第十二講機(jī)器人感知與智能

第十二講機(jī)器人感知與智能山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第1頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第一節(jié)基本概念與相關(guān)理論

6.1.1機(jī)器人信息測量與分析方法感知與智能的作用：感知自身的工作狀態(tài)和周邊環(huán)境及其變化，改善和提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能。機(jī)器人的感知通過各種傳感器實(shí)現(xiàn)，分為：內(nèi)部感知（內(nèi)部傳感器）和外部感知（外部傳感器）。內(nèi)部傳感器：檢測和感知機(jī)器人本身的狀態(tài)，如：位置、速度、加速度、驅(qū)動力矩等。對內(nèi)部傳感器的要求：精度高、響應(yīng)速度快、測量范圍寬、體積小、重量輕、能耗低、工作可靠。第2頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第一節(jié)基本概念與相關(guān)理論

外部傳感器：識別環(huán)境、工件情況或工件與機(jī)器人的關(guān)系。如：力覺、視覺、距離、聽覺等傳感器。通常安裝在末端執(zhí)行器上。對外部傳感器的要求：除精度高、響應(yīng)速度快、測量范圍寬外，盡量非接觸測量，體積小、重量輕更加重要。另外，還要求安裝使用方便、安全可靠、對環(huán)境無不良影響。第3頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第一節(jié)基本概念與相關(guān)理論

內(nèi)部傳感器：位置/角度行程開關(guān)、電位器、碼盤、旋轉(zhuǎn)變壓器、光柵尺/盤等。速度/加速度測速發(fā)電機(jī)、碼盤、速度/加速度傳感器。力/力矩力傳感器、力矩傳感器。方位角陀螺儀、方位儀。電流/電壓霍爾電流傳感器、電壓計。第4頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第一節(jié)基本概念與相關(guān)理論

外部傳感器：視覺：感知外部圖像，如：CCD、CMOS等。觸覺/滑覺：感知接觸/滑動，接近/距離：感知距離，如：接近開關(guān)、位置傳感器、激光測距儀。熱覺：感知溫度，如：熱電偶、紅外CCD。力覺：如：各類力、力矩傳感器。嗅覺：感知?dú)馕?，各種氣味傳感器。聽覺：如：微型MIC，味覺：感知味道。方位：如：陀螺儀等。第5頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第一節(jié)基本概念與相關(guān)理論

信號感知過程：

信號提取信號分析與處理識別融合與應(yīng)用信號提?。焊黝悅鞲衅鳌Ｐ盘柗治雠c處理：信號分析：研究信號的構(gòu)成與特征，如：濾波、譜分析。信號處理：各種信號變換，如傅里葉變換。信號識別：識別算法、智能技術(shù)。信號融合：多傳感器的集成，多信息的融合。信息的利用：實(shí)現(xiàn)功能、目標(biāo)。第6頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第一節(jié)基本概念與相關(guān)理論

6.1.2多傳感器系統(tǒng)與信息融合機(jī)器人系統(tǒng)包含各種傳感器，如何使它們協(xié)作工作、發(fā)揮出更大的作用？多傳感器系統(tǒng)涉及多種類型傳感器或多個同類型傳感器，還有多功能集成傳感器。多傳感器系統(tǒng)與信息融合主要作用：

1、提高系統(tǒng)可靠性：替代。

2、降低系統(tǒng)的不確定性：沉余

3、提高完整描述環(huán)境的能力：協(xié)同

4、提高系統(tǒng)的實(shí)時性：并行處理第7頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第一節(jié)基本概念與相關(guān)理論

6.1.3機(jī)器人與人工智能人工智能是指將人類所具有的智能的一部分用計算機(jī)來實(shí)現(xiàn)以及與此相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域。機(jī)器人是從事與人類相識動作的自動機(jī)械，代替人類行使某些智能動作，因此，它也是人工智能的研究對象，從這個意義上說，機(jī)器人也稱為智能機(jī)器人。人工智能的研究內(nèi)容包括：知識獲取、知識表達(dá)、知識推理、學(xué)習(xí)與決策、專家系統(tǒng)等理論，為機(jī)器人智能奠定了基礎(chǔ)。機(jī)器人的智能可分為基于傳感器的感知智能和基于知識、學(xué)習(xí)、推理的抽象智能。第8頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第一節(jié)基本概念與相關(guān)理論

