第八章-机器人感觉技术与传感器课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第八章机器人感觉技术与传感器,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,9/1/2024,1,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,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,9/1/2024,2,主要内容8.1 感知器的相关概念9/7/20232,8.1,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,9/1/2024,3,8.1感知器的相关概念8.1.1 人类智能与人工智能9/7,8.1.1,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。,9/1/2024,4,8.1.1 人类智能与人工智能人类智能的主要表现 9/7/2,8.1.2,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？,9/1/2024,5,8.1.2 器官功能与传感器人类的感觉器官：9/7/2023,什么是传感器,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,：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。,9/1/2024,6,什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,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。,9/1/2024,7,8.1.3 信息载体(1)辐射涉及全频段的电磁波。范围包,8.1.4,机器人感觉器官的必要性,1、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。,9/1/2024,8,8.1.4 机器人感觉器官的必要性 1、增加机器人功能，提高,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。,9/1/2024,9,4、依靠传感器反馈来补偿误差。 9/7/20239,8.2,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,9/1/2024,10,8.2 机器感觉原理、方式与过程8.2.1 感觉原理 9/7,8.2.1,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。,9/1/2024,11,8.2.1 感觉原理结构型传感器9/7/202311,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,9/1/2024,12,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,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：,9/1/2024,13,变极距型电容式传感器电容式传感器分为：9/7/202313,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,9/1/2024,14,结构型传感器举例 利用电磁感应把被测的物理量如位移、,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,9/1/2024,15,光电式码盘是一种非接触性光电传感器。电动机上的绝对编码器结构,线型电阻式荷重传感器,线型电阻应变计的结构,应变片与荷重传感器,9/1/2024,16,线型电阻式荷重传感器线型电阻应变计的结构应变片与荷重传感器9,电桥回路,平行梁式测力计,静力测量,9/1/2024,17,电桥回路平行梁式测力计静力测量9/7/202317,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,9/1/2024,18,物性型传感器概念：利用物质本身的某种客观性质制作9/7/20,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。,9/1/2024,19,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,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。,9/1/2024,20,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。