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1、第六章 机器人传感器 Senses of Robotics,第一节 机器人传感技术 第二节 机器人常用传感器 第三节 触觉信息的获取 第四节 视觉信息的获取 第五节 距离信息的获取,第一节 机器人传感技术,1、机器人与传感器 研究机器人，首先从模仿人开始，通过考察人的劳动我们发现，人类是通过五种熟知的感官（视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉）接收外界信息的，这些信息通过神经传递给大脑，大脑对这些分散的信息进行加工、综合后发出行为指令，调动肌体（如手足等）执行某些动作。如果希望机器人代替人类劳动，则发现大脑可与当今的计算机相当，肌体与机器人的机构本体（执行机构）相当，五官可与机器人的各种外部传感器相当
2、。,Senses of Robotics,机器人则是通过传感器得到感觉信息的。其中，传感器处于连接外界环境与机器人的接口位置，是机器人获取信息的窗口。要使机器人拥有智能，对环境变化做出反应，首先，必须使机器人具有感知环境的能力，用传感器采集信息是机器人智能化的第一步；其次，如何采取适当的方法，将多个传感器获取的环境信息加以综合处理，控制机器人进行智能作业，则是提高机器人智能程度的重要体现。因此，传感器及其信息处理系统，是构成机器人智能的重要部分，它为机器人智能作业提供决策依据。,Senses of Robotics,机器人在执行操作的同时用传感器不断感受周围工作环境及自身活动的情况，经过不断的
3、感受、信息反馈、比较修正，保证了可靠地实现期望的操作。 是接受外界信息的必要途径； 与微处理器联合工作(某些传感器本身就集成了微处理器)； 构成反馈的必要环节。,Sensors Micro-processors Actuators,Senses of Robotics,视觉 20世纪50年代后期出现，发展十分迅速，是机器人中最重要的传感器之一。 机器视觉从20世纪60年代开始首先处理积木世界，后来发展到处理室外的现实世界。 20世纪70年代以后，实用性的视觉系统出现了。视觉一般包括三个过程：图像获取、图像处理和图像理解。相对而言，图像理解技术还很落后。,力觉 机器人力传感器就安装部位来讲，可以
4、分为关节力传感器、腕力传感器和指力传感器。国际上对腕力传感器的研究是从20世纪70年代开始的，主要研究单位有美国的DRAPER实验室、SRI研究所、IBM公司和日本的日立公司、东京大学等单位。,几种主要的机器人传感器简介,Senses of Robotics,触觉 作为视觉的补充，触觉能感知目标物体的表面性能和物理特性：柔软性、硬度、弹性、粗糙度和导热性等。对它的研究从20世纪80年代初开始，到20世纪90年代初已取得了大量的成果。,接近觉 研究它的目的是使机器人在移动或操作过程中获知目标（障碍）物的接近程度，移动机器人可以实现避障，操作机器人可避免手爪对目标物由于接近速度过快造成的冲击。,S
5、enses of Robotics,2、机器人传感器的分类,机器人用传感器也可分为内部传感器和外部传感器。 内部传感器是用来确定机器人在其自身坐标系内的姿态位置的，如用来测量位移、速度、加速度和应力的通用型传感器。 而外部传感器则用于机器人本身相对其周围环境的定位。外部传感机构的使用使机器人能以柔性方式与其环境互相作用。负责检验诸如距离、接近程度和接触程度之类的变量，便于机器人的引导及物体的识别和处理。,Senses of Robotics,Senses of Robotics,(用途) 内部传感器：检测机器人本身状态（关节位移,手臂间角度等）的传感器。 控制检测 外部传感器：检测机器人所处环
