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1、第七章 傳感器,輸出類(lèi)型：數(shù)字式或模擬式，可以直接使用，也可能必須對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能使用。 接口：傳感器必須能與其他設(shè)備相連接。如果沒(méi)有現(xiàn)成接口、或與其他設(shè)備接口不匹配、或需要其他額外電路，此時(shí)，需要解決傳感器與設(shè)備間接口問(wèn)題。 分辨率：在測(cè)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(shè)備滿(mǎn)量程/2n,機(jī)器人為了能夠適應(yīng)周?chē)h(huán)境進(jìn)行正常工作，需要使用傳感器來(lái)感知現(xiàn)場(chǎng)的一些情況，具體來(lái)說(shuō)有以下幾個(gè)原因： 1) 機(jī)械定位法難以知道所有工件和設(shè)備的放置位置； 2) 當(dāng)工件順序不定或需要改變時(shí)，缺乏適應(yīng)性和靈活性； 3) 高精度機(jī)械手的造價(jià)往往比用低精度機(jī)械手配以傳感器靈活并方便
2、地完成任務(wù)所需費(fèi)用高得多；,特點(diǎn)與分類(lèi)： 根據(jù)物體的特性分：幾何式、機(jī)械式、光學(xué)式、材料的、語(yǔ)音的、電氣的、磁性的、放射的和化學(xué)的等等。 傳感器常用的分類(lèi)方法是將傳感器按其與機(jī)器人的相對(duì)關(guān)系分為內(nèi)傳感器和外傳感器。 內(nèi)傳感器用來(lái)測(cè)試機(jī)器人本體內(nèi)部的一些變量； 外傳感器常用來(lái)測(cè)試機(jī)器人工作的環(huán)境情況。 傳感器經(jīng)常安裝在機(jī)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(hào)，如何選擇合適的位置安裝在設(shè)計(jì)時(shí)要加以考慮。,機(jī)器人的感覺(jué)順序一般分兩步進(jìn)行： (1) 變換通過(guò)硬件把目標(biāo)特性轉(zhuǎn)換為信號(hào)。 (2) 處理把所獲信號(hào)變換為規(guī)劃及執(zhí)行某個(gè)機(jī)器人功能所需要的信息。 處理通常包括預(yù)處理
3、和解釋兩個(gè)步驟。 在預(yù)處理階段，一般通過(guò)硬件對(duì)信號(hào)加以改善。 在解釋階段，一般通過(guò)軟件對(duì)改善后的信號(hào)進(jìn)行分析，并提取所需要的信息。,在機(jī)器人中，傳感器主要作用如下： (1) 為了控制系統(tǒng)測(cè)試機(jī)器人參數(shù)； (2) 發(fā)現(xiàn)物體的位置； (3) 糾正機(jī)器人模型中的誤差； (4) 探知并且避免實(shí)效姿態(tài)； (5) 探知物體并避障； (6) 監(jiān)測(cè)與環(huán)境的交互作用； (7) 監(jiān)測(cè)可能對(duì)執(zhí)行這項(xiàng)任務(wù)有影響的環(huán)境狀態(tài)； (8) 檢查處理結(jié)果。,傳感器由轉(zhuǎn)換器和電路組成。 轉(zhuǎn)換器是將物理量和化學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。通常來(lái)自轉(zhuǎn)換器的信號(hào)很小，在使用前必須將這些信號(hào)放大；此外，經(jīng)
4、常有些信號(hào)是非線性的，在應(yīng)用前必須將它們線性化。 例如，來(lái)自熱電偶的信號(hào)必須線性化以獲得與溫度成正比的電壓。 傳感信號(hào)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(cè)量位移，包括角位移和線位移，也可用來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)。 （一）電位器 通過(guò)電阻把位置信息轉(zhuǎn)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(cè)細(xì)微運(yùn)動(dòng)，輸出數(shù)字信號(hào)。 原理： 碼盤(pán)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(dāng)光源例如發(fā)光二極管有碼盤(pán)或碼尺的一側(cè)向另一側(cè)發(fā)射一束光時(shí)，在另一側(cè)用光敏傳感器進(jìn)行檢測(cè)。如果碼盤(pán)的角度正好位于光能穿過(guò)的地方，則另一側(cè)的傳感器將會(huì)導(dǎo)通，輸
