《机器人技术与应用》第3章-传感器在机器人上的应用

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1、机电工程学院1 机电工程学院机电工程学院 机器人技术与应用机器人技术与应用 第3章 传感器在机器人上的应用 机电工程学院2 3 3 0 0 引言引言 第一代机器人第一代机器人 不具有感知和反馈 不具有感知和反馈 示教再现型示教再现型 第二代机器人第二代机器人 对外界环境有一定感知能力 对外界环境有一定感知能力 具具 有视觉有视觉 触觉触觉 听觉等功能听觉等功能 第三代机器人第三代机器人 智能机器人 智能机器人 具有感觉能力具有感觉能力 有有 记忆记忆 推理和决策的能力推理和决策的能力 有与外部世界有与外部世界 对对 象象 环境和人相适应环境和人相适应 相协调的工作机能相协调的工作机能 为了检测

2、作业对象为了检测作业对象 环境或机器人与它们的关系环境或机器人与它们的关系 在机器人上安装了触觉在机器人上安装了触觉 视觉视觉 力觉力觉 接近觉接近觉 超声波等传感器超声波等传感器 进行定位和控制进行定位和控制 实现类似人实现类似人 类感知作用类感知作用 机器人传感器机器人传感器是指机器人对内外部环境感知的物是指机器人对内外部环境感知的物 理量变换为电量输出的装置理量变换为电量输出的装置 机电工程学院3 3 3 1 1 机器人常用传感器简介机器人常用传感器简介 1 机器人需要的感觉能力机器人需要的感觉能力 传感器传感器使得机器人初步具有类似于人的感知能力使得机器人初步具有类似于人的感知能力 不

3、同类不同类 型的传感器组合构成了机器人的型的传感器组合构成了机器人的感知系统感知系统 机器人机器人传感器主要可以传感器主要可以分为触觉分为触觉 力力觉觉 接近觉接近觉 视觉视觉 听觉听觉 嗅觉等六大嗅觉等六大类类 不过从人类生理学观点来看不过从人类生理学观点来看 人的感人的感 觉可分为内部感觉和外部感觉觉可分为内部感觉和外部感觉 类似的类似的 机器人传感器也可机器人传感器也可 分为内部传感器和外部传感器分为内部传感器和外部传感器 机机 器器 人人 机械系统机械系统 执行机构执行机构驱动系统驱动系统控制系统控制系统感知系统感知系统 基基座座 固定或移动 固定或移动 手部手部 腕部腕部 臂部臂部

4、腰部腰部 电驱动装置电驱动装置 液压驱动装置液压驱动装置 气压驱动装置气压驱动装置 处理器处理器 关节伺服控制器关节伺服控制器 内部传感器内部传感器 外部传感器外部传感器 机电工程学院4 3 3 1 1 机器人常用传感器简介机器人常用传感器简介 1 机器人需要的感觉能力机器人需要的感觉能力 1 触觉能力触觉能力 作为视觉的补充作为视觉的补充 触觉能感知目标物体的表面性能和物理触觉能感知目标物体的表面性能和物理 特性特性 如柔软性如柔软性 硬度硬度 弹性弹性 粗糙度和导热性等粗糙度和导热性等 1 功能功能 保证机器人可靠地抓住各种物体 保证机器人可靠地抓住各种物体 使机器人获取环境信息使机器人获

5、取环境信息 识别物体形状和表面纹路 识别物体形状和表面纹路 确定物体空间位置和姿态参数等确定物体空间位置和姿态参数等 2 触觉触觉研究从研究从20世纪世纪80年代初开始年代初开始 到到20世纪世纪90年代初年代初 已取得了大量的已取得了大量的成果成果 一般包括一般包括 接触觉传感器 接触觉传感器 压觉传感压觉传感 器器 滑觉传感器等滑觉传感器等 机电工程学院5 3 3 1 1 机器人常用传感器简介机器人常用传感器简介 1 机器人需要的感觉能力机器人需要的感觉能力 2 力觉能力力觉能力 用来用来检测机器人检测机器人自身与自身与外部外部环境之间的环境之间的相互作用力相互作用力 1 力力觉传感器经常

