新型傳感器第七章10.ppt

第 七 章 機(jī) 器 人 傳 感 器,第一節(jié) 機(jī)器人傳感器功能與分類,第二節(jié) 機(jī)器人視覺(jué)傳感器,第三節(jié) 機(jī)器人觸覺(jué)傳感器,第四節(jié) 機(jī)器人接近覺(jué)傳感器,概述,一、機(jī)器人與傳感器,機(jī)器人定義：由計(jì)算機(jī)控制的能模擬人的感覺(jué)、手工操縱的和具有自動(dòng)行走能力的而又足以完成有效工作的裝置。,機(jī)器人傳感器定義：能把機(jī)器人目標(biāo)物特性（或參量）變換為電量輸出的裝置。機(jī)器人通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)類似于人類的知覺(jué)作用。,二、機(jī)器人的發(fā)展,第一代：機(jī)械手-未采用傳感器,第二代：采用傳感器,第三代：電腦化,三、應(yīng)用,第一節(jié) 機(jī)器人傳感器功能與分類,對(duì)敏感材料的柔性和功能有特定要求: 因此，機(jī)器人傳感器既包括傳感器本身，也包含傳感器的信號(hào)處理。它由獲取信息和處理信息兩部分有機(jī)地構(gòu)成。,機(jī)器人傳感器的特點(diǎn)是：,有別于其它種類的傳感器: 機(jī)器人傳感器信息收集能力強(qiáng), 既能獲取信息，又緊隨環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行大幅度變化。,獲取的信息實(shí)時(shí)地用于控制: 用以決定機(jī)器人的行動(dòng)。,有和人類的五官對(duì)應(yīng)的功能: 能安裝在機(jī)器人上,傳感器的信號(hào)獲取與處理過(guò)程：,接觸覺(jué)傳感器多半是經(jīng)過(guò)過(guò)程。,信號(hào)獲取信號(hào)處理信號(hào)提取數(shù)據(jù)解釋等幾個(gè)層次的處理；,并非所有傳感器的信號(hào)處理都要經(jīng)過(guò)這四個(gè)全過(guò)程；,如視覺(jué)和高密度壓覺(jué)傳感器一般需經(jīng)過(guò)和的的過(guò)程；,位置、接近覺(jué)和壓覺(jué)等傳感器僅經(jīng)過(guò)過(guò)程；,外部檢測(cè)傳感器：用于獲取機(jī)器人周圍環(huán)境或者目標(biāo)物狀態(tài)特征的信息，是機(jī)器人與周圍進(jìn)行交互工作的信息通道。其功能是讓機(jī)器人對(duì)環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力，很好地執(zhí)行工作。接近覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)等傳感器。,傳感器的分類：,內(nèi)部檢測(cè)傳感器：以機(jī)器人本身的坐標(biāo)軸來(lái)確定其位置，用來(lái)感知運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。通過(guò)內(nèi)部檢測(cè)傳感器，機(jī)器人可以了解自己的工作狀態(tài)，調(diào)整和控制自己按照一定的位置、速度、加速度、壓力和軌跡等進(jìn)行工作。,機(jī)器人傳感器的分類及應(yīng)用,一、人眼與視覺(jué),人的80%以上的外界信息通過(guò)視覺(jué)所獲取。對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)，視覺(jué)傳感器也是最重要的傳感器。,第二節(jié) 機(jī)器人視覺(jué)傳感器,1、 人眼的結(jié)構(gòu),眼球壁： 外層（角膜、鞏膜） 中層（虹膜、睫狀體、脈絡(luò)膜） 內(nèi)層（視網(wǎng)膜） 屈光系統(tǒng)： 角膜、房水、睫狀肌、晶狀體 感光系統(tǒng)： 視網(wǎng)膜、視神經(jīng)、視中樞 眼球的構(gòu)造類似一臺(tái)照相機(jī)： 屈光系統(tǒng)鏡頭、感光系統(tǒng)底片,2、人的視覺(jué)功能,1）、立體感覺(jué)能力,2）、測(cè)定物體大小及其所在位置遠(yuǎn)近的能力。