新型傳感器第七章

新型傳感器第七章概述一、機(jī)器人與傳感器機(jī)器人定義：由計(jì)算機(jī)控制的能模擬人的感覺(jué)、手工操縱的和具有自動(dòng)行走能力的而又足以完成有效工作的裝置。機(jī)器人傳感器定義：能把機(jī)器人目標(biāo)物特性（或參量）變換為電量輸出的裝置。機(jī)器人通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于人類(lèi)的知覺(jué)作用。二、機(jī)器人的發(fā)展第一代：機(jī)械手--------未采用傳感器第二代：采用傳感器第三代：電腦化三、應(yīng)用第2頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月第一節(jié)機(jī)器人傳感器功能與分類(lèi)對(duì)敏感材料的柔性和功能有特定要求:因此，機(jī)器人傳感器既包括傳感器本身，也包含傳感器的信號(hào)處理。它由獲取信息和處理信息兩部分有機(jī)地構(gòu)成。機(jī)器人傳感器的特點(diǎn)是：有別于其它種類(lèi)的傳感器:機(jī)器人傳感器信息收集能力強(qiáng),既能獲取信息，又緊隨環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行大幅度變化。獲取的信息實(shí)時(shí)地用于控制:用以決定機(jī)器人的行動(dòng)。有和人類(lèi)的五官對(duì)應(yīng)的功能:能安裝在機(jī)器人上第3頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月傳感器的信號(hào)獲取與處理過(guò)程：接觸覺(jué)傳感器多半是經(jīng)過(guò)①過(guò)程。信號(hào)獲取→信號(hào)處理→信號(hào)提取→數(shù)據(jù)解釋等幾個(gè)層次的處理；并非所有傳感器的信號(hào)處理都要經(jīng)過(guò)這四個(gè)全過(guò)程；如視覺(jué)和高密度壓覺(jué)傳感器一般需經(jīng)過(guò)③和④的的過(guò)程；位置、接近覺(jué)和壓覺(jué)等傳感器僅經(jīng)過(guò)②過(guò)程；第4頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月外部檢測(cè)傳感器：用于獲取機(jī)器人周?chē)h(huán)境或者目標(biāo)物狀態(tài)特征的信息，是機(jī)器人與周?chē)M(jìn)行交互工作的信息通道。其功能是讓機(jī)器人對(duì)環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力，很好地執(zhí)行工作。接近覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)等傳感器。傳感器的分類(lèi)：內(nèi)部檢測(cè)傳感器：以機(jī)器人本身的坐標(biāo)軸來(lái)確定其位置，用來(lái)感知運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。通過(guò)內(nèi)部檢測(cè)傳感器，機(jī)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(jìn)行工作。第5頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月機(jī)器人傳感器的分類(lèi)及應(yīng)用第6頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月一、人眼與視覺(jué)人的80%以上的外界信息通過(guò)視覺(jué)所獲取。對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)，視覺(jué)傳感器也是最重要的傳感器。第二節(jié)機(jī)器人視覺(jué)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(luò)膜）內(nèi)層（視網(wǎng)膜）屈光系統(tǒng)：角膜、房水、睫狀肌、晶狀體感光系統(tǒng)：視網(wǎng)膜、視神經(jīng)、視中樞眼球的構(gòu)造類(lèi)似一臺(tái)照相機(jī)：屈光系統(tǒng)＝鏡頭、感光系統(tǒng)＝底片第7頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月

2、人的視覺(jué)功能

1）、立體感覺(jué)能力2）、測(cè)定物體大小及其所在位置遠(yuǎn)近的能力。

3）、自動(dòng)跟蹤和觀察運(yùn)動(dòng)目標(biāo)對(duì)象的能力。4）、人的視神經(jīng)有快速接受和傳輸視覺(jué)信息的能力5）、感覺(jué)色彩的能力。第8頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月

3、機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)主要應(yīng)用1）、用視覺(jué)進(jìn)行產(chǎn)品檢驗(yàn)，代替人的目檢。包括：形狀檢驗(yàn)棗檢查和測(cè)量零件的幾何尺寸。形狀和位置；缺陷檢驗(yàn)檢查零件是否損壞，劃傷；齊全檢驗(yàn)棗檢查部件上的零件是否齊全。

