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传感器在机械手上的应用.doc 传感器在机械手上的应用 【摘要】:随着制造业在我国的迅速发展，各种机械的制作与应用都开始向自动化与智能化等方向转变，其中机械手便是做直接的体现。机械手经过诞生、成长、成熟后，已成为自动化装备中不可缺少的核心部分，现代化加工车间常配有机械手以提高生产效率，不仅可以将人从繁重、重复的工作中解放出来，而且可以代替人在恶劣的环境下进行操作。机械手的技术创新和广泛应用，大大提高了生产力，其带来的经济效益显而易见。传感器是实现信息感受、检测变换和传输的一种技术，其广泛用于机械手中。 [关键词]:机械手 加速度传感器 倾角传感器 虚拟指尖力传感器 三维力传感器 由于能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 1?机械手与传感器的关系 机械手通过感知器的内部传感器检测本身的状态，如位置、速度、加速度等，实现本身与环境信息(距离、温度、力等)的交互，环境信息则由外部传感器检测，接着，控制器选择相应的环境模式指挥机械手完成任务。传感器为机械手的动作提供了反馈信息。传感器就是利用传感器把被测物件的变化量测定出来，反馈给控制设备修正。传感器是实现自动控制、自动调节的关键环节，所以其水平高低在很大程度上影响和决定着系统功能。 传感器原理图 由此可见传感检测部分就如同机械手的感觉器官，没有它，机械手无法实现准确定位、动作，整个系统将陷入瘫痪。而先进的传感检测系统能够快速、准确地捕捉信息，不失真地进行信号的检测、转换，并且能够经受环境的考验，其精确度不随温度、湿度、光照、辐射等极端因素的影响。这是系统进行信号处理、 是机械手系统的重要组成部分，直接决定于控制决策的前提。由此可见，传感器 机械手的灵敏性、准确性和稳定性。 2?机械手上传感器的种类 在机械手系统中，一般可以安装光电开关、限位开关、电位器等保障机械手位移的幅度;测速发电机测量机械手的运动速度;加速度传感器安装在机械手的关节部位，用于检测控制各关节的加速度;安装在手指关节的握力传感器和安装在手爪与手臂连接处的腕力传感器，能够有效调整手指、手臂位置，以合适的力度抓起物体;另外，各类视觉、滑觉、接近觉传感器也可应用于机械手。在机械手闭环系统中，由于传感检测技术的应用，将被控对象的相关参数通过检测反馈给控制系统，大大提高了机械手的精准度。 1.传感器的总体分类 内部传感器:检测机器人本身状态(手臂间角度等)的传感器。 外部传感器:检测机器人所处环境(是什么物体，离物体的距离有多远等)及状况(抓取的物体滑落等)的传感器。 外部传感器分为末端执行器传感器和环境传感器。 末端执行器传感器:主要装在作为末端执行器的手上，检测处理精巧作业的感觉信息。相当于触觉。 环境传感器:用于识别物体和检测物体与机器人的距离。相当于视觉。 2.内部状态的感觉 (1)位置和角度传感器 典型的传感器是电位计。检测的是以电阻中心为基准位置的移动距离。另有光电传感器 (2)角度传感器: 回转式编码器。 3.外部状况的感觉 (1)物体识别传感器 典型的是视觉传感器。如摄像机。视觉是利用光(机器人可用红外线等)的非接触方式。 触觉也能识别物体。机器人可以用触觉传感器来实现这种机能。 (2)物体探测传感器 视觉传感器是一种识别物体而且知道其存在的传感器。 例如光电开关。 视觉传感器、光电开关和超声波传感器，即使物体较远也能探测其存在。 (3)极近物体探测传感器 探测非常近的物体存在的传感器称为接近传感器。 (4)距离传感器 摄像机做距离传感器。 超声波做距离传感器。可用于鱼群探测、金属内部探伤等方面。 (5)力觉传感器 力觉传感器是检测力和力矩的施加地点大小方向三个两的传感器。 力的检测主要是用电阻应变片。 (6)其他传感器 利用声波:语音识别传感器。振动声音探测机械故障的点传感器。 热传感器:点检传感器。 通过分析敲打的声音测定果品成熟程度的传感器。 根据近红外线的糖度吸收程度测定水果甜度的传感器 下面将着重介绍加速度传感器、虚拟指尖力传感器、倾角传感器、三维力传感器等在机械手上的应用。 一、加速度传感器 由于机械臂作成了轻 型、柔性的结构, 它所激发的 弹性振动严重地影响了机械 手的定位和跟踪控制,如何消 除柔性振动是人们所关注的 问题。