机器人技术及其应用第2版 张宪民第6章 机器人的感觉

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1、,主编 张宪民,机器人技术及其应用,Theory and Application of Robotics,机器人的感觉,第六章,机器人感觉系统通常由多种机器人传感器或视觉系统组成， 第一代具有计算机视觉和触觉能力的工业机器人是由美国斯坦福研究所研制成功的。目前， 使用较多的机器人传感器有位移传感器、力觉传感器、触觉传感器、压觉传感器、接近觉传感器等。本章主要介绍机器人常用的传感器及其工作原理， 并对其使用要求以及各种传感器的选择方法和评价方法加以介绍。,1,机器人传感技术,机器人传感技术,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、

2、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。也就是说， 计算机是人类大脑或智力的外延， 执行机构是人类四肢的外延， 传感器是人类五官的外延。机器人要获得环境的信息， 同人类一样需要通过感觉器官来得到信息。人类具有五种感觉， 即视觉、嗅觉、味觉、听觉和触觉， 而机器人则是通过传感器得到这些感觉信息的。其中， 传感器处于连接外界环境与机器人的接口位置，

3、是机器人获取信息的窗口。,6.1.1 机器人与传感器,机器人传感技术,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。,机器人传感技术,首先， 传感器可分为内部感应的和外部感应的， 其中外部感应如视觉或触觉， 并不包括在机器人控制器固有部件之中的； 而内部感应传感器如转角编码器， 则是装在机器

4、人内部的。采用这种分类方法， 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位置姿态的， 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。尽管接近觉、触觉和力觉传感器在提高机器人性能方面具有重大的作用， 但视觉被认为是机器人重要的感觉能力。机器人视觉可定义为从三维环境的图像中提取、显示和说明信息的过程。这一过程通常也称为机器视觉或计算机视觉。使用传感技术使机器人

5、在应付环境时具有较高的智能， 这是机器人领域中一项活跃的研究和开发课题。,6.1.2 机器人传感器的分类,机器人传感技术,几乎所有的机器人都使用内部传感器， 如为测量回转关节位置的编码器、测量速度以控制其运动的测速计。大多数控制器都具备接口能力， 所以来自输送装置、机床以及机器人本身的信号， 能够被综合利用来完成某一项任务。然而， 机器人的感觉系统通常指机器人的外部传感器， 如视觉传感器等， 这些传感器使机器人能获取外部环境的有用信息， 可为更高层次的机器人控制提供更好的适应能力， 也就是使机器人增加了自动检测能力， 提高机器人的智能。现在， 视觉和其他传感器已被广泛应用于各种任务： 带有中间

6、检测的加工工程、有适应能力的材料装卸、弧焊和复杂的装配作业等。已经出现了一个由机器人视觉公司组成的新型产业。,机器人传感技术,另一种分类是根据传感器完成的功能来分的。尽管还有许多传感器有待发明， 但现有的已形成通用种类， 如在机器人采集信息时不与零件接触的场合， 它的采样环节就需使用非接触传感器。用外部传感器如另设的触觉测试器也能检测形状。对于非接触传感器的不同类型， 可以划分为只测量一个点的响应和给出一个空间阵列或若干相邻点的测量信息这两种。测点装置使用最普遍的是超声测距装置， 这些装置在一个锥形信息收集空间内可测量靠近物体的距离。而照相机是测量空间阵列信息最普通的装置。,机器人传感技术,对

7、接触传感器也可进行相似的分类， 接触传感器可以简单地测定是否接触， 也可测量力或力矩。最普通的触觉传感器就是一个简单的开关， 当它接触零部件时， 开关闭合。力或力矩传感器按牛顿定律公式， 即力等于质量与加速度的乘积， 而力矩等于惯量与角加速度的乘积。一个简单的力传感器， 可用一个加速度仪来测量其加速度， 进而得到被测力。这些传感器也可按用直接方法还是间接方法测量来分类。例如， 力可以从机器人手上直接测量， 也可从机器人对工件表面的作用间接测量。力和触觉传感器还可进一步细分为数字式或模拟式， 以及其他类别。,机器人传感技术,世纪年代初， 多传感器信息融合的研究受到广泛关注， 多传感器信息融合的应

