新型傳感器第七章

新型傳感器第七章第1頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月概述一、機器人與傳感器機器人定義：由計算機控制的能模擬人的感覺、手工操縱的和具有自動行走能力的而又足以完成有效工作的裝置。機器人傳感器定義：能把機器人目標物特性（或參量）變換為電量輸出的裝置。機器人通過傳感器實現(xiàn)類似于人類的知覺作用。二、機器人的發(fā)展第一代：機械手--------未采用傳感器第二代：采用傳感器第三代：電腦化三、應(yīng)用第2頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)機器人傳感器功能與分類對敏感材料的柔性和功能有特定要求:因此，機器人傳感器既包括傳感器本身，也包含傳感器的信號處理。它由獲取信息和處理信息兩部分有機地構(gòu)成。機器人傳感器的特點是：有別于其它種類的傳感器:機器人傳感器信息收集能力強,既能獲取信息，又緊隨環(huán)境狀態(tài)進行大幅度變化。獲取的信息實時地用于控制:用以決定機器人的行動。有和人類的五官對應(yīng)的功能:能安裝在機器人上第3頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器的信號獲取與處理過程：接觸覺傳感器多半是經(jīng)過①過程。信號獲取→信號處理→信號提取→數(shù)據(jù)解釋等幾個層次的處理；并非所有傳感器的信號處理都要經(jīng)過這四個全過程；如視覺和高密度壓覺傳感器一般需經(jīng)過③和④的的過程；位置、接近覺和壓覺等傳感器僅經(jīng)過②過程；第4頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月外部檢測傳感器：用于獲取機器人周圍環(huán)境或者目標物狀態(tài)特征的信息，是機器人與周圍進行交互工作的信息通道。其功能是讓機器人對環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力，很好地執(zhí)行工作。接近覺、視覺、聽覺、嗅覺、味覺等傳感器。傳感器的分類：內(nèi)部檢測傳感器：以機器人本身的坐標軸來確定其位置，用來感知運動學(xué)參數(shù)。通過內(nèi)部檢測傳感器，機器人可以了解自己的工作狀態(tài)，調(diào)整和控制自己按照一定的位置、速度、加速度、壓力和軌跡等進行工作。第5頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月機器人傳感器的分類及應(yīng)用第6頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月一、人眼與視覺人的80%以上的外界信息通過視覺所獲取。對于機器人來說，視覺傳感器也是最重要的傳感器。第二節(jié)機器人視覺傳感器1、

人眼的結(jié)構(gòu)眼球壁：外層（角膜、鞏膜）中層（虹膜、睫狀體、脈絡(luò)膜）內(nèi)層（視網(wǎng)膜）屈光系統(tǒng)：角膜、房水、睫狀肌、晶狀體感光系統(tǒng)：視網(wǎng)膜、視神經(jīng)、視中樞眼球的構(gòu)造類似一臺照相機：屈光系統(tǒng)＝鏡頭、感光系統(tǒng)＝底片第7頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、人的視覺功能

1）、立體感覺能力2）、測定物體大小及其所在位置遠近的能力。

3）、自動跟蹤和觀察運動目標對象的能力。4）、人的視神經(jīng)有快速接受和傳輸視覺信息的能力5）、感覺色彩的能力。第8頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

3、機器人視覺系統(tǒng)主要應(yīng)用1）、用視覺進行產(chǎn)品檢驗，代替人的目檢。包括：形狀檢驗棗檢查和測量零件的幾何尺寸。形狀和位置；缺陷檢驗檢查零件是否損壞，劃傷；齊全檢驗棗檢查部件上的零件是否齊全。

