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第十二講機(jī)器人感知與智能演示文稿山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02當(dāng)前第1頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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)選)第十二講機(jī)器人感知與智能當(dāng)前第2頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)第一節(jié)基本概念與相關(guān)理論
外部傳感器:識(shí)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(duì)外部傳感器的要求:除精度高、響應(yīng)速度快、測(cè)量范圍寬外,盡量非接觸測(cè)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(duì)環(huán)境無不良影響。當(dāng)前第3頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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(cè)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(jì)。當(dāng)前第4頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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(dòng),接近/距離:感知距離,如:接近開關(guān)、位置傳感器、激光測(cè)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。當(dāng)前第5頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)第一節(jié)基本概念與相關(guān)理論
信號(hào)感知過程:
信號(hào)提取信號(hào)分析與處理識(shí)別融合與應(yīng)用信號(hào)提?。焊黝悅鞲衅?。信號(hào)分析與處理:信號(hào)分析:研究信號(hào)的構(gòu)成與特征,如:濾波、譜分析。信號(hào)處理:各種信號(hào)變換,如傅里葉變換。信號(hào)識(shí)別:識(shí)別算法、智能技術(shù)。信號(hào)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)。當(dāng)前第6頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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(gè)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(shí)性:并行處理當(dāng)前第7頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)第一節(jié)基本概念與相關(guān)理論
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(jì)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(shí)動(dòng)作的自動(dòng)機(jī)械,代替人類行使某些智能動(dòng)作,因此,它也是人工智能的研究對(duì)象,從這個(gè)意義上說,機(jī)器人也稱為智能機(jī)器人。人工智能的研究?jī)?nèi)容包括:知識(shí)獲取、知識(shí)表達(dá)、知識(shí)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(shí)、學(xué)習(xí)、推理的抽象智能。當(dāng)前第8頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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(shí)的智能機(jī)器人的研究仍處于比較低級(jí)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。當(dāng)前第9頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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。當(dāng)前第10頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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(cè)范圍大,檢測(cè)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(gè)小角度θ,并且兩個(gè)光柵尺刻面相對(duì)平行放置時(shí),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(dòng)時(shí)間看到的是莫爾條紋運(yùn)動(dòng)。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器
當(dāng)前第11頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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:當(dāng)前第12頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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
當(dāng)前第13頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)長(zhǎng)光柵光閘莫爾條紋播放動(dòng)畫當(dāng)前第14頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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(duì)移過一個(gè)柵距,莫爾條紋移過一個(gè)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(duì)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
當(dāng)前第15頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)
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
當(dāng)前第16頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)透射式光柵第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器
當(dāng)前第17頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)反射式光柵第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器
當(dāng)前第18頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)3、檢測(cè)與數(shù)據(jù)處理隨著光柵的移動(dòng),莫爾條紋也隨之上下移動(dòng)。這樣就把對(duì)光柵柵距的測(cè)量轉(zhuǎn)換為對(duì)莫爾條紋個(gè)數(shù)的測(cè)量。在一個(gè)莫爾條紋寬度內(nèi),按照一定間隔放置4個(gè)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(hào),其相位差為π/2,為得到判向和計(jì)數(shù)脈沖,需對(duì)這兩路信號(hào)整形為方波。然后,通過對(duì)方波的相位進(jìn)行判別比較,就可以得到光柵尺的移動(dòng)方向。通過對(duì)方波脈沖進(jìn)行計(jì)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
當(dāng)前第19頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)4、技術(shù)參數(shù)●測(cè)量范圍:50mm~3000mm
●測(cè)量精度:±6um/m~±10um/m
●測(cè)量基準(zhǔn)(柵距):光柵周期20μm的光學(xué)玻璃尺。
●光學(xué)測(cè)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(hào):TTL/EIA-422-A
●供應(yīng)電壓:DC5V±5%
