機(jī)器人的感覺系統(tǒng)

1、第七章第七章 機(jī)器人的感覺機(jī)器人的感覺多多傳傳感感器器在在移移動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)器器人人中中的的應(yīng)應(yīng)用用外界環(huán)境外界環(huán)境視覺視覺視覺視覺超聲波傳感器超聲波傳感器紅外接近覺紅外接近覺立體視覺立體視覺地標(biāo)識(shí)別地標(biāo)識(shí)別障礙探測障礙探測目標(biāo)物探測目標(biāo)物探測景物識(shí)別景物識(shí)別內(nèi)部傳內(nèi)部傳感器感器融合融合力覺力覺觸覺觸覺環(huán)境模型環(huán)境模型定位定位避障避障操作規(guī)劃操作規(guī)劃學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃路徑規(guī)劃任務(wù)規(guī)劃：執(zhí)任務(wù)規(guī)劃：執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制行機(jī)構(gòu)控制指令指令感覺感覺功能功能視覺視覺 20世紀(jì)世紀(jì)50年代后期出現(xiàn)，發(fā)展十分迅速，是機(jī)器人中最重年代后期出現(xiàn)，發(fā)展十分迅速，是機(jī)器人中最重要的傳感器之一。要的傳感器之一。 機(jī)器視覺從機(jī)器視覺

2、從20世紀(jì)世紀(jì)60年代開始首先處理積木年代開始首先處理積木世界，后來發(fā)展到處理室外的現(xiàn)實(shí)世界。世界，后來發(fā)展到處理室外的現(xiàn)實(shí)世界。 20世紀(jì)世紀(jì)70年代以后，年代以后，實(shí)用性的視覺系統(tǒng)出現(xiàn)了。視覺一般包括三個(gè)過程：圖像獲取、實(shí)用性的視覺系統(tǒng)出現(xiàn)了。視覺一般包括三個(gè)過程：圖像獲取、圖像處理和圖像理解。相對(duì)而言，圖像理解技術(shù)還很落后。圖像處理和圖像理解。相對(duì)而言，圖像理解技術(shù)還很落后。 力覺力覺 機(jī)器人力傳感器就安裝部位來講，可以分為關(guān)節(jié)力傳感器、機(jī)器人力傳感器就安裝部位來講，可以分為關(guān)節(jié)力傳感器、腕力傳感器和指力傳感器。國際上對(duì)腕力傳感器的研究是從腕力傳感器和指力傳感器。國際上對(duì)腕力傳感器的研究

3、是從20世世紀(jì)紀(jì)70年代開始的，主要研究單位有美國的年代開始的，主要研究單位有美國的DRAPER實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)室、SRI研究所、研究所、IBM公司和日本的日立公司、東京大學(xué)等單位。公司和日本的日立公司、東京大學(xué)等單位。 幾種主要的機(jī)器人傳感器簡介幾種主要的機(jī)器人傳感器簡介觸覺觸覺 作為視覺的補(bǔ)充，觸覺能感知目標(biāo)物體的表面性能和物理作為視覺的補(bǔ)充，觸覺能感知目標(biāo)物體的表面性能和物理特性：柔軟性、硬度、彈性、粗糙度和導(dǎo)熱性等。對(duì)它的研究從特性：柔軟性、硬度、彈性、粗糙度和導(dǎo)熱性等。對(duì)它的研究從20世紀(jì)世紀(jì)80年代初開始，到年代初開始，到20世紀(jì)世紀(jì)90年代初已取得了大量的成果。年代初已取得了大量的成

4、果。接近覺接近覺 研究它的目的是是使機(jī)器人在移動(dòng)或操作過程中獲知目研究它的目的是是使機(jī)器人在移動(dòng)或操作過程中獲知目標(biāo)（障礙）物的接近程度，移動(dòng)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)避障，操作機(jī)標(biāo)（障礙）物的接近程度，移動(dòng)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)避障，操作機(jī)器人可避免手爪對(duì)目標(biāo)物由于接近速度過快造成的沖擊。器人可避免手爪對(duì)目標(biāo)物由于接近速度過快造成的沖擊。（1 1）位置傳感器）位置傳感器（2）角度傳感器）角度傳感器 具體有物體識(shí)別傳感器、物體探傷傳感器、接近覺傳感器、具體有物體識(shí)別傳感器、物體探傷傳感器、接近覺傳感器、距離傳感器、力覺傳感器，聽覺傳感器等。距離傳感器、力覺傳感器，聽覺傳感器等。 用來檢測機(jī)器人所處環(huán)境（如是什么物

