智能機(jī)器人內(nèi)部之位置角度傳感器,設(shè)定位置角度,位移和角度的測量

1)設(shè)定位置和設(shè)定角度的檢測

設(shè)定位置和設(shè)定角度的檢測主要用于機(jī)器人運(yùn)動關(guān)節(jié)的零位和極限位置的檢測。零位是機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動開始時的位置，零位檢測精度直接影響機(jī)器人運(yùn)動的 準(zhǔn)確度。極限位置是指機(jī)器人關(guān)節(jié)動作范圍的起止點(diǎn)，所以極限位置的檢測起著 保護(hù)機(jī)器人和安全動作的重要作用。

Z常用的位置傳感器是微動行程開關(guān)，它由微型開關(guān)、操作機(jī)構(gòu)(撞頭或推桿) 組成。它安裝在動作范圍兩端的極限位置上，當(dāng)裝在機(jī)器人運(yùn)動部件上的擋塊移 動到某一極限位置時，觸動操作機(jī)構(gòu)的撞頭或推桿，使微型開關(guān)的觸頭閉合或斷 開，即可獲得位置的電信號。微動行程開關(guān)是一種既簡單又可靠的檢測傳感器。 也可以用非接觸型的光電開關(guān)作位置傳感器，其工作原理與微動行程開關(guān)相同，區(qū) 別 在 于 它 是 利 用 光 敏 斷 流 器 來 代 替 微 型 開 關(guān) 的 。 把 發(fā) 光 二 極 管 和 光 敏 三 極 管 在 相對方向中間隔開一段距離安裝，當(dāng)裝有擋塊的機(jī)器人 運(yùn)動部件從中間穿過時，發(fā)光管的光線被隔斷，從而使 光敏管感受到電信號，如圖4-1-1所示。

除此之外還有很多其他原理的傳感器，例如電感 式、電容式、磁電式、霍爾器件等也都能實(shí)現(xiàn)非接觸的 接近開關(guān)，從而構(gòu)成位置傳感器。實(shí)際工作中可以從 價格成本、安裝尺寸、測量精度、工作環(huán)境條件等各方 面因素來進(jìn)行選擇。

2)位移和角度的測量

位移傳感器一般都安裝在機(jī)器人的關(guān)節(jié)上，用來檢測機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位移量。作為機(jī)器人的位姿信息，它分為直線位移和轉(zhuǎn)角位移兩種， 一般直線移動關(guān)節(jié)用線位移傳感器，旋轉(zhuǎn)關(guān) 節(jié)轉(zhuǎn)角用角位移傳感器來測量。前者有直線電位計(jì)和容柵式位移傳感器等，后者 有旋轉(zhuǎn)電位計(jì)、旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器等。 一般來說，角位移傳感器比線位移傳 感器的體積小，安裝方便，所以也可以通過機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將所需測量的直線運(yùn) 動位移變?yōu)樾�轉(zhuǎn)運(yùn)動位移后，用角位移傳感器進(jìn)行測量。

從測量的方法看， 一種是模擬式，即將要測的位移量變換成模擬量(電流、電 壓、電阻等)進(jìn)行測量。這種檢測所用元件的成本較低，使用條件不嚴(yán)格，像電位器 等；另一種是數(shù)字式，即將位移量變換成脈沖，每個脈沖與單位位移相對應(yīng)，檢測元 件輸出脈沖數(shù)的數(shù)字量。這樣易與計(jì)算機(jī)相連接，可存儲、運(yùn)算和控制，但制造安 裝的精度較高。

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是除直線運(yùn)動以外的Z主要的傳動方式，因此用于測量角位移的傳感 器在移動機(jī)器人學(xué)中也有Z廣泛的應(yīng)用。接下來介紹幾種Z常用的角位移傳感器。

