智能機(jī)器人的光電傳感器

　　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(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行識(shí)別，具有一定的“學(xué)習(xí)”和“自我調(diào)節(jié)”能力。在市場(chǎng)上，有著各種依靠圖像監(jiān)控或力的檢測(cè)來(lái)控制機(jī)器人的傳感器，但是仍缺乏“滑移”傳感器，即能夠?qū)�機(jī)器人的手指與被握物體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行在線檢測(cè)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(cè)為基礎(chǔ)的。即利用接觸傳感器對(duì)接觸時(shí)的切向力大小進(jìn)行檢測(cè)或者利用摩擦振動(dòng)加速傳感器對(duì)相對(duì)位移間接進(jìn)行檢測(cè)和估計(jì)。而迄今為止常見(jiàn)的傳感器還無(wú)法對(duì)相對(duì)滑移速度進(jìn)行直接的檢測(cè)。較高的研發(fā)費(fèi)用是一直沒(méi)有成功實(shí)現(xiàn)相對(duì)滑移直接檢測(cè)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(duì)相對(duì)滑移進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)合接觸力檢測(cè)傳感器可以滿足要求極高的智能化機(jī)器人方案。在這個(gè)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(gè)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(wú)定位或者可移動(dòng)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(lái)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(jí)圖片進(jìn)入傳感器芯片中的DSP數(shù)字信號(hào)處理器，并在這個(gè)微處理器中首次被轉(zhuǎn)換成速度信號(hào)。最后，再根據(jù)這些速度信號(hào)計(jì)算出滑移數(shù)據(jù)（△x和△y值）。
速度計(jì)算過(guò)程中使用的計(jì)算語(yǔ)言是光流語(yǔ)言，計(jì)算量較小。作為光流（Optical Flow）實(shí)際上是一個(gè)矢量場(chǎng)，它能夠表示每一個(gè)圖片、像素，圖像順2D運(yùn)動(dòng)方向和速度的矢量場(chǎng)。

　　光電傳感器的檢測(cè)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(cè)：
　�。�1）物體的材料和表面結(jié)構(gòu)；
　�。�2）至被測(cè)物體表面的間距；
　�。�3）傳感器與被測(cè)物體之間的非線性相對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。模塊的參數(shù)是按照被測(cè)物體精確予以設(shè)置的，在檢測(cè)未知物體表面時(shí)，也可通過(guò)模塊自動(dòng)計(jì)量校定功能完成非線性關(guān)系的檢測(cè)。

　　由于它具有在機(jī)器人與被測(cè)物體之間檢測(cè)相對(duì)滑移速度的功能，因此這種滑移傳感器主要用于自動(dòng)化清洗和磨削生產(chǎn)。通過(guò)檢測(cè)到的材料的非線性特性曲線，可以自動(dòng)識(shí)別不同的表面結(jié)構(gòu)，最終評(píng)定材料的種類。通過(guò)自動(dòng)的計(jì)量校定方法，利用檢測(cè)到的非線性特性曲線，還可以對(duì)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(duì)動(dòng)態(tài)的力—滑移情況進(jìn)行檢測(cè)、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(lái)握持，甚至工人還可以在清洗、磨削過(guò)程中移動(dòng)。
 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 圖3 沒(méi)有定位固定甚至移動(dòng)物體的清洗或者磨削

　　快速、簡(jiǎn)便的完成空間固定坐標(biāo)系中工件不運(yùn)動(dòng)時(shí)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(dòng)識(shí)別工件的輪廓，從而實(shí)現(xiàn)工件表面的自動(dòng)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(shí)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(shí)，工件沒(méi)有采取任何方式的裝夾固定，是由一個(gè)操作人員或一個(gè)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(duì)沒(méi)有裝夾固定的工件在不同加工速度和運(yùn)動(dòng)速度的情況下，對(duì)表面加工精度進(jìn)行了詳細(xì)的研究。在圖4所示的檢測(cè)曲線中，板件為蛇行運(yùn)動(dòng)，軌跡速度為300mm/s。在磨削加工過(guò)程中，工件的運(yùn)動(dòng)速度為37.5mm/s，加速度為30mm/s2。盡管工件的運(yùn)動(dòng)為一種干擾性很強(qiáng)的蛇行運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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(shí)往往會(huì)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(huì)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(duì)于易碎物品（例如玻璃管、試驗(yàn)玻璃杯等），當(dāng)抓取時(shí)用力太大會(huì)被夾碎。既要防滑使物體不會(huì)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(shí)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(gè)手指中安裝的是檢測(cè)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�；�移光電傳感器的第一次實(shí)際試驗(yàn)獲得了理想的結(jié)果，保證其能可靠、無(wú)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(dòng)時(shí)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(kāi)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(guò)程中，實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化和伺服機(jī)器人中長(zhǎng)期以來(lái)一直沒(méi)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。