1、1第十二部分傳感器技術(shù)0預(yù)備知識(shí)傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)乃至整個(gè)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域占有極其重要的地位，當(dāng)今信息時(shí)代，如果沒(méi)有傳感器，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)將無(wú)法發(fā)展。為了適應(yīng)這一時(shí)代發(fā)展的需要，全國(guó)各大中專院校及各類職業(yè)技術(shù)學(xué)校都相繼將傳感器及實(shí)驗(yàn)教學(xué)納入教學(xué)任務(wù)，作為物理、電子、 測(cè)控以及自動(dòng)化類專業(yè)的一門(mén)必修課。傳感器是機(jī)電一體化中各種設(shè)備和裝置的“感覺(jué)器官”，是檢測(cè)系統(tǒng)的第一個(gè)環(huán)節(jié)。它以一定的精度把被測(cè)量（各種各樣形態(tài)各異的信息量）轉(zhuǎn)換成與之有確定關(guān)系的、便于應(yīng)用 的某種量值的測(cè)量裝置。顧名思義，傳感器的功能是一感二傳，即感受被測(cè)信息，并傳送出去。根據(jù)傳感器的功能特點(diǎn)，一般由三部分組成：敏感元件、轉(zhuǎn)換

2、元件、測(cè)量電路。敏感元件：能夠靈敏地感受被測(cè)量并作出響應(yīng)的元件。如金屬或半導(dǎo)體應(yīng)變片， 能感受壓力的大小而引起形變，形變程度就是對(duì)壓力大小的響應(yīng)。鉗電阻能感受溫度的升降而改變其阻值，阻值的變化就是對(duì)溫度升降的響應(yīng)，所以鉗電阻就是一種溫度敏感元件，而金屬或半導(dǎo)體應(yīng)變片，就是一種壓力敏感元件。轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件感受的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)的元件。如果敏感元件本身就能直接將被測(cè)量變成電路參數(shù)，那么，該敏感元件就是具有了敏感和轉(zhuǎn)換兩個(gè)功能。如熱敏電阻，它不僅能直接感受溫度的變化，而且能將溫度變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化，也就是將非電路參數(shù)（溫度）直接變成了電路參數(shù)（電阻） 。測(cè)量電路：將轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換的電學(xué)量進(jìn)

3、行測(cè)量的電路。傳感器的種類較多，根據(jù)被測(cè)物理量可分為： 速度傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、 溫度傳感器、壓力傳感器、光纖傳感器等。根據(jù)工作原理分為：應(yīng)變式、電壓式、電容式、 渦流式、差動(dòng)變壓器式等。根據(jù)能量的傳遞方式分為：有源的和無(wú)源的傳感器。了解和掌握一定的傳感器技術(shù)對(duì)每個(gè)科技工作者來(lái)說(shuō)是十分必要的。本部分內(nèi)容通過(guò)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)用，使學(xué)生對(duì)傳感器有一個(gè)初步了解實(shí)驗(yàn)僅通過(guò)金屬箔式電阻應(yīng)變片的一種實(shí)際應(yīng)用而使學(xué)生對(duì)傳感器有一個(gè)初步了解。實(shí)驗(yàn)一用金屆箔式電阻應(yīng)變片作交流全橋的應(yīng)用-振動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解金屬箔式電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和工作原理；2.熟悉非平衡電橋的輸出靈敏度特性；3.掌握

4、利用交流電橋測(cè)量動(dòng)態(tài)應(yīng)變參數(shù)的原理與方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.1.金屬箔式電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和工作原理應(yīng)變式電阻傳感器的核心元件是電阻應(yīng)變計(jì)，它能將機(jī)械物件上的應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化。通過(guò)對(duì)電阻值變化量的測(cè)量即可得知機(jī)械構(gòu)件的應(yīng)變情況，從而可以求出引起2該變化的物理量的大小。其構(gòu)造簡(jiǎn)圖如圖12-1所示。排成網(wǎng)狀的高阻金屬絲，柵狀金屬箔3或半導(dǎo)體片構(gòu)成的敏感柵，用合適的粘合劑貼在絕緣的基片2上，敏感柵上貼有保護(hù)片3,柵絲較細(xì)，一般為0.0150.06mm（或厚度為0.0030.010mm的金屬箔）。其兩端焊有較粗（0.10.2mm）的低阻銅絲4作為與電路相連的引線。圖12-1電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意

