2機器人多感知技術(shù)-接近覺課件

第二章接近覺傳感器接近覺傳感器主要感知傳感器與對象物之間的接近程度；接近覺是一種粗略的距離感覺根據(jù)使用場合的不同情況，大多只要求給出簡單的閾值判斷：接近或否；有時為了一些特殊用途，要求接近覺傳感器能夠提供分檔的距離感覺：遠、中等、近。生活中：電子衛(wèi)兵、自動感應(yīng)門等；在機器人中：避障——移動機器人防止沖擊——柔性抓握接近覺應(yīng)用場合不同，感覺的距離范圍也不同：遠可達幾米至十幾米，近到幾毫米甚至1毫米以下2023/7/281第二章接近覺傳感器

接近覺傳感器采用的原理：接近覺傳感器根據(jù)下同的工作原理有多種實現(xiàn)方式。光反射式接近覺傳感器感應(yīng)式接近覺傳感器超聲波接近傳感器2023/7/2822.1感應(yīng)式接近傳感器一、感應(yīng)線圈人們用得最為廣泛的工業(yè)接近覺傳感器，依據(jù)的是金屬物體接近感應(yīng)式接近覺傳感器引起的電感變化。磁通量的變化將感應(yīng)一個電壓脈沖，其幅值和形狀正比于磁通量的變化率。在線圈的輸出觀測到的電壓波形可作為接近覺傳感的有效手段。2023/7/2832.1感應(yīng)式接近傳感器隨著距離的增加，傳感器的靈敏度急劇下降，其有效作用距離僅為幾分之一毫米。存在相對運動時才會產(chǎn)生輸出波形，計輸出波形積分便可產(chǎn)生二值信號積分值小于特定的閾值時，二值信號輸出為低電位；超過該閾值時，二值信號輸出為高電位2023/7/2842.1感應(yīng)式接近傳感器二、霍爾效應(yīng)傳感器霍爾效應(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，在垂直于電流和磁場的方向上產(chǎn)生電動勢?；魻杺鞲衅鲉为毷褂脮r，只能檢測有磁性物體。當(dāng)與永久磁體以圖示的結(jié)構(gòu)形式聯(lián)合使用時，可以用來檢測所有的鐵磁物體。2023/7/2852.1感應(yīng)式接近傳感器霍爾效應(yīng)傳感器的工作依賴作用于在磁場中運動的帶電粒子上的洛侖茲力。該力作用在由帶電粒子的運動方向和磁場方向所形成平面的垂直軸線上。洛侖茲力假設(shè)將鐵磁體靠近這個由半導(dǎo)體和磁鐵組成的器件，將會使磁場強度降低。洛侖茲力下降，半導(dǎo)體兩端的電壓減小。電壓的降低是感知接近程度的關(guān)鍵。對傳感器設(shè)置一電壓閾值便可作出是否有物體接近的二值判定。2023/7/2862.1感應(yīng)式接近傳感器由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個芯片上，稱之為霍爾傳感器。

2023/7/2872.1感應(yīng)式接近傳感器使用半導(dǎo)體材料，有假設(shè)干優(yōu)點：體積小耐用抗電氣干擾性好可將放大和檢測電路直接集成在傳感器上體積小降低本錢。2023/7/2882.2電容式接近傳感器感應(yīng)式接近覺傳感器只能檢測鐵磁材料電容傳感能夠檢測所有固體和液體材料電容傳感器工作基于檢測物體外表靠近傳感元件時的電容變化敏感元件為電容器，它由傳感電極和參考電極組成2023/7/2892.2電容式接近傳感器根據(jù)電容的變化檢測接近程度的電子學(xué)方法有假設(shè)干種：將電容器作為振蕩電路的一局部，設(shè)計成只有當(dāng)傳感器的電容值超過某一預(yù)定閾值時才產(chǎn)生振蕩。然后，將起振轉(zhuǎn)換成一輸出電壓，用以表示物體的出現(xiàn)；該方法給出二值輸出，其觸發(fā)靈敏度取決于閾值。另一種方法是把電容元件作為受連續(xù)參考正弦波驅(qū)動的電路的一局部，電容的變化引起參考信號和來自電容元件的信號之間的相移，相移正比于電容的變化，因此可用來檢測接近程度。2023/7/28102.2電容式接近傳感器距離超過數(shù)毫米時，靈敏度急劇下降；響應(yīng)曲線的形狀與被測物體的材料有關(guān)；通常，這種傳感器以二值方式工作。按照閾值所規(guī)定的檢測界限，電容的變化大于閾值，說明有物體出現(xiàn)；而當(dāng)電容變化低于閾值時，表示沒有物體出現(xiàn)。2023/7/28112.2電容式接近傳感器右表為Turck公司的CP40型傳感器(直徑40mm)的性能指標2023/7/28122.3超聲接近覺傳感器前面討論的接近傳感器的響應(yīng)和被測物體的材料密切相關(guān)使用超聲接近覺傳感器可進行比較精確的距離測量，并且對材料的依賴性大為降低人耳能聽到的聲波頻率在20~20000Hz之間，超過20000Hz的聲波稱為超聲波。超聲波的特點：頻率高、波長短、繞射小，方向性好、能成為射線而定向傳播