利用传感器侧量的振动 信息构成反馈回路来抑制柔 性振动是一条可行的途径。测 量振动信息的传感器常采用应变片和加速度传感器, 用应变片构成的应变率反馈对消除柔性振动有明显的效果, 但是空间的高温恶劣环境以及应变片难于在空间更换等因素, 使这种系统的可靠性有所降低。利用加速度传感器输出反馈进行振动控制, 目前的研究主要是基于混合控制策略用各种高级智能算法来实现。 1、加速度传感器的工作原理 在系统中, 采用型号为一的高精度加速度传感器。它主要由石英摆片敏感质量、型永久磁钢、力矩器、换能器和电流放大器组成。当沿加速度传感器的敏感轴方向有加速度时, 石英摆片相对平衡位置运动而产生惯性力, 换能器便输出与惯性力成正比的电信号。该电信号再反馈到处于恒磁场中的力矩线圈,产生与惯性力相平衡的反馈力, 使石英摆片恢复到原平衡位置。由牛顿第二定律和电磁感应定律可推知, 换能器输出的电信号与加速度成正比, 即电信号的大小正确地反映了加速度的变化。 2、加速度传感器的应用 加速度传感器通常安装在柔性机械手臂的前端, 柔性机械手在高速运动过程中, 加速度传感器检测到的信息包含刚体运动加速度以下简称运动加速度和柔性振动加速度以下简称振动加速度两部分, 前者的频率明显低于后者的频率。从频谱角度看, 运动加速度的频谱能量集中在直流处, 而振动加速度的频谱能量集中在手臂的振动频率处。因此可以用滤波器将运动加速度和振动加速度分离。另外加速度信号经积分器处理后还可得到相应的速度和位移信息。 对柔性机械手的控制, 我们是在角位置控制比较理想的基础上进行抑振研究的刚柔分解控制。从理论上分析得出运动加速度分量有利于柔性振动的抑制, 而振动加速度分量则是不利因素。因此可将运动加速度分量直接反馈到角位置控制电路中, 实践证明该是可行的。另外, 虽然振动加速度分量不能直接反馈, 但因它真实地反映了振动的频率和幅值, 从理论上讲采用相应的算法也可以控制振动。在众多的算法中, 我们选用模糊控制法。 运动速度直接反馈法 加速度反馈对闭环系统的稳态特性起作用, 而对暂态特性无太大的改善。它并未直接对系统增加阻尼, 因此可以将加速度反馈和速度反馈结合使用, 以发挥各自的优点。图是控制器结构图, 运动加速度分量和速度的采样信号直接引人反馈回路。其中,V 、A、K分别是速度、加速度、角位移反馈环节的传递函数。采用变结构控制律和速度反馈技术, 既减小了关节挠性引发的振动, 又利于控制末端的柔性振动。图是实际控制实验结果。 模糊控制法 模糊控制法是应用模糊集理论, 统筹考虑控制的一种控制方式。它不依赖通常的数学模型, 对于柔性连杆机器人这种用以往方法很难处理的对象, 在方法上绕过了高度非线性、强祸合等难点, 能够比较方便地得出控制策略。该算法简便, 适合实时控制的要求。 在柔性臂控制系统中, 末端振动的抑制是通过控制关节处的电机产生与振 动方向相反的力矩来实现的。我们选取电机的控制电压作为模糊控制器的输出量。要使振动得到良好的控制, 模糊控制器的输人量必须能够反映手臂的振动情况。为此用振动位移和速度作为模糊控制器的输人量。在系统中, 对振动位移和振动速度都进行实时采集, 避免了因计算造成的误差和控制时的相位延迟, 提高了控制的实时性。模糊控制器的隶属度函数采用钟形函数, 这 主要考虑到它易于实现, 又十分便于数学计算和隶属度函数的调整。模糊推理采用和积运算, 输出量的反模糊化采用平均重心法。模糊控制过程中输人量的模糊法、模糊规则推理和输出量的反模图控制器结构框图糊化都用软件来实现。用软件实现模糊控制具有较大的灵活性, 通用性强。 二、倾角传感器 1、 工作原理 倾角传感器的理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。如果初速度 已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直 线位移。所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。 通过感知地球重力加速度在其测量轴上的分量 大小,对载体倾斜角度的反应，产生相应变化的电信号， 从而测量出物体角度信息。倾角传感器一般有较稳定的 零位置，可以较准确的测量绝对角度(相对零位)，而 不是通过积分计算而来，可以较大程度的避免误差积 累。 