工业机器人-智能传感与感知ppt课件.pptx

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1、讲解人讲解人：Dou 之之所向所向工业机器人工业机器人-智能传感与感知智能传感与感知吉林大学机械与航空航天工程学院吉林大学机械与航空航天工程学院目录目录ContentContent1工业机器人简介2工业机器人传感器3工业机器人感知简介Part 1工 业 机 器 人工 业 机 器 人 工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。定义种类移动机器（AGV）点焊机器人弧焊机器人激光加工机器人真空机器人-真空中使用

2、（半导体工业）洁净机器人-洁净环境使用种类移动机器（AGV）-自动移载KUKAKUKA种类移动机器（AGV）-自动移载平移、自转平移、自转-子母轮子母轮种类解决方案四大家族ABBKUKAFANUCYASKAWA四大家族传感Part 2工 业 机 器 人工 业 机 器 人要求 精度高、重复性好精度高、重复性好 稳定性和可靠性好定性和可靠性好 抗干抗干扰能力能力强 质量量轻、体、体积小、安装方便小、安装方便 适适应加工任加工任务要求要求 满足足机器人控制的要求机器人控制的要求 满足足安全性要求以及其它安全性要求以及其它辅助工作的要求助工作的要求分类机器人机器人传感器按用途可分感器按用途可分为内部内

3、部传感器感器和和外部外部传感器感器。内部内部传感器：装在操作机上，包括位移、速度、加速感器：装在操作机上，包括位移、速度、加速度度传感器，是感器，是为了了检测机器人操作机机器人操作机内部状内部状态，在伺，在伺服控制系服控制系统中作中作为反反馈信号。信号。外部外部传感器：如感器：如视觉、触、触觉、力、力觉距离等距离等传感器，是感器，是为了了检测作作业对象及象及环境境与机器人的与机器人的联系。系。内部传感器1）规定位置、定位置、规定角度的定角度的检测检测预先先规定的位置或角度，可以用定的位置或角度，可以用开开/关两个状关两个状态值，用，用于于检测机器人的起始原点、越限位置或确定位置。机器人的起始原

4、点、越限位置或确定位置。a)微型开关：微型开关：规定的位移或力作用到微型开关的可定的位移或力作用到微型开关的可动部分部分(称称为执行器行器)时，开关的，开关的电气触点气触点断开或接通断开或接通。限位开关通常。限位开关通常装在盒里，以防外力的作用和水、油、装在盒里，以防外力的作用和水、油、尘埃的侵埃的侵蚀。b)光光电开关：光开关：光电开关是由开关是由LED光源和光敏二极管光源和光敏二极管或光敏或光敏晶体管等光敏元件晶体管等光敏元件组成，相隔一定距离而构成的透光式开关。成，相隔一定距离而构成的透光式开关。当光由基准位置的当光由基准位置的遮光片遮光片通通过光源和光敏元件的光源和光敏元件的缝隙隙时，光

5、射，光射不到光敏元件上，而起到开关的作用不到光敏元件上，而起到开关的作用内部传感器2）位置、角度）位置、角度测量量测量量机器人关机器人关节线位移和角位移的位移和角位移的传感器感器是机器人是机器人位置反位置反馈控制中必不可控制中必不可少的元件。少的元件。a)电位器位器-电压变化化 b)旋旋转变压器器-电压变化化 c)编码器器-脉冲信号脉冲信号内部传感器3）速度、角速度）速度、角速度测量量速度速度、角速度、角速度测量是量是驱动器反器反馈控制必不可少的控制必不可少的环节。有有时也利用也利用测位移位移传感器感器测量速度及量速度及检测单位采位采样时间位移位移量，但量，但这种方法有其局限性：低速种方法有其

6、局限性：低速时测量不量不稳定的危定的危险；高；高速速时，只能，只能获得得较低的低的测量精度。量精度。最最通用的速度、角速度通用的速度、角速度传感器是感器是测速速发电机或成机或成为转速速表的表的传感器、比率感器、比率发电机。机。测量量角速度的角速度的测速速发电机，可按其构造分机，可按其构造分为直流直流测速速发电机、交流机、交流测速速发电机和感机和感应式交流式交流测速速发电机。机。内部传感器4）加速度）加速度测量量随着随着机器人的高速比、高精度化，机器人的高速比、高精度化，机器人的振机器人的振动问题提上提上日程。日程。为了解决振了解决振动问题，有，有时在机器人的运在机器人的运动手臂等位置安手臂等位

7、置安装加速度装加速度传感器，感器，测量振量振动加速度加速度，并把它反，并把它反馈到到驱动器上。器上。a)应变片加速度片加速度传感器感器b)伺服加速度伺服加速度传感器感器c)压电感感应加速度加速度传感器感器外部传感器（1）触）触觉传感器感器触触觉是接触、冲是接触、冲击、压迫等机械刺激感迫等机械刺激感觉的的综合，触合，触觉可以用来可以用来进行机器人行机器人抓取抓取，利用触，利用触觉可可进一步一步感知物体的形感知物体的形状、状、软硬等物理性硬等物理性质。一般一般把把检测感知和外部直接接触而感知和外部直接接触而产生的接触生的接触觉、压力、力、触触觉及接近及接近觉的的传感器感器称称为机器人触机器人触觉传