5、體，離物體的距離有用來檢測機(jī)器人所處環(huán)境（如是什么物體，離物體的距離有多遠(yuǎn)等）及狀況（如抓取的物體是否滑落）的傳感器。多遠(yuǎn)等）及狀況（如抓取的物體是否滑落）的傳感器。1. 接觸覺傳感器接觸覺傳感器開開關(guān)關(guān)式式觸觸覺覺傳傳感感器器外形尺寸十分大外形尺寸十分大空間分辨率低空間分辨率低利用陣列這一概利用陣列這一概念已開發(fā)了許多念已開發(fā)了許多重要的傳感器。重要的傳感器。壓阻式陣列觸覺傳感器壓阻式陣列觸覺傳感器碳?xì)郑ㄌ細(xì)郑–SA）靈敏度高，具有較強(qiáng)的耐過載能力。缺點(diǎn)是有靈敏度高，具有較強(qiáng)的耐過載能力。缺點(diǎn)是有遲滯，線性差。遲滯，線性差。 導(dǎo)電橡膠導(dǎo)電橡膠的電阻也會(huì)隨壓力的變化而變化，因此也常用來作的電阻

6、也會(huì)隨壓力的變化而變化，因此也常用來作為觸覺傳感器的敏感材料。為觸覺傳感器的敏感材料。碳?xì)郑ㄌ細(xì)郑–SA）另外還有光學(xué)式觸覺傳感器、電容式陣列觸覺傳感器等。另外還有光學(xué)式觸覺傳感器、電容式陣列觸覺傳感器等。它利用一種它利用一種具有壓電和具有壓電和熱釋電性的熱釋電性的高分子材料高分子材料研制而成。研制而成。2. 壓覺傳感器壓覺傳感器3. 力覺傳感器力覺傳感器 力覺傳感器使用的主要元件是力覺傳感器使用的主要元件是電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片。 （3）裝在機(jī)器人手爪指關(guān)節(jié)）裝在機(jī)器人手爪指關(guān)節(jié)（或手指上）的力傳感器，稱為或手指上）的力傳感器，稱為指力傳感器。指力傳感器。 （1）裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器上的力傳感器，稱

7、為關(guān)節(jié)力傳感器。用）裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器上的力傳感器，稱為關(guān)節(jié)力傳感器。用于控制中的力反饋。于控制中的力反饋。 （2）裝在末端執(zhí)行器和機(jī)器人最后一個(gè)關(guān)節(jié)之間的力傳感器，）裝在末端執(zhí)行器和機(jī)器人最后一個(gè)關(guān)節(jié)之間的力傳感器，稱為腕力傳感器。稱為腕力傳感器。 SRI （Stanford Research Institute）研制的六維腕力傳感器，）研制的六維腕力傳感器，如圖所示。它由一只直徑為如圖所示。它由一只直徑為75mm的鋁管銑削而成，具有八個(gè)窄長的鋁管銑削而成，具有八個(gè)窄長的彈性梁，每個(gè)梁的頸部只傳遞的彈性梁，每個(gè)梁的頸部只傳遞力，扭矩作用很小。梁的另一頭力，扭矩作用很小。梁的另一頭貼有應(yīng)變片。圖中

