機器人傳感器課件

機器人傳感器第七章機器人傳感器第一節(jié)機器人傳感器功能與分類第二節(jié)機器人視覺傳感器

1、人眼與視覺

2、機器人視覺方法

3、機器人圖像處理技術(shù)

4、機器人立體視覺第三節(jié)機器人觸覺傳感器

1、接觸覺傳感器

2、壓覺傳感器

3、力覺傳感器

4、滑覺傳感器

5、仿生皮膚第四節(jié)機器人接近覺傳感器

1、電磁式接近覺傳感器

2、光電式接近覺傳感器

3、超聲波接近覺傳感器第一節(jié)機器人傳感器分類PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity機器人分類機器人傳感器的特點傳感器的信號獲取與處理過程機器人傳感器的分類第一節(jié)機器人傳感器功能與分類機器人是由計算機控制的能模擬人的感覺、手工操縱和具有自動行走能力而又足以完成有效工作的裝置。機器人分類：第一代機器人：進行程式化操作的機器，完成一系列預置動作。未采用傳感器，不能適應外界環(huán)境的變化。第二代機器人：采用傳感器，具有初步感覺和反饋控制能力，能進行識別、選取和判斷。具有初步智能。第三代機器人：更高一級智能機器，“電腦化”是其重要標志。Robot是捷克語“奴工”的意思，捷克劇作家卡魯·卡帕克1920年一部劇本中的“人物”，一種具有人類特征的機器。對敏感材料的柔性和功能有特定要求。機器人傳感器的特點獲取的信息實時地用于控制，用以決定機器人的行動。有別于其它種類的傳感器，機器人傳感器信息收集能力強：既能獲取信息，又緊隨環(huán)境狀態(tài)進行大幅度變化。機器人傳感器既包括傳感器本身，也包含傳感器的信號處理。它由獲取信息和處理信息兩部分有機地構(gòu)成。傳感器的信號獲取與處理過程信號獲取→信號處理→信號提取→數(shù)據(jù)解釋等幾個層次。并非所有傳感器的信號處理都要經(jīng)過這四個全過程。如視覺和高密度壓覺傳感器一般需經(jīng)過③和④的的過程。位置、接近覺和壓覺等傳感器僅經(jīng)過②過程。接觸覺傳感器多半是經(jīng)過①過程。內(nèi)部檢測傳感器傳感器的分類：以機器人本身的坐標軸來確定其位置，用來感知運動學參數(shù)。通過內(nèi)部檢測傳感器，機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、壓力和軌跡等進行工作。外部檢測傳感器用于獲取周圍環(huán)境或者目標物狀態(tài)特征的信息，是機器人與周圍進行交互工作的信息通道。其功能是讓機器人對環(huán)境有自校正和自適應能力，很好地執(zhí)行工作。接近覺、視覺、聽覺、嗅覺、味覺等傳感器。機器人傳感器的分類及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity第二節(jié)機器人視覺傳感器機器人視覺方法人眼與視覺機器人圖像處理技術(shù)機器人立體視覺一、人眼與視覺人的80%以上的外界信息通過視覺所獲取。對于機器人來說，視覺傳感器也是最重要的傳感器。人眼視覺是立體的，就是說能將視場中的物體區(qū)別出遠近。第二節(jié)機器人視覺傳感器1、人眼的結(jié)構(gòu)眼球壁外層（角膜、鞏膜）中層（虹膜、睫狀體、脈絡膜）內(nèi)層（視網(wǎng)膜）屈光系統(tǒng)感光系統(tǒng)角膜晶狀體房水睫狀肌視網(wǎng)膜視神經(jīng)視中樞黃斑單眼成像黃斑Maculalutea(直徑約2mm)雙眼注視無窮遠的點，無窮遠點與雙目的夾角θ=0，無窮遠的點經(jīng)水晶體成的像都落在左右眼的黃斑處；=0天空遠景，處于無窮遠雙眼成像視網(wǎng)膜上視覺最敏銳的部位視乳頭(視盤)(直徑約1．5mm)沒有視細胞，在視野中是生理盲點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。人腦通過對左右兩幅圖像視差的分析和處理，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。雙眼注視有限距離點B，B在視網(wǎng)膜上的像也落在左右眼的黃斑位置B1和Br。2、人眼的立體視覺B點相對于左右眼的兩視線的夾角O1BOr稱作視差角，用θb表示。為了觀看物點B，眼睛將偏轉(zhuǎn)一定量的會聚角φ。B相對于人眼的距離Zb為：