2023/7/28132.3超聲接近覺傳感器超聲波探測原理比較簡單，一般是采用時間度越法。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。超聲波傳感器主要用途：〔1〕實時地檢測自身所處空間的位置，用以進行自定位；〔2〕實時地檢測障礙物，為行動決策提供依據(jù)；〔3〕檢測目標姿態(tài)以及進行簡單形體的識別；〔4〕用于導(dǎo)航目標跟蹤。2023/7/28142.3超聲接近傳感器一、結(jié)構(gòu)根本元件為電聲變換器：壓電陶瓷變換器或用PVDF材料制作樹脂層用來保護變換器；也起聲阻抗器的作用同一變換器既用于發(fā)射又用于接收，被檢測物體距離較小時，需要聲能很快衰減殼體的設(shè)計應(yīng)能形成一狹窄的聲束，以實現(xiàn)有效的能量傳送和信號定向2023/7/28152.3超聲接近傳感器

MDARS-E型室外保安機器人多個超聲波傳感器組成線陣或面陣形成多傳感器2023/7/28162.3超聲接近傳感器A控制發(fā)射的門信號B為輸出信號及其回波信號C發(fā)射和接收信號整形后的脈沖D時間窗E為D為高電位時接收到回波的信號，A中發(fā)射脈沖的尾部E回到低電位F為二值輸出，E上升沿F置1、E為0并A出現(xiàn)脈沖時F清0二、信號分析2023/7/28172.4光接近覺傳感器

根據(jù)光波從發(fā)射到接收的傳播過程中所受到的影響來檢測物體的接近程度。特點：速度快抗干擾強測量點小適用范圍廣測量原理：三角測量原理光強調(diào)制原理相位調(diào)整原理2023/7/28182.4光接近覺傳感器1.基于三角測量原理根本原理是平面三角幾何。物體移動時，因像點相應(yīng)移動，求出位移量。根據(jù)光束與被測物面的夾角不同，分為斜射和直射兩種方法。斜射法精度較高。直射法光斑小、光強集中、受干擾引起的誤差小、結(jié)構(gòu)緊湊，機器人上應(yīng)用較多。德國在研究報告說明，探測范圍50～300mm，在100mm時，精度為％。2023/7/28192.4光接近覺傳感器2.基于光強調(diào)制原理利用反射光量隨物體外表位置而變化的現(xiàn)象光強調(diào)制公式其中ψ為發(fā)射光和接收光的調(diào)制函數(shù)d為傳感器與物體間距離γs為取決于傳感器和被測目標光度特性的參數(shù)βs為傳感器結(jié)構(gòu)所決定的參數(shù)b為補償參量傳感器精度可達2023/7/28202.4光接近覺傳感器加拿大Toronto大學(xué)的等人在Y型測距傳感器的根底上，研究了機器人用光電接近覺傳感器。2023/7/28212.4光接近覺傳感器3.基于相位調(diào)整原理相移為2023/7/28222.4光接近覺傳感器2023/7/28232.5紅外反射光強法接近覺傳感器紅外反射光強法接近覺的測量原理，由紅外發(fā)光管發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的信號，紅外光敏管接收經(jīng)目標物反射的紅外調(diào)調(diào)制信號。環(huán)境紅外光干擾的消除由信號調(diào)制和專用紅外濾光片保證。輸出光強式中p為工件的反射系數(shù)與目標物外表顏色、粗糙度有關(guān)。2023/7/2824激光測距儀是一種利用激光束測定距離的儀器。其根本原理是，向待測距的物體發(fā)射激光脈沖并開始計時，接收到反射光時停止計時。這段時間即可以轉(zhuǎn)換為激光器與目標之間的距離。激光測距儀也可以發(fā)射屢次激光脈沖，通過多普勒效應(yīng)來確定物體是在遠離還是在接近光源。2023/7/2825激光測距儀目鏡：