到20世紀(jì)80年代，國際上基于知覺控制的機(jī)器人已經(jīng)開始走向?qū)嵱没A段，基于知識的智能機(jī)器人的研究仍處于比較低級的層次。目前，智能機(jī)器人的研究重點(diǎn)在通過多傳感器信息融合等技術(shù)，提高機(jī)器人的性能和可靠性，擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。第9頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器

6.2.1位置、轉(zhuǎn)角傳感器

當(dāng)前，常用的位置、轉(zhuǎn)角傳感器有：

1、光柵尺：2、光電角編碼器。第10頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02一、光柵尺根據(jù)摩爾條紋原理，通過光電轉(zhuǎn)換，以數(shù)字方式表示線性位移量的高精度位移傳感器。具有檢測范圍大，檢測精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。1、光柵與莫爾條紋

通過印刷技術(shù)在不透明的介質(zhì)上形成密集的透明條紋（刻痕），條紋間的距離稱為柵距（節(jié)距），每毫米刻痕的多少稱為光柵常數(shù)。莫爾條紋：當(dāng)指示光柵上的線紋和標(biāo)尺光柵上的線紋之間形成一個小角度θ，并且兩個光柵尺刻面相對平行放置時，在光源的照射下，位于幾乎垂直的柵紋上，形成明暗相間的條紋。這種條紋稱為“莫爾條紋”；兩光柵相互運(yùn)動時間看到的是莫爾條紋運(yùn)動。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器

第11頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器

嚴(yán)格地說，莫爾條紋排列的方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。莫爾條紋中兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋的寬度，以W表示，設(shè)光柵的柵距為d，兩光柵的夾角為θ，則：第12頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02兩光柵交點(diǎn)由柵線序數(shù)N、M組成。K=M－N第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器

第13頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02長光柵光閘莫爾條紋播放動畫第14頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02莫爾條紋的特點(diǎn)：

1）、莫爾條紋的變化規(guī)律兩片光柵相對移過一個柵距，莫爾條紋移過一個條紋距離。由于光的衍射與干涉作用，莫爾條紋的變化規(guī)律近似正(余)弦函數(shù)，變化周期數(shù)與光柵相對位移的柵距數(shù)同步。

2）、放大作用在兩光柵柵線夾角較小的情況下，莫爾條紋寬度W和光柵柵距d、柵線角θ之間有下列關(guān)系：

W=d/θ

由于柵線角θ很小，W>>d。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器

第15頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02

3）、誤差平均。莫爾條紋是由若干光柵條紋共用形成，這樣?xùn)啪嘀g的相鄰誤差就被平均化了，消除了由于柵距不均勻、斷裂等造成的誤差。2、分類按照制造方法和光學(xué)原理的不同，分為透射光柵尺和反射光柵尺。透射光柵尺的光源與接收裝置分別放置在光柵尺的兩側(cè)，通過接收光柵尺透過來的衍射光變化來反應(yīng)位置變化。比較通用的是玻璃光柵。.

反射光柵指的是光源與接收裝置安裝在光柵尺的同一側(cè)，通過接收光柵尺反射回來的衍射光變化來反應(yīng)位置變化。比較通用的有鋼帶光柵。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器

第16頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02透射式光柵第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器

第17頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02反射式光柵第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器