8、從貼有應(yīng)變片。圖中從Px+到到Qy-代代表了表了8根應(yīng)變梁的變形信號(hào)的輸出。根應(yīng)變梁的變形信號(hào)的輸出。SRI傳感器傳感器 日本大和制衡株式會(huì)社林純一研制的腕力傳感器。它是一種日本大和制衡株式會(huì)社林純一研制的腕力傳感器。它是一種整體輪輻式結(jié)構(gòu)，傳感器在十字梁與輪緣聯(lián)結(jié)處有一個(gè)柔性環(huán)節(jié)，整體輪輻式結(jié)構(gòu)，傳感器在十字梁與輪緣聯(lián)結(jié)處有一個(gè)柔性環(huán)節(jié)，在四根交叉梁上共貼有在四根交叉梁上共貼有3232個(gè)應(yīng)變片個(gè)應(yīng)變片（圖中以小方塊），組成圖中以小方塊），組成8 8路路全橋輸出全橋輸出 。傳感器的內(nèi)圈和外圈分別固定于機(jī)傳感器的內(nèi)圈和外圈分別固定于機(jī)器人的手臂和手爪，力沿與內(nèi)圈相器人的手臂和手爪，力沿與內(nèi)圈相切

9、的三根梁進(jìn)行傳遞。每根梁上下、切的三根梁進(jìn)行傳遞。每根梁上下、左右個(gè)貼一對(duì)應(yīng)變片，三根梁上共左右個(gè)貼一對(duì)應(yīng)變片，三根梁上共有有6對(duì)應(yīng)變片，分別組成六組半橋，對(duì)應(yīng)變片，分別組成六組半橋，對(duì)這對(duì)這6組電橋信號(hào)進(jìn)行解耦可得到六組電橋信號(hào)進(jìn)行解耦可得到六維力（力矩）的精確解。維力（力矩）的精確解。4. 滑覺傳感器滑覺傳感器 機(jī)械手一般采用兩種抓取方式：硬抓取和軟抓取。機(jī)械手一般采用兩種抓取方式：硬抓取和軟抓取。硬抓取硬抓?。o感知時(shí)采用）無感知時(shí)采用） ：末端執(zhí)行器利用最大的夾緊力抓取工件。：末端執(zhí)行器利用最大的夾緊力抓取工件。軟軟抓取抓取（有滑覺傳感器時(shí)采用）：末端執(zhí)行器使夾緊力保持在能穩(wěn)有滑覺傳感

10、器時(shí)采用）：末端執(zhí)行器使夾緊力保持在能穩(wěn)固抓取工件的最小值，以免損傷工件。固抓取工件的最小值，以免損傷工件。采用壓覺傳感器實(shí)現(xiàn)滑覺感知采用壓覺傳感器實(shí)現(xiàn)滑覺感知滾輪式滑覺傳感器滾輪式滑覺傳感器它由一個(gè)金屬球和觸針組成，金屬球表面分成許多個(gè)相間排它由一個(gè)金屬球和觸針組成，金屬球表面分成許多個(gè)相間排列的導(dǎo)電和絕緣小格。觸針頭很細(xì)，每次只能觸及一格。當(dāng)工件列的導(dǎo)電和絕緣小格。觸針頭很細(xì)，每次只能觸及一格。當(dāng)工件滑動(dòng)時(shí)，金屬球也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，在觸針上輸出脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)滑動(dòng)時(shí)，金屬球也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，在觸針上輸出脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的頻率反映了滑移速度，個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)滑移的距離。的頻率反映了滑移速度，個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)滑移的距

11、離。根據(jù)振動(dòng)原理制成的滑覺傳感器。鋼球指針與被抓物體接觸。根據(jù)振動(dòng)原理制成的滑覺傳感器。鋼球指針與被抓物體接觸。若工件滑動(dòng)，則指針振動(dòng)，線圈輸出信號(hào)。若工件滑動(dòng)，則指針振動(dòng)，線圈輸出信號(hào)。7.3 機(jī)器人的接近覺機(jī)器人的接近覺接近覺接近覺主要感知傳感器與對(duì)象物之間的接近程度。主要感知傳感器與對(duì)象物之間的接近程度。b）無鐵磁體時(shí)磁力線的形狀無鐵磁體時(shí)磁力線的形狀c）鐵磁體接近時(shí)磁力線的形狀鐵磁體接近時(shí)磁力線的形狀另外還有接觸覺、滑覺和接近覺三種感覺組合為一體的傳感器。另外還有接觸覺、滑覺和接近覺三種感覺組合為一體的傳感器。其它還有光學(xué)接近覺、超聲波接近覺傳感器等。其它還有光學(xué)接近覺、超聲波接近覺傳