,3）、自動(dòng)跟蹤和觀察運(yùn)動(dòng)目標(biāo)對(duì)象的能力。,4）、人的視神經(jīng)有快速接受和傳輸視覺(jué)信息的能力,5）、感覺(jué)色彩的能力。,3、機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)主要應(yīng)用,1）、用視覺(jué)進(jìn)行產(chǎn)品檢驗(yàn)，代替人的目檢。包括：形狀檢驗(yàn)棗檢查和測(cè)量零件的幾何尺寸。形狀和位置；缺陷檢驗(yàn)檢查零件是否損壞，劃傷；齊全檢驗(yàn)棗檢查部件上的零件是否齊全。,2）、在機(jī)器人進(jìn)行裝配、搬運(yùn)等工作時(shí)，用視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)一組需裝配的零、部件逐個(gè)進(jìn)行識(shí)別，并確定它在空間的位置和方向，引導(dǎo)機(jī)器人的手準(zhǔn)確地抓取所需的零件，并放到指定位置，完成分類、搬運(yùn)和裝配任務(wù)。,3）、為移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)航。,人的雙眼從不同的方位獲取同一景物的信息，各自得到關(guān)于景物的二維圖像，這左右兩幅圖像有著微小的區(qū)別，這種區(qū)別就叫做視差。,人的大腦通過(guò)對(duì)左右兩幅圖像、以及兩幅圖像的視差進(jìn)行分析和處理后，可以得到關(guān)于景物的光亮度、形狀、色彩、空間分布等等信息。,4、人眼的立體視覺(jué),當(dāng)雙眼注視著有限距離點(diǎn)B點(diǎn)時(shí)，B在視網(wǎng)膜上的像也落在左右眼的黃斑位置B1和Br。,B點(diǎn)相對(duì)于左右眼的兩視線的夾角O1BOr稱作視差角，用b表示。,為了觀看物點(diǎn)B，眼睛將偏轉(zhuǎn)一定量的會(huì)聚角，顯然，b = 2。,雙眼注視無(wú)窮遠(yuǎn)的點(diǎn)，該點(diǎn)與雙目的夾角= 0，無(wú)窮遠(yuǎn)的點(diǎn)經(jīng)水晶體成的像都落在左右眼的黃斑處；,A點(diǎn)在左、右眼上的線視差為：,線視差是描述物點(diǎn)在空間中位置的重要參數(shù)，在機(jī)器人立體視覺(jué)中，視差也是一個(gè)十分重要的判定景物空間分布的因素之一。,B相對(duì)于人眼的距離Z b為：,Zb = b / tg,空間中任意一點(diǎn)A的左右像點(diǎn)分別為A1和A r ，設(shè)線視差分別為l 、r。,1、激光掃描法,X = x ( b tg+ Ll ) / ( x tg+Lf ) Y = y ( b tg+ Ll ) / ( x tg+Lf ),二、機(jī)器人視覺(jué)方法,結(jié)構(gòu)分析。,根據(jù)發(fā)射光線的空間角度和反射光線空間角度，以及發(fā)射源與電視攝像機(jī)之間的相對(duì)位置b的幾何關(guān)系，就可以確定反射點(diǎn)的空間坐標(biāo)Z：,tg= x / Lf OM = ( Z + Ll ) tg= x ( Z + Ll ) / Lf MOlaser = Zctg OM + MOlaser = b,綜合上式計(jì)算得：,Z = ( b Lf x L l ) /( x + L f tg),A點(diǎn)的另外兩個(gè)坐標(biāo)值：,機(jī)械掃描裝置把激光光束投向景物空間，按照一定的順序?qū)拔锟臻g進(jìn)行二維掃描，即可得到景物空間各點(diǎn)的距離信息。,如果用扇形光束代替點(diǎn)光束，只需進(jìn)行一維掃瞄，就能快速測(cè)定CCD圖像畫面內(nèi)全部點(diǎn)的距離信息。