第18頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/023、檢測與數(shù)據(jù)處理隨著光柵的移動，莫爾條紋也隨之上下移動。這樣就把對光柵柵距的測量轉(zhuǎn)換為對莫爾條紋個數(shù)的測量。在一個莫爾條紋寬度內(nèi)，按照一定間隔放置4個光電器件就能實(shí)現(xiàn)電子細(xì)分與判向功能。兩路相位不同的光電信號，其相位差為π/2，為得到判向和計數(shù)脈沖，需對這兩路信號整形為方波。然后，通過對方波的相位進(jìn)行判別比較，就可以得到光柵尺的移動方向。通過對方波脈沖進(jìn)行計數(shù)，可以得到光柵尺的位移和速度。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器

第19頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/024、技術(shù)參數(shù)●測量范圍：50mm～3000mm

●測量精度：±6um/m～±10um/m

●測量基準(zhǔn)（柵距）：光柵周期20μm的光學(xué)玻璃尺。

●光學(xué)測量方式：透射式、反射式●反應(yīng)速度：

60m/min(0.005mm)

25m/min(0.001mm)

●輸出信號：TTL/EIA-422-A

●供應(yīng)電壓：DC5V±5%

第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第20頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02二、光電編碼器

編碼器分為接觸式編碼器和光電式編碼器，光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。1、工作原理

光電編碼器由光柵盤（碼盤）和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。當(dāng)它與電動機(jī)軸一起旋轉(zhuǎn)時，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置輸出若干脈沖信號，通過計算輸出脈沖的個數(shù)等信息，就能反映當(dāng)前電動機(jī)轉(zhuǎn)過的角度或轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，還可提供相位相差90o的兩路脈沖信號。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第21頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器

光電編碼器的工作原理輸出波形第22頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/022、光電編碼器類型：按測量方式分類：旋轉(zhuǎn)編碼器和直尺編碼器按編碼方式分類：絕對式編碼器增量式編碼器混合式編碼器3、光電式碼盤的優(yōu)缺點(diǎn)光電式編碼器無觸點(diǎn)磨損，允許高轉(zhuǎn)速；每條縫隙寬度可做得很小，所以精度和分辨率很高，單個碼盤可做到18位。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴、光源壽命短。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第23頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/024、絕對式編碼器1）、光柵盤（碼盤）圖中為一個四位碼盤。涂黑部分為遮光區(qū)，輸出“0”；空白部分為透光區(qū)，輸出“1”。圖示碼盤共有四圈碼道，當(dāng)碼盤與被測物轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動時，每個碼道對應(yīng)的光電接受器將讀出對應(yīng)的數(shù)碼。若有n條碼道，則角度分辨率為：光柵盤（碼盤）第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第24頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02絕對式格雷碼碼盤：將碼盤分成一系列具有相等角距角的角，對每個角用格雷碼進(jìn)行編碼；當(dāng)光信號掃描與傳動軸相聯(lián)的刻有格雷碼的碼盤時，獲得的碼盤上的碼值確定被測物的絕對位置值，然后將檢測到的格雷碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號以脈沖的形式輸出測量的位移量。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第25頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器

2）、絕對式光電編碼器工作原理：圖1-8絕對式光電編碼器原理第26頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/023）、直接讀出角度坐標(biāo)的絕對值。不受掉電、關(guān)機(jī)的影響。沒有累積誤差，可靠性高，抗干擾能強(qiáng)。使用簡單，方向判斷較容易。范圍大于360度時可采用多組碼盤。每個碼道都必須放置光電收發(fā)裝置。編碼器的精度取決于位數(shù)。最高運(yùn)轉(zhuǎn)速度比增量式光電編碼器高。價格高第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第27頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/024）、技術(shù)參數(shù):

量程（單組或多組碼盤）輸出代碼：格雷碼,BCD碼,二進(jìn)制碼。輸出信號：并口/串口，高/低電平有效。分辨率：如：12位，4096線/圈。準(zhǔn)確度：如：0.3度。最大允許轉(zhuǎn)速：2400轉(zhuǎn)/分鐘。