5、圖1、電阻絲2、基片3、覆蓋層4、弓I出線使用時(shí)，選擇合適的粘合劑將應(yīng)變計(jì)貼在被測(cè)試件表面。試件形變引起敏感柵變形，于是其阻值發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電路可將敏感柵的阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。如果將二片相同的應(yīng)變計(jì)粘貼在平行梁上同一位置的正、反兩面，則該平行梁形變所引起的二片應(yīng)變計(jì)的電阻變化剛好相反，即： R上=- R下對(duì)于一根長(zhǎng)為L(zhǎng),截面積為S（直徑為d）,電阻率為p的金屬絲，其電阻R為R =：LS兩邊取對(duì)數(shù)，再微分得竺此 dLdL_史R R一 /L L S S將S=“ .d2/4代入上式，并將微分寫(xiě)成增量式。由材料力學(xué)知，在彈性范圍內(nèi)金屬絲沿長(zhǎng)度方向伸長(zhǎng)時(shí)，縱向應(yīng)變&x與徑向應(yīng)變&

6、amp;r存在下列關(guān)系：Lr=p. x （p為材料的泊松比）。設(shè)d4由此可見(jiàn)，電阻絲的電阻變化由兩部分組成：第一部分是材料的幾何形變引起，即應(yīng)變效應(yīng)；第二部分是電阻率的變化引起的，即壓阻效應(yīng)。對(duì)金屬材料而言，應(yīng)變效應(yīng)是主要的， 其靈ARARR RAPP.2.2=(1=(1 2)2)xP+ +5敏度K0=1+2 v 1.5-2.00對(duì)于半導(dǎo)體材料，壓阻效應(yīng)是主要的，在制造工藝雖然比金屬?gòu)?fù) 雜，但靈敏度比金屬約大50-100倍，甚至可以不用放大器而直接由電壓表或示波器顯示測(cè) 量結(jié)果。對(duì)于金屬材料，上式可進(jìn)一步寫(xiě)成1R=KsxR式中，Ks對(duì)某一種金屬材料在一定應(yīng)變范圍內(nèi)為一常數(shù)，可見(jiàn)，金屬材料電阻值

7、的相對(duì)變化在一定范圍內(nèi)與應(yīng)變成正比。由于應(yīng)變片電阻的阻值受環(huán)境溫度的影響較大，在實(shí)際應(yīng)用中要采用適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)溫度引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。 通常因溫度變化而引起應(yīng)變片阻值變化的主要因素有兩個(gè)：一是應(yīng)變片的電阻絲具有一定的溫度系數(shù)；二是電阻絲材料與測(cè)試材料的線膨脹系數(shù)不同。2.2.電阻應(yīng)變式傳感器的轉(zhuǎn)換電路在電阻應(yīng)變式傳感器中，應(yīng)變計(jì)是敏感元件，它將應(yīng)變量x轉(zhuǎn)換成電阻的相對(duì)變化 該量要經(jīng)轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成電學(xué)量后，再由測(cè)量電路進(jìn)行測(cè)量。電橋就是一種常用的轉(zhuǎn)換測(cè)量電路，其基本形式如下：由圖12-3電橋電路中，根據(jù)戴維南定理可算出輸出電壓R2二(-R1 R2在預(yù)平衡狀態(tài)下(即UO=0)，各臂電阻滿足R1*R3

8、=R2*R4。通常電阻應(yīng)變片的檢測(cè)電路采用非平衡電橋，由非平衡電橋電路的特性可知：在采用全橋差動(dòng)輸入的情況下，其輸出電壓最大，且與電阻的變化成正比，(設(shè)R1= R2= R3= AR4= R)還可以起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩U0UER13.3.實(shí)驗(yàn)原理全橋測(cè)量電路中，將受力性質(zhì)相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)叄煌慕尤豚忂叀Ｒ阎獑螆D12-3電橋電路UO為:R3R3 R4U0圖12-4全橋差動(dòng)電路6全橋電路的E R分別為4竺。根據(jù)戴維南定理可以得出單臂電橋的輸出電壓近似等于R7EKu一. 一.-. . .UOi =-,于是對(duì)應(yīng)全橋的電壓靈敏度為EKuEKu。由此可知，當(dāng)E和電阻相對(duì)變化一定時(shí)，4電橋及電壓

9、靈敏度與各橋臂阻值的大小無(wú)關(guān)。從而靈敏度提高了，非線性誤差和溫度誤差均得到改善。此外，實(shí)驗(yàn)中將交流應(yīng)變信號(hào)用交流電橋來(lái)測(cè)量，橋路輸出的波形為一調(diào)制波， 不能直接顯示其應(yīng)變值，只有通過(guò)移相、相敏檢波和濾波電路后才能得到變化的應(yīng)變信號(hào)，此信號(hào)可以從示波器或用交流電壓表讀得。三、實(shí)驗(yàn)儀器該實(shí)驗(yàn)是在ZY13Sens12SB型傳感器技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的。1. ZY13Sens12SB型傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)ZY13Sens12SB型傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由音頻振蕩器、低頻振蕩器、應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉⑾嗝魴z波器模板、振動(dòng)源、三源板上等組成。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)及面板示意圖如圖12-5所示。圖12-5 ZY13Sens12SB型傳

