第5章 機器人傳感器

1、第第5 5章章 機器人傳感器機器人傳感器 第一代機器人：不具有感知和反饋，示教再現(xiàn)型 第二代機器人：對外界環(huán)境有一定感知能力，具有 視覺、觸覺、聽覺等功能。 第三代機器人：智能機器人，具有感覺能力，有記 憶、推理和決策的能力，有與外部世界對象、 環(huán)境和人相適應、相協(xié)調(diào)的工作機能。 為了檢測作業(yè)對象、環(huán)境或機器人與它們的關系， 在機器人上安裝了觸覺、視覺、力覺、接近覺、超 聲波等傳感器，進行定位和控制，實現(xiàn)類似人類感 知作用。 機器人傳感器是指機器人對內(nèi)外部環(huán)境感知的物理 量變換為電量輸出的裝置。 機器人傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。 機器人的內(nèi)部傳感器是安裝在機器人自身中,用 來感知它自己

2、的狀態(tài)，以調(diào)整并控制機器人的 行動。它通常由位置、加速度、速度及壓力傳 感器組成。 機器人的外部傳感器是檢測環(huán)境、目標的狀態(tài) 特征，使機器人-環(huán)境發(fā)生交互作用，從而使 機器人對環(huán)境有自校正和自適應能力。 類型：包括觸覺傳感器、視覺傳感器、接近覺 傳感器、聽覺傳感器等。 機器人機器人 內(nèi)傳感器用于測量 機器人自身狀態(tài) 測量與機器人作業(yè)有 關的外部環(huán)境 多指協(xié)調(diào)控制多指協(xié)調(diào)控制 抓取規(guī)劃抓取規(guī)劃 多指多關節(jié)多指多關節(jié) 靈巧機械手靈巧機械手 三個手指三個手指 3個關節(jié)個關節(jié) 電電 機機 角度傳感器角度傳感器 復合觸覺傳感器復合觸覺傳感器 通過從結(jié)構(gòu)與功能上模仿人手，實現(xiàn)對各種形 狀物體的靈巧操作，精

3、確的力控制與運動控制 傳感器在機器人身上分布傳感器在機器人身上分布 5.1 5.1 機器人內(nèi)部傳感器機器人內(nèi)部傳感器 機器人內(nèi)傳感器包括位移（位置）傳感器、速 度、加速度傳感器等。 一、位置傳感器 1.電位器式位移傳感器 直線電位器和圓形電位器，用作直線位移和角 位移傳感器。 電位器式位移傳感器結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠， 精度高，較方便地選擇其輸出信號范圍。 電位器式位移傳感器的可動電刷與被測物體相 連。物體的位移引起電位器移動端的電阻變化。 阻值的變化量反映了位移的量值，阻值的增加 還是減小則表明了位移的方向。 電位器式位移傳感器位移和電壓關系： E：輸入電壓 L：觸頭最大移動距離 X：向左端

4、移動的距離 e：電阻右側(cè)的輸出電壓 E EeL)2( 旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器 直線型電位器式位移傳感器 2. 編碼式位移傳感器 光電編碼器 光電編碼器是角度（角速度）檢測裝置，通過光電 轉(zhuǎn)換，將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù) 字量的傳感器。具有體積小，精度高，工作可靠等 優(yōu)點，應用廣泛。 一般裝在機器人各關節(jié)的轉(zhuǎn)軸上，用來測量各關節(jié) 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度。 光電編碼器由光柵盤和光電檢測裝置組成。 常見的光電編碼器由光柵盤，發(fā)光元件和光敏元件 組成。 光電碼盤隨電動機轉(zhuǎn)動，輸出脈沖信號。根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向用 計數(shù)器對輸出脈沖計數(shù)就能確定電動機的位移或轉(zhuǎn)速。 根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，分為增量式、