2）、在機器人進行裝配、搬運等工作時，用視覺系統(tǒng)對一組需裝配的零、部件逐個進行識別，并確定它在空間的位置和方向，引導(dǎo)機器人的手準確地抓取所需的零件，并放到指定位置，完成分類、搬運和裝配任務(wù)。3）、為移動機器人進行導(dǎo)航。第9頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月人的雙眼從不同的方位獲取同一景物的信息，各自得到關(guān)于景物的二維圖像，這左右兩幅圖像有著微小的區(qū)別，這種區(qū)別就叫做視差。人的大腦通過對左右兩幅圖像、以及兩幅圖像的視差進行分析和處理后，可以得到關(guān)于景物的光亮度、形狀、色彩、空間分布等等信息。4、人眼的立體視覺第10頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)雙眼注視著有限距離點B點時，B在視網(wǎng)膜上的像也落在左右眼的黃斑位置B1和Br。B點相對于左右眼的兩視線的夾角O1BOr稱作視差角，用θb表示。為了觀看物點B，眼睛將偏轉(zhuǎn)一定量的會聚角φ，顯然，θb=2φ。雙眼注視無窮遠的點，該點與雙目的夾角θ=0，無窮遠的點經(jīng)水晶體成的像都落在左右眼的黃斑處；第11頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月A點在左、右眼上的線視差為：線視差是描述物點在空間中位置的重要參數(shù)，在機器人立體視覺中，視差也是一個十分重要的判定景物空間分布的因素之一。B相對于人眼的距離Zb為：Zb=b/tgφ空間中任意一點A的左右像點分別為A1和Ar，設(shè)線視差分別為Δl、Δr。第12頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月1、激光掃描法

X=x(btgβ+Ll)/(xtgβ+Lf)Y=y(btgβ+Ll)/(xtgβ+Lf)二、機器人視覺方法結(jié)構(gòu)分析。根據(jù)發(fā)射光線的空間角度β和反射光線空間角度α，以及發(fā)射源與電視攝像機之間的相對位置b的幾何關(guān)系，就可以確定反射點的空間坐標Z：

tgα=x/LfOM=(Z+Ll)×tgα=x×(Z+Ll)/Lf MOlaser=Z×ctgβOM+MOlaser=b綜合上式計算得：Z=(bLf–xLl)/(x+Lftgβ)A點的另外兩個坐標值：第13頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月機械掃描裝置把激光光束投向景物空間，按照一定的順序?qū)拔锟臻g進行二維掃描，即可得到景物空間各點的距離信息。如果用扇形光束代替點光束，只需進行一維掃瞄，就能快速測定CCD圖像畫面內(nèi)全部點的距離信息。第14頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月2、立體攝影法模仿人的雙眼，用兩個鏡頭光軸相互平行的攝像機從不同的方位記錄圖像。設(shè)坐標系X—Y—Z、Xl—Yl—Zl和Xr—Yr—Zr

。設(shè)景物空間有物點A和B，分別成像于a1和a2點，兩視線的夾角O1AO2就稱作視差角，以θa表示；θa=2b/Za 式中，2b為兩CCD攝像機光軸之間的距離。顯然，對于物點B，其視差角為：θb=2b/Zb

第15頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月在CCD成像面上，物體的角視差實際上是以線視差來表現(xiàn)的。點A和點B視差角的差值Δθab稱作立體視差：Δθab=θa-θb視差角的大小表征了物點的遠近，如果近物點A和遠物點B相對于CCD攝像機的視差角分別為θa、θb，必然θa>θb；反之，若θa<θb，則可以判斷，認為物點A相對于物點B遠。同樣，立體視差的正負也能表征物點的遠近。第16頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)二維圖像中的線視差和相對線視差，可以推算出空間物點的三維信息。設(shè)物點A)、B分別成像于Al(Xal、Yal、Zal)、Ar(Xar、Yar、Zar)和Bl(Xal、Yal、Zal)、Br(Xar、Yar、Zar)。A點的線視差ΔXa：A、B兩點的線視差ΔXa、ΔXb為：物點A和物點B之間的相對線視差ΔXab為：第17頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)機器人觸覺傳感器機械人觸覺可分為：接觸覺、壓覺、力覺、滑覺等幾種。檢測機器人的某些部位（如手或足）與外界物體是否接觸，識別物體的形狀和在空間的位置，保證機器人的手能牢固地抓住物體，或保證其足能穩(wěn)穩(wěn)地踩在地面上。機器人裝上觸覺傳感器的目的:觸覺是接觸、滑動、壓覺等機械刺激的總稱。第18頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月一、接觸覺傳感器接觸覺傳感器用來檢測機器人的某些部位與外界物體接觸與否，例如感受是否抓住零件，是否接觸地面等。第19頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月二、壓覺傳感器Vo=Vp