5、出高電平。如果碼盤(pán)的角度正好處在光不能穿過(guò)的地方，傳感器將關(guān)斷，輸出低電平。如果對(duì)該信號(hào)計(jì)數(shù)就可測(cè)量任意時(shí)刻碼盤(pán)的近似總位移,兩種基本形式：增量式、絕對(duì)式 增量式：用來(lái)測(cè)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(shí)際值。在所有利用增量式編碼器進(jìn)行位置跟蹤的系統(tǒng)中，都必須在系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)進(jìn)行復(fù)位。只要知道復(fù)位時(shí)的位置，控制器就能確定任意時(shí)刻的位移。 1 增量式,簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)式增量碼盤(pán),簡(jiǎn)單直線增量編碼器,增量式編碼器的輸出信號(hào),2 絕對(duì)式 每個(gè)位置都對(duì)應(yīng)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(guò)這特征，在任意時(shí)刻都可以確定碼盤(pán)的精確位置。,商用增量式碼盤(pán)和絕對(duì)碼尺,
6、,三 線位移差動(dòng)變壓器（LVDT） 原理：鐵心隨被測(cè)位移移動(dòng)，導(dǎo)致磁通強(qiáng)度的變化，從而引起次級(jí)電壓的變化，同時(shí)將隨唯一變化的模擬電壓輸出作為唯一的測(cè)量結(jié)果。,旋轉(zhuǎn)變壓器 原理：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)引起磁通量旋轉(zhuǎn)，在次級(jí)線圈產(chǎn)生變化的電壓。從而可以用來(lái)測(cè)量角位移。,旋轉(zhuǎn)變壓器原理圖,磁反射型傳感器 原理：導(dǎo)體發(fā)送脈沖，遇到磁體后反射回來(lái)，若已知脈沖傳輸速度，那么就能將脈沖到達(dá)磁體并返回的總時(shí)間換算成距離。,6.3 速度傳感器,編碼器 原理：對(duì)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(hào)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)指定時(shí)間內(nèi)脈沖信號(hào)的數(shù)量，能計(jì)算出相應(yīng)的角速度。 測(cè)速發(fā)電機(jī) 原理：將機(jī)械能轉(zhuǎn)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(lái)使用來(lái)估計(jì)速度。,位置信號(hào)微分 原理：對(duì)位置信號(hào)求微分來(lái)測(cè)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(huì)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(yīng)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(gè)方向相反的力和兩個(gè)方向相反的形變，兩個(gè)力傳感器可以測(cè)出這兩個(gè)力，根據(jù)所測(cè)力的大小可計(jì)算出力矩。,用六個(gè)傳感器測(cè)量三個(gè)彼此獨(dú)立的軸上的力和力矩,,6.5 其它類(lèi)型傳感器,微動(dòng)開(kāi)關(guān) 可以用它切斷通過(guò)導(dǎo)體的電流，因此能用于安全保護(hù)。此外，還可以用來(lái)監(jiān)測(cè)是否有接觸或用作位移開(kāi)關(guān)發(fā)送信
8、號(hào)。 2.可見(jiàn)光和紅外傳感器 電阻隨著投射在其上面光強(qiáng)的變化而改變，與移動(dòng)光源聯(lián)用，測(cè)量位移。建立與機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的鏈路。 3.接觸和觸覺(jué)傳感器 在實(shí)際接觸時(shí)發(fā)出信號(hào)。,簡(jiǎn)單的接觸式傳感器以陣列形式排列組合成觸覺(jué)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(jué)傳感器可以提供的物體的信息如下圖,類(lèi)皮膚觸覺(jué)傳感器,,6.6 接近覺(jué)傳感器 用途：探測(cè)兩個(gè)物體接觸之前一物體向另一物體接近。 常見(jiàn)接近覺(jué)傳感器 （1）磁感應(yīng)接近傳感器 （2）光學(xué)接近傳感器,5 超聲波接近覺(jué)傳感器,6 感應(yīng)式接近覺(jué)傳感器 7 電容式接近覺(jué)傳感器 8 渦流接近覺(jué)傳感器,6.7 測(cè)距儀,與接近覺(jué)傳感器不同，測(cè)距儀用于
