2機(jī)器人多感知技術(shù)-接近覺PPT課件

1、2021/7/231第二章第二章 接近覺傳感器接近覺傳感器n接近覺傳感器主要感知傳感器與對(duì)象物之間的接近程度；接近覺傳感器主要感知傳感器與對(duì)象物之間的接近程度；接近覺是一種粗略的距離感覺接近覺是一種粗略的距離感覺n根據(jù)使用場(chǎng)合的不同情況，大多只要求給出簡(jiǎn)單的閾值根據(jù)使用場(chǎng)合的不同情況，大多只要求給出簡(jiǎn)單的閾值判斷：接近或否；判斷：接近或否；n有時(shí)為了一些特殊用途，要求接近覺傳感器能夠提供分有時(shí)為了一些特殊用途，要求接近覺傳感器能夠提供分檔的距離感覺：遠(yuǎn)、中等、近。檔的距離感覺：遠(yuǎn)、中等、近。n生活中：電子衛(wèi)兵、自動(dòng)感應(yīng)門等；生活中：電子衛(wèi)兵、自動(dòng)感應(yīng)門等；n在機(jī)器人中：在機(jī)器人中： 避障避障移

2、動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)器人 防止沖擊防止沖擊柔性抓握柔性抓握n接近覺應(yīng)用場(chǎng)合不同，感覺的距離范圍也不同：遠(yuǎn)可達(dá)接近覺應(yīng)用場(chǎng)合不同，感覺的距離范圍也不同：遠(yuǎn)可達(dá)幾米至十幾米，近到幾毫米甚至幾米至十幾米，近到幾毫米甚至1毫米以下毫米以下2021/7/232第二章第二章 接近覺傳感器接近覺傳感器 接近覺傳感器采用的原理： 接近覺傳感器根據(jù)下同的工作原理有多種實(shí)現(xiàn)方式。n光反射式接近覺傳感器n感應(yīng)式接近覺傳感器n超聲波接近傳感器2021/7/2332.1 感應(yīng)式接近傳感器感應(yīng)式接近傳感器一、感應(yīng)線圈n人們用得最為廣泛的人們用得最為廣泛的工業(yè)接近覺傳感器，工業(yè)接近覺傳感器，依據(jù)的是金屬物體接依據(jù)的是金屬物體接近

3、感應(yīng)式接近覺傳感近感應(yīng)式接近覺傳感器引起的電感變化。器引起的電感變化。n磁通量的變化將感應(yīng)磁通量的變化將感應(yīng)一個(gè)電壓脈沖，其幅一個(gè)電壓脈沖，其幅值和形狀正比于磁通值和形狀正比于磁通量的變化率。量的變化率。n在線圈的輸出觀測(cè)到在線圈的輸出觀測(cè)到的電壓波形可作為接的電壓波形可作為接近覺傳感的有效手段。近覺傳感的有效手段。2021/7/2342.1 感應(yīng)式接近傳感器感應(yīng)式接近傳感器n隨著距離的增加，傳感器的靈敏度急劇下降，其有效作用距離僅為幾分隨著距離的增加，傳感器的靈敏度急劇下降，其有效作用距離僅為幾分之一毫米。之一毫米。n存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)才會(huì)產(chǎn)生輸出波形，計(jì)輸出波形積分便可產(chǎn)生二值信號(hào)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)

4、時(shí)才會(huì)產(chǎn)生輸出波形，計(jì)輸出波形積分便可產(chǎn)生二值信號(hào)n積分值小于特定的閾值時(shí)，二值信號(hào)輸出為低電位；超過該閾值時(shí)，二積分值小于特定的閾值時(shí)，二值信號(hào)輸出為低電位；超過該閾值時(shí)，二值信號(hào)輸出為高電位值信號(hào)輸出為高電位2021/7/2352.1 感應(yīng)式接近傳感器感應(yīng)式接近傳感器2021/7/2362.1 感應(yīng)式接近傳感器感應(yīng)式接近傳感器n霍爾效應(yīng)傳感器的工作霍爾效應(yīng)傳感器的工作依賴作用于在磁場(chǎng)中運(yùn)依賴作用于在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的帶電粒子上的洛侖動(dòng)的帶電粒子上的洛侖茲力。茲力。n該力作用在由帶電粒子該力作用在由帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向和磁場(chǎng)方向的運(yùn)動(dòng)方向和磁場(chǎng)方向所形成平面的垂直軸線所形成平面的垂直軸線上。上。n洛