[(Cx-CR)/CF]=Vp(ΔC/CF)

用來檢測機器人手指的握持面上承受的壓力大小和分布，分布式壓覺傳感器是前述陣列式接觸覺傳感器的延伸。特點：小型輕便、響應(yīng)快、陣列密度高、在線性好、可靠性高等。常用的敏感材料：導(dǎo)電橡膠或塑料、偏聚二氟乙烯薄膜（PVF2）、應(yīng)變片陣列、磁彈性式壓磁傳感器陣列（如針式差動變壓器、霍爾元件）、光電傳感器陣列等。第20頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月三、力覺傳感器腕力傳感器發(fā)展趨勢：間接輸出型腕力傳感器：將傳感器本身設(shè)計的簡單化，經(jīng)過復(fù)雜的計算求出傳遞矩陣，使用時要經(jīng)過矩陣運算才能提取出六個力分量。用于感知機器人的指、肢和關(guān)節(jié)等在工作和運動中所受力的大小和方向，從而決定如何運動、采用什么姿勢、以及推測對象物體的重量等。特點是感知多維的作用力。直接輸出型腕力傳感器：傳感器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，簡單的計算就能提?。秱€分量，甚至可以直接得到六個分量。第21頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

式中，K1、K2、K3、K4、K5、K6為比例系數(shù)，與各根梁所貼應(yīng)變片的應(yīng)變靈敏度有關(guān)。筒式六自由度腕力傳感器：材料：鋁。Fx=K1（Py++Py-

）Fy=K2（Px++Px-）Fz=K3（Qx++Qx-+Qy++Qy-）X、Y、Z方向的力Fx、Fy、Fz，轉(zhuǎn)矩Mx、My、Mz：Mx=K4（Qy+-Qy-）My=K5（-Qx++Qx-）Mz=K6（Px+-Px--Py++Py-）第22頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

Fx=-fx1-fx3 Fy=-fy1-fy2-fy3-fy4 Fz=-fz2-fz4 Mx=afz2+afz4+bfy1-bfy3 My=-bfx1+bfz4+bfz2–bfz4 Mx=-afx1–afx3–bfy2+bfy4

撓性件十字梁式腕力傳感器材料：鋁

外端插入手腕框架，懸梁端部與腕框架的接合部裝有尼龍球，目的是為了懸梁易于伸縮。為增加靈敏性，在與梁相接處的腕框架上切出窄縫。十字形懸梁實際上是一整體，其中央固定在手腕軸向。每根梁的上下左右側(cè)面各貼一片應(yīng)變片。相對面上的兩片應(yīng)變片構(gòu)成一組半橋，共8只應(yīng)變計，輸出參數(shù)fx1、fx3、fy1