2）、在機(jī)器人進(jìn)行裝配、搬運(yùn)等工作時(shí)，用視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)一組需裝配的零、部件逐個(gè)進(jìn)行識(shí)別，并確定它在空間的位置和方向，引導(dǎo)機(jī)器人的手準(zhǔn)確地抓取所需的零件，并放到指定位置，完成分類(lèi)、搬運(yùn)和裝配任務(wù)。3）、為移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)航。第9頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月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。人的大腦通過(guò)對(duì)左右兩幅圖像、以及兩幅圖像的視差進(jìn)行分析和處理后，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。4、人眼的立體視覺(jué)第10頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月當(dāng)雙眼注視著有限距離點(diǎn)B點(diǎn)時(shí)，B在視網(wǎng)膜上的像也落在左右眼的黃斑位置B1和Br。B點(diǎn)相對(duì)于左右眼的兩視線的夾角O1BOr稱(chēng)作視差角，用θb表示。為了觀看物點(diǎn)B，眼睛將偏轉(zhuǎn)一定量的會(huì)聚角φ，顯然，θb=2φ。雙眼注視無(wú)窮遠(yuǎn)的點(diǎn)，該點(diǎn)與雙目的夾角θ=0，無(wú)窮遠(yuǎn)的點(diǎn)經(jīng)水晶體成的像都落在左右眼的黃斑處；第11頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月A點(diǎn)在左、右眼上的線視差為：線視差是描述物點(diǎn)在空間中位置的重要參數(shù)，在機(jī)器人立體視覺(jué)中，視差也是一個(gè)十分重要的判定景物空間分布的因素之一。B相對(duì)于人眼的距離Zb為：Zb=b/tgφ空間中任意一點(diǎn)A的左右像點(diǎn)分別為A1和Ar，設(shè)線視差分別為Δl、Δr。第12頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月1、激光掃描法

X=x(btgβ+Ll)/(xtgβ+Lf)Y=y(btgβ+Ll)/(xtgβ+Lf)二、機(jī)器人視覺(jué)方法結(jié)構(gòu)分析。根據(jù)發(fā)射光線的空間角度β和反射光線空間角度α，以及發(fā)射源與電視攝像機(jī)之間的相對(duì)位置b的幾何關(guān)系，就可以確定反射點(diǎn)的空間坐標(biāo)Z：

tgα=x/LfOM=(Z+Ll)×tgα=x×(Z+Ll)/Lf MOlaser=Z×ctgβOM+MOlaser=b綜合上式計(jì)算得：Z=(bLf–xLl)/(x+Lftgβ)A點(diǎn)的另外兩個(gè)坐標(biāo)值：第13頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月機(jī)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(jìn)行二維掃描，即可得到景物空間各點(diǎn)的距離信息。如果用扇形光束代替點(diǎn)光束，只需進(jìn)行一維掃瞄，就能快速測(cè)定CCD圖像畫(huà)面內(nèi)全部點(diǎn)的距離信息。第14頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月2、立體攝影法模仿人的雙眼，用兩個(gè)鏡頭光軸相互平行的攝像機(jī)從不同的方位記錄圖像。設(shè)坐標(biāo)系X—Y—Z、Xl—Yl—Zl和Xr—Yr—Zr

。設(shè)景物空間有物點(diǎn)A和B，分別成像于a1和a2點(diǎn)，兩視線的夾角O1AO2就稱(chēng)作視差角，以θa表示；θa=2b/Za 式中，2b為兩CCD攝像機(jī)光軸之間的距離。顯然，對(duì)于物點(diǎn)B，其視差角為：θb=2b/Zb

第15頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月在CCD成像面上，物體的角視差實(shí)際上是以線視差來(lái)表現(xiàn)的。點(diǎn)A和點(diǎn)B視差角的差值Δθab稱(chēng)作立體視差：Δθab=θa-θb視差角的大小表征了物點(diǎn)的遠(yuǎn)近，如果近物點(diǎn)A和遠(yuǎn)物點(diǎn)B相對(duì)于CCD攝像機(jī)的視差角分別為θa、θb，必然θa>θb；反之，若θa<θb，則可以判斷，認(rèn)為物點(diǎn)A相對(duì)于物點(diǎn)B遠(yuǎn)。同樣，立體視差的正負(fù)也能表征物點(diǎn)的遠(yuǎn)近。第16頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月根據(jù)二維圖像中的線視差和相對(duì)線視差，可以推算出空間物點(diǎn)的三維信息。設(shè)物點(diǎn)A)、B分別成像于Al(Xal、Yal、Zal)、Ar(Xar、Yar、Zar)和Bl(Xal、Yal、Zal)、Br(Xar、Yar、Zar)。A點(diǎn)的線視差ΔXa：A、B兩點(diǎn)的線視差ΔXa、ΔXb為：物點(diǎn)A和物點(diǎn)B之間的相對(duì)線視差ΔXab為：第17頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月第三節(jié)機(jī)器人觸覺(jué)傳感器機(jī)械人觸覺(jué)可分為：接觸覺(jué)、壓覺(jué)、力覺(jué)、滑覺(jué)等幾種。檢測(cè)機(jī)器人的某些部位（如手或足）與外界物體是否接觸，識(shí)別物體的形狀和在空間的位置，保證機(jī)器人的手能牢固地抓住物體，或保證其足能穩(wěn)穩(wěn)地踩在地面上。機(jī)器人裝上觸覺(jué)傳感器的目的:觸覺(jué)是接觸、滑動(dòng)、壓覺(jué)等機(jī)械刺激的總稱(chēng)。第18頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月一、接觸覺(jué)傳感器接觸覺(jué)傳感器用來(lái)檢測(cè)機(jī)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。第19頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月二、壓覺(jué)傳感器Vo=Vp

[(Cx-CR)/CF]=Vp(ΔC/CF)