9/,半导体电阻应变片,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，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,9/1/2024,21,半导体电阻应变片 导体或半导体材料在受到外界力（拉力或,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。,9/1/2024,22,8.2.2 感觉方式按感知形式：接触型，非接触型9/7/20,接触型：举例,开关、探针、触点等：机械运动量到电量的转换。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。,9/1/2024,23,接触型：举例开关、探针、触点等：机械运动量到电量的转换。输出,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,9/1/2024,24,非接触型中间传递介质：9/7/202324,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。,9/1/2024,25,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,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),。,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。,9/1/2024,26,8.2.3 感觉过程阶段性定义：如何将人们感兴趣的物理量,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,9/1/2024,27,二次表加工处理过程：被测信号测量仪器的构成广义传感器输出信号,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,9/1/2024,28,传感器信号的处理主要是进行信号的变换，去除噪声，信号的判断，,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,9/1/2024,29,8.3 机器人传感器分类与选择8.3.1 内部传感器9/7/,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,9/1/2024,30,感觉用途对象有无、形状、大小、种类的识别对象重量、,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： 走行机器人自身平衡控制,9/1/2024,31,8.3.1 内部传感器实现运动部件的控制与自我保护9/7,8.3.2 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,9/1/2024,32,8.3.2 外部传感器视觉：9/7/202332,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,9/1/2024,33,外部传感器接近觉：对工作对象的非接触探测。9/7/20233,8.3.3 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）。,9/1/2024,34,8.3.3 传感器选择的依据和评价1.对机器人传感器的一般要,2.对机器人传感器选择的特殊要求,按照加工任务选择传感器,（1）搬运：力，触觉，视觉,（2）装配：力，触觉，视觉,（3）喷漆：位置检测，对象识别,（4）焊接：位置，速度,点焊：接近觉,弧焊：视觉,按照对机器人的控制方式选择传感器：位置，速度，加速度,按照辅助工作的要求：,（1）外观检测：视觉,（2）工件定位：视觉，触觉，力,按照安全要求：力，触觉,3. 对机器人传感器的评价,9/1/2024,35,2.对机器人传感器选择的特殊要求9/7/202335,（1）灵敏度：输出信号变化与输入信号变化之比,线性 S=,y/ x,非线性 S=,dy/dx,S越大越好，但太高的灵敏度使稳定性下降（抗扰能力差）,（2）线性度 y=bx b是常数则线性度高,（3）测量范围：被测量最大允许值与最小允许值之差，要覆盖机器人有关被测量的工作范围。,（4）精度：输出值与实测值之间的误差。,（5）重复性：多次测量同一个信号时的变化程度。,（6）分辨力：所能辨别的被测量的最小变化值。,（7）响应时间：输入信号变化后，输出信号变化达到稳态所需的时间。（振荡越短越好）,9/1/2024,36,（1）灵敏度：输出信号变化与输入信号变化之比9/7/2023,8.4,位移、速度与加速度传感器,8.4.1,位置检测和位移检测,8.4.2,电位计式位移传感器,8.4.3,绝对位置光轴编码器,8.4.4,相对位置光轴编码器,8.4.5,测速发电机,8.4.6,加速度传感器,9/1/2024,37,8.4 位移、速度与加速度传感器8.4.1 位置检测和位移检,8.4.1,位置检测和位移检测,这是机器人最基本的感觉要求，它可以通过多种传感器来实现。