Zb=b/tgφ

A點的像分別為A1和Ar，設線視差分別為Δl、Δr。θb=2φ根據(jù)A點的線視差計算得：線視差是描述物點在空間中位置的重要參數(shù)，在機器人立體視覺中，視差也是一個十分重要的判定景物空間分布的因素之一。1、激光掃描法二、機器人視覺方法在OlenA’D中綜合上式計算得tgα=x/Lf在AOlenM’中OM=(Z+Ll

)

×

tgα=x×(Z+Ll

)/Lf在AOlaserM中MOlaser=Z×ctgβOM+MOlaser=b另外A點的另外兩個坐標值Z=(bLf–xLl)/(x+Lf

tgβ)X=x(btgβ+Ll

)/(xtgβ+Lf

)Y=y(btgβ+Ll

)/(xtgβ+Lf

)機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進行二維掃描，即可得到景物空間各點的距離信息。如果用扇形光束代替點光束，只需進行一維掃瞄，就能快速測定CCD圖像畫面內(nèi)全部點的距離信息。2、立體攝影法物點A和B兩視線的夾角O1AO2稱作視差角：點A和B視差角的差值Δθab稱作立體視差：Δθab=θa-θb

θa=2b/Za 2b——CCD攝像機光軸間的距離視差角的大小表征了物點的遠近，圖中：θa>θb，物點A較B近。立體視差Δθab的正負也能表征物點的遠近。在CCD成像面上，物體的角視差實際上是以線視差來表現(xiàn)的。設坐標

A點的線視差ΔXaAl(Xal、Yal、Zal)Ar

(Xar、Yar、Zar

)Bl

(Xal、Yal、Zal)Br(Xar、Yar、Zar

)A、B兩點的線視差ΔXa、ΔXb物點A和物點B之間的相對線視差ΔXab為由二維圖像中的線視差和相對線視差，可以推算出空間物點的三維信息。三、機器人圖像處理技術(shù)機器人圖像第一步是初級處理，內(nèi)容主要有：從灰度圖中尋找圖像邊緣和分割圖像通過圖像的分割，機器人可以區(qū)分出所關(guān)心的特定的對象（即整個畫面中的一部分圖像）。為了識別特征物體，常用具有標準姿勢的物體圖像與所拍攝的物體圖像相比較。同樣出于對姿態(tài)調(diào)整的考慮，需要計算圖像兩個垂直的主慣性軸的方向。簡單的圖像分割方法有閾值處理和邊緣檢測兩種。求取圖像重心位置提取圖像的兩個垂直的主慣性軸視覺獲取的任意姿態(tài)物體圖像，需要進行姿態(tài)調(diào)整，其第一步就是計算出物體的重心點坐標。對圖像的初級處理，可以識別物體的形狀特征、區(qū)分出物體在背景中所處的的位置。具有圖像初級處理能力的機器人往往能滿足在工業(yè)應用中的要求。1、圖像的分割算法根據(jù)適當?shù)幕叶乳撝祎h

將圖像的轉(zhuǎn)變成二值化圖像，便于圖像分割。1）閾值處理法閾值的獲得途徑：二維圖像函數(shù)f（x，y），假設其二值化之后的圖像函數(shù)為：ft（x，y），則：1）由圖像灰度分布概率，用最小二乘法準確計算2）實驗法雙峰值特性的圖像物體背景1(1)2(2)——期望值——協(xié)方差假定其灰度分布服從正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)聯(lián)合概率密度：P1、P2為兩個峰下面的面積，且：P1+P2

=1以閾值th分割圖像thE1(th)E2(th)背景當物體的概率：物體當背景的概率：物體背景總誤差概率：E(

th

)=P2E1

(th)+P1

E2(th

)p2(t)p1(t)關(guān)于

t

微分，取dE(t)

