机器人设计教程

机 器 人 原 理 及 应 用 机 器 人 的 感 觉Senses of Robotics4.1 传 感 器 的 种 类4.2 触 觉 信 息 的 获 取4.3 视 觉 信 息 的 获 取4.4 距 离 信 息 的 获 取 Senses of Robotics 4.1 传 感 器 的 种 类 1.传 感 器 的 分 类 内 部 传 感 器 ： 检 测 机 器 人 本 身 状 态 （ 手 臂 间 角 度等 ） 的 传 感 器 。 外 部 传 感 器 ： 检 测 机 器 人 所 处 环 境 （ 是 什 么 物 体 ，离 物 体 的 距 离 有 多 远 等 ） 及 状 况 （ 抓 取 的 物 体 滑 落 等 ）的 传 感 器 。 外 部 传 感 器 分 为 末 端 执 行 器 传 感 器 和 环 境 传 感 器 。 末 端 执 行 器 传 感 器 ： 主 要 装 在 作 为 末 端 执 行 器 的手 上 ， 检 测 处 理 精 巧 作 业 的 感 觉 信 息 。 相 当 于 触 觉 。 环 境 传 感 器 ： 用 于 识 别 物 体 和 检 测 物 体 与 机 器 人的 距 离 。 相 当 于 视 觉 。 4.1 传 感 器 的 种 类 2.内 部 状 态 的 感 觉 （ 1） 位 置 和 角 度 传 感 器 典 型 的 传 感 器 是 电 位 计 。 检 测 的 是 以 电 阻 中心 为 基 准 位 置 的 移 动 距 离 。 E： 输 入 电 压 L： 最 大 移 动 距 离 触 头 X： 向 左 端 移 动 的 距 离 E： 电 阻 右 侧 的 输 出 电 压Senses of Robotics E EeL )2( 4.1 传 感 器 的 种 类 2.内 部 状 态 的 感 觉 （ 1） 位 置 和 角 度 传 感 器 另 有 光 电 传 感 器 。 Senses of Robotics 4.1 传 感 器 的 种 类 2.内 部 状 态 的 感 觉 (2)角 度 传 感 器 ： 回 转 式 编 码 器 。Senses of Robotics Senses of Robotics 4.1 传 感 器 的 种 类 3.外 部 状 况 的 感 觉 （ 1） 物 体 识 别 传 感 器 典 型 的 是 视 觉 传 感 器 。 如 摄 像 机 。 视 觉 是 利 用 光 （ 机 器 人 可 用 红 外 线 等 ） 的 非 接 触 方 式 。 触 觉 也 能 识 别 物 体 。 机 器 人 可 以 用 触 觉 传 感 器 来 实 现 这 种 机 能 。 Senses of Robotics 4.1 传 感 器 的 种 类 3.外 部 状 况 的 感 觉 （ 2） 物 体 探 测 传 感 器 视 觉 传 感 器 是 一 种 识 别 物 体 而 且 知 道 其 存 在 的 传 感 器 。 例 如 光 电 开 关 。 视 觉 传 感 器 、 光 电 开 关 和 超 声 波 传 感 器 ， 即 使 物 体 较 远 也 能 探 测 其 存 在 。 Senses of Robotics 4.1 传 感 器 的 种 类 3.外 部 状 况 的 感 觉 （ 3） 极 近 物 体 探 测 传 感 器 探 测 非 常 近 的 物 体 存 在 的 传 感 器 称 为 接 近 传 感 器 。 Senses of Robotics 4.1 传 感 器 的 种 类 3.外 部 状 况 的 感 觉 （ 4） 距 离 传 感 器 摄 像 机 做 距 离 传 感 器 。 具 体 留 待 5.4节 介 绍 。 超 声 波 做 距 离 传 感 器 。 可 用 于 鱼 群 探 测 、 金 属 内 部 探 伤 等 方 面 。 Senses of Robotics 4.1 传 感 器 的 种 类 3.外 部 状 况 的 感 觉 （ 5） 力 觉 传 感 器 力 觉 传 感 器 是 检 测 力 和 力 矩 的 施 加 地 点 大 小 方 向 三 个 两 的 传 感 器 。 