《机器人感觉》PPT课件.ppt

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1、 第第3章章 机器人传感器机器人传感器（Robot Sensors）内部传感器：内部传感器：位置、速度、力、力矩、温度以及异常变化的位置、速度、力、力矩、温度以及异常变化的位置、速度、力、力矩、温度以及异常变化的位置、速度、力、力矩、温度以及异常变化的传感器传感器传感器传感器外部传感器外部传感器 视觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器、角视觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器、角视觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器、角视觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器、角度觉（平衡觉）传感器度觉（平衡觉）传感器度觉（平衡觉）传感器度觉（平衡觉）传感器智能机器人的传感器：智能机器人的传感器：视觉、听觉、触觉、嗅觉

2、、味觉视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉3.1 3.1 内部传感器内部传感器(Iner-Sensors)一、一、电位器电位器 直线型直线型直线型直线型 ：测量位移：测量位移：测量位移：测量位移 旋转型旋转型旋转型旋转型 ：测量角度：测量角度：测量角度：测量角度R R()=()=(/360)360)R R0 0 V V=(=(R R()/)/R R0 0)E E=(/360)360)E E其输出电压与阻值无关。其输出电压与阻值无关。其输出电压与阻值无关。其输出电压与阻值无关。所以，温度变化对输出电所以，温度变化对输出电所以，温度变化对输出电所以，温度变化对输出电压没有影响。压没有影响。压没有影响。压没

3、有影响。电位器电位器电位器电位器 滑片型：导电塑料、线绕式、混合式滑片型：导电塑料、线绕式、混合式滑片型：导电塑料、线绕式、混合式滑片型：导电塑料、线绕式、混合式 非接触型：磁阻式、光标式非接触型：磁阻式、光标式非接触型：磁阻式、光标式非接触型：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表面导电塑料：是将炭黑粉末和热硬化树脂涂在塑料的表面导电塑料：是将炭黑粉末和热硬化树脂涂在塑料的表面导电塑料：是将炭黑粉末和热硬化树脂涂在塑料的表面 上，并和接线端子作成一体，滑动部分几乎上，并和接线端子作成一体，滑动部分几乎上，并和接线端子作成一体，滑动部分几乎上，并和接线端子作成一体，滑动

4、部分几乎 没有磨损，寿命很长。没有磨损，寿命很长。没有磨损，寿命很长。没有磨损，寿命很长。磁阻效应：是在元件电流的垂直方向磁阻效应：是在元件电流的垂直方向磁阻效应：是在元件电流的垂直方向磁阻效应：是在元件电流的垂直方向 上加以外磁场，元件在电上加以外磁场，元件在电上加以外磁场，元件在电上加以外磁场，元件在电 流方向上的电流方向上的电流方向上的电流方向上的电 阻值发生阻值发生阻值发生阻值发生 变化。变化。变化。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：非接触式电位器的特点：寿命长，分辨率高，转矩小，寿命长，分辨率高，转矩小，xiang应速度快。应速度快。二、测速发电机二、测速发电机

5、 测速发电机是利用发电机的原理测速发电机是利用发电机的原理测速发电机是利用发电机的原理测速发电机是利用发电机的原理 速度传感器速度传感器速度传感器速度传感器 角速度传感器角速度传感器角速度传感器角速度传感器 测速发电机测速发电机测速发电机测速发电机 直流测速发电机直流测速发电机直流测速发电机直流测速发电机 (按其构造按其构造按其构造按其构造)交流测速发电机交流测速发电机交流测速发电机交流测速发电机 感应式交流测速发电机感应式交流测速发电机感应式交流测速发电机感应式交流测速发电机三、光学编码器三、光学编码器(Optical Encoder)增量式：增量式：增量式：增量式：起始点不固定，累积检测起

6、始点不固定，累积检测起始点不固定，累积检测起始点不固定，累积检测绝对式绝对式绝对式绝对式:起始点是给定的，以编码盘固有的某图起始点是给定的，以编码盘固有的某图起始点是给定的，以编码盘固有的某图起始点是给定的，以编码盘固有的某图案为起始点，检测角位移或线位移。案为起始点，检测角位移或线位移。案为起始点，检测角位移或线位移。案为起始点，检测角位移或线位移。增量式组成：增量式组成：增量式组成：增量式组成：（1 1）光电无件）光电无件）光电无件）光电无件 (如光电二如光电二如光电二如光电二极管极管极管极管 )（2 2）发光元件）发光元件）发光元件）发光元件 (光源光源光源光源 )（3 3）A A窄缝群