10、感器技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)2.應(yīng)變式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖應(yīng)變式傳感器主要由應(yīng)變片、彈性體、模板、托盤(pán)、固定墊等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖為 圖12-6。應(yīng)變片應(yīng)變片托盤(pán)托盤(pán)8圖12-6應(yīng)變式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖93.3.實(shí)驗(yàn)連線圖四、實(shí)驗(yàn)步驟1、 模塊上的傳感器不用，改為三源板板上振動(dòng)梁的應(yīng)變片，即臺(tái)面上的應(yīng)變輸出。2、 將臺(tái)面三源板上的應(yīng)變插座用連接線插入應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳稀Ｒ蛘駝?dòng)梁上的四片應(yīng)變片已組成全橋， 引出線為四芯線，因此可直接接入實(shí)驗(yàn)?zāi)０迕嫔弦崖?lián)成電橋的四個(gè)插 孔上。接線時(shí)應(yīng)注意連接線上每個(gè)插頭的意義，對(duì)角線的阻值為350Q ,若二組對(duì)角線阻值均為350 Q則接法正確（萬(wàn)用表測(cè)量）。3、 根據(jù)圖7- 1,接

11、好交流電橋調(diào)平衡電路及系統(tǒng)，R8 RW1 C、RWZ為交流電橋調(diào)平 衡網(wǎng)絡(luò)。檢查接線無(wú)誤后，合上主控臺(tái)電源開(kāi)關(guān)，將音頻振蕩器的頻率調(diào)節(jié)到1KHz左右, 幅度調(diào)節(jié)到10Vp-p，（頻率可用數(shù)顯表Fin監(jiān)測(cè)，幅度用示波器監(jiān)測(cè)）接音顆振蓬器 Lv5KIIz接地O O加熱器Rloo接主控箱電源轉(zhuǎn)出由綠0r L L L _-E RW4 +E芯104、 將低頻振蕩器輸出接入三源板振動(dòng)單元中的低頻輸入插孔， 調(diào)低頻輸出幅度和頻率 使振動(dòng)臺(tái) （圓盤(pán)）明顯感到振動(dòng)。5、固定低頻振蕩器幅度旋鈕位置不變，低頻輸出端接入數(shù)顯單元的F i n,把 數(shù) 顯 表 的切換開(kāi)關(guān)打到頻率檔監(jiān)測(cè)低頻頻率，調(diào)低頻頻率，用示波器讀出頻

12、率改變時(shí)低通濾波器輸出Vo的電壓峰一峰值，填入下表：f (Hz)Vo(P-P)從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得振動(dòng)梁的自振頻率為HZ五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)不用應(yīng)變模塊上的傳感器，用專用的連接線將三源板上的應(yīng)變輸出和模塊上的插孔連 接起來(lái)。應(yīng)變線的接線可參考圖12-6。六、實(shí)驗(yàn)思考題1.分析移相器的工作原理。2.傳感器不受外力作用時(shí)，理論上電橋應(yīng)處于初始平衡狀態(tài)，但實(shí)際測(cè)量時(shí)，電橋總是有 點(diǎn)不平衡，為什么？3.實(shí)驗(yàn)中采用移相、相敏檢波和濾波電路有何作用？ 參考文獻(xiàn)1王化祥.張淑英編著.傳感器原理及應(yīng)用.天津大學(xué)出版社.1999.2第2版19-35.2余成波.胡新宇編著.傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù).高等教育出版社2004.2第1

13、版200-21011實(shí)驗(yàn)二光纖傳感器的位移特性實(shí)驗(yàn)光纖傳感器(FOS(FOS FiberFiber OpticalOptical Sensor)Sensor)是 2020 世紀(jì) 7070 年代中期發(fā)展起來(lái)的 一種基丁光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與 以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別，光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖 作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)，可測(cè)量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流 量、振動(dòng)、溫度、電流、電壓、磁場(chǎng)等物理量。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量光纖傳感器的位 移特性來(lái)，對(duì)熟悉和掌握光纖傳感器十分必要。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.1. 理解光纖傳感器的工作原理；2.2. 理解