力 的 检 测 主 要 是 用 电 阻 应 变 片 （ 参 看 5.2节 ） 。 Senses of Robotics 4.1 传 感 器 的 种 类 3.外 部 状 况 的 感 觉 （ 6） 其 他 传 感 器 利 用 声 波 ： 语 音 识 别 传 感 器 。 分 析 振 动 声 音 探 测 机 械 故 障 的 点 传 感 器 。 热 传 感 器 ： 点 检 传 感 器 。 通 过 分 析 敲 打 的 声 音 测 定 果 品 成 熟 程 度 的 传 感 器 。 根 据 近 红 外 线 的 糖 度 吸 收 程 度 测 定 水 果 甜 度 的 传 感 器 东 南 大 学 远 程 教 育机 器 人 原 理 及 应 用第 二 十 七 讲主 讲 教 师 ： 王 兴 松 Senses of Robotics 4.2 触 觉 信 息 的 获 取 1.接 触 觉 传 感 器 接 触 觉 传 感 器 ： 探 测 是 否 接 触 到 物 体 ， 传 感 器 接受 由 于 接 触 产 生 的 柔 量 。 微 动 开 关 ： 按 下 开 关 就 能 进 入 电 信 号 的 简 单 机 构 。 猫 胡 须 传 感 器 ： 如 图 a,b Senses of Robotics 4.2 触 觉 信 息 的 获 取 2.压 觉 传 感 器 压 觉 传 感 器 ： 检 测 物 体 同 手 爪 间 产 生 的 压 力 和 力以 及 其 分 布 情 况 。 利 用 压 电 元 件 或 弹 簧 。 如 图 是 使 用 弹 簧 的 平 面 传 感 器 。 Senses of Robotics 4.2 触 觉 信 息 的 获 取 3.滑 觉 传 感 器 滑 觉 传 感 器 ： 检 测 垂 直 加 压 力 方 向 的 力 和 位 移 。 东 南 大 学 远 程 教 育机 器 人 原 理 及 应 用第 二 十 八 讲主 讲 教 师 ： 王 兴 松 Senses of Robotics 4.2 触 觉 信 息 的 获 取 4.力 觉 传 感 器 力 觉 传 感 器 主 要 利 用 电 阻 应 变 片 。 原 理 ： 金 属 丝 拉 伸 时 电 阻 变 大 。 Senses of Robotics 4.2 触 觉 信 息 的 获 取 图 中 电 压 与 电 流 关 系 ： 则 ： 所 以 ： 2211 21;)( 2)2( RIVIRRV RIIRRV R RVVVV 4 21 V VRR 4 Senses of Robotics 4.2 视 觉 信 息 的 获 取 1.PSD（ position sensitive device） 传 感 器 PSD传 感 器 ： 当 光 束 照 射 到 1维 的 线 和 2维 的 平 面 时 ，检 测 光 照 射 的 位 置 。L ： 电 极 1与 电 极 2的 距 离 。I 1： 流 过 电 极 1的 电 流 。I2： 流 过 电 极 2的 电 流 。X： 光 照 射 点 与 电 极 1的 距 离 。 211 IILx 东 南 大 学 远 程 教 育机 器 人 原 理 及 应 用第 二 十 九 讲主 讲 教 师 ： 王 兴 松 Senses of Robotics 4.3 视 觉 信 息 的 获 取 2.视 觉 传 感 器 机 器 人 通 过 摄 像 机 以 图 像 的 形 式 获 得 环 境 的 信 息 。 （ 1） CCD(charge coupled device)传 感 器 。 CCD阵 列 ， 二 维 扫 描 ， 对 表 示 灰 度 的 电 压 采 样 ， 二 值 数 字 化 处 理 。 每 一 定 时 间 间 隔 扫 描 一 遍 。 Senses of Robotics 4.3 视 觉 信 息 的 获 取 2.视 觉 传 感 器 （ 2） 图 像 的 投 影 。O ： 原 点 ， 透 镜 中 心 。Z轴 ： 光 轴 ， 摄 像 机 的 前 方 。xy轴 ： 组 成 图 像 面 。P点 ： 物 体 上 一 点 。p点 ：P在 图 像 面 上 的 投 影 。 