/dt

=0，得：P2p2

(th

)=P1p1(th)若P1=P2

，則最佳閾值

t為：將p2(t)

和

p1(t)

代入上式，得：Ath

2

+Bth+C=0A=σ12+σ22B=2(μ1σ22-μ2σ12)C=μ22σ12

-μ12σ22

+2σ12σ22

ln

(σ2P1/σ1P2)如果σ12

=σ22

=σ2

，則：th2）微分邊緣檢測法：2）微分邊緣檢測法：xxx2）微分邊緣檢測法：設圖像f（x，y）原坐標（x，y）旋轉(zhuǎn)θ角，新坐標為（x’，y’）兩者的關(guān)系：

x=x'cosθ–y'sinθ

y=x'sinθ–y'cosθ圖像函數(shù)

f（x，y）沿x、y和x’、y’方向的灰度變化率為：上式對θ微分，并令其為0梯度的大小灰度變化最陡的方向在數(shù)字圖像中，用差分代替微分圖像的梯度矢量的大小：圖像的梯度矢量的方向：例如Sobel算子121000-1-2-1-101-202-101x方向y方向2、重心點及慣性矩計算圖像灰度函數(shù)f(i，j)的重心坐標xc、ycm——象素最大列數(shù)

n——象素最大行數(shù)圖像灰度值總和x(i)y(j)xc、ycf(i，j)圖像的慣性矩Ix、Iy、Ixy圖像的主慣性矩I’x、I’y、I’xy偏角φ：原坐標系和新坐標系的變換關(guān)系x2=[(x0

–xc

)cosφ

-(

y0–yc

)sinφ]+xcy2

=[(x0

–xc

)sinφ-(

y0–yc

)cosφ

]+yc比對圖像原始圖像圖像調(diào)整StereovisionofMarsRoverStereoGraphicsdevelopedthespecial3-DglassescalledCrystalEyes

PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity第三節(jié)機器人觸覺傳感器接觸覺傳感器壓覺傳感器力覺傳感器滑覺傳感器仿生皮膚一、接觸覺傳感器第三節(jié)機器人觸覺傳感器機械人觸覺可分為：接觸覺、壓覺、力覺、滑覺等幾種。用來檢測機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。模擬開關(guān)A/D轉(zhuǎn)換計算機_+_+_+_+陣列掃描電路二、壓覺傳感器用來檢測機器人手指的握持面上承受的壓力大小和分布。特點：小型輕便、響應快、陣列密度高、在線性好、可靠性高等。常用的敏感材料：導電橡膠或塑料、偏聚二氟乙烯薄膜（PVF2）、應變片陣列、磁彈性式壓磁傳感器陣列（如針式差動變壓器、霍爾元件）、光電傳感器陣列等。Vo=Vp

[(Cx-CR)/CF]=Vp(ΔC/CF)

三、力覺傳感器腕力傳感器發(fā)展趨勢：用于感知機器人的指、肢和關(guān)節(jié)等在工作和運動中所受力的大小和方向，從而決定如何運動、采用什么姿勢、以及推測對象物體的重量等。特點是感知多維的作用力。間接輸出型腕力傳感器將傳感器本身設計的簡單化，經(jīng)過復雜的計算求出傳遞矩陣，使用時要經(jīng)過矩陣運算才能提取出六個力分量。直接輸出型腕力傳感器傳感器結(jié)構(gòu)比較復雜，簡單的計算就能提取六個分量，甚至可以直接得到六個分量。材料：鋁筒式六自由度腕力傳感器X、Y、Z方向：力——Fx、Fy、Fz

轉(zhuǎn)矩——Mx、My、MzFx=K1（

Py++Py-

）Fy=K2（Px++Px-）Fz=K3（Qx++Qx-+Qy++Qy-）

Mx

=K4（Qy+-Qy-）My=K5（-Qx++Qx-）Mz=K6（Px+-Px--Py++Py-）K1、K2、K3、K4、K5、K6為比例系數(shù)，與各根梁所貼應變片的應變靈敏度有關(guān)。XYZ材料：鋁撓性件十字梁式腕力傳感器梁側(cè)面貼應變片手臂尼龍球（易于伸縮）相對面上的兩片應變片構(gòu)成一組半橋，共8只應變計，輸出參數(shù)fx1、fx3、fy1

