引玉,有待深入探讨。