,常用的机器人位置、位移传感器有电阻式位移传感器、电容式位移传感器、电感式位移传感器、光电式位移传感器、霍尔元件位移传感器、磁栅式位移传感器以及机械式位移传感器等。,二值输出的位置检出用传感器大体上分接触式(触点式)与非接触式(无触点式)两大类。,接触式主要有机械式限位开关与微动开关；非接触式传感器常用的有光电开关及各种接近开关。,光电开关与各种接近开关是随着电子机械技术的进步而急速发展起来的新型开关。,9/1/2024,38,8.4.1 位置检测和位移检测这是机器人最基本的感觉要求，它,各检出用开关的概略比较,类别,项目,限位开关,微动开关,光电开关,接近开关,透过形,镜反射形,直接反射形,高频磁形,电容形,片簧磁形,检出方法,机械式,光学,光学,电磁场,电容量,磁场,检出距离,劣,优,良,劣,中,劣,动作精度,良,中,劣,中,劣,中,应答时间,劣,良,良,优,良,良,寿命,劣,良,良,良,良,良,噪声波动,优,中,中,良,中,优,环境温度影响,优,中,中,良,中,中,耐灰尘、水、油,中,劣,劣,良,中,优,检测对象,固体,不透明体,固体,金属,介电常数高的物体,固体,9/1/2024,39,各检出用开关的概略比较 类别限位开关光电开,8.4.2,电位计式位移传感器,电位计法,测量线位移（直线型），角位移（旋转型）,由电阻和滑动触点组成，滑动触点受到被检测量控制，当位置发生变化，滑动触点发生位移，改变触点到电阻器各端的阻值和输出电压，根据测得的电压变化可得位移变化。,优点,：线性度好、输出信号选择范围大，性能稳定、结构简单、尺寸小、质量轻、精度高、成本低等,缺点,：易于磨损,旋转型：单圈电位计，多圈电位计,9/1/2024,40,8.4.2 电位计式位移传感器电位计法测量线位移（直线型,8.4.3 绝对位置光轴编码器,9/1/2024,41,8.4.3 绝对位置光轴编码器9/7/202341,绝对编码器,4位二进制编码,9位格林码,9/1/2024,42,绝对编码器4位二进制编码9位格林码9/7/202342,编码的重要性,9/1/2024,43,编码的重要性9/7/202343,8.4.4,相对位置光轴编码器 (增量式光轴编码器 ),9/1/2024,44,8.4.4 相对位置光轴编码器,码盘脉冲个数代表了位置，而单位时间里的脉冲个数表示这段时间里的平均速度。显然，单位时间越短，越能代表瞬时速度，但在太短的时间里，只能记到几个码盘脉冲，因而降低了速度分辨率。,目前解决方法如：可以采用两个码盘脉冲为一个时间间隔，然后用计数器记录在这段时间里高速脉冲源发出的脉冲数。,数字式速度检测方法,9/1/2024,45,码盘脉冲个数代表了位置，而单位时间里的脉冲个数表示这段时间里,两种编码器的比较,绝对位置编码器只能测位置，码值与位置一一对应，计算机处理简单，不需要方向辨别电路，抗干扰能力强，但加工难、安装严、体积大、价格高。,增量式编码器，既能测位置也能测速度，体积小，加工及安装较容易，价格低，但抗干扰能力差，需要方向辨别电路，计算机处理较复杂。因相关技术已经成熟，因此现在大都使用增量式光轴编码器。,传感器,功能,信息处理,体积,加工,价格,绝对,测量位置,简单,大,难,高,增量,测量位置,和速度,复杂、参考点鉴向,小,易,低,9/1/2024,46,两种编码器的比较 绝对位置编码器只能测位置，码值与位置,8.4.5,测速发电机,测速发电机是一种将转子速度转换为电气信号的机电式信号元件。,伺服系统中的基本元件之一。,作为测速、校正、解算元件，它广泛应用于各种速度和位置控制系统中。,测速发电机可分为：直流测速发电机、异步测速发电机和同步测速发电机。,9/1/2024,47,8.4.5 测速发电机 测速发电机是一种将转子速度转换,(1)、直流测速发电机,一般，自动控制系统对其元件的要求主要是高的精确度、灵敏度、可靠性等。因此，直流测速发电机在电气性能方面应满足以下要求：,1) 输出电压和转速成线性关系；,2) 输出特性的斜率大，即其灵敏度高；,3) 温度变化对输出特性的影响小；,4) 输出电压纹波小；,5) 正、反转的输出特性应一致。,9/1/2024,48,(1)、直流测速发电机 一般，自动控制系统对其元件的要,直流测速发电机在控制系统中的应用,9/1/2024,49,直流测速发电机在控制系统中的应用9/7/202349,(2)、交流异步测速发电机,主要优点是 ：,1 不需电刷和换向器，构造简单，维护容易，运行可靠；,2 无滑动接触，输出特性稳定，精度高；,3 摩擦阻力矩小，惯量小；,4 不产生干扰无线电的火花；,5 正、反转输出电压对称。,主要缺点是：,存在相位误差和剩余电压，输出斜率小，其输出特性因负载的性质不同而有所不同。,9/1/2024,50,(2)、交流异步测速发电机 主要优点是 ：9/7/202,模拟式与数字式,模拟式测速发电机,模拟法的相位滞后较小，反应速度快；用在数字系统时需要A/D转换。