7、：相互错开窄缝群：相互错开窄缝群：相互错开窄缝群：相互错开1/41/4个节距信号为个节距信号为个节距信号为个节距信号为9090相位差的正弦波相位差的正弦波相位差的正弦波相位差的正弦波（4 4）B B窄缝群窄缝群窄缝群窄缝群 分辨率：设刻线为分辨率：设刻线为分辨率：设刻线为分辨率：设刻线为NN，则分辨率为：则分辨率为：则分辨率为：则分辨率为：=360360/NN绝对式：通常采用格雷码绝对式：通常采用格雷码绝对式：通常采用格雷码绝对式：通常采用格雷码(相邻两个二进制码的变化只能有一相邻两个二进制码的变化只能有一相邻两个二进制码的变化只能有一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位，

8、具有一定的纠错能力位，具有一定的纠错能力位，具有一定的纠错能力)自然二进制自然二进制自然二进制自然二进制 GrayGray码码码码 0 0000 0000 0 0000 0000 1 0001 0001 1 0001 0001 2 0010 0011 2 0010 0011 3 0011 0010 3 0011 0010 4 0100 0011 4 0100 00113.2 3.2 触觉传感器触觉传感器(Tactile Sensor)接触信息接触信息接触信息接触信息广义的触觉传感器广义的触觉传感器广义的触觉传感器广义的触觉传感器 狭小区域的压力信息狭小区域的压力信息狭小区域的压力信息狭小区域的

9、压力信息 滑觉信息滑觉信息滑觉信息滑觉信息一、接触觉传感器一、接触觉传感器一、接触觉传感器一、接触觉传感器 1 1、单向微动开关、单向微动开关、单向微动开关、单向微动开关点信息识别、平面信息识别、空间信息识别点信息识别、平面信息识别、空间信息识别 2 2、接近开关、接近开关、接近开关、接近开关 高频振荡式高频振荡式高频振荡式高频振荡式 磁感应式磁感应式磁感应式磁感应式 电容感应式电容感应式电容感应式电容感应式 超声波式超声波式超声波式超声波式 气动式气动式气动式气动式 光电式光电式光电式光电式 光纤式光纤式光纤式光纤式 3 3、触须传感器、触须传感器、触须传感器、触须传感器二、触觉传感器阵列二

10、、触觉传感器阵列二、触觉传感器阵列二、触觉传感器阵列三、滑觉传感器三、滑觉传感器三、滑觉传感器三、滑觉传感器 检测垂直加压方向的力和位移的传感器检测垂直加压方向的力和位移的传感器检测垂直加压方向的力和位移的传感器检测垂直加压方向的力和位移的传感器3.3 3.3 力觉传感器力觉传感器(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。的。的。的。通过检测物体弹性变形测量力，如采用应变片通过检测物体弹性变

11、形测量力，如采用应变片通过检测物体弹性变形测量力，如采用应变片通过检测物体弹性变形测量力，如采用应变片(金属丝拉伸时金属丝拉伸时金属丝拉伸时金属丝拉伸时电阻变大电阻变大电阻变大电阻变大)、弹簧的变形测量力、弹簧的变形测量力、弹簧的变形测量力、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体压电效应检测力通过检测物体压电效应检测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通过检测物休压磁效应检测力通过检测物休压磁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采用电动机、液压马达驱动

12、的设备可以通过检测电动机电流采用电动机、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方法测量力或转矩及液压马达油压等方法测量力或转矩及液压马达油压等方法测量力或转矩及液压马达油压等方法测量力或转矩;装有速度、加速度传感器的设备，可以通过速度与加速度的装有速度、加速度传感器的设备，可以通过速度与加速度的装有速度、加速度传感器的设备，可以通过速度与加速度的装有速度、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。测量推出作用力。测量推出作用力。测量推出作用力。一、力和力矩的一般检测方法一、力和力矩的一般检测方法检测力矩：检测力矩：二、腕力传感器二、腕力传感器二、腕力传感器二、

