第5章 視覺觸覺傳感器

第五章視覺、觸覺傳感器本章學習要求：了解觸覺傳感技術的原理及工程應用；掌握接近覺傳感技術的原理及工程應用;了解視覺傳感技術的原理及工程應用；了解聽覺傳感技術的原理及工程應用；傳感器與測試技術5.1觸覺傳感器一、觸覺傳感器：

接觸覺、壓覺、力覺和滑覺1.接觸覺傳感器

檢測機器人手指與外界物體是否接觸，如感受是否接觸地面，是否抓住物體等。當傳感器與物體接觸時，電極導通工作，輸出“0”、“1”信號。

第五章視覺、觸覺傳感器壓阻型壓覺傳感器

利用材料的內阻隨壓力變化的壓阻效應制成的。上層的列電極與下層的行電極相互垂直，行列電極的交叉點即為傳感陣列的一個敏感單元。

2.壓覺傳感器：檢測機器人手指握持面上承受的壓力5.1觸覺傳感器光電型壓覺傳感器當彈性觸頭受壓時，觸桿下伸，發(fā)光二極管射向光敏二極管的部分光線被遮擋，于是光敏二極管輸出的電信號隨壓力增大而減小。通過多路模擬開關依次選通陣列中的感知單元，并經(jīng)A/D轉換即可感知物體的形狀。

5.1觸覺傳感器3.力覺傳感器該圖為筒式六自由度腕力傳感器，外側由八根彈性梁支撐，四根為水平梁，四根為垂直梁。水平梁的上下兩側、垂直梁的左右兩側貼有應變片，組成差動半橋。根據(jù)貼片處的應變量，可得到施加于傳感器

x、y、z方向的力和力矩。

用于感知機器人的手指、肢體或關節(jié)等在工作和運動時所受力的大小和方向。

5.1觸覺傳感器4.滑覺傳感器檢測垂直于握持方向物體的位移、旋轉、由重力引起的變形，以達到修正夾緊力，防止抓取物滑動。該圖為滾球式滑覺傳感器，主要由一個可自由滾動的金屬球和觸針組成。觸針每次只能觸及一個網(wǎng)格，輸出為一系列脈沖信號。脈沖信號的頻率與滑動速度有關，脈沖信號的個數(shù)對應滑移的距離，能夠檢測任意方向的滑動。5.1觸覺傳感器案例：機器人握力測量5.1觸覺傳感器機械手抓取雞蛋實驗照片案例：利用光電式滑覺傳感器實現(xiàn)機械手軟抓取5.1觸覺傳感器二、仿生皮膚該圖為具有溫覺、觸覺和壓覺、滑覺的聚偏二氟乙烯(PVDF)仿生皮膚的剖視圖。在上下兩層PVDF之間，由電加熱層和柔性隔熱層形成兩個不同的物理測量空間，上層PVDF獲取溫覺和接觸覺信號，下層PVDF獲取壓覺和滑覺信號。

5.1觸覺傳感器5.2接近覺傳感器一、接近覺傳感器1.感應式接近覺傳感器

只有當傳感器與鐵磁體之間有相對運動時，磁力線才會發(fā)生變化，線圈中才能產(chǎn)生感應電流。隨著距離的減小，輸出信號明顯增大。

1）電磁感應接近覺傳感器

第五章視覺、觸覺傳感器2）霍爾效應接近覺傳感器

當附近無鐵磁體時，霍爾元件感受到一個強磁場，霍爾電勢最大；當鐵磁體接近傳感器時，磁力線被旁路，霍爾元件感受的磁場強度減弱，霍爾電勢減小。

5.2接近覺傳感器3）電渦流接近覺傳感器

當傳感器接近金屬物體時，金屬導體中將產(chǎn)生電渦流，形成反抗磁場H2。通過檢測線圈測量激勵線圈磁路上磁通量的大小，就可感知傳感器與金屬物體表面之間的距離。

5.2接近覺傳感器2.電容式接近覺傳感器

當物體接近時，阻斷了兩個極板之間連續(xù)的電力線，使兩極板間的耦合電容C12改變，從而使極板上的電荷變化。通過極板2外接的電荷放大器，即可獲得電壓與距離的關系。

5.2接近覺傳感器3.光電式接近覺傳感器

光源發(fā)出的光束經(jīng)發(fā)射透鏡射到物體，經(jīng)物體反射并由接收透鏡匯聚到光電器件上。若物體不在感知范圍，光電器件無輸出。通過調節(jié)發(fā)射透鏡與接收透鏡的光軸夾角

，可以調節(jié)其感知距離。5.2接近覺傳感器4.超聲波接近覺傳感器

1）脈沖延時法

通過測量超聲波從介質中發(fā)射出去，到物體反射后沿原路返回之間所需要的時間(渡越時間t0)和在介質中傳播的速度(聲速v)，即可獲知物體與傳感器的距離。

5.2接近覺傳感器2）相位調制法

將超聲波調制為正弦波發(fā)射出去，若接收波與發(fā)射波的相位相差為，調制波波長為，則物體與傳感器的距離為：

5.2接近覺傳感器二、接近覺傳感器的應用四個超聲波接近覺傳感器完成避障功能，三個紅外接近覺傳感器完成自動尋軌功能。

自動尋軌和避障機器人5.2接近覺傳感器紅外反射光強法接近覺測量調制信號經(jīng)可控功率放大器調節(jié)后送至紅外發(fā)光管，光電接收管接收的反射光強經(jīng)解調和濾波后輸出電壓信號。其輸出電壓uo與接收管和目標物之間距離x關系為：

5.2接近覺傳感器5.3視覺傳感器1.焊接機器人的視覺傳感系統(tǒng)利用掃描轉鏡將激光光源掃描成條狀光照射在到焊縫上，通過測量電機轉角和圖像處理方法將CCD器件接收到的二維信息轉化為三維信息，從而提高掃描效率和信息量。

第五章視覺、觸覺傳感器2.管內作業(yè)機器人的視覺傳感系統(tǒng)該圖為管內X射線探傷機器人的結構示意圖。視覺系統(tǒng)采集管道內的圖像，利用圖像處理算法檢測焊縫的相對位置?？刂萍膀寗友b置根據(jù)焊縫的位置牽引機器人運動，實現(xiàn)其定位。通過外接監(jiān)視器也可以人工完成管道內壁質量檢查等工作。

5.3視覺傳感器動圈式傳聲器5.4聽覺傳感器1.動圈式傳聲器動圈與振膜粘附在一起，振膜隨聲音振動帶動動圈在磁鐵形成的磁場中運動而產(chǎn)生感應電勢。感應電勢與振膜振動的振幅和頻率相對應，因此動圈輸出的電信號與聲音的強弱、頻率相對應，即將聲音轉換為音頻信號。第五章視覺、觸覺傳感器2.電容式傳聲器由固定電極和振膜構成電容器，電源電壓U經(jīng)過固定電阻R送至電容器的固定電極。振膜隨聲音振動引起振膜與固定電極間的電容量發(fā)生變化，從而引起電容器的容抗變化。容抗變化使A點電位變化，經(jīng)電容C耦合后，對A電位進行前置放大，最終得到音頻信號輸出。

5.4聽覺傳感器案例：玩具機器人(廣州中鳴數(shù)碼)原理：電機轉角電位器電阻第五章視覺、觸覺傳感器小結機器人的應用范圍日益廣泛，從事的工作越來越復雜，對環(huán)境的變化也擁有更強的適應能力，這一切都必須借助于各種傳感器獲取類似于人類的感覺信息，并做