9、測(cè)量較長(zhǎng)的距離，它可以探測(cè)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(cè)量方法是三角法和測(cè)量傳輸時(shí)間法。 三角法：測(cè)量原理如圖所示,測(cè)量原理：僅在發(fā)射器以特定角度發(fā)射光線時(shí)，接收器才能檢測(cè)到物體上的光斑，利用發(fā)射角的角度可以計(jì)算出距離。,測(cè)量傳輸時(shí)間法： 信號(hào)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(hào)行進(jìn)距離的一半，知道了傳播速度，通過(guò)測(cè)量信號(hào)的往返時(shí)間即可計(jì)算出距離。,超聲波測(cè)距儀 特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、簡(jiǎn)單、廉價(jià)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(jìn)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(jìn)距離的一半，行進(jìn)距離則等于傳輸時(shí)間與聲速的乘積。 關(guān)鍵技術(shù)： 時(shí)間測(cè)量的準(zhǔn)確性，時(shí)間測(cè)量精度，聲速精度，背景噪聲。,光測(cè)距儀 原理：基于光（包括激光），采用直接延遲時(shí)間測(cè)量法、間接幅值調(diào)制法和三角法等方法測(cè)量到物體的距離。,6.8 嗅覺(jué)傳感器,原理： 對(duì)特定的氣體敏感，當(dāng)探測(cè)到這些氣體時(shí)就發(fā)出信號(hào)。,6.9 視覺(jué)系統(tǒng),6.9 語(yǔ)音識(shí)別裝置,原理： 所有信號(hào)都有各自的主要頻率，它們構(gòu)成了信號(hào)的特征頻譜，通過(guò)識(shí)別這種頻譜的特征就可以做到語(yǔ)音識(shí)別。為了進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別，用戶(hù)必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練。,6.10 語(yǔ)音合成器,語(yǔ)音合成的方法： 一、將音素和元音組合
11、來(lái)產(chǎn)生單詞的發(fā)音 二、錄下系統(tǒng)可能需要合成的詞，當(dāng)需要時(shí)就從存 儲(chǔ)器或磁帶中讀出。,6.11 遠(yuǎn)程中心柔順（RCC）裝置,說(shuō)明： RCC裝置是機(jī)器人腕關(guān)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(jī)器人部件的錯(cuò)位而設(shè)計(jì)的。,裝配零件間的錯(cuò)位,工作原理： 零速度瞬時(shí)中心是一個(gè)物體相對(duì)另一個(gè)物體速度為零的點(diǎn)。四連桿機(jī)構(gòu)的零速度瞬時(shí)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(guān)于遠(yuǎn)程中心點(diǎn)的微量平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。,組成： 它由兩塊剛性金屬板組成，其中剪切柱在提供橫側(cè)向柔順的同時(shí)，將保持軸向的剛度。實(shí)際上，一種裝置只在橫側(cè)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(lái)選擇。每種裝置都有一個(gè)給定的中心到中心的距離，距離決定了遠(yuǎn)程柔順中心相對(duì)柔順裝置中心的位置。因此，如果有多個(gè)零件或許多操作，則必須有多個(gè)RCC裝置，并要分別選擇。,
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