5、侖茲力洛侖茲力n若將鐵磁體靠近這個(gè)由半導(dǎo)體和磁鐵若將鐵磁體靠近這個(gè)由半導(dǎo)體和磁鐵組成的器件，將會(huì)使磁場(chǎng)強(qiáng)度降低。組成的器件，將會(huì)使磁場(chǎng)強(qiáng)度降低。洛侖茲力下降，半導(dǎo)體兩端的電壓減洛侖茲力下降，半導(dǎo)體兩端的電壓減小。小。n電壓的降低是感知接近程度的關(guān)鍵。電壓的降低是感知接近程度的關(guān)鍵。n對(duì)傳感器設(shè)置一電壓閾值便可作出是對(duì)傳感器設(shè)置一電壓閾值便可作出是否有物體接近的二值判定。否有物體接近的二值判定。2021/7/2372.1 感應(yīng)式接近傳感器感應(yīng)式接近傳感器n由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢(shì)差很小，故通常將霍爾元件與放由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢(shì)差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成

6、在一個(gè)芯大器電路、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個(gè)芯片上，稱之為霍爾傳感器。片上，稱之為霍爾傳感器。 2021/7/2382.1 感應(yīng)式接近傳感器感應(yīng)式接近傳感器 使用半導(dǎo)體材料，有若干優(yōu)點(diǎn)：使用半導(dǎo)體材料，有若干優(yōu)點(diǎn)：n體積小體積小n耐用耐用n抗電氣干擾性好抗電氣干擾性好n可將放大和檢測(cè)電路直接集成在傳感器上可將放大和檢測(cè)電路直接集成在傳感器上n體積小體積小n降低成本。降低成本。2021/7/2392.2 電容式接近傳感器電容式接近傳感器n感應(yīng)式接近覺傳感器只能檢測(cè)鐵磁材料感應(yīng)式接近覺傳感器只能檢測(cè)鐵磁材料n電容傳感能夠檢測(cè)所有固體和液體材料電容傳感能夠檢測(cè)所有固體和液體材料n電容傳感

7、器工作基于檢測(cè)物體表面靠近傳感元件時(shí)的電容電容傳感器工作基于檢測(cè)物體表面靠近傳感元件時(shí)的電容變化變化n敏感元件為電容器，它由傳感電極和參考電極組成敏感元件為電容器，它由傳感電極和參考電極組成2021/7/23102.2 電容式接近傳感器電容式接近傳感器 根據(jù)電容的變化檢測(cè)接近程度的電子學(xué)方法有若干根據(jù)電容的變化檢測(cè)接近程度的電子學(xué)方法有若干種：種：n將將電容器作為振蕩電路的一部分電容器作為振蕩電路的一部分，設(shè)計(jì)成只有當(dāng)傳感，設(shè)計(jì)成只有當(dāng)傳感器的電容值超過某一預(yù)定閾值時(shí)才產(chǎn)生振蕩。然后，器的電容值超過某一預(yù)定閾值時(shí)才產(chǎn)生振蕩。然后，將起振轉(zhuǎn)換成一輸出電壓，用以表示物體的出現(xiàn)；該將起振轉(zhuǎn)換成一輸出

