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1、机器人原理与应用第八章 机器人感觉技术与传感器东北大学人工智能与机器人研究所*1第八章机器人感觉技术与传感器主要内容8.1 感知器的相关概念8.2 机器感觉原理、方式与过程8.3 机器人传感器分类与选择 8.4 位移、速度与加速度传感器8.5 触觉技术8.6 测距技术8.7 传感器融合Date2第八章机器人感觉技术与传感器8.1感知器的相关概念8.1.1 人类智能与人工智能8.1.2 器官功能与传感器8.1.3 信息载体8.1.4 机器人感觉器官的必要性Date3第八章机器人感觉技术与传感器8.1.1 人类智能与人工智能人类智能的主要表现 感知、记忆、思维、表达、动作、学习人工智能 对人类智能
2、的理解与机器实现人体有两种感觉系统1)内体感觉系统:检测诸如手足关节角、肌肉扩张和肌肉拉紧等内部参量。2)外体感觉系统:对皮肤表面温度和形状的改变而产生反应，这些参量是直接接触外部物体的结果。Date4第八章机器人感觉技术与传感器8.1.2 器官功能与传感器人类的感觉器官：视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉还有什么？痛觉热觉接近觉？气功？特异功能？天眼？Date5第八章机器人感觉技术与传感器什么是传感器传感器是一种能将具有某种物理表现形式的信息变换成机器可以处理的输入换能器。将被测非电量信号转换成与之有对应关系的电量输出的器件或装置。又叫变换器、换能器或探测器。什么是信息Clande Shannon
3、：信息是一种减少不确定量的量。RAndrew Russell:信息是增长人类知识的东西。Date6第八章机器人感觉技术与传感器8.1.3 信息载体(1)辐射涉及全频段的电磁波。范围包括无线电波到gama 射线。辐射的主要参数是强度、频率、偏振和相位。(2)物理量论述物质的各种外部参量。例如，位置、速度、尺寸、厚度、力和真空。(3)热温度、温度梯度、热和熵。 (4)电电压、电流、电阻、电容等电参数。 (5)磁磁场强度、磁通密度和磁导率。(6)化学量论述物质的内部结构的量。其主要参数是某一材料的浓度、晶体结构和凝聚态。 Date7第八章机器人感觉技术与传感器8.1.4 机器人感觉器官的必要性 1、
4、增加机器人功能，提高工作质量，有效完成任务；机器人传感器能监控所操纵工件的质量。例如，及时检查出有毛病的工件。2、适应复杂情况（对象/环境），扩大应用范围，防止发生意外事故。例如，自动导引车辆(AGV)式机器人，在道路上不能撞到人。3、人机交互的需要，接受指令，表达感情。Date8第八章机器人感觉技术与传感器4、依靠传感器反馈来补偿误差。 5、降低对机器人及其工作对象精度的要求“可以吃粗粮”； (1)随机安置物体的位置。从而降低购置固定夹具所需的高额费用； (2)允许物体的形状变化，可以放宽精度要求，而不必制成符合自动化装配线需求的高精度，也不需要高价地制造0.1mm精度的载体。例如，桔子和蛋
5、等食品，其形状和尺寸是变动的，通过触觉传感器感知的信息，机器人可抓住它。Date9第八章机器人感觉技术与传感器8.2 机器感觉原理、方式与过程8.2.1 感觉原理 感觉原理即传感器构成原理。 分为结构型和物性型。8.2.2 感觉方式8.2.3 感觉过程阶段性Date10第八章机器人感觉技术与传感器8.2.1 感觉原理结构型传感器概念：应用通常的物理定律构成的传感器，如：运动定律，牛顿定律，欧姆定律，电磁定律，热力学定律等。特点：传感原理明确，结构比较复杂，一般与结构材料无关。 Date11第八章机器人感觉技术与传感器结构型传感器举例 由两个平行板组成的电容器的电容量为： C= A / d式中电
