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工业机械人的传感器

  工业机器人的传感器_信息与通信_工程科技_专业资料。简述工业机器人的传感器

  工业机器人的传感器 一.工业机器人的感觉系统 工业机器人的传感器主要分为:1.工业机器人的感觉系 统 2 .工业机器人内部传感器 3 .工业机器人外部传感器 4 .工 业机器人传感器应用 其中工业机器人的感觉系统的基本组成为: 视觉、 听觉、 触觉、嗅觉、味觉、平衡感觉和其他,而工业机器人传感器 按用途可分为内部传感器和外部传感器。其中内部传感器装 在操作机上,包括位移、速度、加速度传感器,是为了检测 机器人操作机内部状态,在伺服控制系统中作为反馈信号。 外部传感器,如视觉、触觉、力觉距离等传感器,是为了检 测作业对象及环境与机器人的联系。工业机器人传感器的一 般要求有精度高、重复性好,稳定性和可靠性好,抗干扰能 力强,质量轻、体积小、安装方便。其特定要求有适应加工 任务要求,满足机器人控制的要求,满足安全性要求以及其 它辅助工作的要求。 二.工业机器人内部传感器 在工业机器人内部传感器中,位置传感器和速度传感 器,是当今机器人反馈控制中不可缺少的元件。现已有多种 传感器大量生产,但倾斜角传感器、方位角传感器及振动传 感器等用作机器人内部传感器的时间不长,其性能尚需进一 步改进。内部传感器功能分类有: 1)规定位置、规定角度的检测 检测预先规定的位置或角度,可以用开/关两个状态值, 用于检测机器人的起始原点、越限位置或确定位置。 微型开关:规定的位移或力作用到微型开关的可动部分 (称为执行器)时,开关的电气触点断开或接通。限位开关通 常装在盒里,以防外力的作用和水、油、尘埃的侵蚀。 光电开关: 光电开关是由 LED 光源和光敏二极管或光敏 晶体管等光敏元件组成,相隔一定距离而构成的透光式开 关。当光由基准位置的遮光片通过光源和光敏元件的缝隙 时,光射不到光敏元件上,而起到开关的作用 2)位置、角度测量 测量机器人关节线位移和角位移的传感器是机器人位 置反馈控制中必不可少的元件。 a)电位器 b)旋转变压器 c)编码器 3)速度、角速度测量 速度、角速度测量是驱动器反馈控制必不可少的环节。 有时也利用测位移传感器测量速度及检测单位采样时间位 移量,但这种方法有其局限性:低速时测量不稳定的危险; 高速时,只能获得较低的测量精度。 最通用的速度、角速度传感器是测速发电机或成为转速表的 传感器、比率发电机。 测量角速度的测速发电机,可按其构造分为直流测速发电 机、交流测速发电机和感应式交流测速发电机。 4)加速度测量 随着机器人的高速比、高精度化,机器人的振动问题提 上日程。为了解决振动问题,有时在机器人的运动手臂等位 置安装加速度传感器,测量振动加速度,并把它反馈到驱动 器上。 a)应变片加速度传感器 b)伺服加速度传感器 c)压电感应加速度传感器 d)其他类型传感器 三.工业机器人外部传感器 工业机器人外部传感器的作用是为了检测作业对象及 环境或机器人与它们的关系,在机器人上安装了触觉传感 器、视觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、超声波传感 器和听觉传感器,大大改善了机器人工作状况,使其能够更 充分地完成复杂的工作。由于外部传感器为集多种学科于一 身的产品,有些方面还在探索之中,随着外部传感器的进一 步完善,机器人的功能越来越强大,将在许多领域为人类做 出更大贡献。 外部传感器功能分类: (1)触觉传感器 触觉是接触、冲击、压迫等机械刺激感觉的综合,触觉 可以用来进行机器人抓取,利用触觉可进一步感知物体的形 状、软硬等物理性质。一般把检测感知和外部直接接触而产 生的接触觉、压力、触觉及接近觉的传感器称为机器人触觉 传感器 (2)力觉传感器 力觉是指对机器人的指、肢和关节等运动中所受力的感 知.