5、絕對式以 及混合式三種。 透明圓盤上設置n條同心圓環(huán)，對環(huán)帶進行二進制編碼。 16 碼道 每個碼道上 黑（不透光）二進制數(shù)的1 白（透光），二進制數(shù)的0 碼道沿徑向具有不同的二進制值。 碼盤轉(zhuǎn)動，光電元件接受光信號， 并轉(zhuǎn)成相應的數(shù)字電信號。 增量式編碼器 二、速度傳感器 速度傳感器：測量機器人關節(jié)速度。 測速發(fā)電機、增量光電編碼器。 測速發(fā)電機：把機械轉(zhuǎn)速變換成電壓信號，輸出 電壓與輸入的轉(zhuǎn)速成正比。 u = K*n K是常數(shù) 直流測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)原理 1永久磁鐵；2轉(zhuǎn)子線圈；3電刷；4整流子 測速發(fā)電機轉(zhuǎn)子與機器人關節(jié)伺服驅(qū)動電動機相 連，就能測出機器人運動過程中關節(jié)轉(zhuǎn)動速度。 測速發(fā)電機

6、在機器人控制系統(tǒng)中有廣泛的應用。 直流測速發(fā)電機 5.2 機器人外部傳感器 外部傳感器用來檢測機器人所處環(huán)境及目標狀 況，從而使得機器人能夠與環(huán)境發(fā)生交互作用 并對環(huán)境具有自我校正和適應能力。 如：是什么物體，離物體的距離有多遠，抓取 的物體是否滑落等。 廣義來看，機器人外部傳感器就是具有人類五 官的感知能力的傳感器。 外力沿壓電材料特定晶向作用使晶體產(chǎn)生形變，在相應的晶 面上將產(chǎn)生電荷，去掉外力后壓電材料又重回不帶電狀態(tài)， 這種由外力作用產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象叫正壓電效應。 逆壓電效應：壓電效應是可逆的。在壓電材料特定晶向施加 電場時，不僅有極化現(xiàn)象發(fā)生，還特產(chǎn)生機械形變。去掉電 場，應力和形變也

7、隨之消失，這種現(xiàn)象稱作逆壓電效應。 半導體材料受到外力作用時電阻率會發(fā)生變化。原因是外力 作用使原子點陣排列發(fā)生變化，晶格間距的改變使禁帶寬度 變化，導致載流子遷移率及濃度變化，即電阻率發(fā)生變化。 壓阻效應壓阻效應 壓電效應壓電效應 物質(zhì)在光照作用下釋放電子的現(xiàn)象稱為光電效應，釋放的電 子叫光電子，光電子在外電場作用下形成的電流叫光電流。 由實驗發(fā)現(xiàn)的光電效應的規(guī)律是光電流大小與入射光頻率有 關，當入射光頻率低于某一極限頻率時，將不產(chǎn)生光電效應。 只有當入射光頻率高于極限額串時，光電流的大小才與入射 光強度成正比。 在既無外電場也無外力作用時，電石、水品等晶體材料受溫 度變化的影響，其品格的原

8、子排列發(fā)生變化，也能產(chǎn)生自發(fā) 極化。這是由于當環(huán)境溫度變化時，晶體的熱膨脹和熱振動 狀態(tài)發(fā)生變化，在晶面上將產(chǎn)生電荷，表現(xiàn)出自發(fā)極化現(xiàn)象， 稱作熱釋電效應。 熱釋電效應熱釋電效應 光電效應光電效應 一、力覺傳感器一、力覺傳感器 力覺是指對機器人的指、肢和關節(jié)等運動中所受 力的感知。 主要包括腕力、關節(jié)力、指力和支座力傳感器， 是機器人重要的傳感器之一。 關節(jié)力傳感器:測量驅(qū)動器本身的輸出力和力矩， 用于控制中的力反饋。 腕力傳感器：測量作用在末端執(zhí)行器上的各向力 和力矩。 指力傳感器：測量夾持物體手指的受力情況。 力覺傳感器主要使用的元件是電阻應變片。 1 13172 21253 323436