,数字式光电码盘,数字法虽对系统稳定不利，但因成本低，易实现，应用也很广泛。,速度传感器比较,9/1/2024,51,模拟式与数字式速度传感器比较9/7/202351,8.4.6 加速度传感器,压电式加速度传感器：(a) 剪切型；(b) 压缩型,悬臂梁,9/1/2024,52,8.4.6 加速度传感器压电式加速度传感器：(a) 剪切型；,地震式加速度传感器,等效力学模型,加速度传感器的基本构造,9/1/2024,53,地震式加速度传感器等效力学模型加速度传感器的基本构造9/7/,8.5 触觉技术,8.5.1 接触觉,感觉手指等部位与物体是否接触,8.5.2 压觉,感觉手与物表面垂直方向的压力大小及其分布,8.5.3 滑动觉,感受沿机器人与物体接触平行方向受的切向力、同握面垂直方向的变形、物体移位,8.5.4 力觉,感受夹持力、腕力,8.5.5 接近觉,探测机器人与物体的接近距离及物体的倾斜等,8.5.6 多种触觉的配合应用,9/1/2024,54,8.5 触觉技术8.5.1 接触觉9/7/202354,触觉作用,使操作动作适宜，视觉无法代替,识别操作对象的属性，如大小、重量等,用于安全保护，躲避障碍，防止事故,9/1/2024,55,触觉作用9/7/202355,8.5.1 接触觉,触觉传感器应包含：,(1)提供使传感器跟待检测物体接触的手段；,(2)通过附加额外传感器确定触觉传感器的位置,和取向；,(3)实现获取和解释触觉信息的“智能”功能。,因此，触觉器官应考虑手爪、致动器、换能器、信息处理等环节。,最简单也是最早使用的接触觉传感器是微动开关，但其需较大作用力，又响应时间长。,9/1/2024,56,8.5.1 接触觉 触觉传感器应包含：9/7/2023,接触觉传感器,常用的接触传感器有,机械式(微动开关用的最多),针式差动变压器,含碳海绵及导电橡胶等,当接触力作用时，这些传感器以通断方式输出高低电平，实现传感器对接触物体的感知。,9/1/2024,57,接触觉传感器常用的接触传感器有9/7/202357,各种接触觉,传感器,1.导电橡皮,2.金属,3.绝缘体,4.海绵状橡皮,5. 橡皮,6.金属箔,7.碳素纤维,8.含碳海绵,10.泡沫塑料 11.铍青铜箔 12.基板,13.引线,9/1/2024,58,各种接触觉9/7/202358,触觉传感器压敏电阻阵列与扫描电路,触觉传感器压敏电阻阵列,阵列扫描电路,9/1/2024,59,触觉传感器压敏电阻阵列与扫描电路 触觉传感器压敏电阻,8.5.2 压觉,压觉传感器其实是接触传感器的引申。压觉感知压力的大小。压觉中使人感兴趣的是分布压觉。通过高密度地配置这种传感器，把同物体接触时各点不同的压力，变成相应的浓淡画素，获取物体形状的信息。,9/1/2024,60,8.5.2 压觉压觉传感器其实是接触传感器的引申。压觉感知压,8.5.3 滑动觉,用于检测物体接触面之间相对运动大小和方向的,传感器。只限相对运动的检测，非表面状态检测,常用的滑动检测方法：,、将滑动转换成滚球和滚柱的旋转；,、用压敏元件和触针，检测滑动时的微小振动；,、检测即将发生的滑动时，手爪部分的压力通过手,爪载荷检测器，检测手爪的压力变化，从而推断,出滑动的大小等。,9/1/2024,61,8.5.3 滑动觉 用于检测物体接触面之间相对,利用光电系统的滑移传感器,滚子回转的检出是通过与滚子轴固联的光码盘进行。光码盘上刻有30个透光槽,槽的两侧分别在主体上固定有发光二极管与光电三极管。当对象物在夹持过程中产生滑移时,即带动滚子旋转,通过光电系统即可得到电脉冲信号,。,9/1/2024,62,利用光电系统的滑移传感器滚子回转的检出是通过与滚子轴固联,东京工业大学研制的光电式滑动觉传感器,9/1/2024,63,东京工业大学研制的光电式滑动觉传感器9/7/202363,磁带式滑动觉传感器,滑觉传感器是由磁头、磁带、滑轮、磁带轮及壳体所组成。其中一个磁带轮与滑轮固联在一起。磁带上录有固定频率和幅度的正弦信号,。,9/1/2024,64,磁带式滑动觉传感器 滑觉传感器是由磁头、磁带、滑轮、磁带轮及,电磁式滑移传感器,在滚子测面固定有一小块永久磁铁,通过本体上固定的磁头,即可检出滑移。同图给出了对侧的一个手指,在其上设有压觉传感器。通过两个传感器检知的信号,就可以进行夹持力的调节。,9/1/2024,65,电磁式滑移传感器在滚子测面固定有一小块永久磁铁,通过本体,全方向滑移传感器,在用导电体作成的球表面上用绝缘体分割成方格花纹,黑格与白格分别是绝缘部分与导电部分,与球表面接触的对象物不论向哪一方向滑动都会使球转动,通过与球表面接触的触针就可取出脉冲电压,并通过控制电路来控制握力。,9/1/2024,66,全方向滑移传感器在用导电体作成的球表面上用绝缘体分割成方,8.5.4 力觉,力觉传感器用于检测和控制机器人臂及手腕的力与力矩，其敏感元件一般用半导体应变片。力觉传感器分用于夹紧和传送工件时的夹持力检测和用于装配时的腕力检测。,9/1/2024,67,8.5.4 力觉力觉传感器用于检测和控制机器人臂及手腕的力与,夹持力觉传感器,4个应变片分别安装在宽而薄的梁的上表面和下表面。