第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器當(dāng)前第20頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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(cè)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(gè)長(zhǎng)方形孔。當(dāng)它與電動(dòng)機(jī)軸一起旋轉(zhuǎn)時(shí),經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置輸出若干脈沖信號(hào),通過計(jì)算輸出脈沖的個(gè)數(shù)等信息,就能反映當(dāng)前電動(dòng)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(hào)。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器當(dāng)前第21頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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當(dāng)前第22頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)2、光電編碼器類型:按測(cè)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(duì)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(gè)碼盤可做到18位。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、光源壽命短。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器當(dāng)前第23頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)4、絕對(duì)式編碼器1)、光柵盤(碼盤)圖中為一個(gè)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(cè)物轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),每個(gè)碼道對(duì)應(yīng)的光電接受器將讀出對(duì)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)器人知覺與傳感器當(dāng)前第24頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)絕對(duì)式格雷碼碼盤:將碼盤分成一系列具有相等角距角的角,對(duì)每個(gè)角用格雷碼進(jìn)行編碼;當(dāng)光信號(hào)掃描與傳動(dòng)軸相聯(lián)的刻有格雷碼的碼盤時(shí),獲得的碼盤上的碼值確定被測(cè)物的絕對(duì)位置值,然后將檢測(cè)到的格雷碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以脈沖的形式輸出測(cè)量的位移量。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器當(dāng)前第25頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器
2)、絕對(duì)式光電編碼器工作原理:圖1-8絕對(duì)式光電編碼器原理當(dāng)前第26頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)3)、直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)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(jiǎn)單,方向判斷較容易。范圍大于360度時(shí)可采用多組碼盤。每個(gè)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(jià)格高第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器當(dāng)前第27頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)4)、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(hào):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)器人知覺與傳感器當(dāng)前第28頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)5、增量式光電編碼器由光源、碼盤、檢測(cè)光柵、光電檢測(cè)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當(dāng)前第29頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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(cè)工作軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),每轉(zhuǎn)過一個(gè)縫隙,光電管就會(huì)感受到一次光線的明暗變化,并轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的強(qiáng)弱變化,這個(gè)電信號(hào)近似于正弦波,經(jīng)過整形和放大等處理,變換成脈沖信號(hào)。通過計(jì)數(shù)器計(jì)量脈沖的數(shù)目,即可測(cè)定旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角位移;通過計(jì)量脈沖的頻率,即可測(cè)定旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)前第30頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器隨被測(cè)工作軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),每轉(zhuǎn)過一個(gè)縫隙,光電管就會(huì)感受到一次光線的明暗變化,并轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的強(qiáng)弱變化,近似于正弦波的信號(hào),經(jīng)過整形和放大等處理,變換成脈沖信號(hào)。通過計(jì)數(shù)器計(jì)量脈沖的數(shù)目,即可測(cè)定旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角位移;通過計(jì)量脈沖的頻率,即可測(cè)定旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)前第31頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)2)、方向辨別為了判斷光柵盤轉(zhuǎn)動(dòng)的方向,可采用圖的邏輯控制電路,將光電管A、B信號(hào)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)器人知覺與傳感器當(dāng)前第32頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)
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(hào),使光電盤正轉(zhuǎn)時(shí)f有脈沖輸出,反轉(zhuǎn)時(shí)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)器人知覺與傳感器當(dāng)前第33頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)一些增量式編碼器提供六路輸出信號(hào)A和A反、B和B反、Z和Z反;如單相聯(lián)接,用于單方向計(jì)數(shù),單方向測(cè)速。A、B兩相聯(lián)接,用于正反向計(jì)數(shù)、判斷正反向和測(cè)速。A、B、Z三相聯(lián)接,用于帶參考位修正的位置測(cè)量。A、A-,B、B-,Z、Z-差動(dòng)連接,由于帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)的連接,電流對(duì)于電纜貢獻(xiàn)的電磁場(chǎng)為0,衰減最小,抗干擾最佳,可傳輸較遠(yuǎn)的距離。對(duì)于TTL的帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)輸出的編碼器,信號(hào)傳輸距離可達(dá)150米。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器當(dāng)前第34頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的特點(diǎn):
1、編碼器每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)預(yù)先設(shè)定的角度將輸出一個(gè)脈沖信號(hào),通過統(tǒng)計(jì)脈沖信號(hào)的數(shù)量來計(jì)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(duì)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(duì)編碼,因此掉電后旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)會(huì)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(hào)A和B,以及一個(gè)指示零點(diǎn)的Z信號(hào)。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器當(dāng)前第35頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)技術(shù)參數(shù):
1、分辨率:360度刻線數(shù),單位:p/r,簡(jiǎn)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(dòng)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)器人知覺與傳感器當(dāng)前第36頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):
