第8章多傳感器在裝配機器人中的應用CONTENTS多傳感器信息融合系統(tǒng)組成8.1位姿傳感器8.2柔性腕力傳感器8.3工件識別傳感器8.4視覺傳感系統(tǒng)8.5多傳感器信息融合系統(tǒng)組成8.1多傳感器信息融合系統(tǒng)組成14多傳感器信息融合裝配系統(tǒng)由末端執(zhí)行器、CCD視覺傳感器、超聲波傳感器、柔性腕力傳感器及相應的信號處理單元等構成。CCD視覺傳感器構成手眼視覺；超聲波傳感器的接收和發(fā)送探頭固定在機器人末端執(zhí)行器上，由CCD視覺傳感器獲取待識別和抓取物體的二維圖像，并引導超聲波傳感器獲取深度信息；柔性腕力傳感器安裝于機器人的腕部。多傳感器信息融合裝配系統(tǒng)結構如圖8-1所示。圖8-1多傳感器信息融合裝配系統(tǒng)結構多傳感器信息融合系統(tǒng)組成15

圖像處理主要完成對物體外形的準確描述，包括圖像邊緣提取、周線跟蹤、特征點提取、曲線分割及分段匹配、圖形描述與識別。CCD視覺傳感器獲取的物體圖像經(jīng)處理后；可提取對象的某些特征，如物體的形心坐標、面積、曲率、邊緣、角點及短軸方向等，根據(jù)這些特征信息，可得到對物體形狀的基本描述。

由于CCD視覺傳感器獲取的圖像不能反映工件的深度信息，因此對于二維圖形相同，僅高度略有差異的工件，只用視覺信息不能正確識別。在圖像處理的基礎上，由視覺信息引導超聲波傳感器對待測點的深度進行測量，獲取物體的深度（高度）信息，或沿工件的待測面移動，超聲波傳感器不斷采集距離信息，掃描得到距離曲線，根據(jù)距離曲線分析出工件的邊緣或外形。計算機將視覺信息和深度信息融合推斷后，進行圖像匹配、識別，并控制機械手以合適的位姿準確地抓取物體。位姿傳感器8.2位姿傳感器27（1）遠程中心柔順（RCC）裝置

遠程中心柔順裝置不是實際的傳感器，在發(fā)生錯位時起到感知設備的作用，并為機器人提供修正的措施。RCC裝置完全是被動的，沒有輸入和輸出信號，也稱被動柔順裝置。RCC裝置是機器人腕關節(jié)和末端執(zhí)行器之間的輔助裝置，使機器人末端執(zhí)行器在需要的方向上增加局部柔順性，而不會影響其他方向的精度。

圖8-2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向柔順的同時，將保持軸向的剛度。實際上，一種裝置只在橫側向和軸向或者在彎曲和翹起方向提供一定的剛性（或柔性），它必須根據(jù)需要來選擇。每種裝置都有一個給定的中心到中心的距離，此距離決定遠程柔順中心相對柔順裝置中心的位置。因此，如果有多個零件或許多操作需有多個RCC裝置，并要分別選擇。