工作電壓：10—30Vdc。消耗電流：<100mA。

工作溫度：-20---60°C連接方式：鍵、軸套、法蘭等外形尺寸：第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第28頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/025、增量式光電編碼器由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和轉(zhuǎn)換電路組成，如圖所示。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器光敏元件光欄板及辨向用的A、B狹縫零位標(biāo)志轉(zhuǎn)軸盤碼及狹縫也稱光柵盤LEDABCABC第29頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器1）、工作原理當(dāng)光柵盤隨被測工作軸一起轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個縫隙，光電管就會感受到一次光線的明暗變化，并轉(zhuǎn)變成電信號的強(qiáng)弱變化，這個電信號近似于正弦波，經(jīng)過整形和放大等處理，變換成脈沖信號。通過計數(shù)器計量脈沖的數(shù)目，即可測定旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的角位移；通過計量脈沖的頻率，即可測定旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的轉(zhuǎn)速。第30頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器隨被測工作軸一起轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個縫隙，光電管就會感受到一次光線的明暗變化，并轉(zhuǎn)變成電信號的強(qiáng)弱變化，近似于正弦波的信號，經(jīng)過整形和放大等處理，變換成脈沖信號。通過計數(shù)器計量脈沖的數(shù)目，即可測定旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的角位移；通過計量脈沖的頻率，即可測定旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的轉(zhuǎn)速。第31頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/022）、方向辨別為了判斷光柵盤轉(zhuǎn)動的方向，可采用圖的邏輯控制電路,將光電管A、B信號放大整形后變成a、b兩組方波。a組分成兩路，一路直接微分產(chǎn)生脈沖d，另一組經(jīng)反相后再微分得到脈沖e。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第32頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02

d、e兩路脈沖進(jìn)入與門電路后分別輸出正轉(zhuǎn)脈沖f和反轉(zhuǎn)脈沖g。b組方波作為與門的控制信號，使光電盤正轉(zhuǎn)時f有脈沖輸出，反轉(zhuǎn)時g有脈沖輸出，這樣就可判別光電編碼器的旋轉(zhuǎn)方向。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第33頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02一些增量式編碼器提供六路輸出信號A和A反、B和B反、Z和Z反；如單相聯(lián)接，用于單方向計數(shù)，單方向測速。A、B兩相聯(lián)接，用于正反向計數(shù)、判斷正反向和測速。A、B、Z三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測量。A、A-，B、B-，Z、Z-差動連接，由于帶有對稱負(fù)信號的連接，電流對于電纜貢獻(xiàn)的電磁場為0，衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠(yuǎn)的距離。對于TTL的帶有對稱負(fù)信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達(dá)150米。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第34頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的特點(diǎn)：1、編碼器每轉(zhuǎn)動一個預(yù)先設(shè)定的角度將輸出一個脈沖信號，通過統(tǒng)計脈沖信號的數(shù)量來計算旋轉(zhuǎn)過的角度，因此編碼器輸出的位置數(shù)據(jù)是相對的。2、旋轉(zhuǎn)角度的起始位可以任意設(shè)定。3、由于采用相對編碼，因此掉電后旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)會丟失需要重新復(fù)位，重新想設(shè)置零點(diǎn)。4、一般都是輸出相位相差90度的方波信號A和B，以及一個指示零點(diǎn)的Z信號。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第35頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02技術(shù)參數(shù)：

1、分辨率：360度刻線數(shù)，單位：p/r,簡稱多少線，50—1000線，。

2、輸出類型：正弦、方波(TTL,HTL高閾值邏輯）、推拉式、集電極開路。3、輸出電壓：高電平、低電平。

4、轉(zhuǎn)動慣量：kgm2。

5、最大允許轉(zhuǎn)速：rpm。

6、工作電壓：5V--24V。

7、連接方式：孔或軸，孔徑或軸頸。

8、外形尺寸：

9、工作溫度：

10、重量：第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第36頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02優(yōu)點(diǎn):

1、原理構(gòu)造簡單、易于實(shí)現(xiàn)；2、機(jī)械平均壽命長，分辨能力強(qiáng)，

3、抗干擾能力較強(qiáng)，

4、可靠性較高。缺點(diǎn):

