第3章 机器人感觉

null 第3章 机器人传感器 　　　　　　　　（Robot Sensors） 第3章 机器人传感器 　　　　　　　　（Robot Sensors）内部传感器： 位置、速度、力、力矩、温度以及异常变化的传感器 外部传感器 视觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器、角度觉（平衡觉）传感器智能机器人的传感器： 视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉§3.1 内部传感器 (Iner-Sensors)§3.1 内部传感器 (Iner-Sensors)一、电位器 直线型 ：测量位移 旋转型 ：测量角度 nullR(θ)= (θ/360°) ·R0 V=( R(θ) /R0) ·E = (θ/360°) ·E 其输出电压与阻值无关。 所以，温度变化对输出电压没有影响。null 电位器 滑片型：导电塑料、线绕式、混合式 非接触型：磁阻式、光标式 导电塑料：是将炭黑粉末和热硬化树脂涂在塑料的面 上，并和接线端子作成一体，滑动部分几乎 没有磨损，寿命很长。 磁阻效应：是在元件电流的垂直方向 上加以外磁场，元件在电 流方向上的电 阻值发生 变化。 哈尔滨理工大学机器人技术基础非接触式电位器的特点： 寿命长，分辨率高，转矩小，响应速度快。null二、测速发电机 测速发电机是利用发电机的原理 速度传感器 角速度传感器 测速发电机 直流测速发电机 (按其构造) 交流测速发电机 感应式交流测速发电机null三、光学编码器(Optical Encoder) 增量式： 起始点不固定，累积检测 绝对式: 起始点是给定的，以编码盘固有的某图案为起始点，检测角位移或线位移。 nullnull增量式组成： （1）光电元件 ( 如光电二极管 ) （2）发光元件 ( 光源 ) （3）A窄缝群：相互错开1/4个节距信号为90°相位差的正弦波 （4）B窄缝群 分辨率：设刻线为N， 则分辨率为： ω= 360°/Nnull绝对式：通常采用格雷码(相邻两个二进制码的变化只能有一 位，具有一定的纠错能力) 自然二进制 Gray码 0 0000 0000 1 0001 0001 2 0010 0011 3 0011 0010 4 0100 0011§3.2 触觉传感器 (Tactile Sensor)§3.2 触觉传感器 (Tactile Sensor) 接触信息 广义的触觉传感器 狭小区域的压力信息 滑觉信息 null一、接触觉传感器 1、单向微动开关点信息识别、平面信息识别、空间信息识别null 2 、接近开关 高频振荡式 磁感应式 电容感应式 超声波式 气动式 光电式 光纤式null 3、触须传感器 null二、触觉传感器阵列null三、滑觉传感器 检测垂直加压方向的力和位移的传感器§3.3 力觉传感器(Force Sensor)§3.3 力觉传感器(Force Sensor)力不是直接可测量的物理量，而是通过其他物理量间接测量出的。 通过检测物体弹性变形测量力，如采用应变片(金属丝拉伸时电阻变大)、弹簧的变形测量力; 通过检测物体压电效应检测力; 通过检测物休压磁效应检测力; 采用电动机、液压马达驱动的设备可以通过检测电动机电流及液压马达油压等测量力或转矩; 装有速度、加速度传感器的设备，可以通过速度与加速度的测量推出作用力。 一、力和力矩的一般检测方法null检测力矩：nullnull二、腕力传感器 1、筒式腕力传感器 二层重叠并联结构型六轴力觉传感器 上下二层圆筒组合 上层由4根竖直梁 下层由4根水平梁 8根梁的相应位置上粘贴应变片 作为提取力信号敏感点null Fx = K1 ( Py+ + Py- ) Fy = K2 ( Px+ + Px- ) Fz= K3 ( Qx+ + Qx- + Qy+ + Qy- ) Mx= K4 ( Qy+ - Qy- ) My= K5 ( Qx+ - Qx- ) Mz= K6 ( Px+ - Px- - Py+ + Py- ) K1, K2, ···, K6 是比例常数力和力矩的换算：null2、十字形腕力传感器 十字形所形成的4个臂作为工作梁，在每个梁的4个表 