智能機(jī)器人的光電傳感器

發(fā)布日期:2012-04-01    蘭生客服中心    瀏覽:4925

  在復(fù)雜環(huán)境中工作的機(jī)器人必須滿足這樣的先決條件:能夠利用傳感器對周圍環(huán)境進(jìn)行識別,具有一定的“學(xué)習(xí)”和“自我調(diào)節(jié)”能力。在市場上,有著各種依靠圖像監(jiān)控或力的檢測來控制機(jī)器人的傳感器,但是仍缺乏“滑移”傳感器,即能夠?qū)C(jī)器人的手指與被握物體之間的相對運(yùn)動進(jìn)行在線檢測和補(bǔ)償?shù)膫鞲衅鳌?

  建議您采用的大多數(shù)解決方案都是基于切向力或者摩擦力檢測為基礎(chǔ)的。即利用接觸傳感器對接觸時的切向力大小進(jìn)行檢測或者利用摩擦振動加速傳感器對相對位移間接進(jìn)行檢測和估計(jì)。而迄今為止常見的傳感器還無法對相對滑移速度進(jìn)行直接的檢測。較高的研發(fā)費(fèi)用是一直沒有成功實(shí)現(xiàn)相對滑移直接檢測技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的主要原因。

  與現(xiàn)在建議使用的方案不同,在IITB霍倫霍夫研究所中研發(fā)成功的光學(xué)傳感器能夠直接對相對滑移進(jìn)行檢測。結(jié)合接觸力檢測傳感器可以滿足要求極高的智能化機(jī)器人方案。在這個方案中,能夠經(jīng)濟(jì)合理的使用光學(xué)傳感器,由于其結(jié)構(gòu)緊湊可以很好的集成在機(jī)械和機(jī)床設(shè)備中。

這種方案的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,但是目前主要集中在下列兩個領(lǐng)域中:
 。1)依靠力量進(jìn)行可靠夾持和操縱的易碎工件;
 。2)無定位或者可移動工件的表面擦洗和磨削。

工作原理
  光電滑移傳感器的工作原理類似光電鼠標(biāo)。與機(jī)器人手指接觸的物體表面被發(fā)光二極管或激光二極管發(fā)出的光線照射著,由被照射物體表面反射回來的光線經(jīng)透鏡折射后進(jìn)入傳感器芯片中的微型攝像機(jī)中(圖1)。攝取的圖像作為灰度等級圖片進(jìn)入傳感器芯片中的DSP數(shù)字信號處理器,并在這個微處理器中首次被轉(zhuǎn)換成速度信號。最后,再根據(jù)這些速度信號計(jì)算出滑移數(shù)據(jù)(△x和△y值)。
速度計(jì)算過程中使用的計(jì)算語言是光流語言,計(jì)算量較小。作為光流(Optical Flow)實(shí)際上是一個矢量場,它能夠表示每一個圖片、像素,圖像順2D運(yùn)動方向和速度的矢量場。

                  

  光電傳感器的檢測功能是以圖像處理為基礎(chǔ)。傳感器必須能夠接收10000幀/s,最大空間清晰度為3200采樣精度(fps)的圖片。不僅是拍攝速度,其清晰度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大多數(shù)接觸力式傳感器。

這種高清晰度滑移傳感器可檢測:
 。1)物體的材料和表面結(jié)構(gòu);
 。2)至被測物體表面的間距;
 。3)傳感器與被測物體之間的非線性相對速度(圖2)。
                

  這種非線性關(guān)系的確定是依靠引入的逆元模塊來實(shí)現(xiàn)的。模塊的參數(shù)是按照被測物體精確予以設(shè)置的,在檢測未知物體表面時,也可通過模塊自動計(jì)量校定功能完成非線性關(guān)系的檢測。

  由于它具有在機(jī)器人與被測物體之間檢測相對滑移速度的功能,因此這種滑移傳感器主要用于自動化清洗和磨削生產(chǎn)。通過檢測到的材料的非線性特性曲線,可以自動識別不同的表面結(jié)構(gòu),最終評定材料的種類。通過自動的計(jì)量校定方法,利用檢測到的非線性特性曲線,還可以對未知物體的材料做出判別。在結(jié)合使用力—扭矩傳感器之后,還可以對動態(tài)的力—滑移情況進(jìn)行檢測、調(diào)節(jié)和控制,最終得到所希望的恒定握持接觸力和清洗速度,保證能夠在弧形的物體表面進(jìn)行清洗。從而省略了復(fù)雜的工件定位操作,使得需要清洗或磨削的工件由人來握持,甚至工人還可以在清洗、磨削過程中移動。
                   