9、384 44485 52566 616365677 8 000000 000000 0000 000000 000000 0000 x y z x y z W kkWF kkWF kkkkWF kkWM kkWM kkkkWM W F 六維腕力傳感器 具有八個窄長的彈性梁，每個梁只傳遞力。 梁的另一頭貼有應變片。圖中從Px+到Qy-代表了8根應 變梁的變形信號的輸出。 日本大和制衡株式會社林純一研制的腕力傳感器。 整體輪輻式結(jié)構(gòu)，傳感器在十字梁與輪緣聯(lián)結(jié)處 有一個柔性環(huán)節(jié)，在四根交叉梁上共貼有32個應 變片（圖中小方塊），組成8路全橋輸出 。 十字梁腕力傳感器十字梁腕力傳感器 二、接近覺傳感器

10、 接近覺傳感器：感知傳感器與物體之間接近程度。 主要有兩個用途：避障和防止沖擊。 移動機器人繞開障礙物 機械手抓取物體時柔性接觸 探測的距離一般在幾毫米到十幾厘米之間。 一般采用非接觸型測量元件。 常用有電渦流式、光纖式、超聲波式及紅外線式等 類型。 1.電渦流式傳感器 變化的磁場將在金屬體內(nèi)產(chǎn) 生感應電渦流。 渦流的大小隨金屬體表面與 線圈的距離大小而變化。 當電感線圈內(nèi)通以高頻電流 時，金屬體表面的渦流電流 反作用于線圈L，改變L內(nèi)的 電感大小。 通過檢測電感便可獲得線圈 與金屬體表面的距離信息。 2.光纖式傳感器 光纖在遠距離通信和遙測方面應用廣泛。 光纖接近覺傳感器可以檢測較遠距離的目

11、標。 具有抗電磁干擾能力強，靈敏度高，響應快的 特點。 只能檢測出不透明物體只能檢測出不透明物體 可檢測透光和不透光材料可檢測透光和不透光材料 可檢測透光或半透光物體可檢測透光或半透光物體 3. 超聲波接近覺傳感器 檢測物體的存在和測量距離，不能用于測量小于 30至50cm的距離。 利用超聲波檢測迅速、簡單方便、對材料的依賴 性小、易于實時控制，測量精度高，應用廣泛。 在移動式機器人上，檢驗前進道路上的障礙物， 避免碰撞。 超聲波傳感器對于水下機器人的作業(yè)非常重要。 水下機器人安裝超聲波傳感器后能使其定位精度 達到微米級。 時間與超聲波的傳播速度和距離成正比 測量出超聲波從物體發(fā)射經(jīng)反射回到該

12、物體（被 接收）的時間 壓電效應壓電效應 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始 計時，超聲波在空氣中傳播途中碰到障礙物即返回，超聲波接收器 收到反射波立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s， 根據(jù)計時時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即： s=340t/2 -時間差測距法。 超聲波測距誤差：一是計時誤差。當要求測距誤差小于1mm時， 若超聲波速度C=344m/s (20室溫)，忽略聲速的傳播誤差，時間誤 差t(0.001/344) 0.000002907s ，即2.907毫秒。采用MHz級的 高精度石英晶振一般可以達到微秒量級誤差。 另一個是傳播速

13、度誤差。超聲波傳播速度受空氣密度影響，空 氣密度越高則超聲波傳播速度就越快，而空氣密度又與溫度有關。 當溫度0時超聲波速度是332m/s, 30時是350m/s，超聲波速度變 化為18m/s。若超聲波在30的環(huán)境下以0的聲速測量100m距離， 測量誤差達到5m，測量1m誤差將達到5mm。 小科普：超聲波測距原理小科普：超聲波測距原理 4. 紅外線接近覺傳感器 任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對 零度），都能輻射紅外線。 非接觸式測量，紅外發(fā)光管發(fā)射經(jīng)調(diào)制的信號，經(jīng) 目標物反射，紅外光敏管接收到紅外光強的調(diào)制信 號。具有靈敏度高，響應快等優(yōu)點。 發(fā)送器和接收器都很小，能夠裝在機器人夾手