、fy2、fy3、fy4、fz2、fz4X、Y、Z的力：Fx、Fy、Fz

力矩：Mx、My、Mz

：

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

四、滑覺傳感器用于機器人感知手指與物體接觸面之間相對運動（滑動）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，又不至于因用力過大而使物體發(fā)生變形或被損壞。四、仿生皮膚聚偏二氟乙烯（PVDF）觸覺傳感器PVDF薄膜與物體有相對滑移時，指紋或凸點變形，引起誘導振動，發(fā)生應力變化，產(chǎn)生電荷。表皮信號輸出PVDF（厚幾十微米）橡膠基底外殼觸、滑、溫覺傳感器上層為兩面鍍銀的整塊PVDF，兩面引出電極，可以獲取溫覺、觸覺信號。橡膠基底下層PVDF隔熱層加熱層上層PVDF橡膠表層下層PVDF鍍有條狀電極，引線由導電膠粘接后引出，可以獲取壓覺和滑覺信號。上下兩層PVDF之間，有電加熱層和柔性隔熱層，隔離成兩個不同的物理測量空間。手爪表面開始接觸物體時，接觸階躍性應力使PVDF產(chǎn)生電荷，呈現(xiàn)單方向脈沖信號特征。觸覺VtVt物體相對于表層滑動時，摩擦力變化引起傳感器表層的誘導振動，使PVDF產(chǎn)生交變信號。滑覺溫覺：將上層PVDF保持在55℃左右，當與物體接觸時，物體與表皮的溫差形成熱能傳遞，使PVDF極化面產(chǎn)生相應數(shù)量的電荷輸出。Vt55℃壓電效應產(chǎn)生的電荷是x、y、z三方向的軸向應力和切向應力產(chǎn)生電荷的總和，所以它能感覺出三維應力，從而判斷觸覺、滑覺的大小及應力區(qū)域。PVDF纖維絲(幾十微米)高分子充水薄膜微球由于PVDF薄膜絲纖維束有強的熱釋電效應，環(huán)境溫度的變化使極間產(chǎn)生電荷，從而產(chǎn)生了溫覺。信號的檢出與重構(gòu)——PVDF微單元~放大器RiQ(t)漏電流i控制電路數(shù)據(jù)采集電路計算機A/D轉(zhuǎn)換器上層PVDF下層PVDFMOSFET輸入型高阻抗、低失調(diào)、低漂移高精度放大器云母電容復位開關(guān)使每次讀值從同一起點開始PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity第四節(jié)機器人接近覺傳感器電磁式接近覺傳感器光電式接近覺傳感器超聲波接近覺傳感器

第四節(jié)機器人接近覺傳感器機械人接近覺是介于觸覺和視覺之間的感覺，感應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)場景的狀況。常見的接近覺傳感器有電磁式、光電式、電容式、氣動式、超聲式、紅外線、微波式等多種類型。一、電磁式接近覺傳感器精度比較高、響應速度快、受環(huán)境影響小、結(jié)構(gòu)簡單、可以在高溫下工作。物體（金屬）檢測線圈激勵線圈檢測線圈物體內(nèi)產(chǎn)生流線閉合的感應電流（即渦流）。渦流大小與對象物的距離等有關(guān)。焊接機器人多半使用渦流傳感器來跟蹤焊接縫，在200℃下工作，距離0~8mm時，誤差小于4%。渦流式用永久磁鐵和緊貼磁鐵的圓柱形線圈構(gòu)成線圈永久磁鐵外殼樹脂磁鐵式在遠離物體時，永久磁鐵的磁力線對稱分布有導磁金屬（鋼或鐵等）接近時，磁力線分布發(fā)生變化。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。這種接近覺傳感器所能感知的距離很近，對于小于幾分之一毫米的近距離運動物體十分靈敏。電流輸出急劇變化呈非線性關(guān)系只能感知金屬物體，無法感知非金屬物體。二、光電式接近覺傳感器物體表面特性特別是表面反射率等對靈敏度有