6、境（是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（抓取的物体滑落等）的传感器。 与环境的交互,外部传感器分为末端执行器传感器和环境传感器。 末端执行器传感器：主要装在作为末端执行器的手上，检测处理精巧作业的感觉信息。相当于触觉。 环境传感器：用于识别物体和检测物体与机器人的距离,定位,认知环境。相当于视觉。,1.内部状态的感觉 （1）位置和角度传感器 典型的传感器是电位计。检测的是以电阻中心为基准位置的移动距离。 E：输入电压 L：距中心最大移动距离 X：中心向左端移动的距离 e：电阻右侧的输出电压,Senses of Robotics,e=0, x=-L e=E/2, x=0 e=E, x=L,
7、0,第二节 机器人常用传感器,另有光电传感器。,Senses of Robotics,测算光敏晶体管的感光量与距离之间的关系,Senses of Robotics,(2)角度传感器： 回转式编码器。,通过脉冲计数，测得角速度及回转角,定盘的作用：感光量发生变化 感光位置固定,Senses of Robotics,2.外部状况的感觉 （1）物体识别传感器 典型的是视觉传感器。如摄像机。视觉是利用 光（机器人可用红外线等）的非接触方式。 触觉也能识别物体。机器人可以用触觉传感器 来实现这种机能。,Senses of Robotics,（2）物体探测传感器 视觉传感器是一种识别物体而且知道其存在的
8、传感器。 例如光电开关。(光遮断) 视觉传感器、光电开关和超声波传感器，即使 物体较远也能探测其存在。,Senses of Robotics,（3）极近物体探测传感器 探测非常近的物体存 在的传感器称为接近传感 器。,Senses of Robotics,（4）距离传感器 定位,避障 摄像机做距离传感器。具体留待7.4节介绍。 超声波做距离传感器。可用于鱼群探测、金属 内部探伤等方面。,Senses of Robotics,（5）力觉传感器 力觉传感器是检测力和力矩的施加地点大小方 向三个量的传感器。装配,力控制 力的检测主要是用电阻应变片（参看7.2节）。 根据形变量检测轴向力，返回力和力矩
9、,力传感器 多维力传感器： 通过几个应变片的受力变化感知外部力的方向、大小,Senses of Robotics,Senses of Robotics,（6）其他传感器 利用声波：语音识别传感器。分析振动声音探 测机械故障的点传感器。 热传感器：点检传感器。 通过分析敲打的声音测定果品成熟程度的传感 器。 根据近红外线的糖度吸收程度测定水果甜度的 传感器,触觉传感器,分类： 接触觉传感器 压觉传感器 力觉传感器 滑觉传感器 接近觉传感器,机器人所能实现的触觉功能只有接触觉、压觉、滑觉和力觉。,Senses of Robotics,第三节 触觉信息的获取,Senses of Robotics,1
10、.接触觉传感器 接触觉传感器：探测是否接触到物体，传感器接受由于接触(碰及)产生的柔量。 微动开关：(微小力）按下开关就能进入电信号的 简单机构。 猫胡须传感器：如图a,b 检查是否有接触,Senses of Robotics,2.压觉传感器 压觉传感器：检测物体同手爪间产生的压力和力以及其分布情况。 利用压电元件或弹簧。 （受压而产生极化现象） 如图是使用弹簧的平 面传感器，感知压力 大小和分布。,抓鸡蛋，抓豆腐,开关式触觉传感器,特点： 外形尺寸十分大 空间分辨率低,利用阵列这一概念已开发了许多重要的传感器。,Senses of Robotics,(光遮断),压阻式阵列触觉传感器,碳毡（C
11、SA）灵敏度高，具有较强的耐过载能力。缺点是有迟滞，线性差。 导电橡胶的电阻也会随压力的变化而变化，因此也常用来作为触觉传感器的敏感材料。,Senses of Robotics,另外还有光学式触觉传感器、电容式阵列触觉传感器等。,它利用一种具有压电和热释电性的高分子材料研制而成。,Senses of Robotics,Senses of Robotics,3.滑觉传感器 滑觉传感器：检测垂直加压力方向的力和位移。,驱使运动的力 阻碍运动的力,最小把持力,检测特定点的运动,它由一个金属球和触针组成，金属球表面分成许多个相间排列的导电和绝缘小格。触针头很细，每次只能触及一格。当工件滑动时，金属球也