14、上。 易于檢測出工作空間內(nèi)是否存在某個物體。 三、觸覺傳感器 觸覺是僅次于視覺的一種重要感知形式。 觸覺能保證機器人可靠地抓握各種物體，也能使 機器人獲取環(huán)境信息，識別物體形狀和表面紋理， 確定物體空間位置和姿態(tài)參數(shù)。 機器人觸覺與視覺一樣，基本上是模擬人的感覺。 廣義上包括接觸覺、壓覺、力覺、滑覺等與接觸 有關的感覺。 狹義上它是機械手與對象接觸面上的力感覺。 觸覺傳感器：測量自身敏感面和外界物體相互作用。 觸覺傳感器的作用： (1) 感知操作手指的作用力，使手指動作適當。 (2) 識別操作物的大小、形狀、質(zhì)量及硬度等。 (3) 躲避危險，以防碰撞障礙物。 抓住雞蛋 開關式觸覺傳感器 最早的

15、觸覺傳感器為開關式傳感器，只有0和1兩個信號， 用于表示接觸與不接觸。 光電開關由發(fā)射器、接收器和檢測電路三部分組成。 發(fā)射器對準目標發(fā)射光束，在光束被中斷時產(chǎn)生一個 開關信號變化 柔順人工指端用金屬彈性薄板4作彈性元件，應變片3作敏感 元件，兩個金屬彈性薄板4安裝在支撐座1上。 當人工手指抓握物體時，觸頭7向左滑動，由壓頭5作用在彈 性元件4上。 凸緣到蓋板的距離為最大量程。當被抓物體重量超過最大量 程時，凸緣與蓋板接觸，將力傳到底座2上。 觸頭7右側(cè)為封裝電變流體部分，兩層導電橡膠11之間用海 綿隔開，海綿層填充電變流體。 電流變流體作為人工手指的皮下組織介質(zhì)，沒有通電時電 流變流體層作保

16、護層用；通電時，變成塑性體，借助電流變 流體的柔順可控性穩(wěn)定抓握，防止被抓物體滑落。 電流變流體是一種極具工程應用價值的新型智能材料。 電流變流體是一種加入非導電介質(zhì)微粒和高分子表面活 性劑混合而成的液體，因其獨特的電流變效應成為材料 科學領域的研究熱點。 電流變效應指液體在電場作用下,電流變流體的力學性質(zhì) 發(fā)生變化甚至相變固化。這種變化是可逆的、連續(xù)無級 的和可控制的。 電流變效應的這種特性使電流變流體具有廣闊的工程應 用前景。 小科普：電流變流體小科普：電流變流體 D型截面導電橡膠作行連接導線行連接導線和列導電帶列導電帶構(gòu)成 行列尋址陣列。 正向壓力通過改變D型截面橡膠的變形程度來改 變行

17、與列間的接觸電阻 壓覺傳感器壓覺傳感器 壓覺是手指給予被測物的力，或者加在手指上外 力的感覺，實際是接觸覺的延伸。 用于握力控制與手的支撐力的檢測。 壓覺傳感器主要是分布式壓覺傳感器，敏感元件 排列成陣列。 常用敏感元件有: 導電橡膠、感應高分子、應變計、光電器件和霍 爾元件. 高密度智能壓覺傳感器高密度智能壓覺傳感器 （壓阻式）（壓阻式） 壓覺傳感器實例壓覺傳感器實例 硅電容壓覺傳感器陣列硅電容壓覺傳感器陣列 （電容式）（電容式） 滑覺傳感器滑覺傳感器 滑覺傳感器檢測垂直于加壓方向的力和位移。 修正受力值、防止滑動、進行多層次作業(yè)及測量物 體重量和表面特性等的目的。 例如：機器人的手指夾住物