1、原理構(gòu)造簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn);2、機(jī)械平均壽命長(zhǎng),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(dòng)軸的絕對(duì)位置信息。2、斷電后丟失位置信號(hào)。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器當(dāng)前第37頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)混合式旋轉(zhuǎn)編碼器:同時(shí)輸出絕對(duì)旋轉(zhuǎn)角度編碼與相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度編碼混合式旋轉(zhuǎn)編碼器的特點(diǎn):具備絕對(duì)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)器人知覺與傳感器當(dāng)前第38頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)6.2.2霍爾電流傳感器
霍爾效應(yīng)指磁場(chǎng)作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時(shí),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(jì)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(cè)磁場(chǎng)及其變化,可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用。霍爾元件具有許多優(yōu)點(diǎn),它們的結(jié)構(gòu)牢固,體積小,重量輕,壽命長(zhǎng),安裝方便,功耗小,頻率高(可達(dá)1MHZ),耐震動(dòng),不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器當(dāng)前第39頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)由于通電導(dǎo)線周圍存在磁場(chǎng),其大小與導(dǎo)線中的電流成正比,故可以利用霍爾元件測(cè)量出磁場(chǎng),就可確定導(dǎo)線電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是:
1.測(cè)量范圍廣:它可以測(cè)量任意波形的電流和電壓。
2.響應(yīng)速度快,動(dòng)態(tài)性能好:最快者響應(yīng)時(shí)間只為1us。
3.測(cè)量精度高:其測(cè)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)器人知覺與傳感器當(dāng)前第40頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)
6.可靠性高,平均無故障工作時(shí)間長(zhǎng)>510小時(shí)。
7.過載能力強(qiáng)、測(cè)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(cè)系統(tǒng)、電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和需要隔離檢測(cè)電流電壓的各個(gè)領(lǐng)域中。
第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器當(dāng)前第41頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)霍爾電流傳感器根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同,可分為:霍爾直測(cè)式電流傳感器和霍爾磁補(bǔ)式電流傳感器。
1).霍爾直測(cè)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當(dāng)前第42頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)2).霍爾磁補(bǔ)式電流傳感器
原邊電流產(chǎn)生磁場(chǎng)Hp為軟磁芯聚集,該磁場(chǎng)又被副邊線圈產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)Hs所補(bǔ)償,霍爾器件作為監(jiān)測(cè)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(shí)Is不再增加,這時(shí)霍爾片就達(dá)到零磁通檢測(cè)。磁平衡時(shí),NpIp=IsNs計(jì)算Ip第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器當(dāng)前第43頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)霍爾磁補(bǔ)式電流傳感器技術(shù)指標(biāo),例:測(cè)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(shí)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)器人知覺與傳感器當(dāng)前第44頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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(cè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)來保證裝配質(zhì)量和速度。
5、防止碰撞、卡死和損壞機(jī)件。當(dāng)前第45頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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(cè)量驅(qū)動(dòng)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(gè)關(guān)節(jié)之間,測(cè)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(cè)量原理與方式:根據(jù)測(cè)量原理的不同,分為:應(yīng)變片式、壓電式、差動(dòng)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(cè)量和間接測(cè)量。所謂直接測(cè)量,各分量的值由直接測(cè)量得出。所謂間接測(cè)量,就是由測(cè)量數(shù)據(jù),根據(jù)各分量的數(shù)學(xué)模型,計(jì)算出各分量的值。當(dāng)前第46頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)關(guān)節(jié)力傳感器:第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器當(dāng)前第47頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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(gè)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(jiǎn)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)器人知覺與傳感器當(dāng)前第48頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)輪輻式十字腕力傳感器:采用橫梁結(jié)構(gòu),四個(gè)主梁上裝有應(yīng)變片,可組成橋路;為簡(jiǎn)化彈性體的受力模型,常在十字梁與輪緣連接處增加一個(gè)柔性環(huán)節(jié)。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器當(dāng)前第49頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)六維腕力傳感器:豎梁結(jié)構(gòu),具有八個(gè)窄長(zhǎng)的彈性梁,每一個(gè)梁的頸部開有一個(gè)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)器人知覺與傳感器當(dāng)前第50頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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(dòng)或操作過程中,獲知對(duì)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(cè)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。當(dāng)前第51頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)1、電磁式接近傳感器:
接近對(duì)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(duì)象時(shí),引
起磁場(chǎng)改變或產(chǎn)生渦流。
通過檢測(cè)周圍電磁的變