6、装于机器人关节处觉传感器经常装于机器人关节处 通过检测弹性体通过检测弹性体 变形来间接测量所受力变形来间接测量所受力 装于机器人关节处的力觉传感器常装于机器人关节处的力觉传感器常 以固定的三坐标形式出现以固定的三坐标形式出现 有利于满足控制系统的要求有利于满足控制系统的要求 2 按照安装部位分为 关节力传感器按照安装部位分为 关节力传感器 腕力传感器腕力传感器 指指 力传感器力传感器 机电工程学院6 3 3 1 1 机器人常用传感器简介机器人常用传感器简介 1 机器人需要的感觉能力机器人需要的感觉能力 3 接近觉能力接近觉能力 用于感知用于感知机器人机器人与与物体物体之间的之间的接近接近程度程

7、度 1 主要两主要两个用途 个用途 避障避障和和防止冲击防止冲击 例如例如 移动移动机器人绕开机器人绕开障碍物障碍物 机械手机械手抓取物体时柔性抓取物体时柔性接触接触 2 一般一般采用非接触型测量元件采用非接触型测量元件 探测的距离一般在几毫米到十探测的距离一般在几毫米到十 几厘米之间几厘米之间 常见常见 电 电涡流式涡流式 光纤式光纤式 超声波式及红外线式等类型超声波式及红外线式等类型 机电工程学院7 3 3 1 1 机器人常用传感器简介机器人常用传感器简介 1 机器人需要的感觉能力机器人需要的感觉能力 4 视觉能力视觉能力 1 视觉信息可分为图形视觉信息可分为图形 立体立体 空间和运动等信

8、息空间和运动等信息 图形信息是平面图像图形信息是平面图像 可记录可记录二维图像二维图像的明暗的明暗 色彩色彩 可用可用 于识别文字和形状等 于识别文字和形状等 立体信息表明物体的立体信息表明物体的三维形状三维形状 如远近如远近 配置等信息 配置等信息 空间信息用来空间信息用来感知活动空间感知活动空间 手足活动的余地手足活动的余地等信息 等信息 运动信息是随时间变化的信息运动信息是随时间变化的信息 用来表示物体用来表示物体运动的有无运动的有无 方向和速度方向和速度等信息等信息 2 视觉视觉传感器是智能机器人最重要的传感器之一传感器是智能机器人最重要的传感器之一 机器人通过机器人通过视觉传感器获取

9、环境的二维图像视觉传感器获取环境的二维图像 并做进一步分析并做进一步分析 和解释和解释 转换为符号转换为符号 让机器人能够辨识物体让机器人能够辨识物体 并确定其并确定其位置位置 又又 称称计算机视觉计算机视觉 机电工程学院8 3 3 1 1 机器人常用传感器简介机器人常用传感器简介 1 机器人需要的感觉能力机器人需要的感觉能力 5 听觉能力听觉能力 听觉也是机器人的重要感觉器官之一听觉也是机器人的重要感觉器官之一 现在已经部分实现用机器代替人现在已经部分实现用机器代替人耳耳 能能通过语音处理及辨识技通过语音处理及辨识技 术识别讲话人术识别讲话人 还能理解一些简单的语句还能理解一些简单的语句 机

10、器人听觉机器人听觉系统中的听觉传感器技术已经非常成熟系统中的听觉传感器技术已经非常成熟 关键问题关键问题 是是语音识别技术语音识别技术 它它与图像识别同属于模式识别领域与图像识别同属于模式识别领域 而模式识别而模式识别 技术就是最终实现人工智能的主要手段技术就是最终实现人工智能的主要手段 1 特定人的语音识别系统特定人的语音识别系统 2 非非特定人的语音识别特定人的语音识别系统 包括系统 包括 语言识别系统语言识别系统 单词识单词识 别系统别系统 数字音识别系统数字音识别系统 机电工程学院9 3 3 1 1 机器人常用传感器简介机器人常用传感器简介 1 机器人需要的感觉能力机器人需要的感觉能力

11、 6 嗅觉能力嗅觉能力 目前主要三种方法实现机器人的嗅觉功能 目前主要三种方法实现机器人的嗅觉功能 1 在机器人上安装单个或多个其他传感器在机器人上安装单个或多个其他传感器 例如例如 气体气体 气味烟羽气味烟羽 smoke plume 跟踪机器人跟踪机器人 2 简易嗅觉装置简易嗅觉装置 例如例如 立体电子鼻立体电子鼻 使用活的蚕蛾触角配上电极构造的嗅使用活的蚕蛾触角配上电极构造的嗅 觉传感器觉传感器 3 电子鼻电子鼻 例如例如 利用气体传感器阵列的响应图案来识别气味的电子利用气体传感器阵列的响应图案来识别气味的电子 系统系统 可以可以在几小时在几小时 几天甚至数月的时间内连续地几天甚至数月的时