假设有一个夹持力F作用于指头上的G点，而G点距应变片组A和B的距离分别是L,A,和L,B,，可用二个测量电桥及应变仪分别测得力矩,M,A,= F L,A,M,B,= F L,B,由上述二式可求得夹持力F及其位置L,A,:,F = ( M,B,-M,A,) / ( L,B,-L,A,),L,A,= M,A,( L,B,-L,A,) / ( M,B,-M,A,),9/1/2024,68,夹持力觉传感器4个应变片分别安装在宽而薄的梁的上表面和下表面,腕力传感器装配时使用,腕力传感器用于装配作业机器人，大多用于轴孔插入的测力定心系统。传感器测得轴在插入孔时的力信息，反馈至计算机控制系统，控制插轴的后续补偿运动，以完成装配作业。,腕力传感器由一个弹性(或挠性)组件和以挠曲应变来测力(力矩)的传感器构成。可测出三个分力(力矩)。,9/1/2024,69,腕力传感器装配时使用 腕力传感器用于装配作业机器人，大多,应变片式腕力力觉传感器,4根梁结构,8根梁结构,9/1/2024,70,应变片式腕力力觉传感器4根梁结构8根梁结构9/7/20237,应变片式腕力力觉传感器,笛卡尔坐标系中三个力分量和三个力矩分量，信息来自8个梁，4垂直,R1-R4,，4水平,Q1-Q4,研制腕力传感器呈二种趋势，一是设计得较简单，但须经过复杂计算，求出传递矩阵、提取六个分量，这称间接输出型腕力传感器。二是设计得比较复杂，但只需简单计算，甚至可直接得到六个力分量，这种称为直接输出型腕力传感器。,9/1/2024,71,应变片式腕力力觉传感器笛卡尔坐标系中三个力分量和三个力矩分量,力和力矩检测传感器,9/1/2024,72,力和力矩检测传感器9/7/202372,8.5.5 接近觉,接近觉传感器：,是检测对象物体与传感器距离信息的一种传感器。利用距离信息测出对象物体的表面状态。接近觉是视觉传感器功能的一部分，但它只给出距离信息，接近觉传感器有电磁感应式、光电式、电容式、气压式、超声波和微波式等多种。实际使用应根据对象物体性质而定。,接近觉感知对象接近的情况，其作用为：,(1)在接触到对象前获取信息，为后续动作先做准备；,(2)发现障碍物，规定行程范围，以免碰撞；,(3)得到关于对象表面形状的信息。,目前常用的接近觉传感器有磁力式和超声波式，前者测距近，后者测距较远。,9/1/2024,73,8.5.5 接近觉 接近觉传感器：是检测对,电磁式接近觉传感器,9/1/2024,74,电磁式接近觉传感器9/7/202374,检测精度,：,(a)从反射光的光量变化和时间关系求出发光角度，就可能在210mm范围以0.5mm的精度检出。,(b)利用收光信号的相位偏差是距离的函数，能在1060mm内得到土2mm左右的精度。,光学式接近觉传感器,9/1/2024,75,检测精度：光学式接近觉传感器9/7/202375,用接近觉的焊接位置示教与检出,9/1/2024,76,用接近觉的焊接位置示教与检出9/7/202376,超声波式接近觉传感器,超声波式传感器适于较长距离和较大物体的探测，比视觉系统简单便宜，应用较广。可通过测定发出超声波脉冲的时刻到接收到回波电压的时间间隔，算出物体同机器人的距离,rC*T2,其中C为空气中的音速，T为时间间隔。,9/1/2024,77,超声波式接近觉传感器超声波式传感器适于较长距离和较大物体的探,超声波测厚系统原理图,9/1/2024,78,超声波测厚系统原理图9/7/202378,8.5.6 多种触觉的配合应用,9/1/2024,79,8.5.6 多种触觉的配合应用9/7/202379,8.6 测距技术,8.6.1 激光测距,8.6.2 红外检测,8.6.3 声纳检测,8.6.4 GPS定位,9/1/2024,80,8.6 测距技术9/7/202380,8.6.1 激光测距,激光测距是利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，以实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等等。激光测距在技术途径上可分为脉冲式激光测距和连续波相位式激光测距。,脉冲式激光测距原理与雷达测距相似，测距仪向目标发射激光信号，碰到目标就要被反射回来，由于光的传播速度是已知的，所以只要记录下光信号的往返时间，用光速（30万千米/秒）乘以往返时间的二分之一，就是所要测量的距离。,9/1/2024,81,8.6.1 激光测距激光测距是利用激光的单色性和相干性好,现在广泛使用的手持式和便携式测距仪，作用距离为数百米至数十千米，测量精度为五米左右。我国研制的对卫星测距的高精度测距仪，测量精度可达到几厘米。,连续波相位式激光测距是用连续调制的激光波束照射被测目标，从测量光束往返中造成的相位变化，可换算出被测目标的距离。为了确保测量精度，一般要在被测目标上安装激光反射器。它测量的相对误差为百万分之一。