ZfYyZfXx , Senses of Robotics 4.3 视 觉 信 息 的 获 取 3.形 状 传 感 器 （ 1） 利 用 CCD摄 像 机 拍 摄 穿 透 光 。 热 噪 声 的 干 扰 。 透 明 物 体 不 能 准 确 识 别 。 （ 2） 若 形 状 有 特 征 ， 可 用 轮 廓 识 别 物 体 。 例 ： 由 手 印 鉴 别 每 个 人 。 由 形 状 识 别 机 械 零 件 。 Senses of Robotics 4.3 视 觉 信 息 的 获 取 4.光 切 断 传 感 器 将 通 过 狭 缝 照 射 的 面 状 光 投 射 到 物 体 上 ， 再 检 测反 射 光 。 :狭 缝 光 源 的 俯 角 。2d :投 射 在 物 体 上 的 两 直 线 光 源 间 的 距 离 。LWH:分 别 是 物 体 的 长 宽 高 。tandH Senses of Robotics 4.3 视 觉 信 息 的 获 取： 物 体 与 传 送 带 所 成 的 角 度 。 W： 物 体 上 照 射 线 的 长 度 。 l： 物 体 在 传 送 带 上 所 占 的 长 度 。 coswW sincos WLl 东 南 大 学 远 程 教 育机 器 人 原 理 及 应 用第 三 十 讲主 讲 教 师 ： 王 兴 松 Senses of Robotics 4.3 视 觉 信 息 的 获 取 5.全 方 位 视 觉 传 感 器 （ 1） 使 摄 像 机 回 转 的 方 式 。 （ 2） 带 有 特 殊 反 射 镜 的 摄 像 机 。 （ 如 图 ） Senses of Robotics 4.3 视 觉 信 息 的 获 取 5.全 方 位 视 觉 传 感 器 镜 面 方 程 表 达 式 ：P ： 空 间 内 一 点 。p ：P在 摄 像 机 上 所 成 的 像 。O M： 反 射 镜 的 一 个 焦 点 。OC： 反 射 镜 的 另 一 个 焦 点 。O ： 坐 标 原 点 。f ： 摄 像 机 透 镜 的 焦 距 。 : 直 线OM P的 仰 角 。 ： 反 射 镜 面 反 射 光 的 仰 角 。 1)( 22222 bZaYX Senses of Robotics 4.3 视 觉 信 息 的 获 取 5.全 方 位 视 觉 传 感 器： 点p也 是 点P的 方 位 角 cos)( 2sin)(tantan tantan 22 221 221 22 cb bccb yx f cYXZ xyXY 4.4 距 离 信 息 的 获 取 1.双 目 视 觉 由 于 视 差 得 到 距 离 感 觉 。O1 ： 摄 像 机 1的 透 镜 中 心 。O2 ： 摄 像 机 1的 透 镜 中 心 。P ： 空 间 一 点 。p1 ：P在 摄 像 机1上 的 图 像 。p2 ：P在 摄 像 机1上 的 图 像 。Senses of Robotics Senses of Robotics 4.4 距 离 信 息 的 获 取 2.投 光 法 投 光 法 ： 采 用 主 动 光 照 射 对 象 物 体 ， 用 摄 像 机 把照 射 点 捕 捉 到 图 像 上 ， 再 用 三 角 测 量 算 出 距 离 。 例 ： 测 距 计 ： 一 种 把 双 目 视 觉 一 侧 的 摄 像 机 置 换成 投 光 机 的 装 置 。 一 般 以 激 光 为 光 源 。 Senses of Robotics 4.4 距 离 信 息 的 获 取 2.投 光 法 （ 1） 点 光 源： 激 光 的 照 射 角 度 。d :透 镜 中 心 同 光 源 间 的 距 离 。XYZ:P的 三 维 位 置 。 tantan /tan tan /tan1 tanxf dyY xfdX fxdZ Senses of Robotics 4.4 距 离 信 息 的 获 取 2.投 光 法 （ 2） 狭 缝 光 ： 原 理 如 5.3.4节 （ 3） 符 号 化 光 ： 如 图