,2、立體攝影法,模仿人的雙眼，用兩個(gè)鏡頭光軸相互平行的攝像機(jī)從不同的方位記錄圖像。,設(shè)坐標(biāo)系XYZ、XlYlZl和X rY rZ r 。,設(shè)景物空間有物點(diǎn)A 和 B， 分別成像于a1和a2點(diǎn)，兩視線的夾角O1AO2就稱作視差角，以a表示；,a = 2b / Z a,式中，2b為兩CCD攝像機(jī)光軸之間的距離。,顯然，對(duì)于物點(diǎn)B，其視差角為：,b = 2b / Z b,在CCD成像面上，物體的角視差實(shí)際上是以線視差來(lái)表現(xiàn)的。,點(diǎn)A和點(diǎn)B視差角的差值ab稱作立體視差：,ab =a -b,視差角的大小表征了物點(diǎn)的遠(yuǎn)近，如果近物點(diǎn)A和遠(yuǎn)物點(diǎn)B相對(duì)于CCD攝像機(jī)的視差角分別為a、b，必然a b；反之，若a b，則可以判斷，認(rèn)為物點(diǎn)A相對(duì)于物點(diǎn)B遠(yuǎn)。,同樣，立體視差的正負(fù)也能表征物點(diǎn)的遠(yuǎn)近。,根據(jù)二維圖像中的線視差和相對(duì)線視差，可以推算出空間物點(diǎn)的三維信息。,設(shè)物點(diǎn)A)、B分別成像于Al(X al、Yal、Z al)、Ar (Xar、Yar、Z ar)和Bl(Xal、Yal、Z al)、Br (Xar、Yar、Z ar)。,A點(diǎn)的線視差X a：,A、B兩 點(diǎn)的線視差X a、 Xb為：,物點(diǎn)A和物點(diǎn)B之間的相對(duì)線視差X ab為：,第三節(jié) 機(jī)器人觸覺(jué)傳感器,機(jī)械人觸覺(jué)可分為：接觸覺(jué)、壓覺(jué)、力覺(jué)、滑覺(jué)等幾種。,檢測(cè)機(jī)器人的某些部位（如手或足）與外界物體是否接觸，識(shí)別物體的形狀和在空間的位置，保證機(jī)器人的手能牢固地抓住物體，或保證其足能穩(wěn)穩(wěn)地踩在地面上。,機(jī)器人裝上觸覺(jué)傳感器的目的:,觸覺(jué)是接觸、滑動(dòng)、壓覺(jué)等機(jī)械刺激的總稱。,一、接觸覺(jué)傳感器,接觸覺(jué)傳感器用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人的某些部位與外界物體接觸與否，例如感受是否抓住零件，是否接觸地面等。,二、壓覺(jué)傳感器,V o = V p (C x -C R ) / C F = V p (C / C F ),用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人手指的握持面上承受的壓力大小和分布，分布式壓覺(jué)傳感器是前述陣列式接觸覺(jué)傳感器的延伸。特點(diǎn)：小型輕便、響應(yīng)快、陣列密度高、在線性好、可靠性高等。,常用的敏感材料：導(dǎo)電橡膠或塑料、偏聚二氟乙烯薄膜（PVF2）、應(yīng)變片陣列、磁彈性式壓磁傳感器陣列（如針式差動(dòng)變壓器、霍爾元件）、光電傳感器陣列等。,三、力覺(jué)傳感器,腕力傳感器發(fā)展趨勢(shì)：,間接輸出型腕力傳感器：將傳感器本身設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單化，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的計(jì)算求出傳遞矩陣，使用時(shí)要經(jīng)過(guò)矩陣運(yùn)算才能提取出六個(gè)力分量。,用于感知機(jī)器人的指、肢和關(guān)節(jié)等在工作和運(yùn)動(dòng)中所受力的大小和方向，從而決定如何運(yùn)動(dòng)、采用什么姿勢(shì)、以及推測(cè)對(duì)象物體的重量等。特點(diǎn)是感知多維的作用力。