,9/1/2024,82,现在广泛使用的手持式和便携式测距仪，作用距离为数百米至数十千,激光传感器的优点是发散小或没有发散，并对大多数物体无镜面反射现象，缺点是存在潜在的安全问题（首先是人眼安全问题），且不适用于透明物质,9/1/2024,83,激光传感器的优点是发散小或没有发散，并对大多数物体无镜面反射,激光测距仪与微波雷达结合，还可以发挥激光波速窄的特长，弥补微波雷达低仰角工作时受地面干扰的不足。,激光测距与光学经纬仪、红外及电视跟踪系统相结合，组成光电跟踪测量系统，既可作为靶场试验的测量设备，又常用作武器的光电火力控制系统。这种激光测距仪已广泛用于地面火炮、坦克炮的火控系统，大大提高了命中率,9/1/2024,84,激光测距仪与微波雷达结合，还可以发挥激光波速窄的特长，弥补微,8.6.2 红外检测,红外距离传感器（红外测距仪）适合机器人应用，价格低，测量距离相对较短。,与超声传感器相比,红外测距的,准确度不高,但红外传感器可以在短时间内提供大量测量数据,易于安装在扫描仪上以获得全景图像,而且它的波束极窄,与超声传感器固有的锥形波相比,更有优势,。,9/1/2024,85,8.6.2 红外检测红外距离传感器（红外测距仪）适合机器人,8.6.3 声纳检测,声纳测距,（超声测距）,是一种非接触的检测方式，在近距离范围内有不受外界光线影响、硬件结构简单、容易操作、成本低等优点,在高性能自主移动机器人上获得了广泛应用。,缺点是速度慢，存在较大的波束角，且对光滑表面存在镜面反射。,9/1/2024,86,8.6.3 声纳检测声纳测距（超声测距）是一种非接触的检测方,超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。,9/1/2024,87,超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励,9/1/2024,88,9/7/202388,9/1/2024,89,9/7/202389,而红外传感器探测特性与超声传感器恰好相反,具有角度分辨力高的优点,并且最大探测范围可以覆盖超声传感器的盲区。,9/1/2024,90,而红外传感器探测特性与超声传感器恰好相反,具有角度分辨力高的,8.6.4 GPS定位,全球定位系统,(Global Positioning System,缩写GPS) 包括三大部分：空间部分GPS卫星星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分GPS信号接收机。,全球定位系统(GPS)作为定位工具准确度不高,需要惯性导航系统作为其补充,9/1/2024,91,8.6.4 GPS定位全球定位系统(Global Posit,8.7 传感器融合,传感器融合属于信息融合的范畴。,由于所研究的内容的广泛性和多样性，要给出信息融合一个统一的定义是非常困难的。,所谓信息融合就是将来自多个传感器或多源的信息进行综合处理从而得出更为准确、可靠的结论。,各种传感器是信息融合的基础，多源信息是信息融合的加工对象，协调优化和综合处理是信息融合的核心。,9/1/2024,92,8.7 传感器融合传感器融合属于信息融合的范畴。9/7/20,多传感器信息融合,利用计算机技术对按时序获得的若干传感器的观测信息在一定准则下加以自动分析、优化综合以完成所需的决策和估计任务而进行的信息处理过程。,信息融合是针对一个系统、多个或多类传感器的这一特定问题而开展的一种信息处理的新方法，又被称为,多源关联,、,多源合成,、,传感器混合,、或,多传感器融合,，更广泛的说法是多传感器信息融合。,9/1/2024,93,多传感器信息融合利用计算机技术对按时序获得的若干传感器的观测,传感器1,传感器2,传感器n,状态转换,数据检验,数据,转换,信息,分类,融合,环境,描述,多传感器信息协调管理,传感器模型,数据库,目标任务,信息融合在机器人应用领域的功能结构,9/1/2024,94,传感器1传感器2传感器n状态转换数据检验数据融合,多传感器信息融合的目的,多传感器信息融合在解决目标的探测、跟踪、估计和识别等问题上，与单传感器比较有许多性能上的优越性：,增强了系统的生存能力和可靠性：在有若干传感器不能利用或受到干扰时，总还会有一部分传感器可以提供信息，使系统能够不受干扰连续运行、弱化故障、增加监测概率。,扩展空间、时间的覆盖范围、改善探测能力。,增加可信度，减少了信息的模糊性和不确定性。,增加测量空间的维数。,9/1/2024,95,多传感器信息融合的目的多传感器信息融合在解决目标的探测,传感器的发展趋势,(1)微传感器,其敏感元件的尺寸一般为微米级,(2)智能化传感器,包括自补偿、自校正、自诊断、远程设定、状态组合、信息存储和记忆等功能。,(3)虚拟传感器,软测量技术,(4)传感器融合,9/1/2024,96,传感器的发展趋势(1)微传感器9/7/202396,参考文献,1.,陈哲，吉熙章编著，机器人技术基础，机械工业出版社，1997.10,2. 井口征士,传感工程,科学出版社 OHM社,2001,3. ,9/1/2024,97,参考文献1. 陈哲，吉熙章编著，机器人技术基础，机械工,The End of Chapter 8,9/1/2024,98,The End of Chapter 89/7/202398,