8、用土壤是各种实用的传感器系统。多传感器系统与机器人相结合， 形成感觉机器人和智能机器人。感觉机器人与智能机器人的界限不是非常明确， 一般认为感觉机器人拥有一定的感觉， 但只是低级的智能， 没有复杂的信息处理系统， 只能在结构化的环境中从事简单的工作； 智能机器人其本身能认识工作环境、工作对象及其状态， 它能根据人给予的指令和“自身” 认识外界的结果来独立地决定工作方法， 利用操作机构和移动机构实现任务目标， 并能适应工作环境的变化。多传感器、多信息融合系统与机器人结合起来，就构成了智能机器人。,6.1.3 多传感器信息融合技术的发展,机器人传感技术,自主自导的移动机器人需要一些固定式机器人所不

9、需要的特殊传感器。移动机器人对传感器的要求以及使用传感装置时会遇到的一些问题。从安全方面考虑非常必要为移动机器人配备多个传感装置， 如使机器人避免碰撞或利用传感器反馈的信息进行导引、定位以及寻找目标等。这些包括接触式触觉传感器、接近传感器、局部及整体位置传感器和水平传感器等。这种机器人属于智能型机器人， 它在很多方面得到应用， 如工业用材料运输车、军事哨兵、照顾病人、家务劳动， 以及平整草坪和真空吸尘等。,1.移动机器人的传感器,多传感器信息融合系统在机器人领域内主要有以下几个方面的应用。,机器人传感技术,移动机器人所需要的最重要也是最困难的传感器系统之一就是定位装置。局部和整体位置信息都可能

10、需要。这种信息的准确度对确定机器人控制对策也是很重要的， 因为机器人作业的成功和准确与机器人定位的成功和准确直接有关。事实上， 安装轴角编码对短距离可提供准确信息， 而由于轮子打滑以及其他因素， 对长距离可能造成大的累积误差。所以， 一些可修正确定位置的整体方法也是需要的。 在移动式机器人车中， 建造了一种整体定位系统， 使用整体定位装置时可能还需要把一幅地图编程输入到机器人存储器中， 这样即可根据其当前位置和预期位置拟订对策。这种需求已经促使一些研究人员去研发制订机器人环境地图的方法。例如， 移动机器人上的测距装置可测出其至周围环境中各物体的距离， 经进一步处理， 即可得出一幅地图。,机器人

11、传感技术,因为一台智能机器人可能采用多种传感器， 所以把传感的信息和存储的信息集成起来， 形成控制规则也是重要的问题。在某些情况下， 一台计算机就完全能够控制机器人。但在某些复杂系统中（移动机器人或柔性制造系统）， 可能要采用分层的、分散的计算机。一台执行控制器可用于总体规划。它把信息传递给一系列专用的处理器以控制机器人各功能， 并从传感器系统接收输入信号。不同的层次可用于完成不同的任务。一台只有高级语言能力的大型中心微处理机， 与在一条公共总线上的若干台较小的微处理器相联， 可提供一种分层控制的执行方式。这样， 软件规划可包括在主控制器中， 而高速动作可由分散的微处理器控制。,2.传感器与集

12、成控制,机器人传感技术,分散的传感器和控制系统在许多方面像人类的中枢神经系统。很多动作可由脊椎神经网络控制， 而无须大脑的意识控制。这种局部反应和自主功能对人类的生存是必要的，如何设法在机器人上实现这类功能也是非常重要的。对机器人这类机构的研究能使我们进一步理解如何才能让机器人工作得更像人类一样。,2,机器人内部传感器,机器人内部传感器,位置感觉是机器人最基本的感觉要求， 它可以通过多种传感器来实现， 常用的机器人位置传感器有电阻式位移传感器、电容式位移传感器、电感式位移传感器、光电式位移传感器、霍尔元件位移传感器、磁栅式位移传感器以及机械式位移传感器等。机器人各关节和连杆的运动定位精度要求、