14、傳光型光纖傳感器的工作原理；3.3. 了解光纖位移傳感器性能。二、實(shí)驗(yàn)儀器光纖傳感器、光纖傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉?shù)顯單元、測(cè)微頭、直流源、反射面(用 電渦流傳感器的鐵測(cè)片做反射面)等組成，如圖 所示。三、實(shí)驗(yàn)原理傳光型光纖傳感器是由光檢測(cè)元件與光纖傳輸回路及測(cè)量電路所組成的測(cè)量 系統(tǒng)。在傳光型光纖傳感器中光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)， 所以乂稱為結(jié)構(gòu)型或非 功能型光纖傳感器。光纖僅僅起傳輸光信號(hào)的光學(xué)通路的作用，被測(cè)參數(shù)均在光 纖之外，由外置敏感元件調(diào)制到光信號(hào)中去。光纖位移光纖位移-反射面反射面?zhèn)鞲衅鱾鞲衅髂０迥０?測(cè)量架測(cè)量架 測(cè)微頭測(cè)微頭圖 1 1 實(shí)驗(yàn)儀器圖12傳光型傳感器乂叫結(jié)構(gòu)型光纖傳感器，或

15、者非功能型光纖傳感器，在這類傳 感器中，光纖的作用只是傳輸光，需要加上其他敏感元件，才能構(gòu)成完整的傳感 器，為了得到較大受光量和傳輸?shù)墓夤β剩?傳光型光纖傳感器通常采用豎直孔徑 和大的階躍型多模光纖，它的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，并且能夠充分利用光電元件和光纖 本身的特點(diǎn)，應(yīng)用比較廣，它的缺點(diǎn)是靈敏度比傳感型光纖傳感器要低，測(cè)量精度也較差。案例：光纖位移傳感器上圖所示為反射式光纖位移傳感器，這種類型的傳感器將發(fā)射光纖和接收光 纖綁在一起，從發(fā)射光纖發(fā)射出的光經(jīng)被測(cè)物體表面直接或者間接反射后，再經(jīng)接收光纖照射到光敏元件上，光敏元件所接收到的光亮?xí)S被測(cè)物體表面與傳感 器端面的相對(duì)位移的變化而變化。那么相對(duì)光

16、強(qiáng)和相對(duì)位移之間的關(guān)系如下圖所 示。從圖上我們可以看出，當(dāng) d d 很小的時(shí)候，接收到的光亮也很小，隨著物體與 光纖端面 d d的增大，接收到的光亮隨著增加，到達(dá)某一值后，接收到的光亮由最 大隨著 d d 的增大開(kāi)始減小，圖中曲線的 A A 段，也就是光強(qiáng)由 0 0 到最大這段區(qū)間內(nèi)，傳感器所測(cè)位移較小，靈敏度高、適用與測(cè)量微米級(jí)的微小位移、震動(dòng)或者是材 料表面狀態(tài)等；那么曲線中的 B B 段，所測(cè)位移較大，但靈敏度低。本實(shí)驗(yàn)采用的是傳光型光纖，它由兩束光纖混合后，組成 Y Y 型光纖，半園分 布即雙 D D型一束光纖端部與光源相接發(fā)射光束，另一束端部與光電轉(zhuǎn)換器相接接13收光束。兩光束混合后

17、的端部是工作端亦稱探頭，它與被測(cè)體相距X,X,由光源發(fā)出的光纖傳到端部出射后再經(jīng)被測(cè)體反射回來(lái)， 另一束光纖接收光信號(hào)由光電轉(zhuǎn) 換器轉(zhuǎn)換成電量，而光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的電量大小與間距 X X 有關(guān)，因此可用丁測(cè)量 位移。五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1 1、實(shí)驗(yàn)時(shí)注意光纖探頭與反射面保持平行，調(diào)整光纖探頭使其位丁反射面 的圓心上。2 2、 實(shí)驗(yàn)前應(yīng)用紙巾擦拭反射面，以保證反射效果。六、實(shí)驗(yàn)步驟1 1、根據(jù)圖 9-19-1 安裝光纖位移傳感器，二束光纖插入實(shí)驗(yàn)板上的座孔上。 其 內(nèi)部已和發(fā)光管 D D 及光電轉(zhuǎn)換管 T T 相接。圖9- 1光纖傳感器安裝示意圖2、將光纖實(shí)驗(yàn)?zāi)０遢敵龆薞O1與數(shù)顯單元相連，見(jiàn)圖9 -

18、 2。圖9-2光纖傳感器位移實(shí)驗(yàn)接線圖3、調(diào)節(jié)測(cè)微頭，使探頭與反射面圓平板接觸。4、 實(shí)驗(yàn)?zāi)０褰尤胪?5V電源，合上主控臺(tái)電源開(kāi)關(guān)，調(diào)RW使數(shù)顯表顯示值最小，然后微調(diào)測(cè)微頭使數(shù)顯表顯示為0.000（電壓選擇置2V檔）。5、 旋轉(zhuǎn)測(cè)微頭，被測(cè)體離開(kāi)探頭，每隔0.05mm讀出數(shù)顯表值，將其填入下表：X(mm)V(v)6、根據(jù)上表數(shù)據(jù)，作光纖位移傳感器的位移一一輸出曲線圖。計(jì)算在量程1mm時(shí)靈敏度和非線性誤差。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告二十五，詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的原始記錄（數(shù)據(jù)、圖表、波形等）并結(jié)合原始記錄進(jìn)一步理解實(shí)驗(yàn)原理。八、實(shí)驗(yàn)思考題接主控箱電源輸出接主控箱數(shù)報(bào)表14根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟（6

