機(jī)器人位姿傳感器：6個(gè)電渦流傳感器組成的特定空間結(jié)構(gòu)

①遠(yuǎn)程中心柔順 (RCC) 裝置。遠(yuǎn)程中心柔順裝置不是實(shí)際的傳感器，在發(fā)生錯(cuò)位時(shí) 起到感知設(shè)備的作用，并為機(jī)器人提供修正的措施。 RCC 裝置完全是被動(dòng)的，沒(méi)有輸入和 輸出信號(hào)，也稱被動(dòng)柔順裝置。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， 使機(jī)器人末端執(zhí)行器在需要的方向上增加局部柔順性，而不會(huì)影響其他方向的精度。

圖6-20所示為RCC 裝置的原理，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),它需要根據(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，此距離決定遠(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 多操作需有多個(gè) RCC 裝置，并要分別選擇。

RCC的實(shí)質(zhì)是機(jī)械手夾持器具有多個(gè)自由度的彈性裝置，通過(guò)選擇和改變彈性體的剛 度可獲得不同程度的適從性。

RCC 部件間的失調(diào)引起轉(zhuǎn)矩和力，通過(guò)RCC 裝置中不同類型的位移傳感器可獲得跟轉(zhuǎn) 矩和力成比例的電信號(hào)，使用該電信號(hào)作為力或力矩反饋的RCC 稱 IRCC(Instrument Re- mote Control Centre) 。Barry Wright公司的6軸IRCC 提供跟3個(gè)力和3個(gè)力矩成比例的電信虧，內(nèi)部有做處埋器、低通濾波益以反12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可以輸出數(shù)字和模擬信號(hào)。

②主動(dòng)柔順裝置。主動(dòng)柔順裝置根據(jù)傳感器反饋的信息對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行器或工作臺(tái) 進(jìn)行調(diào)整，補(bǔ)償裝配件間的位置偏差。根據(jù)傳感方式的不同，主動(dòng)柔順裝置可分為基于力傳 感器的柔順裝置、基于視覺(jué)傳感器的柔順裝置和基于接近度傳感器的柔順裝置。

a. 基于力傳感器的柔順裝置。使用力傳感器的柔順裝置的目的， 一方面是有效控制力 的變化范圍，另一方面是通過(guò)力傳感器反饋信息來(lái)感知位置信息，進(jìn)行位置控制。就安裝部 位而言，力傳感器可分為關(guān)節(jié)力傳感器、腕力傳感器和指力傳感器。關(guān)節(jié)力/力矩傳感器使 用應(yīng)變片進(jìn)行力反饋，由于力反饋是直接加在被控制關(guān)節(jié)上，且所有的硬件用模擬電路實(shí) 現(xiàn)，避開(kāi)了復(fù)雜計(jì)算難題，響應(yīng)速度快。腕力傳感器安裝于機(jī)器人與末端執(zhí)行器的連接處， 它能夠獲得機(jī)器人實(shí)際操作時(shí)的大部分的力信息，精度高，可靠性好，使用方便。常用的結(jié) 構(gòu)包括十字梁式、軸架式和非徑向三梁式，其中十字梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用Z為廣泛。指力傳感器， 一 般通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量而產(chǎn)生多維力信號(hào)，常用于小范圍作業(yè)，精度高，可靠性好，但多指協(xié)調(diào) 復(fù) 雜 。

b. 基于視覺(jué)傳感器的柔順裝置�；�于視覺(jué)傳感器的主動(dòng)適從位置調(diào)整方法是通過(guò)建立 以注視點(diǎn)為中心的相對(duì)坐標(biāo)系，對(duì)裝配件之間的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果具有相對(duì) 的穩(wěn)定性，其精度與攝像機(jī)的位置相關(guān)。螺紋裝配采用力和視覺(jué)傳感器，建立一個(gè)虛擬的內(nèi) 部模型，該模型根據(jù)環(huán)境的變化對(duì)規(guī)劃的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行修正；軸孔裝配中用二維 PSD 傳感器來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)孔的中心位置及其所在平面的傾斜角度，PSD 上的成像中心即為檢 測(cè)孔的中心。當(dāng)孔傾斜時(shí)，PSD 上所成的像為橢圓，通過(guò)與正常沒(méi)有傾斜的孔所成圖像的 比 較 就 可 獲 得 被 檢 測(cè) 孔 所 在 平 面 的 傾 斜 度 。