、fy2、fy3、fy4、fz2、fz4。X、Y、Z的力Fx、Fy、Fz和力矩Mx、My、Mz

：第23頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月四、滑覺傳感器用于機器人感知手指與物體接觸面之間相對運動（滑動）的大小和方向，從而確定最佳大小的把握力，以保證既能握住物體不產(chǎn)生滑動，又不至于因用力過大而使物體發(fā)生變形或被損壞。第24頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月四、仿生皮膚聚偏二氟乙烯（PVDF）是具有壓電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)的高分子材料。利用PVDF可以制成接觸覺、滑覺、溫覺等傳感器，是研制仿生皮膚的主要材料。工作溫度范圍寬、體電阻高、重量輕、柔順性好、機械強度高、頻響寬，很容易用熱成形的辦法加工成薄膜、細管或微粒。第25頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月觸覺傳感器當(dāng)物體與幾十微米的PVDF薄膜有相對滑移時，指紋或凸點變形，引起誘導(dǎo)振動，發(fā)生應(yīng)力變化，使PVDF膜產(chǎn)生電荷。觸、滑、溫覺上下兩層PVDF之間，有電加熱層和柔性隔熱層，隔離成兩個不同的物理測量空間。指紋狀或有許多小凸點的表皮用普通橡膠制成。上層為兩面鍍銀的整塊PVDF，兩面引出電極，可獲取溫覺、觸覺信號。下層PVDF鍍有條狀電極，引線由導(dǎo)電膠粘接后引出，可以獲取壓覺和滑覺信號。第26頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月為使PVDF有溫覺，將上層PVDF保持在55℃左右，當(dāng)與物體接觸時，物體與表皮的溫差形成熱能傳遞，使PVDF極化面產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量的電荷輸出。當(dāng)機器人的手爪(傳感器)表面開始接觸物體時，接觸階躍性應(yīng)力使PVDF產(chǎn)生電荷，呈現(xiàn)單方向脈沖信號特征。即觸覺信號。物體相對于傳感器表層滑動時，摩擦力變化引起傳感器表層的誘導(dǎo)振動，誘導(dǎo)振動使PVDF產(chǎn)生交變信號。即滑覺信號。第27頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月由于PVDF薄膜絲纖維束有強的熱釋電效應(yīng)，環(huán)境溫度的變化使極間產(chǎn)生電荷，從而產(chǎn)生了溫覺。合成橡膠基片內(nèi)包含許多高分子充水薄膜微球。微球之間呈立式放置和纏繞式放置大量幾十微米的PVDF薄膜絲神經(jīng)纖維束。壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷是x、y、z三方向的軸向應(yīng)力和切向應(yīng)力產(chǎn)生電荷的總和，所以它能感覺出三維應(yīng)力，從而判斷觸覺、滑覺的大小及應(yīng)力區(qū)域。第28頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

第四節(jié)機器人接近覺傳感器機械人接近覺是介于觸覺和視覺之間的感覺，感應(yīng)的距離范圍一般為幾毫米至幾十毫米，用于感知一定距離內(nèi)場景的狀況。常見的接近覺傳感器有電磁式、光電式、電容式、氣動式、超聲式、紅外線、微波式等多種類型。接近覺傳感器是機器人用以探測自身與周圍物體之間相對位置和距離的傳感器第29頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月一、電磁式接近覺傳感器

焊接機器人多半使用渦流傳感器來跟蹤焊接縫，在200℃下工作，距離0~8mm時，誤差小于4%。精度比較高、響應(yīng)速度快、受環(huán)境影響小、結(jié)構(gòu)簡單、可以在高溫下工作。金屬物體內(nèi)產(chǎn)生流線閉合的感應(yīng)電流（即渦流）。渦流的大小與對象物表面的距離等有關(guān)。第30頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月用永久磁鐵和緊貼磁鐵的圓柱形線圈構(gòu)成。在遠離物體時，永久磁鐵的磁力線對稱分布。當(dāng)有金屬（鋼或鐵等導(dǎo)磁金屬）物體接近時，永久磁鐵的磁力線分布發(fā)生不對稱變化，用霍爾元件或集成磁敏傳感器代替線圈，可感知近距離的靜止物體的接近情況。第31頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月只能感知金屬物體，非金屬材料構(gòu)成的物體無法感知。永久磁鐵磁力線分布的變化導(dǎo)致線圈的感應(yīng)電流發(fā)生變化，檢測出線圈輸出電流就可以判斷出物體的接近程度。線圈輸出與物體距離之間的呈非線性關(guān)系。當(dāng)距離小于0.25mm時，電流輸出急劇變化。這種接近覺傳感器所能感知的距離很近，對于小于幾分之一毫米的近距離運動物體十分靈敏。第32頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月二、光電式接近覺傳感器發(fā)射透鏡與接收透鏡的光軸有一定的夾角θ。若接近到物體，光敏管有光電流輸出；若沒有接近到物體，光敏二極管無輸出。傳感器存在靈敏區(qū)域，通過調(diào)節(jié)兩透鏡的光軸夾角θ，可以調(diào)節(jié)