位姿傳感器28圖8-2RCC裝置的原理RCC的實質(zhì)是機械手夾持器具有多個自由度的彈性裝置，通過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)引起轉矩和力，通過RCC裝置中不同類型的位移傳感器可獲得跟轉矩和力成比例的電信號，使用該電信號作為力或力矩反饋的RCC稱IRCC（InstrumentRemoteControlCentre）。BarryWright公司的6軸IRCC提供跟3個力和3個力矩成比例的電信號，內(nèi)部有微處理器、低通濾波器以及12位數(shù)模轉換器，可以輸出數(shù)字和模擬信號。位姿傳感器29（2）主動柔順裝置主動柔順裝置根據(jù)傳感器反饋的信息對機器人末端執(zhí)行器或工作臺進行調(diào)整，補償裝配件間的位置偏差。根據(jù)傳感方式的不同，主動柔順裝置可分為基于力傳感器的柔順裝置、基于視覺傳感器的柔順裝置和基于接近度傳感器的柔順裝置。①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，另一方面是通過力傳感器反饋信息來感知位置信息，進行位置控制。就安裝部位而言，力傳感器可分為關節(jié)力傳感器、腕力傳感器和指力傳感器。關節(jié)力/力矩傳感器使用應變片進行力反饋，由于力反饋是直接加在被控制關節(jié)上，且所有的硬件用模擬電路實現(xiàn)，避開了復雜計算難題，響應速度快。腕力傳感器安裝于機器人與末端執(zhí)行器的連接處，它能夠獲得機器人實際操作時的大部分的力信息，精度高，可靠性好，使用方便。常用的結構包括十字梁式、軸架式和非徑向三梁式，其中十字梁結構應用最為廣泛。指力傳感器，一般通過應變片測量而產(chǎn)生多維力信號，常用于小范圍作業(yè)，精度高，可靠性好，但多指協(xié)調(diào)復雜。位姿傳感器210②基于視覺傳感器的柔順裝置?；谝曈X傳感器的主動適從位置調(diào)整方法是通過建立以注視點為中心的相對坐標系，對裝配件之間的相對位置關系進行測量，測量結果具有相對的穩(wěn)定性，其精度與攝像機的位置相關。螺紋裝配采用力和視覺傳感器，建立一個虛擬的內(nèi)部模型，該模型根據(jù)環(huán)境的變化對規(guī)劃的機器人運動軌跡進行修正；軸孔裝配中用二維PSD傳感器來實時檢測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孔的中心。當孔傾斜時，PSD上所成的像為橢圓，通過與正常沒有傾斜的孔所成圖像的比較就可獲得被檢測孔所在平面的傾斜度。③基于接近度傳感器的柔順裝置。裝配作業(yè)需要檢測機器人末端執(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量速度快、抗干擾能力強、測量點小和使用范圍廣等優(yōu)點。用一個光電傳感器不能同時測量距離和方位的信息，往往需要用兩個以上的傳感器來完成機器人裝配作業(yè)的位姿檢測。位姿傳感器211（3）光纖位姿偏差傳感系統(tǒng)

圖8-3所示為集螺紋孔方向偏差和位置偏差檢測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路光信號進入6個單纖傳感點，單纖傳感點同時具有發(fā)射和接收功能。傳感點為反射式強度調(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光敏器件接受，最后進入信號處理。3個檢測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4、5、6檢測螺紋位置，垂直指向螺紋孔倒角錐面，傳感點2、3、5、6與傳感點1、4垂直。圖8-3位姿偏差傳感系統(tǒng)原理位姿傳感器212根據(jù)光場的強度分布，得到螺紋孔方向檢測和中心位置的數(shù)學模型為（8-1）（8-2）式中，d為傳感頭中心到螺紋孔頂面的距離；di為第i個傳感點到螺紋孔頂面的距離；θ為螺紋孔頂面與傳感頭之間的傾斜角；α為傳感頭轉角；

2為傳感點1、2、3所處圓的直徑；

1為傳感點4、5、6所處圓的直徑；h為傳感頭到螺紋孔頂面的距離；Vi（di，θ）為傳感點i在螺紋孔的位姿為di和θ時的電壓輸出信號；ex、ey為傳感點4、5、6中心與螺紋孔中心的偏心值。位姿傳感器213（4）電渦流位姿檢測傳感系統(tǒng)電渦流位姿檢測傳感系統(tǒng)是通過確定由傳感器構成的測量坐標系和測量體坐標系之間的相對坐標變換關系來確定位姿。當測量體安裝在機器人末端執(zhí)行器上時，通過比較測量體的相對位姿參數(shù)的變化量，可完成對機器人的重復位姿精度檢測。圖8-4所示為位姿檢測傳感系統(tǒng)框圖。檢測信號經(jīng)過濾波、放大、A/D變換送入計算機進行數(shù)據(jù)處理，計算出位姿參數(shù)。圖8-4位姿檢測傳感系統(tǒng)框圖位姿傳感器214