1、無法直接讀出轉(zhuǎn)動軸的絕對位置信息。2、斷電后丟失位置信號。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第37頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02混合式旋轉(zhuǎn)編碼器：同時輸出絕對旋轉(zhuǎn)角度編碼與相對旋轉(zhuǎn)角度編碼混合式旋轉(zhuǎn)編碼器的特點(diǎn)：具備絕對編碼器的旋轉(zhuǎn)角度編碼的唯一性與增量編碼器的應(yīng)用靈活性。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第38頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/026.2.2霍爾電流傳感器

霍爾效應(yīng)指磁場作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。利用霍爾效應(yīng)可以設(shè)計制成多種傳感器?；魻栐且环N基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器。用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用?；魻栐哂性S多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第39頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02由于通電導(dǎo)線周圍存在磁場，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾元件測量出磁場，就可確定導(dǎo)線電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是：

1.測量范圍廣：它可以測量任意波形的電流和電壓。

2.響應(yīng)速度快，動態(tài)性能好：最快者響應(yīng)時間只為1us。

3.測量精度高：其測量精度優(yōu)于1%。

4.線性度好：優(yōu)于0.2%。

5.工作頻帶寬：0~100KHz頻率范圍。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第40頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02

6.可靠性高，平均無故障工作時間長>510小時。

7.過載能力強(qiáng)、測量范圍大：0---幾十安培~上萬安培.

8.體積小、重量輕、易于安裝。由于霍爾電流電壓傳感器以上的優(yōu)點(diǎn)，故而可廣泛應(yīng)用與變頻調(diào)速裝置、逆變裝置、UPS電源、逆變焊機(jī)、電解電鍍、數(shù)控機(jī)床、微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)、電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和需要隔離檢測電流電壓的各個領(lǐng)域中。

第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第41頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02霍爾電流傳感器根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，可分為：霍爾直測式電流傳感器和霍爾磁補(bǔ)式電流傳感器。

1）．霍爾直測式電流傳感器由于磁感應(yīng)的非線性等原因，精度不高，較少使用。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器磁芯第42頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/022）．霍爾磁補(bǔ)式電流傳感器

原邊電流產(chǎn)生磁場Hp為軟磁芯聚集，該磁場又被副邊線圈產(chǎn)生的反向磁場Hs所補(bǔ)償，霍爾器件作為監(jiān)測補(bǔ)償度的元件使傳感器處于零磁通，按安匝比由副邊電流算出原邊電流。直到Hp＝Hs時Is不再增加，這時霍爾片就達(dá)到零磁通檢測。磁平衡時，NpIp＝IsNs計算Ip第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第43頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02霍爾磁補(bǔ)式電流傳感器技術(shù)指標(biāo)，例：測量范圍:（0～150A）額定電流：（100A）頻率范圍：（0～100kHz）線性度：（0.1％）反應(yīng)時間：<0.1μs絕緣電壓：（3KV）穿孔尺寸：(Φ10mm)匝數(shù)比：（1：1000)

可靠性：2×106h

第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第44頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器6.2.3力覺系統(tǒng)與傳感器力覺系統(tǒng)發(fā)展較為成熟，在機(jī)器人工業(yè)應(yīng)用中起到重要作用。在工業(yè)機(jī)器人及其操作中，力覺傳感器的作用有：

1、檢測關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩。

2、感知是否夾起了工件或是否夾持在正確部位。

3、控制裝配、打磨、研磨拋光的質(zhì)量。

4、裝配中提供信息、以產(chǎn)生后續(xù)的修正補(bǔ)償運(yùn)動來保證裝配質(zhì)量和速度。

5、防止碰撞、卡死和損壞機(jī)件。第45頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器機(jī)器人的力覺傳感器分為：