当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向 没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加 速度。重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了。 随着MEMS 技术的发展，惯性传感器件在过去的几年中成为最成功,应用最广泛的微机电系统器件之一，而微加速度计(microaccelerometer)就是惯性传感器件的杰出代。作为最成熟的惯性传感器应用，现在的MEMS 加速度计有非常高的集成度，即传感系统与接口线路集成在一个芯片上。 倾角传感器把MCU，MEMS加速度计，模数转换电路，通讯单元全都集成在一块非常小的电路板上面。可以直接输出角度等倾斜数据，让人们更方便的使用它。其特点是: 硅微机械传感器测量(MEMS)以水平面为参面的双轴倾角变化。输出角度以水准面为参考，基准面可被再次校准。数据方式输出，接口形式包括RS232、RS485和可定制等多种方式。抗外界电磁干扰能力强。承受冲击振动10000G。 2、分类 “固体摆”式惯性器件 固体摆在中广泛采用力平衡式伺服系统，其由摆锤、摆线、支架组成， 摆锤受重力G和摆拉力T的作用，在小角度范围内测量时，可以认为F与θ成线性关系。 “液体摆”式惯性器件 液体摆的结构原理是在玻璃壳体内装有导电液，并有三根铂电极和外部相连接，三根电极相互平行且间距相等。在液体摆的应用中也有根据液体位置变化引起应变片的变化，从而引起输出电信号变化而感知倾角的变化。在实用中除此类型外，还有在电解质溶液中留下一气泡，当装置倾斜时气泡会运动使电容发生变化而感应出倾角的“液体摆”。 “气体摆”式惯性器件 气体在受热时受到浮升力的作用，如同固体摆和液体摆也具有的敏感质量一样，热气流总是力图保持在铅垂方向上，因此也具有摆的特性。 固、液、气体摆性能比较 就基于固体摆、液体摆及气体摆原理研制的倾角传感器而言，它们各有所长。在重力场中，固体摆的敏感质量是摆锤质量，液体摆的敏感质量是电解液，而气体摆的敏感质量是气体。 气体是密封腔体内的唯一运动体，它的质量较小，在大冲击或高过载时产生的惯性力也很小，所以具有较强的抗振动或冲击能力。但气体运动控制较为复杂，影响其运动的因素较多，其精度无法达到军用武器系统的 要求。 固体摆倾角传感器有明确的摆长和摆心，其机理基本上与加速度传感器相同。在实用中产品类型较多如电磁摆式，其产品测量范围、精度及抗过载能力较高，在武器系统中应用也较为广泛。 液体摆倾角传感器介于两者之间，但系统稳定，在高精度系统中，应用较为广泛，且国内外产品多为此类。 其原理框图如图所示。 倾角传感器是由微机械加速度计传感器、温度传感器、A/D转换器、微处理器、存储器和RS232接口组成，加速度传感器输出作用在感应轴上的重力加速度，加速度传感器输出与重力之间存在下列关系: AX=g*sin(α) AY=g*sin(β) 其中AX、AY代表加速度传感器输出，g是以重力作为参考的加速度值，α、β是倾角。 α=sin-1(AX/g) β= sin-1(AY/g) 加速度传感器输出的模拟信号经A/D转换器变换成数字信号，由微处理器进行计算出倾角 α、β，通过RS232接口输出。 三、三维力传感器 为了便于测量X、Y、Z三个方向的力还需要引进三维力传感器 该传感器为电阻应变式三维力传感器，可同时检测 X、Y、Z三个方向的力 该传感器量程要求为200N，当三个方向的力同时在满量程状态时，传感器的弹性体所承受的三方合力达347N，因此弹性体要有足够的刚度，并且作为三维力传感器还要必须满足三个条件:在敏感方向灵敏度高、在非敏感方向不敏感且有很好的刚度、横向干扰小。 但要满足量程必然要增加弹性体的刚度，从而增加传感器的外形尺寸，这样一来就无法满足该传感器的外形尺寸要求，综合考虑外形尺寸、刚度、精度及机械加工难易等因素，设计了两个扁环式结构的传感器，从而缩小了传感器体积。为保证传感器的刚度，并考虑到器械有频繁拆装的需要，安装部分设计成与机械手连接部件可直接拆装的连接结构，并将安装部分和扁环设计成为一个整体，消除了组装形式给传感器的灵敏度指标带来的不利影响。 因此三维力传感器的结构设计较复杂，体积较大。一般情况下三维力传感器多采用三个框架式结构，三个框架的敏感方向互相垂直且分别测量一个方向的力，从而实现测量三维力的功能。 