為了能用測量信息計算出相對位姿，由6個電渦流傳感器組成的特定空間結構來提供位姿和測量數(shù)據(jù)。傳感器的測量空間結構如圖8-5所示，6個傳感器構成三維測量坐標系，其中傳感器1、2、3對應測量面xOy，傳感器4、5對應測量面xOz，傳感器6對應測量面yOz。每個傳感器在坐標系中的位置固定，這6個傳感器所標定的測量范圍就是該測量系統(tǒng)的測量范圍。當測量體相對于測量坐標系發(fā)生位姿變化時，電渦流傳感器的輸出信號會隨測量距離成比例地變化。圖8-5傳感器的測量空間結構柔性腕力傳感器8.3柔性腕力傳感器316在裝配機器人中除使用應變片6維筒式腕力傳感器和十字梁腕力傳感器外，還大量使用柔性腕力傳感器。柔性手腕能在機器人的末端操作器與環(huán)境接觸時產(chǎn)生變形，并且能夠吸收機器人的定位誤差。機器人柔性腕力傳感器將柔性手腕與腕力傳感器有機地結合在一起，不但可以為機器人提供力/力矩信息，而且本身又是柔順機構，可以產(chǎn)生被動柔順，吸收機器人產(chǎn)生的定位誤差，保護機器人、末端操作器和作業(yè)對象，提高機器人的作業(yè)能力。柔性腕力傳感器的工作原理如圖8-6所示，柔性腕力傳感器的內(nèi)環(huán)相對于外環(huán)的位置和姿態(tài)的測量采用非接觸式測量。傳感元件由6個均布在內(nèi)環(huán)上的紅外發(fā)光二極管（LED）和6個均布在外環(huán)上的線型位置敏感元件（PSD）構成。PSD通過輸出模擬電流信號來反映照射在其敏感面上光點的位置，具有分辨率高、信號檢測電路簡單、響應速度快等優(yōu)點。柔性腕力傳感器317為了保證LED發(fā)出的紅外光形成一個光平面，在每一個LED的前方安裝了一個狹縫，狹縫按照垂直和水平方式間隔放置，與之對應的線型PSD則按照與狹縫相垂直的方式放置。6個LED所發(fā)出的紅外光通過其前端的狹縫形成6個光平面Oi（i=1，2，…，6），與6個相應的線型PSDLi（i=1，2，…，6）形成6個交點。當內(nèi)環(huán)相對于外環(huán)移動時，6個交點在PSD上的位置發(fā)生變化，引起PSD的輸出變化。根據(jù)PSD輸出信號的變化，可以求得內(nèi)環(huán)相對于外環(huán)的位置和姿態(tài)。內(nèi)環(huán)的運動將引起連接彈簧的相應變形，考慮到彈簧的作用力與形變的線性關系，可以通過內(nèi)環(huán)相對于外環(huán)的位置和姿態(tài)關系解算出內(nèi)環(huán)上所受到的力和力矩的大小，從而完成柔性腕力傳感器的位姿和力/力矩的同時測量。圖8-6柔性腕力傳感器的工作原理工件識別傳感器8.4工件識別傳感器419工件識別（測量）的方法有接觸識別、采樣式測量、鄰近探測、距離測量、機械視覺識別等。（1）接觸識別。在一點或幾點上接觸以測量力，這種測量一般精度不高。（2）采樣式測量。在一定范圍內(nèi)連續(xù)測量，比如測量某一目標的位置、方向和形狀。在裝配過程中的力和扭矩的測量都可以采用這種方法，這些物理量的測量對于裝配過程非常重要。（3）鄰近探測。鄰近探測屬非接觸測量，測量附近的范圍內(nèi)是否有目標存在。