机器人的眼睛和大脑--智能化光电传感器

在复杂环境中工作的机器人必须满足这样的先决条件：能够利用传感器对周围环境进行识别，具有一定的“学习”和“自我调节”能力。在市场上，有着各种依靠图像监控或力的检测来控制机器人的传感器，但是仍缺乏“滑移”传感器，即能够对机器人的手指与被握物体之间的相对运动进行在线检测和补偿的传感器。

建议您采用的大多数解决方案都是基于切向力或者摩擦力检测为基础的。即利用接触传感器对接触时的切向力大小进行检测或者利用摩擦振动加速传感器对相对位移间接进行检测和估计。而迄今为止常见的传感器还无法对相对滑移速度进行直接的检测。较高的研发费用是一直没有成功实现相对滑移直接检测技术工业化应用的主要原因。

与现在建议使用的方案不同，在IITB霍伦霍夫研究所中研发成功的光学传感器能够直接对相对滑移进行检测。结合接触力检测传感器可以满足要求极高的智能化机器人方案。在这个方案中，能够经济合理的使用光学传感器，由于其结构紧凑可以很好的集成在机械和机床设备中。

这种方案的应用领域非常广泛，但是目前主要集中在下列两个领域中：

（1）依靠力量进行可靠夹持和操纵的易碎工件；

（2）无定位或者可移动工件的表面擦洗和磨削。

工作原理

光电滑移传感器的工作原理类似光电鼠标。与机器人手指接触的物体表面被发光二极管或激光二极管发出的光线照射着，由被照射物体表面反射回来的光线经透镜折射后进入传感器芯片中的微型摄像机中（图1）。摄取的图像作为灰度等级图片进入传感器芯片中的DSP数字信号处理器，并在这个微处理器中首次被转换成速度信号。最后，再根据这些速度信号计算出滑移数据（△x和△y值）。

速度计算过程中使用的计算语言是光流语言，计算量较小。作为光流（Optical Flow）实际上是一个矢量场，它能够表示每一个图片、像素，图像顺2D运动方向和速度的矢量场。

光电传感器的检测功能是以图像处理为基础。传感器必须能够接收10000帧/s，最大空间清晰度为3200采样精度（fps）的图片。不仅是拍摄速度，其清晰度也远远高于大多数接触力式传感器。

这种高清晰度滑移传感器可检测：

（1）物体的材料和表面结构；
（2）至被测物体表面的间距；
（3）传感器与被测物体之间的非线性相对速度（图2）。

这种非线性关系的确定是依靠引入的逆元模块来实现的。模块的参数是按照被测物体精确予以设置的，在检测未知物体表面时，也可通过模块自动计量校定功能完成非线性关系的检测。

由于它具有在机器人与被测物体之间检测相对滑移速度的功能，因此这种滑移传感器主要用于自动化清洗和磨削生产。通过检测到的材料的非线性特性曲线，可以自动识别不同的表面结构，最终评定材料的种类。通过自动的计量校定方法，利用检测到的非线性特性曲线，还可以对未知物体的材料做出判别。在结合使用力—扭矩传感器之后，还可以对动态的力—滑移情况进行检测、调节和控制，最终得到所希望的恒定握持接触力和清洗速度，保证能够在弧形的物体表面进行清洗。从而省略了复杂的工件定位操作，使得需要清洗或磨削的工件由人来握持，甚至工人还可以在清洗、磨削过程中移动。

图3 没有定位固定甚至移动物体的清洗或者磨削

快速、简便的完成空间固定坐标系中工件不运动时的局部轨迹编程是现代机器人编程技术中的难点，通常在机器人的轨迹编程中要付出很大的努力。而采用这种技术后能够自动识别工件的轮廓，从而实现工件表面的自动化加工。

在IITB霍伦霍夫研究所中，专门进行了一次实际应用的试验，实现了机器人在磨削时的工件表面压紧力保持恒定的局部轨迹编程。在进行该工件的表面磨削时，工件没有采取任何方式的装夹固定，是由一个操作人员或一个机器人“拿”在手中。所使用的滑移传感器的图像摄像速率达到2300fps，采样精度达400帧/s，传感器的外廓尺寸为35mm×75mm×6mm，外壳直径100mm。

在依靠压紧力和滑移调节的传感器控制效果试验中，对没有装夹固定的工件在不同加工速度和运动速度的情况下，对表面加工精度进行了详细的研究。在图4所示的检测曲线中，板件为蛇行运动，轨迹速度为300mm/s。在磨削加工过程中，工件的运动速度为37.5mm/s，加速度为30mm/s2。尽管工件的运动为一种干扰性很强的蛇行运动，但是它所引起的工件加工误差相当小。试验结果表明轨迹误差相当于实际运动的1％左右。

可靠抓取平滑表面

在工业生产和家用电气领域中，机器人和机械手在抓取有着光滑表面的易碎物品时往往会遇到很多的难题。一方面，要求机器人的手指有足够的抓取力，保证被抓取的物品不会脱落；另一方面，又要求抓取力不能太大，不至于把被抓取的物品挤碎。对于易碎物品（例如玻璃管、试验玻璃杯等），当抓取时用力太大会被夹碎。既要防滑使物体不会自行脱落，又要可靠的抓住摩擦系数未知的物品，这只有在机器人能够智能化的控制滑移和调节加紧力时才能实现。

IITB霍伦霍夫研究所利用他们的光电传感器和Schunk公司生产的PG070标准机械手（图5）首次成功的完成了满足上述要求的试验。机械手的手指中安装了Weiss Roborics公司研发生产的Array DAS 9205接触式传感器，在其另一个手指中安装的是检测滑移的光电传感器。该光电传感器的拍摄速度为1500fps，清晰度为每英寸300采样单位，外形尺寸为23mm×60mm×6mm。滑移光电传感器的第一次实际试验获得了理想的结果，保证其能可靠、无损伤的“拿”住塑性和陶瓷物体。即使是在负载和摩擦系数变动时也可以可靠的完成任务。

图5 集成有滑移传感器的双指机械手，a手指中安装的是滑移传感器，
b手指中安装的是接触式Array传感器

总结IITB霍伦霍夫研究所的发明成果可以确定，他们研发成功的滑移传感器开启了智能化机器人研发生产的大门，解决了迄今为止工业化生产和装配过程中，实验室自动化和伺服机器人中长期以来一直没有解决的难题。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，应用前景十分广阔。这种滑移传感器可以经济的大批量生产，其结构紧凑的外形可以使它方便的集成在复杂的机械机构中