8、電壓，用以表示物體的出現(xiàn)；該方法給出二值輸出，其觸發(fā)靈敏度取決于閾值。方法給出二值輸出，其觸發(fā)靈敏度取決于閾值。n另一種方法是把電容元件作為另一種方法是把電容元件作為受連續(xù)參考正弦波驅(qū)動(dòng)受連續(xù)參考正弦波驅(qū)動(dòng)的電路的一部分，電容的變化引起參考信號(hào)和來自電的電路的一部分，電容的變化引起參考信號(hào)和來自電容元件的信號(hào)之間的相移，相移正比于電容的變化，容元件的信號(hào)之間的相移，相移正比于電容的變化，因此可用來檢測(cè)接近程度。因此可用來檢測(cè)接近程度。2021/7/23112.2 電容式接近傳感器電容式接近傳感器n距離超過數(shù)毫米時(shí)，靈敏距離超過數(shù)毫米時(shí)，靈敏度急劇下降；度急劇下降；n響應(yīng)曲線的形狀與被測(cè)物響應(yīng)曲

9、線的形狀與被測(cè)物體的材料有關(guān)；體的材料有關(guān)；n通常，這種傳感器以二值通常，這種傳感器以二值方式工作。方式工作。n按照閾值所規(guī)定的檢測(cè)界按照閾值所規(guī)定的檢測(cè)界限，電容的變化大于閾值，限，電容的變化大于閾值，表明有物體出現(xiàn)；而當(dāng)電表明有物體出現(xiàn)；而當(dāng)電容變化低于閾值時(shí)，表示容變化低于閾值時(shí)，表示沒有物體出現(xiàn)。沒有物體出現(xiàn)。2021/7/23122.2 電容式接近傳感器電容式接近傳感器n右表為右表為Turck公司的公司的CP40型傳感器型傳感器(直直徑徑40mm)的的性能指標(biāo)性能指標(biāo)2021/7/23132.3 超聲接近覺傳感器超聲接近覺傳感器n前面討論的接近傳感器的響前面討論的接近傳感器的響應(yīng)和被

10、測(cè)物體的材料密切相應(yīng)和被測(cè)物體的材料密切相關(guān)關(guān)n使用超聲接近覺傳感器可進(jìn)使用超聲接近覺傳感器可進(jìn)行比較精確的距離測(cè)量，并行比較精確的距離測(cè)量，并且對(duì)材料的依賴性大為降低且對(duì)材料的依賴性大為降低n人耳能聽到的聲波頻率在人耳能聽到的聲波頻率在2020000Hz之間，超過之間，超過20000Hz的聲波稱為超聲波的聲波稱為超聲波。n超聲波的特點(diǎn)：頻率高、波長(zhǎng)短、繞射小，方向性好、能頻率高、波長(zhǎng)短、繞射小，方向性好、能成為射線而定向傳播成為射線而定向傳播 2021/7/23142.3 超聲接近覺傳感器超聲接近覺傳感器 超聲波探測(cè)原理比較簡(jiǎn)單，一般是采用超聲波探測(cè)原理比較簡(jiǎn)單，一般是采用時(shí)間度越法時(shí)間度越

11、法。 = =tt2 2其中（的函數(shù)）為超聲波波速，為環(huán)境攝氏溫度。其中（的函數(shù)）為超聲波波速，為環(huán)境攝氏溫度。超聲波傳感器主要用途超聲波傳感器主要用途：（1 1）實(shí)時(shí)地檢測(cè)自身所處空間的位置，用以進(jìn)行自定位；實(shí)時(shí)地檢測(cè)自身所處空間的位置，用以進(jìn)行自定位；（2 2）實(shí)時(shí)地檢測(cè)障礙物，為行動(dòng)決策提供依據(jù)；）實(shí)時(shí)地檢測(cè)障礙物，為行動(dòng)決策提供依據(jù)；（3 3）檢測(cè)目標(biāo)姿態(tài)以及進(jìn)行簡(jiǎn)單形體的識(shí)別；）檢測(cè)目標(biāo)姿態(tài)以及進(jìn)行簡(jiǎn)單形體的識(shí)別；（4 4）用于導(dǎo)航目標(biāo)跟蹤。）用于導(dǎo)航目標(biāo)跟蹤。2021/7/23152.3 超聲接近傳感器超聲接近傳感器一、結(jié)構(gòu)n基本元件為電聲變換器：壓基本元件為電聲變換器：壓電陶瓷變換