一般安裝在機器人的抓鉗內(nèi)側，探測被抓的目標是否存在以及方向、位置是否正確。測量原理可以是氣動的、聲學的、電磁的和光學的。（4）距離測量。距離測量也屬非接觸測量。測量某一目標到某一基準點的距離。例如，一只在抓鉗內(nèi)裝的超聲波傳感器就可以進行這種測量。（5）機械視覺識別。機械視覺識別方法可以測量某一目標相對于一基準點的位置方向和距離。工件識別傳感器420機械視覺識別如圖8-7所示，圖8-7（a）為使用探針矩陣對工件進行粗略識別，圖8-7（b）為使用直線性測量傳感器對工件進行邊緣輪廓識別，圖8-7（c）為使用點傳感技術對工件進行特定形狀識別。圖8-7機械視覺識別工件識別傳感器421當采用接觸式（探針）或非接觸式探測器識別工件時，存在與網(wǎng)柵的尺寸有關識別誤差。在圖8-8所示探測器工件識別中，工件尺寸b方向的識別誤差為式（8-3）中，b為工件尺寸，mm；d為光電二極管直徑，mm；n為工件覆蓋的網(wǎng)柵節(jié)距數(shù)；t為網(wǎng)柵尺寸，mm。（8-3）圖8-8探測器工件識別視覺傳感系統(tǒng)8.5視覺傳感系統(tǒng)523（1）視覺傳感系統(tǒng)組成裝配過程中，機器人使用視覺傳感系統(tǒng)可以解決零件平面測量、字符識別（文字、條碼、符號等）、完善性檢測、表面檢測（裂紋、刻痕、紋理）和三維測量。類似人的視覺系統(tǒng)，機器人的視覺系統(tǒng)是通過圖像和距離等傳感器來獲取環(huán)境對象的圖像、顏色和距離等信息，然后傳遞給圖像處理器，利用計算機從二維圖像中理解和構造出三維世界的真實模型。視覺傳感系統(tǒng)524圖8-9所示為機器人視覺傳感系統(tǒng)的原理。攝像機獲取環(huán)境對象的圖像，經(jīng)A/D轉換器轉換成數(shù)字量，從而變成數(shù)字化圖形。通常一幅圖像劃分為512×512或者256×256個點，各點亮度用8位二進制表示，即可表示256個灰度。圖像輸入以后進行各種處理、識別以及理解，另外通過距離測定器得到距離信息，經(jīng)過計算機處理得到物體的空間位置和方位；通過彩色濾光片得到顏色信息。上述信息經(jīng)圖像處理器進行處理，提取特征，處理的結果再輸出到機器人，以控制它進行動作。另外，作為機器人的眼睛不但要對所得到的圖像進行靜止處理，而且要積極地擴大視野，根據(jù)所觀察的對象，改變眼睛的焦距和光圈。因此，機器人視覺系統(tǒng)還應具有調(diào)節(jié)焦距、光圈、放大倍數(shù)和攝像機角度的裝置。圖8-9機器人視覺傳感系統(tǒng)視覺傳感系統(tǒng)525（2）圖像處理過程

視覺系統(tǒng)首先要做的工作是攝入實物對象的圖形，即解決攝像機的圖像生成模型。包含兩個方面的內(nèi)容：一是攝像機的幾何模型，即實物對象從三維景物空間轉換到二維圖像空間，關鍵是確定轉換的幾何關系；二是攝像機的光學模型，即攝像機的圖像灰度與景物間的關系。由于圖像的灰度是攝像機的光學特性、物體表面的反射特性、照明情況、景物中各物體的分布情況（產(chǎn)生重復反射照明）的綜合結果，所以從攝入的圖像分解出各因素在此過程中所起的作用是不容易的。

視覺系統(tǒng)要對攝