機(jī)器人傳感器部分詳解學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1機(jī)器人傳感器部分機(jī)器人傳感器部分(b fen)詳解詳解第一頁，共34頁。視覺 20世紀(jì)50年代后期出現(xiàn)，發(fā)展十分迅速，是機(jī)器人中最重要的傳感器之一。 機(jī)器視覺從20世紀(jì)60年代開始首先處理積木世界，后來發(fā)展到處理室外的現(xiàn)實(shí)世界。 20世紀(jì)70年代以后，實(shí)用性的視覺系統(tǒng)出現(xiàn)了。視覺一般(ybn)包括三個(gè)過程：圖像獲取、圖像處理和圖像理解。相對而言，圖像理解技術(shù)還很落后。 力覺 機(jī)器人力傳感器就安裝部位來講，可以分為關(guān)節(jié)力傳感器、腕力傳感器和指力傳感器。國際上對腕力傳感器的研究是從20世紀(jì)(shj)70年代開始的，主要研究單位有美國的DRAPER實(shí)驗(yàn)室、SRI研究所、IBM公司和日本的日立

2、公司、東京大學(xué)等單位。 幾種(j zhn)主要的機(jī)器人傳感器簡介第1頁/共33頁第二頁，共34頁。觸覺 作為視覺的補(bǔ)充，觸覺能感知目標(biāo)物體的表面性能和物理特性(txng)：柔軟性、硬度、彈性、粗糙度和導(dǎo)熱性等。對它的研究從20世紀(jì)80年代初開始，到20世紀(jì)90年代初已取得了大量的成果。接近覺 研究它的目的(md)是是使機(jī)器人在移動(dòng)或操作過程中獲知目標(biāo)（障礙）物的接近程度，移動(dòng)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)避障，操作機(jī)器人可避免手爪對目標(biāo)物由于接近速度過快造成的沖擊。第2頁/共33頁第三頁，共34頁。7.1 傳感器的分類傳感器的分類(fn li) 根據(jù)檢測對象的不同可分為內(nèi)部根據(jù)檢測對象的不同可分為內(nèi)部(nib

3、)(nib)傳感器和外部傳傳感器和外部傳感器。感器。（1）位置(wi zhi)傳感器 用來檢測機(jī)器人本身狀態(tài)（如手臂間角度）的傳感器。多為檢測位置和角度的傳感器。a.內(nèi)部傳感器第3頁/共33頁第四頁，共34頁。（2）角度(jiod)傳感器 具體有物體識(shí)別傳感器、物體探傷傳感器、接近覺傳感器、距離(jl)傳感器、力覺傳感器，聽覺傳感器等。 用來檢測機(jī)器人所處環(huán)境（如是什么物體，離物體的距離有多遠(yuǎn)等）及狀況（如抓取的物體是否滑落）的傳感器。第4頁/共33頁第五頁，共34頁。7.2 機(jī)器人的觸覺機(jī)器人的觸覺(chju) 一般認(rèn)為觸覺包括一般認(rèn)為觸覺包括(boku)接觸覺、壓覺、滑覺、力覺四種，接觸覺

4、、壓覺、滑覺、力覺四種，狹義的狹義的觸覺按字面上來看是指前三種感知接觸的感覺。觸覺按字面上來看是指前三種感知接觸的感覺。1. 接觸(jich)覺傳感器 第5頁/共33頁第六頁，共34頁。開關(guān)(kigun)式觸覺傳感器利用陣列這一概念已開發(fā)了許多(xdu)重要的傳感器。第6頁/共33頁第七頁，共34頁。壓阻式陣列(zhn li)觸覺傳感器碳?xì)郑–SA）靈敏度高，具有較強(qiáng)的耐過載能力。缺點(diǎn)是有遲滯，線性差。 導(dǎo)電橡膠(xingjio)的電阻也會(huì)隨壓力的變化而變化，因此也常用來作為觸覺傳感器的敏感材料。碳?xì)郑–SA）第7頁/共33頁第八頁，共34頁。另外還有光學(xué)(gungxu)式觸覺傳感器、電容式陣

5、列觸覺傳感器等。它利用一種具有(jyu)壓電和熱釋電性的高分子材料研制而成。第8頁/共33頁第九頁，共34頁。2. 壓覺傳感器第9頁/共33頁第十頁，共34頁。3. 力覺傳感器 力覺傳感器使用的主要元件是電阻(dinz)應(yīng)變片。 （3）裝在機(jī)器人手爪指關(guān)節(jié)（或手指(shuzh)上）的力傳感器，稱為指力傳感器。 （1）裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器上的力傳感器，稱為關(guān)節(jié)力傳感器。用于控制中的力反饋。 （2）裝在末端執(zhí)行器和機(jī)器人最后一個(gè)關(guān)節(jié)之間的力傳感器，稱為腕力傳感器。第10頁/共33頁第十一頁，共34頁。 SRI （Stanford Research Institute）研制的六維腕力傳感器，如圖所示。它由