12、感器等。 霍爾效應(yīng)指的是金屬霍爾效應(yīng)指的是金屬或半導(dǎo)體片置于磁場中，或半導(dǎo)體片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上產(chǎn)于電流和磁場的方向上產(chǎn)生電動(dòng)勢。霍爾傳感器單生電動(dòng)勢?；魻杺鞲衅鲉为?dú)使用時(shí)，只能檢測有磁獨(dú)使用時(shí)，只能檢測有磁性物體。當(dāng)與用磁體聯(lián)合性物體。當(dāng)與用磁體聯(lián)合使用時(shí)，可以用來檢測所使用時(shí)，可以用來檢測所有的鐵磁物體。傳感器附有的鐵磁物體。傳感器附近沒有鐵磁物體時(shí)，霍爾近沒有鐵磁物體時(shí)，霍爾傳感器感受一個(gè)強(qiáng)磁場；傳感器感受一個(gè)強(qiáng)磁場；若有鐵磁物體時(shí)，由于磁若有鐵磁物體時(shí)，由于磁力線被鐵磁物體旁路，傳力線被鐵磁物體旁路，傳感器感受到的磁場將減弱。感

13、器感受到的磁場將減弱。有研究結(jié)果表明，視覺獲得的感知信息占人對(duì)外界感知信息有研究結(jié)果表明，視覺獲得的感知信息占人對(duì)外界感知信息的的 人類視覺細(xì)胞數(shù)量的數(shù)量級(jí)大約為人類視覺細(xì)胞數(shù)量的數(shù)量級(jí)大約為108，是聽覺細(xì)胞的，是聽覺細(xì)胞的300多多倍，是皮膚感覺細(xì)胞的倍，是皮膚感覺細(xì)胞的100多倍。多倍。1. 超聲波傳感器超聲波傳感器 超聲波探測原理比較簡單，一般是采用時(shí)差法。超聲波探測原理比較簡單，一般是采用時(shí)差法。 = =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。 從廣義上講，我們也把它算成機(jī)器人視覺中的一種。從廣義上講，我們也把它算成機(jī)器人視覺

14、中的一種。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)地檢測自身所處空間的位置，用以進(jìn)行自定位；實(shí)時(shí)地檢測自身所處空間的位置，用以進(jìn)行自定位；（2 2）實(shí)時(shí)地檢測障礙物，為行動(dòng)決策提供依據(jù)；）實(shí)時(shí)地檢測障礙物，為行動(dòng)決策提供依據(jù)；（3 3）檢測目標(biāo)姿態(tài)以及進(jìn)行簡單形體的識(shí)別；）檢測目標(biāo)姿態(tài)以及進(jìn)行簡單形體的識(shí)別；（4 4）用于導(dǎo)航目標(biāo)跟蹤。）用于導(dǎo)航目標(biāo)跟蹤。 MDARS-E型室外保安機(jī)器人型室外保安機(jī)器人多個(gè)超聲波傳感器組成線陣或面陣形成多傳感器多個(gè)超聲波傳感器組成線陣或面陣形成多傳感器2. CCD（電荷耦合器件：電荷耦合器件：charge coupled devices） CC

15、D （電荷耦合器件）的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)間隙很小的光敏電（電荷耦合器件）的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)間隙很小的光敏電極陣列，即無數(shù)個(gè)極陣列，即無數(shù)個(gè)CCD單元組成，也稱為像素點(diǎn)（如單元組成，也稱為像素點(diǎn)（如448380）。）。它可以是一維的線陣，也可以是二維的面陣。它可以是一維的線陣，也可以是二維的面陣。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：體積小、質(zhì)量輕、壽命長、抗沖擊、耗電極少，一般體積小、質(zhì)量輕、壽命長、抗沖擊、耗電極少，一般只需幾十毫瓦就可以啟動(dòng)。只需幾十毫瓦就可以啟動(dòng)。（1）基本原理）基本原理共共256級(jí)灰度，從圖（級(jí)灰度，從圖（a）到（到（f）分辨率依次為分辨率依次為512512， 256256，128128，6464，