                     圖3 沒有定位固定甚至移動物體的清洗或者磨削

  快速、簡便的完成空間固定坐標(biāo)系中工件不運(yùn)動時的局部軌跡編程是現(xiàn)代機(jī)器人編程技術(shù)中的難點(diǎn),通常在機(jī)器人的軌跡編程中要付出很大的努力。而采用這種技術(shù)后能夠自動識別工件的輪廓,從而實(shí)現(xiàn)工件表面的自動化加工。

  在IITB霍倫霍夫研究所中,專門進(jìn)行了一次實(shí)際應(yīng)用的試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在磨削時的工件表面壓緊力保持恒定的局部軌跡編程。在進(jìn)行該工件的表面磨削時,工件沒有采取任何方式的裝夾固定,是由一個操作人員或一個機(jī)器人“拿”在手中。所使用的滑移傳感器的圖像攝像速率達(dá)到2300fps,采樣精度達(dá)400幀/s,傳感器的外廓尺寸為35mm×75mm×6mm,外殼直徑100mm。

  在依靠壓緊力和滑移調(diào)節(jié)的傳感器控制效果試驗(yàn)中,對沒有裝夾固定的工件在不同加工速度和運(yùn)動速度的情況下,對表面加工精度進(jìn)行了詳細(xì)的研究。在圖4所示的檢測曲線中,板件為蛇行運(yùn)動,軌跡速度為300mm/s。在磨削加工過程中,工件的運(yùn)動速度為37.5mm/s,加速度為30mm/s2。盡管工件的運(yùn)動為一種干擾性很強(qiáng)的蛇行運(yùn)動,但是它所引起的工件加工誤差相當(dāng)小。試驗(yàn)結(jié)果表明軌跡誤差相當(dāng)于實(shí)際運(yùn)動的1%左右。

            
可靠抓取平滑表面
  在工業(yè)生產(chǎn)和家用電氣領(lǐng)域中,機(jī)器人和機(jī)械手在抓取有著光滑表面的易碎物品時往往會遇到很多的難題。一方面,要求機(jī)器人的手指有足夠的抓取力,保證被抓取的物品不會脫落;另一方面,又要求抓取力不能太大,不至于把被抓取的物品擠碎。對于易碎物品(例如玻璃管、試驗(yàn)玻璃杯等),當(dāng)抓取時用力太大會被夾碎。既要防滑使物體不會自行脫落,又要可靠的抓住摩擦系數(shù)未知的物品,這只有在機(jī)器人能夠智能化的控制滑移和調(diào)節(jié)加緊力時才能實(shí)現(xiàn)。

  IITB霍倫霍夫研究所利用他們的光電傳感器和Schunk公司生產(chǎn)的PG070標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械手(圖5)首次成功的完成了滿足上述要求的試驗(yàn)。機(jī)械手的手指中安裝了Weiss Roborics公司研發(fā)生產(chǎn)的Array DAS 9205接觸式傳感器,在其另一個手指中安裝的是檢測滑移的光電傳感器。該光電傳感器的拍攝速度為1500fps,清晰度為每英寸300采樣單位,外形尺寸為23mm×60mm×6mm;乒怆妭鞲衅鞯牡谝淮螌(shí)際試驗(yàn)獲得了理想的結(jié)果,保證其能可靠、無損傷的“拿”住塑性和陶瓷物體。即使是在負(fù)載和摩擦系數(shù)變動時也可以可靠的完成任務(wù)。 
                
              圖5 集成有滑移傳感器的雙指機(jī)械手,a手指中安裝的是滑移傳感器,
                    b手指中安裝的是接觸式Array傳感器

  總結(jié)IITB霍倫霍夫研究所的發(fā)明成果可以確定,他們研發(fā)成功的滑移傳感器開啟了智能化機(jī)器人研發(fā)生產(chǎn)的大門,解決了迄今為止工業(yè)化生產(chǎn)和裝配過程中,實(shí)驗(yàn)室自動化和伺服機(jī)器人中長期以來一直沒有解決的難題。尤其是在物品清洗和工件表面加工以及可靠抓取易碎物品方面,應(yīng)用前景十分廣闊。這種滑移傳感器可以經(jīng)濟(jì)的大批量生產(chǎn),其結(jié)構(gòu)緊湊的外形可以使它方便的集成在復(fù)雜的機(jī)械機(jī)構(gòu)中。

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