8、感器。感器。接接触触觉接近接近觉滑滑觉外部传感器1)1)接触接触觉：接触接触觉是通是通过与与对象物体彼此象物体彼此接触接触而而产生的，所以最好使用生的，所以最好使用手指表手指表面高密度分布触面高密度分布触觉传感器感器阵列列，可，可检测机器人是否接触目机器人是否接触目标或或环境，境，用于用于寻找物体或感知碰撞。找物体或感知碰撞。机械式机械式传感器：利用感器：利用触点的接触触点的接触断开断开(微微动开关开关)。弹性式性式传感器感器：由：由弹性元件、性元件、导电触点和触点和绝缘体体构成构成。（碳。（碳纤维、导电橡胶、金属箔片橡胶、金属箔片变形与触点接触而形与触点接触而导通）通）光光纤传感器：感器：变

9、形表面不同点形表面不同点对光光线束反射束反射强度不同，度不同，用高速光用高速光扫描技描技术进行行处理，即可得到反射表面的受力理，即可得到反射表面的受力情况。情况。外部传感器2)接近接近觉接近接近觉是一种粗略的是一种粗略的距离感距离感觉，接近，接近觉传感器的主要作用感器的主要作用是在接触是在接触对象之前象之前获得必要的信息，用来得必要的信息，用来探探测在一定距离范在一定距离范围内是内是否有物体接近、物体的接近距离和否有物体接近、物体的接近距离和对象的表面形状及象的表面形状及倾斜等状斜等状态。在机器人中，主要用于在机器人中，主要用于对物体的物体的抓取和抓取和躲避避。接近接近觉一般用一般用非接触式非

10、接触式测量元件量元件，如，如霍霍尔效效应传感器感器、电磁式接近开关磁式接近开关和和光学接近光学接近传感器感器。外部传感器以以光学接近光学接近传感器感器为例，其例，其结构如构如图:由由发光二极管和光敏晶体管光二极管和光敏晶体管组成。成。发光二极管光二极管发出的光出的光经过反反射被光敏晶体管接收，射被光敏晶体管接收，接收到的光接收到的光强和和传感器与目感器与目标的距离有关，的距离有关，输出信号是距离的函数出信号是距离的函数。外部传感器3)滑滑觉1)1)机器人在抓取不知属性的物体机器人在抓取不知属性的物体时，其自身，其自身应能能确定最佳握确定最佳握紧力的力的给定定值。当握。当握紧力不力不够时，要，要

11、检测被握被握紧物体的滑物体的滑动，利用利用该检测信号，在不信号，在不损害物体的前提下，考害物体的前提下，考虑最可靠的最可靠的夹持持方法。方法。2)2)滑滑觉传感器有感器有滚动式和球式式和球式，还有一种有一种通通过振振动检测滑滑觉的的传感器。感器。物体在物体在传感器表面上滑感器表面上滑动时，和，和滚轮或或环相接触，相接触，把滑把滑动变成成转动。外部传感器例如例如振振动式滑式滑觉传感器，表面感器，表面伸出的触伸出的触针能和物体接触，能和物体接触，物体物体滚动时，触，触针与物体接触而与物体接触而产生振生振动，这个个振振动由由压电传感感器或磁器或磁场线圈圈结构的微小位移构的微小位移计检测。外部传感器（

12、2）力）力觉传感器感器力力觉是指是指对机器人的指、肢和关机器人的指、肢和关节等运等运动中所受力的中所受力的感知。如感知。如腕力腕力觉、关、关节力力觉和支座力和支座力觉。根据根据被被测对象的象的负载，可以把力，可以把力传感器分感器分为测力力传感器感器(单轴力力传感器感器)、力矩表、力矩表(单轴力矩力矩传感器感器)、手指、手指传感器感器(检测机器机器人手指作用力的超小型人手指作用力的超小型单轴力力传感器感器)和六和六轴力力觉传感器感器。检测方式：方式：应变式、式、压电式等。式等。外部传感器SRI腕力腕力传感器感器应变片片连接方式接方式SRI腕力腕力传感器感器外部传感器（3）距离）距离传感器感器距离

13、距离传感器可用于机器人感器可用于机器人导航和回避障碍物航和回避障碍物，也可用于机器人空，也可用于机器人空间内的物体内的物体进行行定位及确定其一般形状特征定位及确定其一般形状特征。1)超声波超声波测距法距法超声波超声波是是频率率20kHz以上的机械振以上的机械振动波，利用波，利用发射脉冲和接收脉冲的射脉冲和接收脉冲的时间间隔隔推算出距离推算出距离。缺点。缺点:波束波束较宽，其分辨力受到，其分辨力受到严重的限制重的限制，主要，主要用于用于导航和回避障碍物航和回避障碍物。2)激光激光测距距法法激光激光测距距法也可以利用回波法，或者利用激光法也可以利用回波法，或者利用激光测距距仪，其工作原理如下：，其