1、測量驅(qū)動器輸出力或力矩的力傳感器：

2、裝在末端執(zhí)行器和最后一個關(guān)節(jié)之間，測量作用于末端執(zhí)行器上的各向力和力矩的腕力傳感器。

3、裝在機(jī)器人指關(guān)節(jié)上的指力傳感器。測量原理與方式：根據(jù)測量原理的不同，分為：應(yīng)變片式、壓電式、差動變壓器式、電容位移式力傳感器。按分量獲得的方式可分為直接測量和間接測量。所謂直接測量，各分量的值由直接測量得出。所謂間接測量，就是由測量數(shù)據(jù)，根據(jù)各分量的數(shù)學(xué)模型，計算出各分量的值。第46頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02關(guān)節(jié)力傳感器：第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第47頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02豎梁結(jié)構(gòu)的Waston腕力傳感器：如圖，按120度周向分布著三個細(xì)梁，其上部圓環(huán)通過螺栓與手臂連接，下不圓環(huán)與手爪相聯(lián)，細(xì)梁上貼有應(yīng)變片；該傳感器結(jié)構(gòu)較簡單，靈敏度也高；但六維力和力矩需要解耦運(yùn)算，抗過載能力也較差。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第48頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02輪輻式十字腕力傳感器：采用橫梁結(jié)構(gòu)，四個主梁上裝有應(yīng)變片，可組成橋路；為簡化彈性體的受力模型，常在十字梁與輪緣連接處增加一個柔性環(huán)節(jié)。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第49頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02六維腕力傳感器：豎梁結(jié)構(gòu)，具有八個窄長的彈性梁，每一個梁的頸部開有一個小槽以使頸部只傳遞力，力矩作用很小，梁的另一頭兩側(cè)貼有應(yīng)變片。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第50頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第一節(jié)基本概念與相關(guān)理論

6.2.4接近覺與傳感器機(jī)器人在移動或操作過程中，獲知對目標(biāo)物體的接近程度；實(shí)現(xiàn)避障，或通過減速接觸物體來避免沖擊。接近傳感器一般根據(jù)波束碰到目標(biāo)物體產(chǎn)生物理變化或反射波的原理工作，根據(jù)波束的不同可分為：電磁、激光、超聲波、紅外線等幾種。接近傳感器一般測量精度不高，作用距離較短，要求目標(biāo)物體需要具有反應(yīng)波束的能力。第51頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/021、電磁式接近傳感器：

接近對象必須產(chǎn)生磁反應(yīng)或產(chǎn)生電渦流，通常為磁性材料或金屬。

當(dāng)接近對象時，引

起磁場改變或產(chǎn)生渦流。

通過檢測周圍電磁的變

化情況，判斷接近程度。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第52頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/022、電容式接近傳感器：

我們知道，電容的電容量與電極板之間的距離成反比；把接近對象和傳感器分別看成電容的正負(fù)極，就可以根據(jù)電容量的變化情況，判斷接近程度。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第53頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/026.2.4觸覺與滑覺傳感器機(jī)器人觸覺是人的觸覺的模仿。它是有關(guān)機(jī)器人和物體接觸時感覺的科學(xué)。如：手指與被測物是否接觸，感知物體的表面性質(zhì)和物理特征。若沒有觸覺，就不能完好平穩(wěn)地抓住紙做的杯子，也不能握住工具。觸覺主要有兩方面應(yīng)用：

1．檢測功能：對操作物進(jìn)行物理性質(zhì)檢測．如光滑性、硬度等。

2．識別功能：識別對象物的形狀(如識別接觸到的表面形狀)。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第54頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02舉例：觸覺傳感器(a)結(jié)構(gòu)：平板上安裝著多點(diǎn)通、斷傳感器附著板的裝置原理：平常為通態(tài)，當(dāng)與物體接觸時，彈簧收縮，上、下板間電流斷開。它的功能相當(dāng)于一開關(guān)，即輸出0和1兩種信號?？捎糜诳刂茩C(jī)械手的運(yùn)動方向和范圍、躲避障礙物等。1.導(dǎo)電橡膠；2.金屬；12.襯底；13.引線1第55頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02各種觸覺