13、腕力传感器 1 1、筒式腕力传感器、筒式腕力传感器、筒式腕力传感器、筒式腕力传感器二层重叠并联结构型六轴力觉传感器二层重叠并联结构型六轴力觉传感器二层重叠并联结构型六轴力觉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下二层圆筒组合上下二层圆筒组合上下二层圆筒组合 上层由上层由上层由上层由4 4根竖直梁根竖直梁根竖直梁根竖直梁 下层由下层由下层由下层由4 4根水平梁根水平梁根水平梁根水平梁 8 8根梁的相应位置上粘贴应变片根梁的相应位置上粘贴应变片根梁的相应位置上粘贴应变片根梁的相应位置上粘贴应变片 作为提取力信号敏感点作为提取力信号敏感点作为提取力信号敏感点作为提取力信号敏感点

14、F Fx x=K K1 1 (P Py y+P+Py y-)F Fy y=K K2 2(P Px x+P+Px x-)F Fz z=K K3 3(QQx x+Q+Qx x-+Q+Qy y+Q+Qy y-)M Mx x=K K4 4 (Q Qy y+-Q-Qy y-)M My y=K K5 5(Q Qx x+-Q-Qx x-)M Mz z=K K6 6(P Px x+-P Px x-P Py y+P+Py y-)K K1 1,K,K2 2,K,K6 6 是比是比是比是比例常数例常数例常数例常数力和力矩的换算：力和力矩的换算：力和力矩的换算：力和力矩的换算：2 2、十字形腕力传感器、十字形腕力传感

15、器、十字形腕力传感器、十字形腕力传感器 十字形所形成的十字形所形成的十字形所形成的十字形所形成的4 4个臂作为工作梁，在每个梁的个臂作为工作梁，在每个梁的个臂作为工作梁，在每个梁的个臂作为工作梁，在每个梁的4 4个表个表个表个表 面上选取测量敏感点，通过粘贴应变片获取电信号面上选取测量敏感点，通过粘贴应变片获取电信号面上选取测量敏感点，通过粘贴应变片获取电信号面上选取测量敏感点，通过粘贴应变片获取电信号力和力矩的换算：力和力矩的换算：力和力矩的换算：力和力矩的换算：F Fx x 0 00 0 K K13 13 0 0 00 0 0 K K17 17 0 0 F Fy y K K21 21 0

16、00 0 0 0 K K25 25 0 0 00 0 0 W W1 1 F Fz z =0 0 K K3232 0 0 K K3434 0 0 K K36 36 0 0 K K3838 W W2 2 M Mx x 0 0 00 0 0 K K4444 0 0 00 0 0 K K48 48 M My y 0 0 K K5252 0 0 00 0 0 K K56 56 0 00 0 WW8 8 M Mz z K K61 61 0 0 K K63 63 0 0 K K65 65 0 0 K K67 67 0 0 3.4 3.4 接近与距离觉传感器接近与距离觉传感器(Access and Dista

17、nce Sensor)接近与距离觉传感器接近与距离觉传感器接近与距离觉传感器接近与距离觉传感器:(根据感知范围或距离根据感知范围或距离根据感知范围或距离根据感知范围或距离)感知近距离物体（感知近距离物体（感知近距离物体（感知近距离物体（mmmm级）：磁力式级）：磁力式级）：磁力式级）：磁力式(感应式感应式感应式感应式)、气压式、电容式、气压式、电容式、气压式、电容式、气压式、电容式感知中距离物体（感知中距离物体（感知中距离物体（感知中距离物体（30cm30cm以内）以内）以内）以内）：红外光电式：红外光电式：红外光电式：红外光电式感知远距离物体（感知远距离物体（感知远距离物体（感知远距离物体（

18、30cm30cm以外）以外）以外）以外）：超声式、激光式：超声式、激光式：超声式、激光式：超声式、激光式 一、磁力式接近传感器一、磁力式接近传感器一、磁力式接近传感器一、磁力式接近传感器 用于测金属用于测金属用于测金属用于测金属特点：特点：特点：特点：不受光、热、不受光、热、不受光、热、不受光、热、物体表面特征影响物体表面特征影响物体表面特征影响物体表面特征影响二、气压式接近传感器二、气压式接近传感器二、气压式接近传感器二、气压式接近传感器 原理：喷嘴原理：喷嘴原理：喷嘴原理：喷嘴 -挡板挡板挡板挡板 特特特特 点点点点较强防火、防磁、较强防火、防磁、较强防火、防磁、较强防火、防磁、防辐射能力

