機(jī)器人傳感器部分詳解

第七章機(jī)器人的感覺多傳感器在移動(dòng)機(jī)器人中的應(yīng)用外界環(huán)境視覺１視覺２超聲波傳感器紅外接近覺立體視覺地標(biāo)識別障礙探測目標(biāo)物探測景物識別內(nèi)部傳感器融合力覺觸覺環(huán)境模型定位避障操作規(guī)劃學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃任務(wù)規(guī)劃：執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制指令感覺功能1編輯課件視覺20世紀(jì)50年代后期出現(xiàn)，發(fā)展十分迅速，是機(jī)器人中最重要的傳感器之一。機(jī)器視覺從20世紀(jì)60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。20世紀(jì)70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、圖像處理和圖像理解。相對而言，圖像理解技術(shù)還很落后。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、腕力傳感器和指力傳感器。國際上對腕力傳感器的研究是從20世紀(jì)70年代開始的，主要研究單位有美國的DRAPER實(shí)驗(yàn)室、SRI研究所、IBM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2編輯課件觸覺作為視覺的補(bǔ)充，觸覺能感知目標(biāo)物體的表面性能和物理特性：柔軟性、硬度、彈性、粗糙度和導(dǎo)熱性等。對它的研究從20世紀(jì)80年代初開始，到20世紀(jì)90年代初已取得了大量的成果。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)器人可避免手爪對目標(biāo)物由于接近速度過快造成的沖擊。3編輯課件7.1傳感器的分類根據(jù)檢測對象的不同可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。（1）位置傳感器用來檢測機(jī)器人本身狀態(tài)（如手臂間角度）的傳感器。多為檢測位置和角度的傳感器。a.內(nèi)部傳感器4編輯課件b.外部傳感器（2）角度傳感器具體有物體識別傳感器、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。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。5編輯課件7.2機(jī)器人的觸覺一般認(rèn)為觸覺包括接觸覺、壓覺、滑覺、力覺四種，狹義的觸覺按字面上來看是指前三種感知接觸的感覺。1.接觸覺傳感器

6編輯課件開關(guān)式觸覺傳感器特點(diǎn)：外形尺寸十分大空間分辨率低利用陣列這一概念已開發(fā)了許多重要的傳感器。7編輯課件壓阻式陣列觸覺傳感器

碳?xì)郑–SA）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。

導(dǎo)電橡膠的電阻也會(huì)隨壓力的變化而變化，因此也常用來作為觸覺傳感器的敏感材料。碳?xì)郑–SA）8編輯課件另外還有光學(xué)式觸覺傳感器、電容式陣列觸覺傳感器等。它利用一種具有壓電和熱釋電性的高分子材料研制而成。9編輯課件2.壓覺傳感器10編輯課件3.力覺傳感器力覺傳感器使用的主要元件是電阻應(yīng)變片。（3）裝在機(jī)器人手爪指關(guān)節(jié)（或手指上）的力傳感器，稱為指力傳感器。通常我們將機(jī)器人的力傳感器分為三類：（1）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。（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，稱為腕力傳感器。11編輯課件SRI（StanfordResearchInstitute）研制的六維腕力傳感器，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。梁的另一頭貼有應(yīng)變片。圖中從Px+到Qy-代表了8根應(yīng)變梁的變形信號的輸出。SRI傳感器12編輯課件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)，在四根交叉梁上共貼有32個(gè)應(yīng)變片（圖中以小方塊），組成8路全橋輸出。13編輯課件傳感器的內(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)圈相切的三根梁進(jìn)行傳遞。每根梁上下、左右個(gè)貼一對應(yīng)變片，三根梁上共有6對應(yīng)變片，分別組成六組半橋，對這6組電橋信號進(jìn)行解耦可得到六維力（力矩）的精確解。14編輯課件4.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。硬抓?。o感知時(shí)采用）：末端執(zhí)行器利用最大的夾緊力抓取工件。軟抓?。ㄓ谢X傳感器時(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。采用壓覺傳感器實(shí)現(xiàn)滑覺感知滾輪式滑覺傳感器15編輯課件它由一個(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，脈沖信號的頻率反映了滑移速度，個(gè)數(shù)對應(yīng)滑移的距離。16編輯課件根據(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。17編輯課件7.3機(jī)器人的接近覺接近覺主要感知傳感器與對象物之間的接近程度。b）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18編輯課件19編輯課件另外還有接觸覺、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?；魻栃?yīng)指的是金屬或半導(dǎo)體片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上產(chǎn)生電動(dòng)勢?；魻杺鞲衅鲉为?dú)使用時(shí)，只能檢測有磁性物體。當(dāng)與用磁體聯(lián)合使用時(shí)，可以用來檢測所有的鐵磁物體。傳感器附近沒有鐵磁物體時(shí)，霍爾傳感器感受一個(gè)強(qiáng)磁場；若有鐵磁物體時(shí)，由于磁力線被鐵磁物體旁路，傳感器感受到的磁場將減弱。20編輯課件7.4機(jī)器人的視覺有研究結(jié)果表明，視覺獲得的感知信息占人對外界感知信息的80%。人類視覺細(xì)胞數(shù)量的數(shù)量級大約為108，是聽覺細(xì)胞的300多倍，是皮膚感覺細(xì)胞的100多倍。21編輯課件1.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。