6、容极板间介质的相对介电系数，相对于真空，=1； A两平行板所覆盖的面积； d两平行板之间的距离； C电容量。 如果保持其中的两个参数不变而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化转换为电容的变化。因此，电容量的变化的大小与被测参数的大小成比例。 极板d电容式传感器Date12第八章机器人感觉技术与传感器变极距型电容式传感器变极板面积型电容式传感器变介质型电容式传感器改变平行板间距的传感器可用来测量微米数量级的位移，而变化面积的传感器只适合测量厘米数量级的位移。 电容式传感器分为：Date13第八章机器人感觉技术与传感器结构型传感器举例 利用电磁感应把被测的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈
7、的自感系数L和互感系数M的变化，再由测量电路转换成电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。其特点为：1结构简单，无活动电触点，因此工作可靠寿命长；2灵敏度和分辨率高，能测出0.01m的位移变化；3线性度和重复性都比较好。电感式传感器Date14第八章机器人感觉技术与传感器光电式码盘是一种非接触性光电传感器。 它具有测量准确度高、响应速度快、结构简单、可靠性高和使用寿命长等优点。 典型的光码盘有50 7，80 0等类型。 为了确保转速测量准确度，使用单片机系统对脉冲信号处理。电动机上的绝对编码器结构型传感器举例 Date15第八章机器人感觉技术与传感器线型电阻式荷重传感器线型电阻应变计的
8、结构应变片与荷重传感器Date16第八章机器人感觉技术与传感器电桥回路平行梁式测力计静力测量Date17第八章机器人感觉技术与传感器物性型传感器概念：利用物质本身的某种客观性质制作的传感器。特点：受材料性质与使用环境影响较大。结构简单，灵敏度高。物性型传感器举例：光电传感器压电传感器Date18第八章机器人感觉技术与传感器光电传感器光电传感器是一种将光量的变化转化为电量的变化的传感器。它的物理基础就是光电效应。光电效应分:外光电效应、内光电效应两大类。在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。当
9、光照射在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为两种：光电导效应和光生伏特效应。Date19第八章机器人感觉技术与传感器压电式传感器是以某些物质的压电效应制作的一种传感器。当材料表面受力作用变形时，其表面会有电荷产生从而实现非电量测量。压电陶瓷是人造多晶系压电材料。常用的压电陶瓷有钛酸钡、锆钛酸钡、铌酸盐系压电陶瓷。它们的压电常数比石英晶体高，但介电常数、机械性能不如石英好。由于它们品种多，性能各异，可根据它们的特点制作各种不同的压电传感器，这是一种很有发展前途的压电元件。Date20第八章机器人感觉技术与传感器半导体电阻应变片 导体或半导体材料在
10、受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械形变，导致其阻值变化，这种现象称为“应变效应”。 电阻应变片工作原理：用应变片测量应变或应力时，在外力作用下，被测对象产生微小机械形变，应变片随其发生相同的变化，同时，应变片电阻也发生变化。当测得应变片电阻值变化量时，便可得到被测对象的应变值 Date21第八章机器人感觉技术与传感器8.2.2感觉方式按感知形式：接触型，非接触型1.接触型与被测对象接触；2.非接触型经特殊物质联系，与被测物保持一定距离。如:检测机器人周围的声波、光和其他电磁波，以及电、磁和静电场之间的相互作用。Date22第八章机器人感觉技术与传感器接触型：举例开关、探针、触点等：机械运
11、动量到电量的转换。输出：模拟、开关、脉冲、数字信号。可以采用压电材料：压力（振动）电压变化。如：压电晶体：电压振动声波或超声波； 经常采用压阻材料：压力（振动）电阻变化。其原理为导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械形变，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为“应变效应”。特点：结构简单，工作稳定，抗干扰强。Date23第八章机器人感觉技术与传感器非接触型中间传递介质：（1）电磁波：电场、磁场、可见光、红外、紫外、X-ray和激光 监测电磁波的存在与状态变化 （2） 声波：发射某种频率的声波信号 检测物体反射波的强弱，时间差从而获得某种感觉能力Date