,直接輸出型腕力傳感器：傳感器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，簡(jiǎn)單的計(jì)算就能提取個(gè)分量，甚至可以直接得到六個(gè)分量。,式中，K1、K2、K3、K4、K5、K6為比例系數(shù)，與各根梁所貼應(yīng)變片的應(yīng)變靈敏度有關(guān)。,筒式六自由度腕力傳感器：,材料：鋁。,Fx = K1（ Py+ + Py- ） Fy = K2（Px+ + Px-） Fz = K3（Q x+ + Qx- + Q y+ + Qy-）,X、Y、Z方向的力Fx、Fy、Fz ，轉(zhuǎn)矩Mx、My、Mz：,Mx = K4（Q y+ - Qy-） My = K5（- Q x+ + Qx-） Mz = K6（P x+ - Px- - P y+ + Py-）,Fx = - fx1 - fx3 Fy = - fy1 - fy2 - fy3 - fy4 Fz = - fz2 - fz4 Mx = afz2 + afz4 + bfy1 - bfy3 My = - bfx1 + bfz4 + bfz2 bfz4 Mx = - afx1 afx3 bfy2 + bfy4,撓性件十字梁式腕力傳感器,材料：鋁,外端插入手腕框架，懸梁端部與腕框架的接合部裝有尼龍球，目的是為了懸梁易于伸縮。,為增加靈敏性，在與梁相接處的腕框架上切出窄縫。十字形懸梁實(shí)際上是一整體，其中央固定在手腕軸向。,每根梁的上下左右側(cè)面各貼一片應(yīng)變片。,相對(duì)面上的兩片應(yīng)變片構(gòu)成一組半橋，共8只應(yīng)變計(jì)，輸出參數(shù)fx1、fx3、fy1 、fy2、fy3、fy4、fz2、fz4。,X、Y、Z的力Fx、Fy、Fz和力矩Mx、My、Mz ：,四、滑覺(jué)傳感器,用于機(jī)器人感知手指與物體接觸面之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)（滑動(dòng)）的大小和方向，從而確定最佳大小的把握力，以保證既能握住物體不產(chǎn)生滑動(dòng)，又不至于因用力過(guò)大而使物體發(fā)生變形或被損壞。,四、仿生皮膚,聚偏二氟乙烯（PVDF）是具有壓電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)的高分子材料。,利用PVDF可以制成接觸覺(jué)、滑覺(jué)、溫覺(jué)等傳感器，是研制仿生皮膚的主要材料。,工作溫度范圍寬、體電阻高、重量輕、柔順性好、機(jī)械強(qiáng)度高、頻響寬，很容易用熱成形的辦法加工成薄膜、細(xì)管或微粒。,觸覺(jué)傳感器,當(dāng)物體與幾十微米的PVDF薄膜有相對(duì)滑移時(shí)，指紋或凸點(diǎn)變形，引起誘導(dǎo)振動(dòng)，發(fā)生應(yīng)力變化，使PVDF膜產(chǎn)生電荷。,觸、滑、溫覺(jué),上下兩層PVDF之間，有電加熱層和柔性隔熱層，隔離成兩個(gè)不同的物理測(cè)量空間。,指紋狀或有許多小凸點(diǎn)的表皮用普通橡膠制成。,上層為兩面鍍銀的整塊PVDF，兩面引出電極，可獲取溫覺(jué)、觸覺(jué)信號(hào)。,下層PVDF鍍有條狀電極，引線由導(dǎo)電膠粘接后引出，可以獲取壓覺(jué)和滑覺(jué)信號(hào)。,為使PVDF有溫覺(jué)，將上層PVDF保持在55左右，當(dāng)與物體接觸時(shí)，物體與表皮的溫差形成熱能傳遞，使PVDF極化面產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量的電荷輸出。,當(dāng)機(jī)器人的手爪(傳感器)表面開(kāi)始接觸物體時(shí)，接觸階躍性應(yīng)力使PVDF產(chǎn)生電荷，呈現(xiàn)單方向脈沖信號(hào)特征。即觸覺(jué)信號(hào)。,物體相對(duì)于傳感器表層滑動(dòng)時(shí)，摩擦力變化引起傳感器表層的誘導(dǎo)振動(dòng)，誘導(dǎo)振動(dòng)使PVDF產(chǎn)生交變信號(hào)。