12、随之转动，在触针上输出脉冲信号，脉冲信号的频率反映了滑移速度，个数对应滑移的距离。,Senses of Robotics,Senses of Robotics,4.力觉传感器 力觉传感器主要利用电阻 应变片。 原理：金属丝拉伸时电阻 变大。,Senses of Robotics,图中电压与电流关系： 则： 所以：,（3）装在机器人手爪指关节（或手指上）的力传感器，称为指力传感器。,通常我们将机器人的力传感器分为三类：,（1）装在关节驱动器上的力传感器，称为关节力传感器。用于控制中的力反馈。,（2）装在末端执行器和机器人最后一个关节之间的力传感器，称为腕力传感器。,Senses of Robot
13、ics,SRI （Stanford Research Institute）研制的六维腕力传感器，如图所示。它由一只直径为75mm的铝管铣削而成，具有八个窄长的弹性梁，每个梁的颈部只传递力，扭矩作用很小。梁的另一头贴有应变片。图中从Px+到Qy-代表了8根应变梁的变形信号的输出。,SRI传感器,Senses of Robotics,日本大和制衡株式会社林纯一研制的腕力传感器。它是一种整体轮辐式结构，传感器在十字梁与轮缘联结处有一个柔性环节，在四根交叉梁上共贴有32个应变片（图中以小方块），组成8路全桥输出 。,Senses of Robotics,有研究结果表明，视觉获得的感知信息占人对外界感知
14、信息的80%。 人类视觉细胞数量的数量级大约为10的8次方，是听觉细胞的300多倍，是皮肤感觉细胞的100多倍。,Senses of Robotics,第四节 视觉信息的获取,受环境影响: 光照，阴影，背景等,Senses of Robotics,1.PSD（position sensitive device）传感器 PSD传感器：当光束照射到1维的线和2维的平面时，检测光照射的位置。 L ：电极1与电极2的距离。 I1：流过电极1的电流。 I2：流过电极2的电流。 X：光照射点与电极1的距离。,按照光照位置到电极的长度分流，检测电极电流,Senses of Robotics,2.视觉传感器
15、机器人通过摄像机以图像的形式获得环境的信息。 （1）CCD(charge coupled device)传感器。 获取图像信息的最通用手段 CCD阵列，二维扫描，对表示灰度的电压采样， 二值数字化处理。每一定时间间隔扫描一遍。,CCD （电荷耦合器件）的基本结构是一个间隙很小的光敏电极阵列，即无数个CCD单元组成，也称为像素点（如448380）。它可以是一维的线阵，也可以是二维的面阵。,优点：体积小、质量轻、寿命长、抗冲击、耗电极少，一般只需几十毫瓦就可以启动。,Senses of Robotics,共256级灰度，从图（a）到（f）分辨率依次为512512， 256256，128128，64
16、64，3232，1616。,a)分辨率变化对图像的影响,Senses of Robotics,从图（a）到（f）分辨率依次为512512，灰度级依次为256 ，64，16，8，4，2。,b) 灰度变化对图像的影响,Senses of Robotics,从图（a）到（f）依次为：256256，128级灰度；181 181，64级灰度；128 128，32级灰度；90 90，16级灰度；64 64，8级灰度；45 45，4级灰度。,c)分辨率和灰度同时变化对图像的影响,Senses of Robotics,Senses of Robotics,（2）图像的投影。 O ：原点，透镜中心。 Z轴：光轴，摄像机的前方。 xy轴：组成图像面。 P点：物体上一点。 p点：P在图像面上的投影。 根据实际坐标，得到图像坐标,图像平面,相似三角形,扫描次序：由上至下，由左到右,Senses of Robotics,3.形状传感器 （1）利用CCD摄像机拍摄穿透光。热噪声的干扰。 透明物体不能准确识别。但遮断光容易获取。 （