19、）中的光纖位移傳感器的位移一一輸出曲線圖，分析其原理。實(shí)驗(yàn)三機(jī)械手接近覺(jué)實(shí)驗(yàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)描述了機(jī)器人關(guān)節(jié)與組成機(jī)器人的各剛體之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。主要包括機(jī)器人末端手的位姿分析、 速度分析、加速度分析等。當(dāng)已知所有關(guān)節(jié)變 量時(shí)，可用正運(yùn)動(dòng)學(xué)來(lái)確定機(jī)器人末端手的位姿。如果要使機(jī)器人末端手放在特 定的點(diǎn)上并且具有特定的姿態(tài)，可用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)來(lái)計(jì)算出每一關(guān)節(jié)變量的值， 以此 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析、離線編程、軌跡規(guī)劃等工作。機(jī)械手是應(yīng)用計(jì)算 機(jī)控制技術(shù)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)裝置是一種具有接近覺(jué)、接觸覺(jué)、滑動(dòng)覺(jué)、力覺(jué)、熱覺(jué)等五種感覺(jué)的兩自由度智能機(jī)械手， 所有感覺(jué)集中于手爪部位，通過(guò)手 爪對(duì)模擬工件的操作，實(shí)

20、現(xiàn)感覺(jué)信息的測(cè)量。在該實(shí)驗(yàn)裝置上，可單獨(dú)完成以下 機(jī)器人感覺(jué)實(shí)驗(yàn)：-接近覺(jué)實(shí)驗(yàn)-接觸覺(jué)實(shí)驗(yàn)-滑動(dòng)覺(jué)實(shí)驗(yàn)-力覺(jué)實(shí)驗(yàn)-熱覺(jué)實(shí)驗(yàn)-示教和再現(xiàn)操作（工作方式類同于一般示教再現(xiàn)機(jī)器人）-自適應(yīng)抓取實(shí)驗(yàn)（抓取雞蛋、玻璃瓶等易碎物）-多信息融合算法實(shí)踐作為實(shí)驗(yàn)裝置，它使學(xué)生直接面對(duì)科學(xué)研究前沿，除多個(gè)實(shí)驗(yàn)可做生動(dòng)的演 示外，在15信息處理部分可以融入自己的算法思想。 在技術(shù)上，它具有控制方式靈 活、人機(jī)界面友好、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開(kāi)放等特點(diǎn)。可作為“機(jī)械制造及其自動(dòng)化”“自動(dòng)化”、“電子信息工程”等本科專業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)裝置，也可 用作相關(guān)專業(yè)研究生實(shí)踐及研究開(kāi)發(fā)平臺(tái)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置由機(jī)械手本體、控制器、計(jì)算

21、機(jī)等三部分組成，系統(tǒng)組成示 意圖如圖0-10-1 所示。機(jī)械手本體由多感覺(jué)手爪（其中力傳感器裝在腕部）、升降筒、支撐力柱和 底座工作平臺(tái)等組成，手爪的張開(kāi)與閉合及手臂的升降均由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。手爪為絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，帶動(dòng)一平移夾持機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手爪開(kāi)合。 升降是滾珠絲杠傳動(dòng)，螺 母與升降筒固定在一起，由直線導(dǎo)軌保持其運(yùn)動(dòng)精度。控制器由控制面板（含液晶顯示）、傳感器信號(hào)處理板、機(jī)械手控制板、電 機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直流電源等組成。控制面板（含液晶顯示）是人機(jī)界面，由按鍵輸入， 液晶輸出。傳感器信號(hào)處理板完成各種感覺(jué)信息的模擬信號(hào)處理，分別輸出到 PCPC 機(jī)和機(jī)械手控制板。機(jī)械手控制板包括感覺(jué)信號(hào)的A/DA/D 轉(zhuǎn)換