12、器或用電陶瓷變換器或用PVDF材材料制作料制作n樹脂層用來保護(hù)變換器；也樹脂層用來保護(hù)變換器；也起聲阻抗器的作用起聲阻抗器的作用n同一變換器既用于發(fā)射又用同一變換器既用于發(fā)射又用于接收，于接收，n被檢測(cè)物體距離較小時(shí)，需被檢測(cè)物體距離較小時(shí)，需要聲能很快衰減要聲能很快衰減n殼體的設(shè)計(jì)應(yīng)能形成一狹窄殼體的設(shè)計(jì)應(yīng)能形成一狹窄的聲束，以實(shí)現(xiàn)有效的能量的聲束，以實(shí)現(xiàn)有效的能量傳送和信號(hào)定向傳送和信號(hào)定向2021/7/23162.3 超聲接近傳感器超聲接近傳感器 MDARS-E型室外保安機(jī)器人型室外保安機(jī)器人多個(gè)超聲波傳感器組成多個(gè)超聲波傳感器組成線陣或面陣形成多傳感器線陣或面陣形成多傳感器2021/7

13、/23172.3 超聲接近傳感器超聲接近傳感器A控制發(fā)射的門信號(hào)B為輸出信號(hào)及其回波信號(hào)C發(fā)射和接收信號(hào)整形后的脈沖D時(shí)間窗E為D為高電位時(shí)接收到回波的信號(hào)，A中發(fā)射脈沖的尾部E回到低電位F為二值輸出，E上升沿F置1、E為0并A出現(xiàn)脈沖時(shí)F清0二、信號(hào)分析二、信號(hào)分析2021/7/23182.4 光接近覺傳感器光接近覺傳感器 根據(jù)光波從發(fā)射到接收的傳播過程中所受到的影根據(jù)光波從發(fā)射到接收的傳播過程中所受到的影響來檢測(cè)物體的接近程度。響來檢測(cè)物體的接近程度。特點(diǎn)特點(diǎn)：n速度快速度快n抗干擾強(qiáng)抗干擾強(qiáng)n測(cè)量點(diǎn)小測(cè)量點(diǎn)小n適用范圍廣適用范圍廣測(cè)量原理測(cè)量原理：n三角測(cè)量原理三角測(cè)量原理n光強(qiáng)調(diào)制原理

14、光強(qiáng)調(diào)制原理n相位調(diào)整原理相位調(diào)整原理2021/7/23192.4 光接近覺傳感器光接近覺傳感器1. 基于三角測(cè)量原理 基本原理是平面三角幾何?；驹硎瞧矫嫒菐缀?。 物體移動(dòng)時(shí)，因像點(diǎn)相應(yīng)移動(dòng)，物體移動(dòng)時(shí)，因像點(diǎn)相應(yīng)移動(dòng)，求出位移量。求出位移量。 根據(jù)光束與被測(cè)物面的夾角不同，根據(jù)光束與被測(cè)物面的夾角不同，分為斜射和直射兩種方法。分為斜射和直射兩種方法。 斜射法精度較高。斜射法精度較高。 直射法光斑小、光強(qiáng)集中、受干直射法光斑小、光強(qiáng)集中、受干擾引起的誤差小、結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)器擾引起的誤差小、結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)器人上應(yīng)用較多。人上應(yīng)用較多。 德國德國E.Ersu在研究報(bào)告表明，探在研究報(bào)告表明，探測(cè)

15、范圍測(cè)范圍50300mm，在，在100mm時(shí)，時(shí)，精度為精度為0.5。2021/7/23202.4 光接近覺傳感器光接近覺傳感器傳感器精度可達(dá)傳感器精度可達(dá)0.02mm2021/7/23212.4 光接近覺傳感器光接近覺傳感器2021/7/23222.4 光接近覺傳感器光接近覺傳感器3. 基于相位調(diào)整原理相移為相移為2021/7/23232.4 光接近覺傳感器光接近覺傳感器2021/7/23242.5 紅外反射光強(qiáng)法接近覺傳感器紅外反射光強(qiáng)法接近覺傳感器紅外反射光強(qiáng)法接近覺的測(cè)量原理，由紅外發(fā)光管發(fā)射經(jīng)紅外反射光強(qiáng)法接近覺的測(cè)量原理，由紅外發(fā)光管發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)，紅外光敏管接收經(jīng)目標(biāo)物反射的