面上选取测量敏感点，通过粘贴应变片获取电信号null力和力矩的换算： Fx 0 0 K13 0 0 0 K17 0 Fy K21 0 0 0 K25 0 0 0 W1 Fz = 0 K32 0 K34 0 K36 0 K38 W2 Mx 0 0 0 K44 0 0 0 K48 My 0 K52 0 0 0 K56 0 0 W8 Mz K61 0 K63 0 K65 0 K67 0 ···§3.4 接近与距离觉传感器 (Access and Distance Sensor)§3.4 接近与距离觉传感器 (Access and Distance Sensor)接近与距离觉传感器: (根据感知范围或距离) 感知近距离物体（mm级）：磁力式(感应式)、气压式、电容式 感知中距离物体（30cm以内） ：红外光电式 感知远距离物体（30cm以外） ：超声式、激光式 null一、磁力式接近传感器 用于测金属 特点： 不受光、热、 物体表面特征影响null二、气压式接近传感器 原理：喷嘴 - 挡板 特 点较强防火、防磁、 防辐射能力，但要求 气源保持一定程度的净化null三、红外式接近传感器 发送器：红外发光二极管 接收器：光敏晶体管 发送器和接收器 尺寸都很小，可 以方便地安装于 机器人手部 特 点null四、超声波距离传感器(Ultrasound Distance Sensor) 用于探测周围物体的存在与 距离的探测。 超声波是人耳听不见的一种机械波，其频率在20KHz以上，波长较短，绕射小，能够作为射线而定向传播。null 压电式(压电材料的压电效应)：石英、电气石等 电磁式 磁滞伸缩式 逆压电效应将高频电振动转换为高频机械振动，以产生超 声波，可作为发射探头。 正压电效应将接收的超声振动转换为电信号，可作为接收 探头。 检测方式 脉冲回波式 FM-CW(频率调制、连续波)式null 1、脉波回波式 先将超声波用脉冲 调制后发射，根据经 被测物体反射回来的 回波延迟时间△t ,计 算出被测物体的距离L: L = v · △t /2 v – 声速 v = 331.5 + 0.607T (T – 空气温度)null2、FM-CW方式 采用连续波对超声波信号进行调制。将由被测物体反射延迟△t 时间后得到的接收波信号与发射波信相乘，仅取出其中的低频信号，就可以得到与距离L成 正比的差频 fτ信号。 假设调制信号的频率为fm ,调制频率的带宽为 △f ，被测物体的距离L为： L = fτv/(4 fm △f ) fτ/ △f = △t /( ½·1/ fm ) △t = fτ/ 2· fm ·△f L = △t ·v/2 §3.5 视觉传感器 (Vision Sensor)§3.5 视觉传感器 (Vision Sensor)一、视觉系统的组成 图像传感器：摄像机、CCD传感器、超声波传 感器 机器人视觉系统 数据传递系统：把图像传感器获得的信号转化 为数字信号 计算机和处理系统：图像预处理、分割、描述、 识别、解释 null二、摄像器件 黑白或彩色摄像机 CCD像感器 激光雷达 超声波传感器 半导体位置检测器件 null1、PSD传感器 PSD是光束照射到一维的线和二维的平面时，检测光照射位置的传感器。 光照射到PSD上,生成电子空穴dui，从而在P型和n型电阻层上的电路中流 过电流。一维的PSD与电信计xiang同， P型电阻层的电阻在光照射位置被分割。 在P型电阻层上，电流按照从光照射位 置到两端电极的电阻层长度分流。 x = L/(1+I1/I2) 半导体位置检测器件无法得到输入 图像的灰度信息。 null二维PSD测量精度 位置分辨率高达0.2µm 位置检测误差25µmnull2、CCD摄像机 CCD的基本结构是一个间隙很小的电极阵列。阵列放置 在摄像机镜头图像平面上，一幅贬低就投射到CCD阵列平 面上。由于每个光敏元件产生的电荷与其照度成正比，电 荷聚集在每个光敏元件下面的电容里，然后用两相时钟脉 冲把电荷顺序地传递到放 大器输入端，于是在放大 器的输出端产生代表图像 的电压信号。 受光面积：30mm ×35mm 像素数(分辨率)：4096 × 5000 扫描速度：500ns/像素主 要 参 数null 第3章 结 束