22、、鍵盤(pán)輸入處理 和各種實(shí)驗(yàn)功能的實(shí)現(xiàn)（含手爪及升降電機(jī)的控制）。16計(jì)算機(jī)是各種感覺(jué)信息的演示界面，用 LABVIELABVIE 姒件開(kāi)發(fā)，能用多個(gè)窗口觀 察各個(gè)感覺(jué)信息的實(shí)時(shí)變化，并進(jìn)行多感覺(jué)信息融合算法的實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)主菜單界面首先將介紹具體的軟件運(yùn)行界面，以及菜單的使用方法。在打開(kāi)多感覺(jué)機(jī)械手實(shí)驗(yàn)裝置軟件后，將直接彈出如圖 0-20-2 所示的實(shí)驗(yàn)菜單界面：17圖0-2實(shí)驗(yàn)菜單界面由圖 0-20-2 可知，實(shí)驗(yàn)菜單界面主要由標(biāo)題框和菜單框組成。 其中菜單框共包 含 7 7 個(gè)菜單項(xiàng)，每個(gè)菜單項(xiàng)分別是一個(gè)實(shí)驗(yàn)的入口， 要進(jìn)入某個(gè)實(shí)驗(yàn)只需單擊相 應(yīng)的菜單項(xiàng)，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以提供的實(shí)驗(yàn)分別是：1.1

23、. 自適應(yīng)抓取實(shí)驗(yàn)在自適應(yīng)抓取實(shí)驗(yàn)中，將完成同時(shí)對(duì) 4 4 個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集并顯示數(shù)據(jù)的波 形，而且可以實(shí)現(xiàn)將某個(gè)傳感器信號(hào)窗口進(jìn)行放大觀察的功能。2.2. 未知材料特征值提取實(shí)驗(yàn)在未知材料特征提取實(shí)驗(yàn)中主要完成對(duì)未知材料的力覺(jué)特征和熱覺(jué)特征的 提取，并且提供一組參數(shù)，這些參數(shù)將在后續(xù)的多信息融合實(shí)驗(yàn)中用來(lái)判斷機(jī)械 手所抓取的工件的材質(zhì)。3.3. 多信息融合實(shí)驗(yàn)在多信息融合實(shí)驗(yàn)中將使用未知材料特征提取實(shí)驗(yàn)中所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處 理和判斷，并給出機(jī)械手所抓物體屆丁某種材料的概率。4.4. 接近覺(jué)實(shí)驗(yàn)在接近覺(jué)實(shí)驗(yàn)中，將實(shí)現(xiàn)對(duì)單一的接近覺(jué)傳感器信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和分析。5.5. 觸滑覺(jué)實(shí)驗(yàn)18在觸滑覺(jué)實(shí)

24、驗(yàn)中，將實(shí)現(xiàn)對(duì)單一的觸滑覺(jué)傳感器信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和分析。6.6.力覺(jué)實(shí)驗(yàn)在力覺(jué)實(shí)驗(yàn)中，將實(shí)現(xiàn)對(duì)單一的力覺(jué)傳感器信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和分析。7.7.熱覺(jué)實(shí)驗(yàn)在熱覺(jué)實(shí)驗(yàn)中，將實(shí)現(xiàn)對(duì)單一的熱覺(jué)傳感器信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和分析。在完成實(shí)驗(yàn)以后要退出實(shí)驗(yàn)菜單，可按下實(shí)驗(yàn)菜單界面的最下方的退出鍵，如果要重新開(kāi)始運(yùn)行，可以點(diǎn)擊位丁 windowsXwindowsX 具欄上的空箭頭按鈕（如圖 0-30-3 所示），它將再次啟動(dòng)程序。FileFile EditEdit OperateOperate ToolsTools WindowWindow HelpHelp重新開(kāi)始按鈕 -有刃瑟圖0-3實(shí)驗(yàn)菜單界面注意：除了可以在實(shí)驗(yàn)菜

25、單中手工的選擇做某個(gè)實(shí)驗(yàn)，也可以由控制箱選擇作某 個(gè)實(shí)驗(yàn)，即在控制箱上通過(guò)按鍵選擇作何種實(shí)驗(yàn)，可以通過(guò)單片機(jī)和計(jì)算機(jī)的 通信可以實(shí)現(xiàn)軟件自動(dòng)選擇作的實(shí)驗(yàn)。為了讓軟件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的選擇，必須 確保從控制箱的申行通信線正確的接到計(jì)算機(jī)的COMCOM 1 1 口。假如申行通信線未成功連接，計(jì)算機(jī)將需要手工的選擇作何種實(shí)驗(yàn)，即通過(guò)菜單上的按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn) 實(shí)驗(yàn)的選擇。實(shí)驗(yàn)一機(jī)械手操作實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解機(jī)械手的控制結(jié)構(gòu)和示教方式；2.二、實(shí)驗(yàn)裝置多感覺(jué)機(jī)械手實(shí)驗(yàn)裝置三、實(shí)驗(yàn)原理機(jī)械手控制結(jié)構(gòu)（框圖）如圖1-1所示。19感覺(jué)信息模擬輸入- ZW8155接口IADC0809飛-89c55單片機(jī)輸出脈沖頻率信