即滑覺(jué)信號(hào)。,由于PVDF薄膜絲纖維束有強(qiáng)的熱釋電效應(yīng)，環(huán)境溫度的變化使極間產(chǎn)生電荷，從而產(chǎn)生了溫覺(jué)。,合成橡膠基片內(nèi)包含許多高分子充水薄膜微球。,微球之間呈立式放置和纏繞式放置大量幾十微米的PVDF薄膜絲神經(jīng)纖維束。,壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷是x、y、z三方向的軸向應(yīng)力和切向應(yīng)力產(chǎn)生電荷的總和，所以它能感覺(jué)出三維應(yīng)力，從而判斷觸覺(jué)、滑覺(jué)的大小及應(yīng)力區(qū)域。,第四節(jié) 機(jī)器人接近覺(jué)傳感器,機(jī)械人接近覺(jué)是介于觸覺(jué)和視覺(jué)之間的感覺(jué)，感應(yīng)的距離范圍一般為幾毫米至幾十毫米，用于感知一定距離內(nèi)場(chǎng)景的狀況。,常見(jiàn)的接近覺(jué)傳感器有電磁式、光電式、電容式、氣動(dòng)式、超聲式、紅外線、微波式等多種類型。,一、電磁式接近覺(jué)傳感器,焊接機(jī)器人多半使用渦流傳感器來(lái)跟蹤焊接縫，在200下工作，距離08mm時(shí)，誤差小于4%。,精度比較高、響應(yīng)速度快、受環(huán)境影響小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可以在高溫下工作。,金屬物體內(nèi)產(chǎn)生流線閉合的感應(yīng)電流（即渦流）。渦流的大小與對(duì)象物表面的距離等有關(guān) 。,用永久磁鐵和緊貼磁鐵的圓柱形線圈構(gòu)成。,在遠(yuǎn)離物體時(shí)，永久磁鐵的磁力線對(duì)稱分布。,當(dāng)有金屬（鋼或鐵等導(dǎo)磁金屬）物體接近時(shí)，永久磁鐵的磁力線分布發(fā)生不對(duì)稱變化，,用霍爾元件或集成磁敏傳感器代替線圈，可感知近距離的靜止物體的接近情況。,只能感知金屬物體，非金屬材料構(gòu)成的物體無(wú)法感知。,永久磁鐵磁力線分布的變化導(dǎo)致線圈的感應(yīng)電流發(fā)生變化，檢測(cè)出線圈輸出電流就可以判斷出物體的接近程度。,線圈輸出與物體距離之間的呈非線性關(guān)系。當(dāng)距離小于0.25mm時(shí)，電流輸出急劇變化。,這種接近覺(jué)傳感器所能感知的距離很近，對(duì)于小于幾分之一毫米的近距離運(yùn)動(dòng)物體十分靈敏。,二、光電式接近覺(jué)傳感器,發(fā)射透鏡與接收透鏡的光軸有一定的夾角。,若接近到物體，光敏管有光電流輸出；,若沒(méi)有接近到物體，光敏二極管無(wú)輸出。,傳感器存在靈敏區(qū)域，通過(guò)調(diào)節(jié)兩透鏡的光軸夾角， 可以調(diào)節(jié)光電式接近覺(jué)傳感器的感知距離，越小，敏 感距離越遠(yuǎn)，反之，敏感距離越近。,不同物體的光反射率不同，無(wú)法通過(guò)測(cè)量接收光的強(qiáng)度計(jì)算物體的遠(yuǎn)近。傳感器只適合作有無(wú)物體接近的感知。,是一種比較簡(jiǎn)單有效的傳感器，把它裝在機(jī)器人手（或足）上，能夠檢測(cè)機(jī)器人手臂（或腿）運(yùn)動(dòng)路線上的各種物體。,三、超聲波接近覺(jué)傳感器,相位調(diào)制法：電路復(fù)雜，但可以根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)近距離高精度探測(cè)。,超聲波換能器的構(gòu)造與特性（雙向聲電器件）。,在接近覺(jué)傳感器中，可以用一只超聲波換能器兼作發(fā)射和接收器件，也可以用兩只超聲波換能器，分別發(fā)射和接收超聲波。,超聲波換能器兼作發(fā)射和接收器的話，由于壓電陶瓷機(jī)械振蕩的衰減需要一定時(shí)間，