c. 基于接近度傳感器的柔順裝置。裝配作業(yè)需要檢測(cè)機(jī)器人末端執(zhí)行器與環(huán)境的位姿， 多采用光電接近度傳感器。光電接近度傳感 器具有測(cè)量速度快、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量點(diǎn) 小和使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。用一個(gè)光電傳感器 不能同時(shí)測(cè)量距離和方位的信息，往往需要 用兩個(gè)以上的傳感器來(lái)完成機(jī)器人裝配作業(yè) 的 位 姿 檢 測(cè) 。 ③光纖位姿偏差傳感系統(tǒng)。圖6-21所示 為集螺紋孔方向偏差和位置偏差檢測(cè)于一體 的位姿偏差傳感系統(tǒng)原理。該系統(tǒng)采用多路 單纖傳感器，光源發(fā)出的光經(jīng)1×6光纖分路 器，分成6路光信號(hào)進(jìn)入6個(gè)單纖傳感點(diǎn)，單 纖傳感點(diǎn)同時(shí)具有發(fā)射和接收功能。傳感點(diǎn)為反射式強(qiáng)度調(diào)制傳感方式，反射光經(jīng)光纖按一 定方式排列，由固體二極管陣列SSPD 光敏器件接收，Z后進(jìn)入信號(hào)處理。3個(gè)檢測(cè)螺紋孔 方向的傳感器(1、2、3)分布在螺紋孔邊緣圓周(2～3cm) 上，傳感點(diǎn)4、5、6檢測(cè)螺紋 位置，垂直指向螺紋孔倒角錐面，傳感點(diǎn)2、3.5、6與傳感點(diǎn)1、4垂直。

④電渦流位姿檢測(cè)傳感系統(tǒng)。電渦流位姿檢測(cè)傳感系統(tǒng)是通過(guò)確定由傳感器構(gòu)成的測(cè) 量坐標(biāo)系和測(cè)量體坐標(biāo)系之間的相對(duì)坐標(biāo)變換關(guān)系來(lái)確定位姿。當(dāng)測(cè)量體安裝在機(jī)器人末端 執(zhí)行器上時(shí)，通過(guò)比較測(cè)量體的相對(duì)位姿參數(shù)的變化量，可完成對(duì)機(jī)器人的重復(fù)位姿精度檢 測(cè)。圖6-22所示為位姿檢測(cè)傳感系統(tǒng)框圖。檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大、 A/D 變換送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出位姿參數(shù)。

為了能用測(cè)量信息計(jì)算出相對(duì)位姿，由6個(gè)電渦流傳感器組成的特定空間結(jié)構(gòu)來(lái)提供位 姿和測(cè)量數(shù)據(jù)。傳感器的測(cè)量空間結(jié)構(gòu)如圖6-23所示，6個(gè)傳感器構(gòu)成三維測(cè)量坐標(biāo)系， 其中傳感器1、2、3對(duì)應(yīng)測(cè)量面 xOy, 傳感器4、5對(duì)應(yīng)測(cè)量面 xOz, 傳感器6對(duì)應(yīng)測(cè)量面 yOz 。 每個(gè)傳感器在坐標(biāo)系中的位置固定，這6個(gè)傳感器所標(biāo)定的測(cè)量范圍就是該測(cè)量系統(tǒng) 的測(cè)量范圍。當(dāng)測(cè)量體相對(duì)于測(cè)量坐標(biāo)系發(fā)生位姿變化時(shí)，電渦流傳感器的輸出信號(hào)會(huì)隨測(cè) 量距離成比例的變化。