傳感器第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第56頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02人工皮膚觸覺傳感器選擇更為合適的敏感材料，現(xiàn)有的材料主要有導(dǎo)電橡膠、壓電材料、光纖等；將集成電路工藝應(yīng)用到傳感器的設(shè)計和制造中，使傳感器和處理電路一體化，得到在規(guī)?；虺笠?guī)模陣列式觸覺傳感器。PVF2陣列式觸覺傳感器第57頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第一節(jié)基本概念與相關(guān)理論

機(jī)器人觸覺20世紀(jì)八十年代開始出現(xiàn)，早期主要由微動開關(guān)、金屬觸須等實(shí)現(xiàn)；現(xiàn)在有各種原理的觸覺傳感器：壓電式、壓阻式、電容式、電磁式等，并延生了各種感覺組合在一起的仿人皮膚。觸覺傳感器的工作重點(diǎn)：觸覺傳感器的工作重點(diǎn)集中在陣列式觸覺傳感器信號的處理上，目的是辨識物體接觸物體的形狀。這種信號的處理涉及到信號處理、圖像處理、計算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、模式識別等學(xué)科，是一門比較復(fù)雜、比較困難的技術(shù)，還很不成熟，有等于進(jìn)一步研究和發(fā)展。第58頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器滑覺是物體在手爪中運(yùn)動時，手爪的感覺，它與觸覺和力覺都有著密切的關(guān)系。當(dāng)發(fā)現(xiàn)物體在手中滑動時，我們會進(jìn)一步地抓緊物體，滑覺系統(tǒng)可以提高機(jī)械手抓握物體的可靠性。機(jī)器人滑覺信號的獲取：

1、通過對觸覺信號的處理：根據(jù)觸覺信號的動態(tài)變化。

2、專用滑覺傳感器：存在小型化的困難。第59頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器6.2.5視覺系統(tǒng)與傳感器視覺分二維平面視覺和三維立體視覺。視覺分為三個過程：視覺獲取、圖像處理、圖像理解。一、機(jī)器人視覺系統(tǒng)系統(tǒng)１.機(jī)器人視覺系統(tǒng)的硬件組成（１）景物和距離傳感器常用的有攝象機(jī)、CCD圖像傳感器、超聲波傳感器和結(jié)構(gòu)光設(shè)備等。（２）視頻信號數(shù)字化設(shè)備其任務(wù)是把視覺傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成方便計算和分析的數(shù)字信號，即A/D轉(zhuǎn)換。（３）視頻信號快速處理器，視頻信號時實(shí)、快速、并行運(yùn)算的硬件設(shè)備：如DSP系統(tǒng)。第60頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第一節(jié)基本概念與相關(guān)理論視覺輸入裝置的構(gòu)成第61頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02（４）計算機(jī)及其外設(shè)根據(jù)系統(tǒng)的需要選擇不同的計算機(jī)及外設(shè)來滿足機(jī)器人視覺信息處理及機(jī)器人控制的需要。（５）機(jī)器人或機(jī)械手及其控制器。2.機(jī)器人視覺的軟件系統(tǒng)組成（１）計算機(jī)系統(tǒng)軟件選用不同類型的計算機(jī)，就有不同的操作系統(tǒng)和它所支撐的各種語言、數(shù)據(jù)庫等。（２）機(jī)器人視覺信息處理算法圖像預(yù)處理、分割、描述、識別和解釋等算法。（３）機(jī)器人控制軟件。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器第62頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器3、視覺傳感器機(jī)器人視覺使用的主要部件是電視攝象機(jī)，它由攝象管或固態(tài)成像傳感器及相應(yīng)的電子線路組成。常用的固態(tài)成像傳感器有：電荷耦合器件(CCD)、CMOS和電荷注入器件(CID)。與具有攝象管的攝象機(jī)相比，固態(tài)成像器件有若干優(yōu)點(diǎn)，它體積小、壽命長、功耗低、圖像質(zhì)量高、靈敏度高、抗震動等優(yōu)點(diǎn)。