(1)光學(xué)編碼器：

光學(xué)編碼器已經(jīng)成為在電機(jī)驅(qū)動內(nèi)部、輪軸、或在操縱機(jī)構(gòu)上測量角速度和角 位移的Z普及的裝置。在移動機(jī)器人學(xué)中，用編碼器測量位置或輪子的速度，或其 他電機(jī)驅(qū)動的關(guān)節(jié)。因?yàn)檫@些傳感器是本體感受式的，在機(jī)器人參考框架中，它們 的位置估計(jì)是Z佳的，而在用于機(jī)器人定位問題時，需要較大的校正。

以圖4-1-2為例說明光學(xué)編碼器的結(jié)構(gòu)。光學(xué)編碼器由發(fā)光元件、屏蔽光的固 定光柵、與轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)的帶光柵的轉(zhuǎn)盤和固定的光敏元件組成。發(fā)光元件和光敏 元件安放在碼盤的兩側(cè)，當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時，根據(jù)固定的和運(yùn)動的光柵的排列，光敏元件 接收的光通量會發(fā)生變化。光敏元件輸出的波形經(jīng)過整形后形成脈沖，根據(jù)脈沖計(jì) 數(shù)，可以得到固定在碼盤上的轉(zhuǎn)軸的角位移。在測量中，Z后得到的光強(qiáng)信號用閾 值變換成離散的方波，在亮和暗的狀態(tài)之間作選擇。分辨率以每轉(zhuǎn)周期數(shù)(CPR)度量。Z小的角分辨率可以容易地從編碼器的CPR 額定值計(jì)算出。典型的編碼 器可擁有2000 CPR, 而光學(xué)編碼器工業(yè)可容易地制造出具有10000 CPR 的 編 碼 器。當(dāng)然，根據(jù)所需的帶寬，Z關(guān)鍵的是編碼器需要足夠快，以計(jì)算期望的軸轉(zhuǎn)速。

通常在需要分辨角位移和角速度的方向的時候，會使用正交編碼器。在這種 情況下有兩對照明源和檢測器，第二對的照明源和檢測器安裝在距離D一對1/4 刻度周期的地方，如圖4-1-3所示。兩組光強(qiáng)信號合成的一對方波，提供了更多的 信息。按照哪個方波在相位上更超前，就可以確定轉(zhuǎn)動方向。而且，四個可檢測的 不同狀態(tài)，在不改變轉(zhuǎn)盤刻度的情況下，分辨率可提高4倍。因此， 一個2000CPR 正交編碼器能產(chǎn)生8000個計(jì)數(shù)。

(2)磁式編碼器：

光學(xué)編碼器精度較高，工藝復(fù)雜，成本也比較高。作為移動輪角度的測量通常 并不需要這么高的精度，磁式編碼器就是一種簡單便宜的角位移傳感器。

磁式傳感器是利用霍爾效應(yīng)的原理制成的�；魻栃�應(yīng)是指在一個半導(dǎo)體薄片 上有一電流通過，此時如有一磁場也作用于該半導(dǎo)體材料上，則在垂直于電流方向的半導(dǎo)體兩端，會產(chǎn)生一個很小的電壓，該電壓就稱為霍爾電壓。當(dāng)磁性材料制成 的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，就會有一個變化的磁場作用于霍爾元件(半導(dǎo)體材料)上，使霍爾電 壓產(chǎn)生脈沖信號。對所產(chǎn)生的脈沖數(shù)目計(jì)數(shù)即可檢測角位移，其原理和光學(xué)編碼 器是類似的。

磁式編碼器是通過在強(qiáng)磁性材料表面上等 間隔的磁化刻度標(biāo)尺，標(biāo)尺旁邊相對放置磁阻 效應(yīng)元件或霍爾元件，即能檢測磁通的變化，如 圖4-1-4所示，兩個磁傳感器的距離恰好是磁化 標(biāo)尺間隔的1/4. 因此可以根據(jù)輸出信號的相位 關(guān)系檢測旋轉(zhuǎn)方向。與光學(xué)編碼器相比，磁式編 碼器的刻度間隔大，但它具有耐油污、抗沖擊等 特點(diǎn)。