6、一只直徑為75mm的鋁管銑削而成，具有八個(gè)窄長的彈性梁，每個(gè)梁的頸部只傳遞力，扭矩作用很小。梁的另一頭貼有應(yīng)變片。圖中從Px+到Qy-代表了8根應(yīng)變梁的變形信號(hào)(xnho)的輸出。SRI傳感器第11頁/共33頁第十二頁，共34頁。 日本大和制衡株式會(huì)社林純一研制的腕力傳感器。它是一種整體輪輻式結(jié)構(gòu)，傳感器在十字梁與輪緣聯(lián)結(jié)處有一個(gè)柔性環(huán)節(jié)，在四根交叉梁上共貼有32個(gè)應(yīng)變(yngbin)片（圖中以小方塊），組成8路全橋輸出 。第12頁/共33頁第十三頁，共34頁。傳感器的內(nèi)圈和外圈分別固定于機(jī)器人的手臂和手爪，力沿與內(nèi)圈相切的三根梁進(jìn)行傳遞。每根梁上下、左右個(gè)貼一對應(yīng)變片，三根梁上共有6對應(yīng)變片

7、，分別組成(z chn)六組半橋，對這6組電橋信號(hào)進(jìn)行解耦可得到六維力（力矩）的精確解。第13頁/共33頁第十四頁，共34頁。4. 滑覺傳感器 機(jī)械手一般采用兩種抓取方式：硬抓取和軟抓取。硬抓?。o感知時(shí)采用） ：末端執(zhí)行器利用最大的夾緊力抓取工件。軟抓取（有滑覺傳感器時(shí)采用）：末端執(zhí)行器使夾緊力保持在能穩(wěn)固(wng)抓取工件的最小值，以免損傷工件。采用壓覺傳感器實(shí)現(xiàn)滑覺感知滾輪式滑覺傳感器第14頁/共33頁第十五頁，共34頁。它由一個(gè)金屬球和觸針組成，金屬球表面分成許多個(gè)相間排列的導(dǎo)電和絕緣小格。觸針頭很細(xì)，每次只能觸及一格。當(dāng)工件滑動(dòng)時(shí)，金屬球也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，在觸針上輸出脈沖(michng)信

8、號(hào)，脈沖(michng)信號(hào)的頻率反映了滑移速度，個(gè)數(shù)對應(yīng)滑移的距離。第15頁/共33頁第十六頁，共34頁。根據(jù)振動(dòng)原理制成的滑覺傳感器。鋼球指針(zhzhn)與被抓物體接觸。若工件滑動(dòng)，則指針(zhzhn)振動(dòng)，線圈輸出信號(hào)。第16頁/共33頁第十七頁，共34頁。7.3 機(jī)器人的接近(jijn)覺接近覺主要感知傳感器與對象(duxing)物之間的接近程度。b）無鐵磁體時(shí)磁力線的形狀c）鐵磁體接近時(shí)磁力線的形狀第17頁/共33頁第十八頁，共34頁。第18頁/共33頁第十九頁，共34頁。另外還有接觸覺、滑覺和接近(jijn)覺三種感覺組合為一體的傳感器。其它還有光學(xué)(gungxu)接近覺、超聲波

9、接近覺傳感器等。 霍爾效應(yīng)指的是金屬或半導(dǎo)體片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上產(chǎn)生電動(dòng)勢?；魻杺鞲衅鲉为?dú)使用時(shí)，只能(zh nn)檢測有磁性物體。當(dāng)與用磁體聯(lián)合使用時(shí)，可以用來檢測所有的鐵磁物體。傳感器附近沒有鐵磁物體時(shí)，霍爾傳感器感受一個(gè)強(qiáng)磁場；若有鐵磁物體時(shí)，由于磁力線被鐵磁物體旁路，傳感器感受到的磁場將減弱。第19頁/共33頁第二十頁，共34頁。7.4 機(jī)器人的視覺機(jī)器人的視覺(shju)有研究結(jié)果表明，視覺獲得的感知信息占人對外界感知信息的80%。 人類視覺細(xì)胞(xbo)數(shù)量的數(shù)量級大約為108，是聽覺細(xì)胞(xbo)的300多倍，是皮膚感覺細(xì)胞(xbo)的100多