CCD電荷耦合器：特點(diǎn)：敏感度高、分辨率高、噪聲低，技術(shù)成熟，在機(jī)器人視覺中得到廣泛應(yīng)用。

CMOS互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體。特點(diǎn)：成本低、功耗低。第63頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器二、視頻數(shù)字信號處理圖像信號一般是二維信號，一幅圖像通常由512*512個像素組成，每個像素有256級灰度，或者是3*8bit，紅黃藍(lán)16M種顏色，一幅圖像就有256KB或者768KB個數(shù)據(jù)。為了完成視覺處理的傳感、預(yù)處理、分割、描述、識別和解釋，主要完成的數(shù)學(xué)運(yùn)算可以歸納為：

(1)點(diǎn)處理(2)二維卷積的運(yùn)算

(3)二維正交變換(4)坐標(biāo)變換

(5)統(tǒng)計量計算第64頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器

(1)點(diǎn)處理常用的有對比度增強(qiáng)、密度非線性校正、閾值處理、偽彩色處理等。例如對數(shù)變換可以實(shí)現(xiàn)暗區(qū)對比度擴(kuò)張。

(2)二維卷積的運(yùn)算常用于圖像平滑、尖銳化、輪廓增強(qiáng)、空間濾波、標(biāo)準(zhǔn)模塊匹配計算等。

(3)二維正交變換常用的二維正交變換有FFT、Walsh、Haar和K-L變換等，常用于圖像增強(qiáng)、復(fù)原、二維濾波、數(shù)據(jù)壓縮等。第65頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器

(4)坐標(biāo)變換常用于圖像的放大縮小、旋轉(zhuǎn)、移動、配準(zhǔn)、幾何校正和由投影值重建圖像等。

(5)統(tǒng)計量計算如計算密度直方圖分布、平均值和協(xié)方差矩陣等。在進(jìn)行直方圖均衡化、面積計算、分類時，常常要進(jìn)行這些計量計算。第66頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器3D視覺中的三角測量方法：第67頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器

6.2.6聽覺系統(tǒng)與聽覺傳感器機(jī)器人聽覺傳感器可分為語音感覺和聲音感覺兩種傳感器。常用的聽覺傳感器是語音傳感器；聲音傳感器是利用聲波或超聲波進(jìn)行測量的一類傳感器。聽覺系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)操作人員通過語言直接控制機(jī)器人，涉及語音合成和語音識別技術(shù)。話筒是典型的聲覺傳感器，有電動式、壓電式、電容式等多種類型。1、電動式聲覺傳感器

也稱動圈式，它利用線圈在磁場中，切割磁感線，將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號。一般來說效果比較好，較貴。第68頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器我們生活中常見的話筒大部分都是動圈式話筒，其結(jié)構(gòu)如圖（下）：它在一個膜片的后面粘貼著一個由漆包線繞成的線圈，也叫音圈。在有膜片的后面還安裝了一個環(huán)形的永磁體，并將線圈套在永磁體的一個極上，線圈的兩端用引線引出。第69頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器2、壓電式聲覺傳感器根據(jù)壓電效應(yīng)原理，將聲壓轉(zhuǎn)變成電信號的設(shè)備。3、電阻變換型聲敏傳感器原理：音頻振動——電阻值變化。接觸阻抗型：振動使得接觸電阻發(fā)生變化。阻抗變換型：振動使膜片變形——應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻值變化。4、電容式聲覺傳感器利用音頻振動，使膜片變形，引起電容大小的變化，將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號，也叫做駐極體話筒。第70頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器

語音系統(tǒng)在服務(wù)、娛樂型機(jī)器人中應(yīng)用較多；目前，由于可靠性方面的不足，在工業(yè)中應(yīng)用還較少。第71頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第三節(jié)機(jī)器人信息識別、表達(dá)與融合

1、閾值法：給定一個閾值為界。

2、邊界測量法：根據(jù)邊界的形狀。

3、特征法：使用對象特征。

4、平均值法：第72頁，共79頁，2023年，2月20日，星期二山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所20