12、间内连续地 实时实时 地监测特定位置的气味地监测特定位置的气味状况状况 识别识别气味气味等等 核心器件是气体核心器件是气体 传感器传感器 机电工程学院10 3 3 1 1 机器人常用传感器简介机器人常用传感器简介 2 机器人传感器的分类机器人传感器的分类 机器人的感知通过各种传感器实现机器人的感知通过各种传感器实现 分为 分为 1 内部传感器内部传感器 内部感知内部感知 用于检测和感知机器人自身状态用于检测和感知机器人自身状态 如 位置如 位置 速度速度 加速度加速度 驱动力矩等驱动力矩等 对内部传感器的要求对内部传感器的要求 精度高 精度高 响应速度快响应速度快 测量范围宽测量范围宽 体体

13、积小积小 重量轻重量轻 能耗低能耗低 工作可靠工作可靠 2 外部传感器外部传感器 外部感知外部感知 用于识别环境用于识别环境 工件情况或工件工件情况或工件 与机器人的关系与机器人的关系 如 力觉如 力觉 视觉视觉 距离距离 听觉等传感器听觉等传感器 对外部传感器的要求对外部传感器的要求 除精度高除精度高 响应速度快响应速度快 测量范围宽测量范围宽 外外 尽量非接触测量尽量非接触测量 体积小体积小 重量轻更加重要重量轻更加重要 另外另外 还要还要 求安装使用方便求安装使用方便 安全可靠安全可靠 对环境无不良影响对环境无不良影响 通常安装在通常安装在 末端执行器上末端执行器上 机电工程学院11 3

14、 3 1 1 机器人常用传感器简介机器人常用传感器简介 2 机器人传感器的分类机器人传感器的分类 控制器 内部传感 外部传感 机器人机器人 位置传感器 速度传感器 加速度传感器 力和压力传感器 微动开关 红外传感器 接触和视觉传感器 接近觉传感器 超声波传感器 视觉传感器 语音合成器 内传感器用于测量内传感器用于测量 机器人自身状态机器人自身状态 测量与机器人作业测量与机器人作业 有关的外部环境有关的外部环境 机电工程学院12 3 3 2 2 机器人传感器的要求与选择机器人传感器的要求与选择 一般要求一般要求 抗干扰能力抗干扰能力 强强 稳定性和可稳定性和可 靠性好靠性好 精度高精度高 重复重

15、复 性好性好 质量轻质量轻 体积体积 小小 安装方便安装方便 传感器选择完全取决于机器人的工作需要和应用特点传感器选择完全取决于机器人的工作需要和应用特点 机电工程学院13 特定的要求特定的要求 因机器人的加工任务及工作环境因机器人的加工任务及工作环境 不同不同 适应加工任务的要求适应加工任务的要求 选择传感器有针对性 选择传感器有针对性 如物料搬运如物料搬运 装配装配 喷漆喷漆 焊接焊接 检验检验 满足机器人控制的要求满足机器人控制的要求 分辨率 分辨率 灵敏度灵敏度 线性度线性度 响应时间响应时间 接口等接口等 满足机器人自身安全和机器人使用者的安全满足机器人自身安全和机器人使用者的安全

16、性要求性要求 成本成本 与机器人其他部分的设计要求相平衡 与机器人其他部分的设计要求相平衡 3 3 2 2 机器人传感器的要求与选择机器人传感器的要求与选择 机电工程学院14 机器人内传感器包括位移机器人内传感器包括位移 位置位置 检测传感检测传感 器器 速度速度 加速度传感器等加速度传感器等 一一 位置检测传感器位置检测传感器 机器人位置检测传感器两类 机器人位置检测传感器两类 1 1 检测规定位置检测规定位置 例如例如 检测机器人的起始原点检测机器人的起始原点 终点位置或某个确定终点位置或某个确定 的位置的位置 常见的有微型开关常见的有微型开关 光电开关等光电开关等 2 2 测量可变位置和角度测量可变位置和角度 例如例如 测量机器人关节线位移和角位移的传感器等测量机器人关节线位移和角位移的传感器等 常见的有电位器常见的有电位器 旋转变压器旋转变压器 编码器等编码器等 3 3 3 3 常用机器人内部传感器常用机器人内部传感器 机电工程学院15 1 1 光电开关光电开关 由由LEDLED光源光源 光敏二极管或光敏晶体管等光敏元件光敏二极管或光敏晶体管等光敏元件 相隔相隔 一定距离而构成