10、倍。第20頁/共33頁第二十一頁，共34頁。1. 超聲波傳感器 超聲波探測原理比較簡單，一般是采用時(shí)差法。 =t2其中（的函數(shù)(hnsh)）為超聲波波速，為環(huán)境攝氏溫度。 從廣義上講，我們(w men)也把它算成機(jī)器人視覺中的一種。超聲波傳感器主要用途：（1）實(shí)時(shí)地檢測(jin c)自身所處空間的位置，用以進(jìn)行自定位；（2）實(shí)時(shí)地檢測(jin c)障礙物，為行動(dòng)決策提供依據(jù)；（3）檢測(jin c)目標(biāo)姿態(tài)以及進(jìn)行簡單形體的識(shí)別；（4）用于導(dǎo)航目標(biāo)跟蹤。第21頁/共33頁第二十二頁，共34頁。 MDARS-E型室外(sh wi)保安機(jī)器人多個(gè)(du )超聲波傳感器組成線陣或面陣形成多傳感器第2

11、2頁/共33頁第二十三頁，共34頁。2. CCD（電荷(dinh)耦合器件：charge coupled devices）第23頁/共33頁第二十四頁，共34頁。 CCD （電荷耦合器件）的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)間隙很小的光敏電極陣列，即無數(shù)個(gè)CCD單元(dnyun)組成，也稱為像素點(diǎn)（如448380）。它可以是一維的線陣，也可以是二維的面陣。 優(yōu)點(diǎn)(yudin)：體積小、質(zhì)量輕、壽命長、抗沖擊、耗電極少，一般只需幾十毫瓦就可以啟動(dòng)。（1）基本原理第24頁/共33頁第二十五頁，共34頁。共256級灰度，從圖（a）到（f）分辨率依次(yc)為512512， 256256，128128，6464，3232

12、，1616。（2）圖像處理(t xin ch l)第25頁/共33頁第二十六頁，共34頁。 從圖（a）到（f）分辨率依次(yc)為512512，灰度級依次(yc)為256 ，64，16，8，4，2。b) 灰度變化對圖像(t xin)的影響第26頁/共33頁第二十七頁，共34頁。從圖（a）到（f）依次(yc)為：256256，128級灰度；181 181，64級灰度；128 128，32級灰度；90 90，16級灰度；64 64，8級灰度；45 45，4級灰度。c)分辨率和灰度同時(shí)變化對圖像(t xin)的影響第27頁/共33頁第二十八頁，共34頁。7. 機(jī)器人的聽覺(tngju)特定(tdng

13、)人的語音識(shí)別系統(tǒng)聽覺系統(tǒng)的粗略框圖特定人語音識(shí)別方法是將事先指定的人的聲音中的每一個(gè)字音的特征矩陣(j zhn)存儲(chǔ)起來，形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模板（或叫模板），然后再進(jìn)行匹配。它首先要記憶一個(gè)或幾個(gè)語音特征，而且被指定人講話的內(nèi)容也必須是事先規(guī)定好的有限的幾句話。特定人語音識(shí)別系統(tǒng)可以識(shí)別講話的人是否是事先指定的人，講的是哪一句話。第28頁/共33頁第二十九頁，共34頁。非特定人的語音識(shí)別方法則需要對一組有代表性的人的語音進(jìn)行訓(xùn)練，找出同一詞音的共性，這種訓(xùn)練往往是開放式的，能對系統(tǒng)進(jìn)行不斷的修正。在系統(tǒng)工作時(shí)，將接收到的聲音信號(hào)用同樣的辦法求出它們的特征矩陣，再與標(biāo)準(zhǔn)模式相比較?？此c哪個(gè)模板相同

14、(xin tn)或相近，從而識(shí)別該信號(hào)的含義。非特定人的語音識(shí)別系統(tǒng)大致可以分為語言識(shí)別系統(tǒng)，單詞(dnc)識(shí)別系統(tǒng)，及數(shù)字音（09）識(shí)別系統(tǒng)。非特定(tdng)人的語音識(shí)別系統(tǒng)第29頁/共33頁第三十頁，共34頁。7. 多傳感器信息多傳感器信息(xnx)融合融合 多傳感器信息融合技術(shù)是通過對這些傳感器及其觀測(gunc)信息的合理支配和使用，把多個(gè)傳感器在時(shí)間和空間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)則進(jìn)行組合，以獲取被觀測(gunc)對象的一致性解釋或描述。 多傳感器融合系統(tǒng)主要特點(diǎn)是：（1）提供了冗余(rn y)、互補(bǔ)信息。（2）信息分層的結(jié)構(gòu)特性。（3）實(shí)時(shí)性。（4）低代價(jià)性。 多傳感與單傳感的比較：多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)可更大程度獲取被探測目標(biāo)和環(huán)境的信息量。單傳感器信號(hào)處理或低層次的數(shù)據(jù)處理方式只是對