三维力传感器监控系统原理 三维力传感器监控系统如图所示，该系统由三维力传感器、测量电路、放大电路、计算机接口电路、计算机及应用软件组成。机械手对接骨部位加力时，传感器的弹性体产生变形，粘贴在弹性体上的应变计阻值随之发生变化， 由电桥将应变计阻值的变化转换成变化的电压输出， 由放大电路进行信号调理，经计算机接口电路进行A,D转换送至计算机，通过应用软件将力值显示在电脑屏幕上进行监控。 四、虚拟指尖力传感器 为了在灵巧手动力学研究领域提供更多的研究工具，根据真实三维指尖力传感器的原理，运用力传感器弹性体建模的方法，构造了虚拟指尖力传感器的模型。该虚拟指尖力传感器，通过在机器人灵巧手虚拟现实遥操作平台上的运用，实现了对抓取滑动的判断，并验证了模型的精度。最后，基于滑动的判断，系统确定了一种抓取策略，针对虚拟环境中灵巧手的自主抓取问题进行了有益的探索。 在虚拟现实环境中，灵巧手虚拟指尖力传感器的实现对灵巧手虚拟操作平台的发展有很大的意义。虚拟指尖力传感器的实现，使得虚拟环境更加具有“真实”感，不仅使灵巧手在虚拟环境中能够检测指尖的负载作用力，而且可以提供对动力学的分析和稳定性的判断等。此外，将虚拟指尖力传感器的理念应用到另一些传感器中，对虚拟现实的发展有相当大的作用。 1、抓取力分析 如图所示，重力方向为X、垂直于平 面方向为Y、水平方向为z。当没有摩 擦时，长方体对指尖的作用力方向垂 直于被抓取平面;当摩擦存在时，还 需要在物体滑动或具有滑动趋势的 方向上增加一个摩擦力。 2、虚拟力传感器滑动的判断 为了检测抓取是否成功，可以对灵巧手与物体之间是否有滑动进行判断。由于虚拟指尖力传感器可以测量各个方向上力的特性，在虚拟环境中可以用来对滑动进行判断。当抓取物体时有滑动，则抓取不成功;反之，则抓取成功。 当灵巧手抓取物体时，手指各个关节力矩以一定的小幅度等量递增，直到 判断抓取成功。根据指尖力传感器所 检测到的力，可以检测到手指与物体 的摩擦力。所以，灵巧手判断抓取成 功的标志是手指与物体的摩擦力由动 摩擦力变为静摩擦力，即由滑动变为 不滑动。在由滑动变为不滑动时，传 感器在摩擦力方向上检测到的力有一 个大幅度的变化。而且当手指进一步 增加压力时，力传感器在摩擦力方向 上的力不会发生变化。 针对易碎物体的抓取，提供了一种抓取策略。这种抓取方法是以抓取力小幅度等量递增的方式对物体进行抓取。抓取过程相对来说比较安全，特别适合对易碎物体的抓取，不会对物体造成损伤。虚拟现实机器人灵巧手抓取物体的流程，如图所示。 通过与现实三维力传感器的比较，达到很的仿真效果，为灵巧手在虚拟环境中的应用提供了更好的真实感。 五、机械手的发展趋势及前景展望 1 重复高精度 精度是指机械手达到指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装 置有关。重复精度是指如果动作重复次数多，机械手到达同样位置的精确程度。随着微电子技术和现代控制技术的发展，机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。 2 模块化 模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置，使机械手动作自如。模块化机械手使同一机械手可能应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是机械手的一个重要的发展方向。 3 节能化 为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。 4 机电一体化 由“可编程控制器—传感器—液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面;发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件，使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制” ;节省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLC直接控制线圈变得越来越可能。 总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。