16、紅外調(diào)調(diào)制過調(diào)制的信號(hào)，紅外光敏管接收經(jīng)目標(biāo)物反射的紅外調(diào)調(diào)制信號(hào)。環(huán)境紅外光干擾的消除由信號(hào)調(diào)制和專用紅外濾光片信號(hào)。環(huán)境紅外光干擾的消除由信號(hào)調(diào)制和專用紅外濾光片保證。保證。輸出光強(qiáng)輸出光強(qiáng)式中式中p為工件的反射系數(shù)為工件的反射系數(shù) 與目標(biāo)物表面顏色、與目標(biāo)物表面顏色、 粗糙度有關(guān)。粗糙度有關(guān)。2021/7/2325n激光測(cè)距儀激光測(cè)距儀是一種利用激光束測(cè)定距離的儀器。n其基本原理是，向待測(cè)距的物體發(fā)射激光脈沖并開始計(jì)時(shí)，接收到反射光時(shí)停止計(jì)時(shí)。這段時(shí)間即可以轉(zhuǎn)換為激光器與目標(biāo)之間的距離。n激光測(cè)距儀也可以發(fā)射多次激光脈沖，通過多普勒效應(yīng)來確定物體是在遠(yuǎn)離還是在接近光源。2021/7/23

17、26n激光測(cè)距儀激光測(cè)距儀目鏡：目鏡： 廣角目鏡廣角目鏡 測(cè)距方式：半導(dǎo)體激光測(cè)距測(cè)距方式：半導(dǎo)體激光測(cè)距(對(duì)人眼無害對(duì)人眼無害) 測(cè)距誤差：測(cè)距誤差：1m0.1% 測(cè)距顯示方式：視野內(nèi)測(cè)距顯示方式：視野內(nèi)LCD顯顯示示 有效物鏡口徑：有效物鏡口徑：25mm 鍍膜：多層鍍膜鍍膜：多層鍍膜 出瞳直徑：出瞳直徑：3.8mm 出瞳距離：出瞳距離：12mm 對(duì)焦方式：目鏡調(diào)焦對(duì)焦方式：目鏡調(diào)焦 望遠(yuǎn)鏡倍率：望遠(yuǎn)鏡倍率：6x 在在1000m之視野：之視野：134m 2021/7/2327產(chǎn)品：瑞士徠卡瑞士徠卡A6激光測(cè)距儀激光測(cè)距儀 型號(hào)：徠卡A6簡(jiǎn)介：精度：1.5mm測(cè)量范圍:0.05-200M二倍變

18、焦數(shù)碼瞄準(zhǔn)器集成藍(lán)牙技術(shù) DISTO傳輸 2021/7/23282.5 紅外反射光強(qiáng)法接近覺傳感器紅外反射光強(qiáng)法接近覺傳感器當(dāng)工件為同類目標(biāo)物時(shí)，距離和反射輸出光強(qiáng)一一對(duì)應(yīng)。當(dāng)工件為同類目標(biāo)物時(shí)，距離和反射輸出光強(qiáng)一一對(duì)應(yīng)。典型的響應(yīng)為非線性曲線，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)插值得到。典型的響應(yīng)為非線性曲線，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)插值得到。2021/7/23292.6 接近覺、接觸覺、滑覺組合傳感器接近覺、接觸覺、滑覺組合傳感器n本節(jié)所講的觸覺、滑覺由同一信號(hào)源中分離出來，它與由本節(jié)所講的觸覺、滑覺由同一信號(hào)源中分離出來，它與由陣列觸覺通過觸覺圖像的信號(hào)處理獲得的滑覺信息有所不陣列觸覺通過觸覺圖像的信號(hào)處理獲得的滑