14、工作原理如下：氦氦氖激光器激光器固定在基固定在基线上，在基上，在基线的一端由反射的一端由反射镜将激光点射向被将激光点射向被测物体，反物体，反射射镜固定在固定在电动机机轴上，上，电动机机连续旋旋转，使激光点，使激光点稳定地定地对被被测目目标扫描。由描。由CCD(电荷耦合器件荷耦合器件)摄像机接受反射光，采用像机接受反射光，采用图像像处理的方法理的方法检测出激光点出激光点图像，并根据位置坐像，并根据位置坐标及及摄像机光学特点像机光学特点计算出激光反射角。利用算出激光反射角。利用三角三角测距原理距原理即可算出反射点的位置。即可算出反射点的位置。外部传感器(4)其他外部其他外部传感器感器除除以上介以上

15、介绍的机器人外部的机器人外部传感器外，感器外，还可根据机器人特可根据机器人特殊用途安装殊用途安装听听觉传感器、味感器、味觉传感器及感器及电磁波磁波传感器感器，而，而这些些机器人主要用于科学研究、海洋机器人主要用于科学研究、海洋资源探源探测或食品分析、救火等或食品分析、救火等特殊用途。特殊用途。这些些传感器多数属于开感器多数属于开发阶段，有待于更段，有待于更进一步完一步完善，以丰富机器人善，以丰富机器人专用功能用功能Part 3感知工 业 机 器 人三三维视觉传感器感器零件零件检测传感器感器碰撞碰撞检测传感器感器二二维视觉传感器感器感知利用前面所利用前面所讲述的各述的各类传感器原理，感器原理，我

16、我们可以可以为工工业机器人提供完善的感知能力。机器人提供完善的感知能力。例子：视觉传感器-物体夹取实现机械手姿机械手姿态调整与整与夹取取视觉传感器是机器感器是机器视觉系系统的核心，是提取的核心，是提取环境特征最多的信息源。它既要容境特征最多的信息源。它既要容纳进行行轮廓廓测量的各种光学、机量的各种光学、机械、械、电子、敏感器等各方面的元器件，又要体子、敏感器等各方面的元器件，又要体积小、重量小、重量轻。视觉传感器包括激光器、感器包括激光器、扫描描电动机及机及扫描机构、角度描机构、角度传感器、感器、线性性CCD敏感器及其敏感器及其驱动板和各种光学板和各种光学组件件。原理：三角原理：三角测量法、立

17、体量法、立体视觉法等等。法等等。多传感器数据融合视觉传视觉传感器感器感器感器（如（如（如（如CCDCCD摄摄像机）像机）像机）像机）碰撞碰撞碰撞碰撞检测传检测传感器感器感器感器预预处处理理理理算算算算法法法法卡卡卡卡尔尔曼曼曼曼滤滤波波波波融合算法融合算法融合算法融合算法特征、属性等特征、属性等多传感器数据融合算法简介1.嵌入嵌入约束法束法由多种传感器所获得的客观环境的多组数据就是客观环境按照某种映射关系形成的像，传感器信息融合就是通过像求解原像，即对客观环境加以了解。嵌入约束法有两种基本的方法：贝叶斯估计和卡尔曼滤波。2.证据据组合法合法 分析传感器每一数据作为支持某种决策证据的支持程度，并

18、将不同传感器数据的支持程度进行组合，分析出现有组合证据支持程度最大的决策。常用的证据组合方法有：概率统计方法、D-S证据推理法。3.人工神人工神经网网络法法人工神经网络通过模仿人脑的结构和工作原理，设计和建立相应的机器和模型并完成一定的智能任务。神经网络根据当前系统所接收到的样本的相似性，确定分类标准。这种确定方法主要表现在网络权值分布上，同时可采用神经网络特定的学习算法来获取知识，得到不确定性推理机制。人机共舞人机共舞匕首匕首测试安全工业机器人人机协作感知能力工业机器人人机协作感知能力ABB-YuMi人机人机协作机器人作机器人YuMi是全球首款名副其是全球首款名副其实的人机的人机协作机器人，作机器人，既能与人既能与人类并肩并肩执行相行相同的作同的作业任任务，又可确，又可确保其周保其周边区域安全无虞。区域安全无虞。无无论是是手表、平板手表、平板电脑还是其他各是其他各类产品品,YuMi都能都能轻松松处理，甚至理，甚至连穿穿针引引线也不在也不在话下，下，YuMi将将彻底改底改变我我们对装配自装配自动化的固有思化的固有思维。JiLin UniversityJiLin UniversityThanks 感谢聆听