机器人用传感器

机器人用传感器

内部传感器

1．概述     在有关工业机器人功能的术语中，“内部”测量功能定义为测量机器人自身状态的功能，所谓内部传感器就是实现该功能的元件，具体检测的对象有关节的线位移、角位移等几何量，速度、角速度、加速度等运动量，还有倾斜角、方位角、振动等物理量，对各种传感器要求精度高、响应速度快、测量范围宽。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。     2．内部传感器按功能分类    （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ON/OFF两个状态值，这种方法用于检测机器人的起始原点、越限位置或确定位置。     l）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。     2）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。     1）电位器：电位器可作为直线位移和角位移检测元件，其结构形式如图1所示。

所以，为了保证电位器的线性输出，应保证等效负载电阻远远大于电位器总电阻。电位器式传感器结构简单，性能稳定，使用方便，但分辨率不高，且当电刷和电阻之间接触面磨损或有尘埃附着时会产生噪声。     2）旋转变压器：旋转变压器由铁心、两个定子线圈和两个转子线圈组成，是测量旋转角度的传感器。定子和转子由硅钢片和坡莫合金叠层制成，如图2所示。     在各定子线圈加上交流电压，转子线圈中由于交链磁通的变化产生感应电压。感应电压和励磁电压之间相关联的耦合系数随转子的转角而改变。因此，根据测得的输出电压，就可以知道转子转角的大小。可以认为，旋转变压器是由随转角θ而改变且耦合系数为Ksinθ或Kcosθ的两个变压器构成的。     定子上两个绕组的励磁电压为               Esl=Ecosωt,Es2=Esinωt     转子两个绕组输出电压为                                      Erl=K(Eslcosθ-Es2sinθ)=KEcos(ωt+θ)                                      Er2=K(Es2cosθ-Es2sinθ)=KEsin(ωt+θ)     可见，转子绕组输出电压幅值与励磁电压的幅值成正比，对励磁电压的相位移等于转子的转动角度θ，检测出相位θ，即可测出角位移。     3）编码器：编码器输出表示位移增量的编码器脉冲信号，并带有符号。根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，分为增量式编码器和绝对式编码器。作为机器人位移传感器，光电编码器应用最为广泛。

光电编码器的工作原理如图3所示，在圆盘上有规则地刻有透光和不透光的线条，在圆盘两侧，安放发光元件和光敏元件。当圆盘旋转时，光敏元件接收的光通量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经过整形后变为脉冲，码盘上有之相标志，每转一圈输出一个脉冲。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号，如图3所示。     绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。     磁编码器在强磁性材料表面上记录等间隔的磁化刻度标尺，标尺旁边相对放置磁阻效应元件或霍尔元件，即能检测出磁通的变化。与光电编码器相比，磁编码器的刻度间隔大，但它具有耐油污、抗冲击等特点。人们期待着磁编码器和高分辨率的光电编码器能尽早地用作机器人的内传感器。    （3）速度、角速度测量   速度、角速度测量是驱动器反馈控制中必不可少的环节，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，然后用F/V转换器变成模拟电压，但这种方法有其局限性，在低速时，存在着不稳定的危险；而高速时，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。恒定磁场中的线圈发生位移，线圈两端的感应电压E与线圈内交链磁通φ的变化率成正比，输出电压为      E＝-dφ/dt     根据这个原理，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，由机械运动部分刚性不足所引起的振动问题开始提到日程上来了。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。加速度传感器分为：     1）应变片加速度传感器：应变片加速度传感器是由一个板簧支承重锤所构成的振动系统。在板簧两面分别贴两个应变片，应变片受振动产生应变，其电阻值的变化通过电桥电路的输出电压被检测出来。     2）伺服加速度传感器：伺服加速度传感器中振动系统重锤位移变换成成正比的电流，把电流反馈到恒定磁场中的线圈，使重锤返回到原来的零位移状态。根据        F=ma=ki     这样，根据检测的电流入可以求出加速度。     3）压电感应加速度传感器：压电感应加速度传感器是利用具有压电效应的物质，将加速度转换为电压，即                            U＝Q/ACP＝dijF/CP                              a＝UCP/dijFm 式中    CP——压电元件电容；        dij——压电常数；         U——电压；         m——质量。    （5）其他内部传感器除以上介绍的常用内部传感器外，还有一些根据机器人不同要求而安装的不同功能的内部传感器，如用于倾斜角测量的液体式倾斜角传感器、电解液式倾斜角传感器、垂直振子式倾斜角传感器、用于方位角测量的陀螺仪和地磁传感器。这些传感器有待于进一步完善，更好地用于机器人上。