19、覺信息有所不同，觸覺是單點(diǎn)觸覺。同，觸覺是單點(diǎn)觸覺。n分離觸覺和滑覺信號(hào)的關(guān)鍵取決于它們有無各自明顯的特分離觸覺和滑覺信號(hào)的關(guān)鍵取決于它們有無各自明顯的特征。征。n選用選用PVDF做敏感材料的傳感器的包封表皮既能傳遞接觸做敏感材料的傳感器的包封表皮既能傳遞接觸力，又能使滑動(dòng)引發(fā)表皮的誘導(dǎo)微振動(dòng)。力，又能使滑動(dòng)引發(fā)表皮的誘導(dǎo)微振動(dòng)。2021/7/23302.6 接近覺、接觸覺、滑覺組合傳感器接近覺、接觸覺、滑覺組合傳感器2021/7/23312.6 接近覺、接觸覺、滑覺組合傳感器接近覺、接觸覺、滑覺組合傳感器2021/7/23322.6 接近覺、接觸覺、滑覺組合傳感器接近覺、接觸覺、滑覺組合傳感

20、器n三感覺組合傳感器三感覺組合傳感器n觸覺、滑覺信號(hào)調(diào)理電路框圖觸覺、滑覺信號(hào)調(diào)理電路框圖2021/7/23332.7 組合傳感器的信號(hào)處理組合傳感器的信號(hào)處理n接近覺采用普通的閾值處接近覺采用普通的閾值處理。理。 當(dāng)接近覺輸出當(dāng)接近覺輸出VoutF時(shí)，判時(shí)，判斷為有目標(biāo)接近。斷為有目標(biāo)接近。n觸覺和滑覺信號(hào)調(diào)整有明觸覺和滑覺信號(hào)調(diào)整有明顯區(qū)別。顯區(qū)別。n目標(biāo)物與傳感器的接觸力目標(biāo)物與傳感器的接觸力與與PVDF輸出電壓峰值呈線輸出電壓峰值呈線性關(guān)系，而且響應(yīng)較快。性關(guān)系，而且響應(yīng)較快。n手爪的操作是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程：開始加緊輕微接觸過度接觸nPVDF的靜態(tài)性能很差，低速抓握時(shí)，輸出信號(hào)因衰減而變得

21、較小。2021/7/23342.7 組合傳感器的信號(hào)處理組合傳感器的信號(hào)處理n接觸信號(hào)接觸信號(hào)： 信號(hào)采集時(shí)加同樣長(zhǎng)度的矩形窗，若采用均值水平信號(hào)采集時(shí)加同樣長(zhǎng)度的矩形窗，若采用均值水平 作為接觸的特征值，應(yīng)考慮加緊速度對(duì)其影響。作為接觸的特征值，應(yīng)考慮加緊速度對(duì)其影響。2021/7/23352.7 組合傳感器的信號(hào)處理組合傳感器的信號(hào)處理n滑覺信號(hào) 可用交變信號(hào)離散數(shù)據(jù)的特征可用交變信號(hào)離散數(shù)據(jù)的特征值值方差作為滑覺信號(hào)的方差作為滑覺信號(hào)的標(biāo)志。標(biāo)志。存在的問題：存在的問題：n接觸覺和滑覺信號(hào)的方差無接觸覺和滑覺信號(hào)的方差無太大差別；太大差別；1.滑移在操作中需嚴(yán)格控制，滑移在操作中需嚴(yán)格控制，不允許長(zhǎng)時(shí)間滑動(dòng)以產(chǎn)生交不允許長(zhǎng)時(shí)間滑動(dòng)以產(chǎn)生交變信號(hào)變信號(hào)2021/7/23362.7 組合傳感器的信號(hào)處理組合傳感器的信號(hào)處理解決的途徑n接觸和滑動(dòng)有邏輯上的先接觸和滑動(dòng)有邏輯上的先后