16、3232，1616。（2）圖像處理）圖像處理 從圖（從圖（a）到（到（f）分辨率依次為分辨率依次為512512，灰度級(jí)依次為，灰度級(jí)依次為256 ，64，16，8，4，2。b) 灰度變化對(duì)圖像的影響灰度變化對(duì)圖像的影響從圖（從圖（a）到（到（f）依次為：依次為：256256，128級(jí)灰度；級(jí)灰度；181 181，64級(jí)灰度；級(jí)灰度；128 128，32級(jí)灰度；級(jí)灰度；90 90，16級(jí)灰度；級(jí)灰度；64 64，8級(jí)灰度；級(jí)灰度；45 45，4級(jí)灰度。級(jí)灰度。c)分辨率和灰度同時(shí)變化對(duì)圖像的影響分辨率和灰度同時(shí)變化對(duì)圖像的影響7. 機(jī)器人的聽覺機(jī)器人的聽覺特定人的語音識(shí)別系統(tǒng)特定人的語音識(shí)別系統(tǒng)

17、聽覺系統(tǒng)的粗略框圖聽覺系統(tǒng)的粗略框圖特定人語音識(shí)別方法是將事先指定的人的聲音中的每一個(gè)字音特定人語音識(shí)別方法是將事先指定的人的聲音中的每一個(gè)字音的特征矩陣存儲(chǔ)起來，形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模板（或叫模板），然后再進(jìn)的特征矩陣存儲(chǔ)起來，形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模板（或叫模板），然后再進(jìn)行匹配。它首先要記憶一個(gè)或幾個(gè)語音特征，而且被指定人講話的行匹配。它首先要記憶一個(gè)或幾個(gè)語音特征，而且被指定人講話的內(nèi)容也必須是事先規(guī)定好的有限的幾句話。特定人語音識(shí)別系統(tǒng)可內(nèi)容也必須是事先規(guī)定好的有限的幾句話。特定人語音識(shí)別系統(tǒng)可以識(shí)別講話的人是否是事先指定的人，講的是哪一句話。以識(shí)別講話的人是否是事先指定的人，講的是哪一句話。非特定人

18、的語音識(shí)別方法則需要對(duì)一組有代表性的人的語音非特定人的語音識(shí)別方法則需要對(duì)一組有代表性的人的語音進(jìn)行訓(xùn)練，找出同一詞音的共性，這種訓(xùn)練往往是開放式的，能進(jìn)行訓(xùn)練，找出同一詞音的共性，這種訓(xùn)練往往是開放式的，能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行不斷的修正。在系統(tǒng)工作時(shí)，將接收到的聲音信號(hào)用對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行不斷的修正。在系統(tǒng)工作時(shí)，將接收到的聲音信號(hào)用同樣的辦法求出它們的特征矩陣，再與標(biāo)準(zhǔn)模式相比較?？此c同樣的辦法求出它們的特征矩陣，再與標(biāo)準(zhǔn)模式相比較?？此c哪個(gè)模板相同或相近，從而識(shí)別該信號(hào)的含義。哪個(gè)模板相同或相近，從而識(shí)別該信號(hào)的含義。非特定人的語音識(shí)別系統(tǒng)大致可以分為非特定人的語音識(shí)別系統(tǒng)大致可以分為語言識(shí)別系統(tǒng)，單詞語言識(shí)別系統(tǒng)，單詞識(shí)別系統(tǒng)，及數(shù)字音（識(shí)別系統(tǒng)，及數(shù)字音（09）識(shí)別系統(tǒng)。）識(shí)別系統(tǒng)。非特定人的語音識(shí)別系統(tǒng)非特定人的語音識(shí)別系統(tǒng) 多傳感器信息融合技術(shù)多傳感器信息融合技術(shù)是通過