主要包括:腕力觉、关节力觉和支座力觉等,根据被测对 象的负载, 可以把力传感器分为测力传感器(单轴力传感器)、 力矩表(单轴力矩传感器)、手指传感器(检测机器人手指作用 力的超小型单轴力传感器)和六轴力觉传感器。 力觉传感器根据力的检测方式不同,可以分为: 1) 检测应变或应力的应变片式, 应变片力觉传感器被机 器人广泛采用; 2) 利用压电效应的压电元件式; 3) 用位移计测量负载产生的位移的差动变压器、 电容位 移计式。 在选用力传感器时,首先要特别注意额定值,其次在机 器人通常的力控制中, 力的精度意义不大, 重要的是分辨率。 在机器人上实际安装使用力觉传感器时,一定要事先检 查操作区域,清除障碍物。这对实验者的人身安全、对保证 机器人及外围设备不受损害有重要意义。 (3)距离传感器 距离传感器可用于机器人导航和回避障碍物,也可 用于机器人空间内的物体进行定位及确定其一般形状特征。 目前最常用的测距法有两种: 1) 超声波测距法 超声波是频率 20kHz 以上的机械振动波, 利用发射脉冲 和接收脉冲的时间间隔推算出距离。超声波测距法的缺点是 波束较宽,其分辨力受到严重的限制,因此,主要用于导航 和回避障碍物。 2) 激光测距法:激光测距法也可以利用回波法,或 者利用激光测距仪,其工作原理如下: 氦氖激光器固定在基线上,在基线的一端由反射镜将激 光点射向被测物体,反射镜固定在电动机轴上,电动机连续 旋转,使激光点稳定地对被测目标扫描。由 CCD(电荷耦合 器件)摄像机接受反射光, 采用图像处理的方法检测出激光点 图像,并根据位置坐标及摄像机光学特点计算出激光反射 角。利用三角测距原理即可算出反射点的位置。 (4) 其他外部传感器 除以上介绍的机器人外部传感器外,还可根据机器人特 殊用途安装听觉传感器、味觉传感器及电磁波传感器,而这 些机器人主要用于科学研究、海洋资源探测或食品分析、救 火等特殊用途。这些传感器多数属于开发阶段,有待于更进 一步完善,以丰富机器人专用功能。 (5) 传感器融合 系统中使用的传感器种类和数量越来越多,每种传感器 都有一定的使用条件和感知范围,并且又能给出环境或对象 的部分或整个侧面的信息,为了有效地利用这些传感器信 息,需要采用某种形式对传感器信息进行综合、融合处理, 不同类型信息的多种形式的处理系统就是传感器融合。传感 器的融合技术涉及神经网络、知识工程、模糊理论等信息、 检测、 控制领域的新理论和新方法。 传感器汇集类型有多种, 现举两种例子。 1) 竞争性的: 在传感器检测同一环境或同一物体的 同一性质时,传感器提供的数据可能是一致的,也可能是矛 盾的。若有矛盾,就需要系统裁决。裁决的方法有多种,如 加权平均法、决策法等。在一个导航系统中,车辆位置的确 定可以通过计算法定位系统(利用速度、 方向等记录数据进行 计算)或陆标(如交叉路口、人行道等参照物)观测确定。若陆 标观测成功,则用陆标观测的结果,并对计算法的值进行修 正,否则利用计算法所得的结果。 2) 互补性的:传感器提供不同形式的数据。例如,识别 三维物体的任务就说明这种类型的融合。利用彩色摄像机和 激光测距仪确定一段阶梯道路,彩色摄像机提供图像 (如颜 色、特征),而激光测距仪提供距离信息,两者融合即可获得 三维信息。 目前,要使多传感器信息融合体系化尚有困难,而且 缺乏理论依据。多传感器信息融合的理想目标应是人类的感 觉、识别、控制体系,但由于对后者尚无一个明确的工程学 的阐述,所以机器人传感器融合体系要具备什么样的功能尚 是一个模糊的概念。相信随着机器人智能水平的提高,多传 感器信息融合理论和技术将会逐步完善和系统化。 四.工业机器人传感器应用: 1. 装配作业中的应用: 吸尘器自动装配实验系统 2. 机器人非接触式检测: 日立自主控制机器人工作示意图 3. 利用视觉的自主机器人系统: 具有视觉系统的机器人进行非接触式测 量 4. 多感觉智能机器人:

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