ｄ=ｃΔt／2其中ｃ（Ｔ的函數(shù)）為超聲波波速，Ｔ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。超聲波傳感器主要用途：（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；（2）實(shí)時(shí)地檢測障礙物，為行動(dòng)決策提供依據(jù)；（3）檢測目標(biāo)姿態(tài)以及進(jìn)行簡單形體的識別；（4）用于導(dǎo)航目標(biāo)跟蹤。22編輯課件MDARS-E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23編輯課件2.CCD（電荷耦合器件：chargecoupleddevices）24編輯課件CCD（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)CCD單元組成，也稱為像素點(diǎn)（如448×380）。它可以是一維的線陣，也可以是二維的面陣。

優(yōu)點(diǎn)：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)。（1）基本原理25編輯課件共256級灰度，從圖（a）到（f）分辨率依次為512×512，256×256，128×128，64×64，32×32，16×16。（2）圖像處理a)分辨率變化對圖像的影響26編輯課件從圖（a）到（f）分辨率依次為512×512，灰度級依次為256，64，16，8，4，2。b)灰度變化對圖像的影響27編輯課件從圖（a）到（f）依次為：256×256，128級灰度；181×181，64級灰度；128×128，32級灰度；90×90，16級灰度；64×64，8級灰度；45×45，4級灰度。c)分辨率和灰度同時(shí)變化對圖像的影響28編輯課件7.５機(jī)器人的聽覺特定人的語音識別系統(tǒng)聽覺系統(tǒng)的粗略框圖特定人語音識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。特定人語音識別系統(tǒng)可以識別講話的人是否是事先指定的人，講的是哪一句話。29編輯課件非特定人的語音識別方法則需要對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，能對系統(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哪個(gè)模板相同或相近，從而識別該信號的含義。非特定人的語音識別系統(tǒng)大致可以分為語言識別系統(tǒng)，單詞識別系統(tǒng)，及數(shù)字音（0~9）識別系統(tǒng)。非特定人的語音識別系統(tǒng)30編輯課件7.６多傳感器信息融合

多傳感器信息融合技術(shù)是通過對這些傳感器及其觀測信息的合理支配和使用，把多個(gè)傳感器在時(shí)間和空間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)則進(jìn)行組合，以獲取被觀測對象的一致性解釋或描述。多傳感器融合系統(tǒng)主要特點(diǎn)是：（1）提供了冗余、互補(bǔ)信息。（2）信息分層的結(jié)構(gòu)特性。（3）實(shí)時(shí)性。（4）低代價(jià)性。多傳感與單傳感的比較：多