廣角目鏡

測距方式：半導(dǎo)體激光測距(對人眼無害)

測距誤差：±1m±0.1%

測距顯示方式：視野內(nèi)LCD顯示

有效物鏡口徑：25mm

鍍膜：多層鍍膜

出瞳直徑：3.8mm

出瞳距離：12mm

對焦方式：目鏡調(diào)焦

望遠鏡倍率：6x

在1000m之視野：134m

2023/7/2826產(chǎn)品：瑞士徠卡A6激光測距儀

型號：徠卡A6

簡介：精度：±1.5mm

測量范圍:0.05-200M

二倍變焦數(shù)碼瞄準器

集成藍牙技術(shù)

DISTO傳輸

2023/7/28272.5紅外反射光強法接近覺傳感器當(dāng)工件為同類目標物時，距離和反射輸出光強一一對應(yīng)。典型的響應(yīng)為非線性曲線，可根據(jù)實驗數(shù)據(jù)插值得到。2023/7/28282.6接近覺、接觸覺、滑覺組合傳感器本節(jié)所講的觸覺、滑覺由同一信號源中別離出來，它與由陣列觸覺通過觸覺圖像的信號處理獲得的滑覺信息有所不同，觸覺是單點觸覺。別離觸覺和滑覺信號的關(guān)鍵取決于它們有無各自明顯的特征。選用PVDF做敏感材料的傳感器的包封表皮既能傳遞接觸力，又能使滑動引發(fā)表皮的誘導(dǎo)微振動。2023/7/28292.6接近覺、接觸覺、滑覺組合傳感器2023/7/28302.6接近覺、接觸覺、滑覺組合傳感器2023/7/28312.6接近覺、接觸覺、滑覺組合傳感器三感覺組合傳感器觸覺、滑覺信號調(diào)理電路框圖2023/7/28322.7組合傳感器的信號處理接近覺采用普通的閾值處理。當(dāng)接近覺輸出Vout>F時，判斷為有目標接近。觸覺和滑覺信號調(diào)整有明顯區(qū)別。目標物與傳感器的接觸力與PVDF輸出電壓峰值呈線性關(guān)系，而且響應(yīng)較快。手爪的操作是一個動態(tài)過程：開始加緊輕微接觸過度接觸PVDF的靜態(tài)性能很差，低速抓握時，輸出信號因衰減而變得較小。2023/7/28332.7組合傳感器的信號處理接觸信號：信號采集時加同樣長度的矩形窗，假設(shè)采用均值水平作為接觸的特征值，應(yīng)考慮加緊速度對其影響。2023/7/28342.7組合傳感器的信號處理滑覺信號可用交變信號離散數(shù)據(jù)的特征值——方差作為滑覺信號的標志。存在的問題：接觸覺和滑覺信號的方差無太大差異；滑移在操作中需嚴格控制，不允許長時間滑動以產(chǎn)生交變信號2023/7/28352.7組合傳感器的信號處理解決的途徑接觸和滑動有邏輯上的先后關(guān)系，滑動中不會有第二個接觸信號；該法可實現(xiàn)無滑移抓取。適中選擇采樣周期，使滑動信號中有一系列峰值點；峰值點是由表皮有誘導(dǎo)振動時產(chǎn)生，此時一定有工件與手指間的相對滑動。2023/7/28362.7組合傳感器的信號處理方差作為滑動的特征時的處理方法設(shè)xi，i＝1，2，……，256是采集到的接觸覺、滑覺信號離散值。那么接觸的特征值為方差作為滑覺特征值，表達式為采樣信號到達256個時開始計算均值和方