26、號(hào)控制乎進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角及速度=8253接口圖1-1多感覺(jué)機(jī)械手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖中，8155接口負(fù)責(zé)機(jī)械手張開(kāi)極限和升降極限位置的I/O檢測(cè)、對(duì)液晶的輸出顯示控制；ADC0809完成對(duì)各種感覺(jué)信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換并輸入到計(jì)算機(jī)；2864芯片用于存儲(chǔ)各個(gè)實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，兩塊8253完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)輸出及其計(jì)數(shù)。圖1-2控制器面板機(jī)械手示教工作：在示教工作模式下，利用面板（圖1-2）上的相應(yīng)鍵操縱手臂、手爪，使之完成預(yù)期的軌跡。操作者可通過(guò)液晶顯示了解當(dāng)前工作區(qū)位置、示教內(nèi)容（工作點(diǎn)數(shù)）、當(dāng)前機(jī)械手位置等信息。示教模式工作流程如圖1-3示:2864數(shù)據(jù)存輸出脈沖個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)8253接口THKT燮多感

27、覺(jué)虞喉機(jī)被羅20圖1-3示教工作流程四、操作步驟：1.熟悉操作面板，通過(guò)面板上的“模式”按鈕選擇示教工作模式，顯示如下:Mode : TEACH2.按確認(rèn)鍵，進(jìn)入示教模式，顯示如下：Mode : TEACH A 00 A : 2AF0 G : 0000其中A-00表明當(dāng)前工作區(qū)為A區(qū)（可通過(guò)工作區(qū)鍵切換至B、G D區(qū)），目前無(wú) 工作點(diǎn)數(shù)（00）,工作點(diǎn)最大可保存60點(diǎn)，不能超出；A: 2AF0表明手臂當(dāng)前位置；G: 0000表明手爪當(dāng)前位置。3.示教過(guò)程中可以利用手爪的開(kāi)、合，手臂的升、降點(diǎn)動(dòng)和連續(xù)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)任務(wù)。如：手臂上升到指定位置后，顯示:Mode : TEACHA 00 A : 20A0

28、 G : 0000按下“記憶”鍵，系統(tǒng)將機(jī)械手此運(yùn)動(dòng)過(guò)程保存下來(lái)供再現(xiàn)使用，顯示如下:Mode : TEACHA 00DOWN !Mode : TEACHA 01 A: 20A0 G : 000021此時(shí)，表明系統(tǒng)已完成記憶工作，可繼續(xù)進(jìn)行示教工作。4.在示教模式下，若想刪除該工作區(qū)中的記憶內(nèi)容，利用“刪除”鍵實(shí)現(xiàn)。該功能鍵按下后，將當(dāng)前示教區(qū)最后一個(gè)示教工作點(diǎn)刪除，如此反復(fù)操作，可刪除當(dāng)前示教區(qū)所有工作點(diǎn)，以備新的示教程序使用。顯示如下：5.當(dāng)示教完成后，利用“模式”選擇鍵切換到再現(xiàn)模式下，顯示如下:Mode : PALYBACKA 06表明當(dāng)前再現(xiàn)任務(wù)工作區(qū)為A區(qū)，工作區(qū)示教點(diǎn)數(shù)為6。6.

29、按下“確認(rèn)”鍵后機(jī)械手將先執(zhí)行回原點(diǎn)（尋找絕對(duì)原點(diǎn)）操作，然后按照示 教順序完成示教任務(wù)。顯示如下：Mode : PALYBACKA 06 STEP 01STEJ 01表明當(dāng)前機(jī)械手正在完成第一個(gè)示教點(diǎn)的工作任務(wù),04、05、06,然后停止。再次按下“確認(rèn)”鍵后重復(fù)上述操作過(guò)程。實(shí)驗(yàn)二接近覺(jué)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私鈾C(jī)器人接近覺(jué)的工作原理。然后依次是02、03、22、實(shí)驗(yàn)裝置多感覺(jué)機(jī)械手實(shí)驗(yàn)裝置；PCI6024E采集卡；計(jì)算機(jī)23機(jī)械手控制結(jié)構(gòu)(框圖)如圖1-1所示。89c55單片機(jī)輸出脈沖個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)8253接口 二8253接 口圖1-1多感覺(jué)機(jī)械手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖中，8155接口負(fù)責(zé)機(jī)械手張開(kāi)極