化情況,判斷接近程度。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器當(dāng)前第52頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)2、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(duì)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)器人知覺與傳感器當(dāng)前第53頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)6.2.4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(shí)感覺的科學(xué)。如:手指與被測(cè)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(cè)功能:對(duì)操作物進(jìn)行物理性質(zhì)檢測(cè).如光滑性、硬度等。
2.識(shí)別功能:識(shí)別對(duì)象物的形狀(如識(shí)別接觸到的表面形狀)。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器當(dāng)前第54頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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(shí),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(hào)。可用于控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)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當(dāng)前第55頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)各種觸覺
傳感器第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器當(dāng)前第56頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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(jì)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陣列式觸覺傳感器當(dāng)前第57頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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(dòng)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(hào)的處理上,目的是辨識(shí)物體接觸物體的形狀。這種信號(hào)的處理涉及到信號(hào)處理、圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、模式識(shí)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。當(dāng)前第58頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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(dòng)時(shí),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(dòng)時(shí),我們會(huì)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(hào)的獲?。?/p>
1、通過對(duì)觸覺信號(hào)的處理:根據(jù)觸覺信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化。
2、專用滑覺傳感器:存在小型化的困難。當(dāng)前第59頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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(gè)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(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成方便計(jì)算和分析的數(shù)字信號(hào),即A/D轉(zhuǎn)換。(3)視頻信號(hào)快速處理器,視頻信號(hào)時(shí)實(shí)、快速、并行運(yùn)算的硬件設(shè)備:如DSP系統(tǒng)。當(dāng)前第60頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)第一節(jié)基本概念與相關(guān)理論視覺輸入裝置的構(gòu)成當(dāng)前第61頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)(4)計(jì)算機(jī)及其外設(shè)根據(jù)系統(tǒng)的需要選擇不同的計(jì)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件選用不同類型的計(jì)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(shí)別和解釋等算法。(3)機(jī)器人控制軟件。第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器當(dāng)前第62頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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(zhǎng)、功耗低、圖像質(zhì)量高、靈敏度高、抗震動(dòng)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。當(dāng)前第63頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器二、視頻數(shù)字信號(hào)處理圖像信號(hào)一般是二維信號(hào),一幅圖像通常由512*512個(gè)像素組成,每個(gè)像素有256級(jí)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(gè)數(shù)據(jù)。為了完成視覺處理的傳感、預(yù)處理、分割、描述、識(shí)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(jì)量計(jì)算當(dāng)前第64頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器
(1)點(diǎn)處理常用的有對(duì)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(duì)數(shù)變換可以實(shí)現(xiàn)暗區(qū)對(duì)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(jì)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。當(dāng)前第65頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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(dòng)、配準(zhǔn)、幾何校正和由投影值重建圖像等。
(5)統(tǒng)計(jì)量計(jì)算如計(jì)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(jì)算、分類時(shí),常常要進(jìn)行這些計(jì)量計(jì)算。當(dāng)前第66頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)第二節(jié)機(jī)器人知覺與傳感器3D視覺中的三角測(cè)量方法:當(dāng)前第67頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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(cè)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(shí)別技術(shù)。話筒是典型的聲覺傳感器,有電動(dòng)式、壓電式、電容式等多種類型。1、電動(dòng)式聲覺傳感器
也稱動(dòng)圈式,它利用線圈在磁場(chǎng)中,切割磁感線,將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。一般來說效果比較好,較貴。當(dāng)前第68頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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(dòng)圈式話筒,其結(jié)構(gòu)如圖(下):它在一個(gè)膜片的后面粘貼著一個(gè)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(gè)環(huán)形的永磁體,并將線圈套在永磁體的一個(gè)極上,線圈的兩端用引線引出。當(dāng)前第69頁\共有77頁\編于星期五\10點(diǎn)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(hào)的設(shè)備。3、電阻變換型聲敏傳感器原理:音頻振動(dòng)——電阻值變化。接觸
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