13、重复精度要求以及运动范围要求是选择机器人位置传感器的基本依据。,6.2.1 机器人的位置传感器,机器人内部传感器,典型的位置传感器是电位计（称为电位差计或分压计）， 它由一个线绕电阻（或薄膜电阻） 和一个滑动触点组成。其中滑动触点通过机械装置受被检测量的控制。当被检测的位置量发生变化时， 滑动触点也发生位移， 改变了滑动触点与电位器各端之间的电阻值和输出电压值， 根据这种输出电压值的变化， 可以检测出机器人各关节的位置和位移量。,机器人内部传感器,如图6-1所示， 这是一个位置传感器的实例。在载有物体的工作台下面有同电阻接触的触头， 当工作台左右移动时， 接触触头也随之左右移动， 从而移动了与

14、电阻接触的位置。检测的是以电阻中心为基准位置的移动距离。,图6-1 线性电位计,机器人内部传感器,假定输入电压为E，最大移动距离（从电阻中心到一端的长度）为L，在可动触头从中心向左端只移动x的状态， 假定电阻右侧的输出电压为e。若在图6-1的电路上流过一定的电流，由于电压与电阻的长度成比例（全部电压按电阻长度进行分压），所以左、右的电压比等于电阻长度比，也就是,因此， 可得移动距离 为,机器人内部传感器,把图6-1中的电阻元件弯成圆弧形， 可动触头的另一端固定在圆的中心， 并像时针那样回转时， 由于电阻长随相应的回转角而变化， 因此基于上述同样的理论可构成角度传感器。如图6-2所示， 这种电位

15、计由环状电阻器和与其一边电气接触一边旋转的电刷共同组成。当电流沿电阻器流动时， 形成电压分布。如果将这个电压分布制作成与角度成比例的形式， 则从电刷上提取出的电压值， 也与角度成比例。作为电阻器， 可以采用两种类型， 一种是用导电塑料经成形处理做成的导电塑料型， 如图6-2a所示； 另一种是在绝缘环上绕上电阻线做成的线圈型， 如图6-2b所示。,机器人内部传感器,图6-2 角度式电位计,机器人内部传感器,线圈型电位计，其电压分布成阶段状， 所以它的分辨力由可能检测范围（在一周回转型中，可以是340） 内绕制的电阻线圈数来决定， 可以做到（1/100） （1/2000） 这一范围。对于导电塑料型

16、来说， 因为其电压分布大体上是连续的， 所以其分辨力可以取作无穷小。这类传感器的缺点是， 在电刷与电阻器表面的多次摩擦中， 两者都会受到磨损， 从而使平滑的接触变得不可能， 因此， 会因为接触不好而产生噪声。 图6-3所示的位置传感器是利用光电检测元件做成的。如果事先求出光源（LED） 和感光部分（光敏晶体管） 之间的距离同感光量的关系（见图6-2b）， 就能从计测时的感光量 检测出位移。,机器人内部传感器,图6-3 光电位置传感器,机器人内部传感器,应用最多的旋转角度传感器是旋转编码器。旋转编码器又称转轴编码器、回转编码器等， 它把连续输入的轴的旋转角度同时进行离散化（样本化） 和量化处理后予以输出。 把旋转角度的现有值， 用nbit的二进制码表示进行输出， 这种形式的编码器称为绝对值型； 还有一种形式， 是每旋转一定角度， 就有1bit的脉冲（和交替取值）被输出， 这种形式的编码器称为相对值型（增量型）。相对值型用计数器对脉冲进行累积计算， 从而可以得知从初始角旋转的角度。根据检测方法的不