18、體，為了不發(fā)生滑動， 最小把持力：F=G/0 利用滑覺傳感器判斷是否握住物體，以及應該使用 多大的力等。 檢測滑動方法： 1)將滑動轉(zhuǎn)換成滾球和滾柱的旋轉(zhuǎn)。 2)用壓敏元件和觸針，檢測滑動時的微小振動。 3)檢測出即將發(fā)生滑動時，手爪部分的變形和壓力。 滾球式滑覺傳感器滾球式滑覺傳感器 鋼球表面有導體和絕緣體配置成的網(wǎng)眼。當工件滑 動時，金屬球隨之轉(zhuǎn)動，在觸針上輸出脈沖信號。 脈沖信號的頻率反映了滑移速度，個數(shù)對應滑移的 距離，能檢測全方位的滑動。 滾軸式滑覺傳感器滾軸式滑覺傳感器 當手爪中的物體滑動時，使?jié)L軸旋轉(zhuǎn)，滾軸帶動光 電傳感器和縫隙圓板而產(chǎn)生脈沖信號。 這些信號通過計數(shù)電路和D/A轉(zhuǎn)

19、換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓 信號，通過反饋系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)控制。可通過不斷修 正握力，達到消除滑動的目的。 基于振動的機器人滑覺傳感器 通過檢測滑動時的微小振動來檢測滑動 鋼球指針與被抓物體接觸。若工件滑動，則指 針振動，線圈輸出信號。 機器人視覺 視覺傳感器是智能機器人最重要的傳感器之一。 機器人視覺通過視覺傳感器獲取環(huán)境的二維圖像， 并通過視覺處理器進行分析和解釋，轉(zhuǎn)換為符號， 讓機器人能夠辨識物體，并確定其位置。 又稱為計算機視覺。 在捕獲圖像之后，視覺傳感器將其與內(nèi)存中存儲 的基準圖像進行比較，以做出分析。 歐姆龍視覺傳感器FZ3 通過攝像頭捕捉圖像信息，檢測拍攝對象的數(shù)量、位置關 系、形狀等特點

20、，用于判斷產(chǎn)品是否合格或?qū)z驗數(shù)據(jù)傳 送給機器人等其它生產(chǎn)設備。 FZ3從微妙的色差乃至光澤物體的表面?zhèn)鄱寄芮逦R別 機器視覺系統(tǒng)稱現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的“機器眼睛機器眼睛”。 德國SICK Inspector PIM60 視覺傳感器 應用： 機器人抓取定位 零部件組裝檢查、定位、尺寸測量 太陽能硅片邊緣缺陷檢查 包裝物標簽檢測 AGV 視覺導航 Banner 工程公司提供的部分視覺傳感器能夠捕獲 130 萬 像素，無論距離目標數(shù)米或數(shù)厘米遠，傳感器都能“看 到”十分細膩的目標圖像。 機器人視覺傳感器的工作過程可分為四個步驟：檢測、分析、 繪制和識別 1.視覺檢測 視覺信息一般通過光電檢測轉(zhuǎn)化成電信

21、號。 光電檢測器有攝像管和固態(tài)圖像傳感器。 獲得距離信息的方法有光投影法、立體視法。 光投影法：向被測物體投射特殊形狀的光束并檢測其反射光， 即可獲得位置信息。激光掃描法。 立體視法：同一物體的兩張具有輕微角度差別的照片放在一 起觀看，產(chǎn)生一種深度的常規(guī)立體視覺的方法。 立體攝影：從左右兩個具有輕微角度差異的觀察點拍攝同一 個物體，左右攝像機分別采集左視覺和右視覺的照片，通過 計算機的合成處理，獲得有立體深度的立體畫面。 視覺圖像分析 成像圖像中的像素含有雜波，必須進行（預）處理。通過處 理消除雜波，把全部像素重新按線段或區(qū)域排列成有效像素 集合。 視覺圖像繪制 指以識別的目的而從物體圖像中提