30、限和升降極限位置的I/O檢測(cè)、對(duì)液晶的輸出顯示控制；ADC0809完成對(duì)各種感覺(jué)信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換并輸入到計(jì)算機(jī)；2864芯片用于存儲(chǔ)各個(gè)實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，兩塊8253完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)輸出及其計(jì)數(shù)。圖1-2控制器面板三、實(shí)驗(yàn)原理接近覺(jué)采用紅外反射光強(qiáng)法，其工作原理如下。紅外反射光強(qiáng)法接近覺(jué)的測(cè)量原理， 如圖 2-12-1 所示。由紅外發(fā)光管發(fā)射經(jīng)過(guò) 調(diào)制的信號(hào)，紅外光敏管接收經(jīng)目標(biāo)物反射的紅外調(diào)制信號(hào)， 環(huán)境紅外光干擾的 消除由信號(hào)調(diào)制和專用紅外濾光片保證。設(shè)輸出信號(hào) V V0ut代表反射光強(qiáng)，貝uV Vout是探頭至工件間距離 X X 的函數(shù)：V Vout=f(x=f(x , , p)p)

31、式中 p p 表示工件的反射系數(shù)。當(dāng)工件為 p p 值一致的物體時(shí)，X X 和 V Vout-對(duì)應(yīng)。典型的響應(yīng)為非線性曲線，如圖 2-22-2 所示，X X 距離的推算根據(jù)預(yù)先對(duì)各種目標(biāo)物的接近覺(jué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)8155接口感覺(jué)信息模擬輸入ADC08092864數(shù)據(jù)存WA輸出脈沖頻率信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角及速度THKT型3感覺(jué)實(shí)野機(jī)戡手發(fā)射A插值得到。反射系數(shù) p p 與目標(biāo)物表面顏色、粗糙度等有關(guān)，當(dāng)目標(biāo)物顏色較深、接近黑 色或透明時(shí)，反射光很弱。若以輸出信號(hào)達(dá)到某一閾值作為“接近”時(shí)，則對(duì)不 同目標(biāo)物，因其表面的顏色和粗糙度是不同，“接近”的距離是不同的。紅外光強(qiáng)法接近覺(jué)對(duì)大多數(shù)目標(biāo)物是能找

32、到 “接近”感覺(jué)的，所以這一并不十分精確的 簡(jiǎn)單測(cè)距系統(tǒng)用做機(jī)器人的接近覺(jué)是完全能夠勝任的。接近覺(jué)信號(hào)處理電路分為發(fā)射部分和接收部分。信號(hào)調(diào)制與發(fā)射部分采用方 波調(diào)制，電路見(jiàn)圖 2-32-3 , ,調(diào)制信號(hào)（方波）由 NE555TNE555T 生，其調(diào)制頻率由 R1R1、R2R2、C2C2 確定，改變電阻 R2R2 可改變占空比。調(diào)制頻率約為 500Hz500Hz。圖中虛線框?yàn)榻咏?傳感器的紅外發(fā)光管部分。X圖2-1紅外光強(qiáng)法接近覺(jué)原理圖2-2接近覺(jué)響應(yīng)曲線圖2-3接近覺(jué)信號(hào)調(diào)制與發(fā)射圖2-4接近覺(jué)信號(hào)接收與解調(diào)信號(hào)接收及解調(diào)電路如圖2-4所示，虛線框中為紅外光敏三極管。圖中第一級(jí)用于檢測(cè)所接

33、收的紅外光強(qiáng)度，電路中C3起直流隔離作用，抑制環(huán)境噪聲（環(huán)境光）的影響，后續(xù)電路由模擬開(kāi)關(guān)和運(yùn)放組成的混合電路實(shí)現(xiàn)解調(diào)功能。IC5A, IC5C為雙向模擬開(kāi)關(guān)，控制信號(hào)由圖中G D提供，控制邏輯相反。在正負(fù)半周分別控制不同的電路接入IC4B運(yùn)放，使正負(fù)對(duì)稱的方波在輸出時(shí)變?yōu)槠浣^對(duì)值，經(jīng)低通濾波完成輸出直流信號(hào)與接近距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系。解調(diào)過(guò)程波形分析如圖2-5所示。四、操作步驟:1.1. 將多感覺(jué)機(jī)械手實(shí)驗(yàn)裝置與上位機(jī)通過(guò)采集卡聯(lián)接2.2. 控制箱操作。熟悉操作面板，選擇接近覺(jué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑@示如下：Mode : PROXIMITY圖2-5接近覺(jué)信號(hào)解調(diào)過(guò)程波形通過(guò)手臂“上升”、“下降”鍵和手爪“張開(kāi)”、“合攏”鍵將機(jī)械手調(diào)整至合 適的實(shí)驗(yàn)位置，也即是手爪正常合攏可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的抓取， 然后利用“模 式”鍵選擇接近覺(jué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑聪隆按_認(rèn)”鍵后，機(jī)械手將自動(dòng)完成接近覺(jué)的實(shí) 驗(yàn)內(nèi)容。具體順序是：機(jī)械手先回到準(zhǔn)備位置一