19、，但要求防辐射能力，但要求防辐射能力，但要求防辐射能力，但要求气源保持一定程度的净化气源保持一定程度的净化气源保持一定程度的净化气源保持一定程度的净化三、红外式接近传感器三、红外式接近传感器三、红外式接近传感器三、红外式接近传感器 发送器：红外发光二极管发送器：红外发光二极管发送器：红外发光二极管发送器：红外发光二极管 接收器：光敏晶体管接收器：光敏晶体管接收器：光敏晶体管接收器：光敏晶体管发送器和接收器发送器和接收器尺寸都很小，可尺寸都很小，可以方便地安装于以方便地安装于机器人手部机器人手部特特 点点四、超声波距离传感器四、超声波距离传感器四、超声波距离传感器四、超声波距离传感器(Ultra

20、sound Distance Sensor)(Ultrasound Distance Sensor)用于探测周围物体的存在与用于探测周围物体的存在与用于探测周围物体的存在与用于探测周围物体的存在与 距离的探测。距离的探测。距离的探测。距离的探测。超声波是人耳听不见的一种机械波，超声波是人耳听不见的一种机械波，超声波是人耳听不见的一种机械波，超声波是人耳听不见的一种机械波，其频率在其频率在其频率在其频率在20KHz20KHz以上，波长较短，以上，波长较短，以上，波长较短，以上，波长较短，绕射小，能够作为射线而定向传绕射小，能够作为射线而定向传绕射小，能够作为射线而定向传绕射小，能够作为射线而定向

21、传播。播。播。播。压电式压电式压电式压电式(压电材料的压电效应压电材料的压电效应压电材料的压电效应压电材料的压电效应)：石英、电气石等：石英、电气石等：石英、电气石等：石英、电气石等 电磁式电磁式电磁式电磁式 磁滞伸缩式磁滞伸缩式磁滞伸缩式磁滞伸缩式 逆压电效应将高频电振动转换为高频机械振动，以产生超逆压电效应将高频电振动转换为高频机械振动，以产生超逆压电效应将高频电振动转换为高频机械振动，以产生超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。声波，可作为发射探头。声波，可作为发射探头。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，可作为接收正压电效

22、应将接收的超声振动转换为电信号，可作为接收正压电效应将接收的超声振动转换为电信号，可作为接收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。探头。探头。探头。检测方式检测方式检测方式检测方式 脉冲回波式脉冲回波式脉冲回波式脉冲回波式 FM-CW(FM-CW(频率调制、连续波频率调制、连续波频率调制、连续波频率调制、连续波)式式式式 1 1、脉波回波式、脉波回波式、脉波回波式、脉波回波式 先将超声波用脉冲先将超声波用脉冲先将超声波用脉冲先将超声波用脉冲 调制后发射，根据经调制后发射，根据经调制后发射，根据经调制后发射，根据经 被测物体反射回来的被测物体反射回来的被测物体反射回来的被测物

23、体反射回来的 回波延迟时间回波延迟时间回波延迟时间回波延迟时间t t,计计计计 算出被测物体的距离算出被测物体的距离算出被测物体的距离算出被测物体的距离L:L:L L=v v t t/2/2 v v 声速声速声速声速v T v T (T (T 空气温度空气温度空气温度空气温度)2 2、FM-CWFM-CW方式方式方式方式采用连续波对超声波信号进行调制。采用连续波对超声波信号进行调制。采用连续波对超声波信号进行调制。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将由被测物体反射延迟将由被测物体反射延迟将由被测物体反射延迟t t 时间时间时间时间后得到的接收波信号与发射波信后得到的接收波信号

24、与发射波信后得到的接收波信号与发射波信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，相乘，仅取出其中的低频信号，相乘，仅取出其中的低频信号，相乘，仅取出其中的低频信号，就可以得到与距离就可以得到与距离就可以得到与距离就可以得到与距离L L成成成成 正比的差正比的差正比的差正比的差频频频频 f f 信号。信号。信号。信号。假设调制信号的频率为假设调制信号的频率为假设调制信号的频率为假设调制信号的频率为f fmm,调制频率的调制频率的调制频率的调制频率的带宽为带宽为带宽为带宽为 f f，被测物体的距离被测物体的距离被测物体的距离被测物体的距离L L为：为：为：为：L=L=f f v/v/

25、(4 4 f fmm f f)f f/f =f =t t/(1/(1/f fm m)t=t=f f/2 2 f fmm f f L=L=t t v/v/2 2 3.5 3.5 视觉传感器视觉传感器 (Vision Sensor)一、视觉系统的组成一、视觉系统的组成一、视觉系统的组成一、视觉系统的组成 图像传感器：摄像机、图像传感器：摄像机、图像传感器：摄像机、图像传感器：摄像机、CCDCCD传感器、超声波传传感器、超声波传传感器、超声波传传感器、超声波传 感器感器感器感器机器人视觉系统机器人视觉系统机器人视觉系统机器人视觉系统 数据传递系统：把图像传感器获得的信号转化数据传递系统：把图像传感器