22、取特征。理論上這些特征 應該與物體的位置和取向無關，并包含足夠的繪制信息，以 便能唯一的把一個物體從其他物體中鑒別出來。 圖像識別技術 將事先物體的特征信息存儲起來，然后將此信息與所看到的 物體信息進行比對。 人類眼睛是一套功能完整的攝影系統(tǒng)，具有變焦鏡頭、可 變光圈以及能將光信號轉(zhuǎn)變成大腦可以識別的電信號。 在二維圖像中，利用物體提供的有關尺寸和重疊等視覺線 索，可以“判斷出”位于背景前這些物體的前后排列次序， 但是卻無法知道它們之間究竟距離多遠。 人類兩只眼睛觀察物體時，由于兩只眼睛所處的角度有略 微不同，看到的圖像是有略微差別的。大腦將這兩幅畫面 綜合在一起，形成一種有深度的視覺畫面。處

23、理過程十分 迅速，而一只眼睛看到的畫面是沒有前后深度的。 更為重要的是，大腦能夠根據(jù)接受到的兩幅圖像中同一物 體之間位差的大小判斷出此物體的深度和遠近，距離眼睛 越遠，位差就越小，反之就越大。 小科普：人類視覺原理小科普：人類視覺原理 固態(tài)圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器CCDCCD 電荷藕合圖像傳感器CCD CCD采用光電轉(zhuǎn)換原理，將被測物體的光像轉(zhuǎn)換為電子圖 像信號輸出的一種大規(guī)模集成電路光電元件。 CCD由許多感光單元組成，感光單元形成若干像素點。 光學系統(tǒng)將被測物體成像在CCD的受光面上，當CCD表面 受到光線照射時，這些像素點將投射到它的光強轉(zhuǎn)換成 電荷信號，將反映光像的電荷信號讀取并順序輸

24、出，完 成從光圖像到電信號的轉(zhuǎn)換過程。 機器人的聽覺 聽覺也是機器人的重要感覺器官之一。 現(xiàn)在已經(jīng)部分實現(xiàn)用機器代替人耳,能通過語音處 理及辨識技術識別講話人，還能理解一些簡單的 語句。 機器人聽覺系統(tǒng)中的聽覺傳感器技術已經(jīng)非常成 熟。關鍵問題是語音識別技術。 它與圖像識別同屬于模式識別領域，而模式識別 技術就是最終實現(xiàn)人工智能的主要手段。 傳感器信息融合又稱數(shù)據(jù)融合，是對多種信息的獲 取、表示其內(nèi)在聯(lián)系進行綜合處理和優(yōu)化的技術。 傳感器信息融合技術從多信息的視角進行處理及綜 合，得到各種信息的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，從而剔除無 用的和錯誤的信息，保留正確的和有用的成分，最 終實現(xiàn)信息的優(yōu)化。它也為智能信息處理技術的研 究提供了新的觀念。 定義：將經(jīng)過集成處理的多傳感器信息進行定義：將經(jīng)過集成處理的多傳感器信息進行 合成，形成一種對外部環(huán)境或被測對象某一合成，形成一種對外部環(huán)境或被測對象某一 特征的表達方式。特征的表達方式。 傳感器融合 機器人系統(tǒng)中使用的傳感器種類和數(shù)量越來越多， 每種傳感器都有一定的使用條件和感知范圍，并且 又能給出環(huán)境或?qū)ο蟮牟糠只蛘麄€側(cè)面的信息，為 了有效地利用這些傳感器信息，需要采用某種形式 對傳感器信息進行綜合、融合處理。 按照人腦的功能和原理進行視覺、聽覺、觸覺、力 覺、知覺、注意、記憶、學習和更高級的認識過程， 將空間、時間的信息進行融合，對