12、24第八章机器人感觉技术与传感器按特性和性能可将传感器作如下分类1自生型来自输入信号的能量直接变换成输出信号。如硒光电池 2调制型主要能量供给不是输入信号而是一个辅助能源，适合检测弱信号。 3绝对型传感器的输出在任何时候都代表传感器的输入。这种传感器的典型例子是电位计。4增量型传感器的输出仅代表传感器输人的改变，这些改变的积累才是真实传感器输入。使用传感器以前要求定标，以保证积累值跟真实传感器输入一致。增量型编码器是这类传感器的实例。 Date25第八章机器人感觉技术与传感器8.2.3 感觉过程阶段性定义：如何将人们感兴趣的物理量或其它变量的有无、大小转换为人们所要求的信息形式（模拟的或数字的
13、)。 狭义传感器（检出器，一次表）、广义传感器（一次表二次表）1.一次表：将物体内外部的物理特征，如机械、光学等特征变为电信号。实例：热电偶、热电阻，压力应变片 2. 二次表：将电信号加工处理，变为有用信息。 Date26第八章机器人感觉技术与传感器二次表加工处理过程：信息初步处理：滤波、平滑、线性化、数据分组等信号变送：将微弱的一次检测信号变为抗干扰性强的标准信号：05v 或 420mA信息分析，内容非常丰富。被测信号测量仪器的构成广义传感器输出信号处理部分放大变换输入匹配测量环境狭义传感器检出器Date27第八章机器人感觉技术与传感器传感器信号的处理主要是进行信号的变换，去除噪声，信号的判
14、断，检出，信号成分的分析，信号合成和再现等。常用滤波方法有移动平均、数字微分、数字积分、同步积分、对数变换、互相关函数、自相关函数等。通过综合多种传感器信息得到单个传感器所不能得到的信息，称为传感器融合技术。对来自各个传感器的信号通过学习算法、模糊推理等的有机结合，最后进行综合判断。二次表的信号加工处理Date28第八章机器人感觉技术与传感器8.3 机器人传感器分类与选择8.3.1 内部传感器 检测机器人自身状态(内部信息)，机器人自身运动与正常工作所必需。 8.3.2 外部传感器 检测作业对象与作业环境的状态(外部信息)，适应特定环境和完成特定任务所必需。 8.3.3 传感器选择的依据Dat
15、e29第八章机器人感觉技术与传感器感觉用途 外部传感器视 觉对象有无、形状、大小、种类的识别对象的位置、姿态的识别对象灼伤痕、缺陷、好坏的识别对象上的图样、文字的识别触 觉对象重量、硬度、表面状态识别位置偏差的控制，握力的控制听 觉指令的识别，异常状态的检测，障碍物的检测其它（接近觉、味觉、嗅觉、湿度、振动等）各种检查，自我保护等内部传感器平衡感觉机器人自身的平衡其它（位置、速度、加速度、压力、转矩)运动器官的控制，自我保护等Date30第八章机器人感觉技术与传感器8.3.1内部传感器实现运动部件的控制与自我保护位置：直线，转角 速度:测速发电机加速度负荷力（力矩），惯性力平衡： 走行机器人自
16、身平衡控制Date31第八章机器人感觉技术与传感器8.3.2外部传感器视觉： 简单视觉对象的有无，孔、边线、拐角检测等复合视觉对象形状、大小、种类对象位置、姿态 对象伤痕、缺欠、好坏 对象上的图样、文字的识别、图形指令识别触觉：简单触觉确定工作对象是否存在、到位 复合触觉确定对象尺寸、形状、表面状态、硬度、光滑Date32第八章机器人感觉技术与传感器外部传感器接近觉：对工作对象的非接触探测。距离觉：检测距对象的距离范围 。听觉： 简单听觉波长频率单一，发声器单一，指令识别 复合听觉异常状态检测，障碍物检测，语音理解力觉： 简单力觉沿一个方向测力，对象重量 复合力觉沿多个方向测力，倾斜平衡 Date33第八章机器人感觉技术与传感器8.3.3传感器选择的依据和评价1.对机器人传感器的一般要求 机器人传感器除了一般传感器所要求的可靠性好、精度高、寿命长等特点之外,还特别要求以下各点:a.体积小、结构简单；b.重量轻；c.抗干扰；d.对环境的适应性强；e.回路独立:输入、输出回路应互相独立绝缘；f.调整容易;g.价格低廉，性能价格比高（性价比）。Date34第八章机器人感觉技术与传感器2.对机