26、获得的信号转化数据传递系统：把图像传感器获得的信号转化数据传递系统：把图像传感器获得的信号转化 为数字信号为数字信号为数字信号为数字信号 计算机和处理系统：图像预处理、分割、描述、计算机和处理系统：图像预处理、分割、描述、计算机和处理系统：图像预处理、分割、描述、计算机和处理系统：图像预处理、分割、描述、识别、解释识别、解释识别、解释识别、解释 二、摄像器件二、摄像器件二、摄像器件二、摄像器件 黑白或彩色摄像机黑白或彩色摄像机黑白或彩色摄像机黑白或彩色摄像机 CCDCCD像感器像感器像感器像感器 激光雷达激光雷达激光雷达激光雷达 超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器 半导体位置检测

27、器件半导体位置检测器件半导体位置检测器件半导体位置检测器件 1 1、PSDPSD传感器传感器 PSDPSD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。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。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。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。光照射到光照射到光照射到光照射到PSDPSD上上上上,生成电子空穴生成电子空穴生成电子空穴生成电子空穴duidui，从而在，从而在，从而在，从而在P P型和型和型和型和n n型电阻层上的电路中流型电阻层上的电路中流型电阻层上的电路中流型电阻层上的电路中流

28、 过电流。一维的过电流。一维的过电流。一维的过电流。一维的PSDPSD与电信计与电信计与电信计与电信计xiangxiang同，同，同，同，P P型电阻层的电阻在光照射位置被分割。型电阻层的电阻在光照射位置被分割。型电阻层的电阻在光照射位置被分割。型电阻层的电阻在光照射位置被分割。在在在在P P型电阻层上，电流按照从光照射位型电阻层上，电流按照从光照射位型电阻层上，电流按照从光照射位型电阻层上，电流按照从光照射位 置到两端电极的电阻层长度分流。置到两端电极的电阻层长度分流。置到两端电极的电阻层长度分流。置到两端电极的电阻层长度分流。x x=L L/(1+/(1+I I1 1/I I2 2)半导体

29、位置检测器件无法得到输入半导体位置检测器件无法得到输入半导体位置检测器件无法得到输入半导体位置检测器件无法得到输入 图像的灰度信息。图像的灰度信息。图像的灰度信息。图像的灰度信息。二维二维二维二维PSDPSD测量精度测量精度测量精度测量精度 位置分辨率高达位置分辨率高达位置分辨率高达位置分辨率高达mm 位置检测误差位置检测误差位置检测误差位置检测误差2525mm2 2、CCDCCD摄像机摄像机摄像机摄像机 CCDCCD的基本结构是一个间隙很小的电极阵列。阵列放置的基本结构是一个间隙很小的电极阵列。阵列放置的基本结构是一个间隙很小的电极阵列。阵列放置的基本结构是一个间隙很小的电极阵列。阵列放置

30、在摄像机镜头图像平面上，一幅贬低就投射到在摄像机镜头图像平面上，一幅贬低就投射到在摄像机镜头图像平面上，一幅贬低就投射到在摄像机镜头图像平面上，一幅贬低就投射到CCDCCD阵列平阵列平阵列平阵列平 面上。由于每个光敏元件产生的电荷与其照度成正比，电面上。由于每个光敏元件产生的电荷与其照度成正比，电面上。由于每个光敏元件产生的电荷与其照度成正比，电面上。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，然后用两相时钟脉荷聚集在每个光敏元件下面的电容里，然后用两相时钟脉荷聚集在每个光敏元件下面的电容里，然后用两相时钟脉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冲把电荷顺序地传递到放冲把电荷顺序地传递到放冲把电荷顺序地传递到放 大器输入端，于是在放大大器输入端，于是在放大大器输入端，于是在放大大器输入端，于是在放大 器的输出端产生代表图像器的输出端产生代表图像器的输出端产生代表图像器的输出端产生代表图像 的电压信号的电压信号的电压信号的电压信号。受光面积：受光面积：30mm 35mm30mm 35mm 像素数像素数(分辨率分辨率)：4096 50004096 5000 扫描速度：扫描速度：500ns/500ns/像素像素主要参数 第3章 结 束