用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人手指的握持面上承受的壓力大小和分布，分布式壓覺(jué)傳感器是前述陣列式接觸覺(jué)傳感器的延伸。特點(diǎn)：小型輕便、響應(yīng)快、陣列密度高、在線性好、可靠性高等。常用的敏感材料：導(dǎo)電橡膠或塑料、偏聚二氟乙烯薄膜（PVF2）、應(yīng)變片陣列、磁彈性式壓磁傳感器陣列（如針式差動(dòng)變壓器、霍爾元件）、光電傳感器陣列等。第20頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月三、力覺(jué)傳感器腕力傳感器發(fā)展趨勢(shì)：間接輸出型腕力傳感器：將傳感器本身設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單化，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的計(jì)算求出傳遞矩陣，使用時(shí)要經(jīng)過(guò)矩陣運(yùn)算才能提取出六個(gè)力分量。用于感知機(jī)器人的指、肢和關(guān)節(jié)等在工作和運(yùn)動(dòng)中所受力的大小和方向，從而決定如何運(yùn)動(dòng)、采用什么姿勢(shì)、以及推測(cè)對(duì)象物體的重量等。特點(diǎn)是感知多維的作用力。直接輸出型腕力傳感器：傳感器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，簡(jiǎn)單的計(jì)算就能提取６個(gè)分量，甚至可以直接得到六個(gè)分量。第21頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月

式中，K1、K2、K3、K4、K5、K6為比例系數(shù)，與各根梁所貼應(yīng)變片的應(yīng)變靈敏度有關(guān)。筒式六自由度腕力傳感器：材料：鋁。Fx=K1（Py++Py-

）Fy=K2（Px++Px-）Fz=K3（Qx++Qx-+Qy++Qy-）X、Y、Z方向的力Fx、Fy、Fz，轉(zhuǎn)矩Mx、My、Mz：Mx=K4（Qy+-Qy-）My=K5（-Qx++Qx-）Mz=K6（Px+-Px--Py++Py-）第22頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月

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

撓性件十字梁式腕力傳感器材料：鋁

外端插入手腕框架，懸梁端部與腕框架的接合部裝有尼龍球，目的是為了懸梁易于伸縮。為增加靈敏性，在與梁相接處的腕框架上切出窄縫。十字形懸梁實(shí)際上是一整體，其中央固定在手腕軸向。每根梁的上下左右側(cè)面各貼一片應(yīng)變片。相對(duì)面上的兩片應(yīng)變片構(gòu)成一組半橋，共8只應(yīng)變計(jì)，輸出參數(shù)fx1、fx3、fy1

、fy2、fy3、fy4、fz2、fz4。X、Y、Z的力Fx、Fy、Fz和力矩Mx、My、Mz

：第23頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月四、滑覺(jué)傳感器用于機(jī)器人感知手指與物體接觸面之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)（滑動(dòng)）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(dòng)，又不至于因用力過(guò)大而使物體發(fā)生變形或被損壞。第24頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月四、仿生皮膚聚偏二氟乙烯（PVDF）是具有壓電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)的高分子材料。利用PVDF可以制成接觸覺(jué)、滑覺(jué)、溫覺(jué)等傳感器，是研制仿生皮膚的主要材料。工作溫度范圍寬、體電阻高、重量輕、柔順性好、機(jī)械強(qiáng)度高、頻響寬，很容易用熱成形的辦法加工成薄膜、細(xì)管或微粒。第25頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月觸覺(jué)傳感器當(dāng)物體與幾十微米的PVDF薄膜有相對(duì)滑移時(shí)，指紋或凸點(diǎn)變形，引起誘導(dǎo)振動(dòng)，發(fā)生應(yīng)力變化，使PVDF膜產(chǎn)生電荷。觸、滑、溫覺(jué)上下兩層PVDF之間，有電加熱層和柔性隔熱層，隔離成兩個(gè)不同的物理測(cè)量空間。指紋狀或有許多小凸點(diǎn)的表皮用普通橡膠制成。上層為兩面鍍銀的整塊PVDF，兩面引出電極，可獲取溫覺(jué)、觸覺(jué)信號(hào)。下層PVDF鍍有條狀電極，引線由導(dǎo)電膠粘接后引出，可以獲取壓覺(jué)和滑覺(jué)信號(hào)。第26頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月為使PVDF有溫覺(jué)，將上層PVDF保持在55℃左右，當(dāng)與物體接觸時(shí)，物體與表皮的溫差形成熱能傳遞，使PVDF極化面產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量的電荷輸出。當(dāng)機(jī)器人的手爪(傳感器)表面開(kāi)始接觸物體時(shí)，接觸階躍性應(yīng)力使PVDF產(chǎn)生電荷，呈現(xiàn)單方向脈沖信號(hào)特征。即觸覺(jué)信號(hào)。物體相對(duì)于傳感器表層滑動(dòng)時(shí)，摩擦力變化引起傳感器表層的誘導(dǎo)振動(dòng)，誘導(dǎo)振動(dòng)使PVDF產(chǎn)生交變信號(hào)。即滑覺(jué)信號(hào)。第27頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月由于PVDF薄膜絲纖維束有強(qiáng)的熱釋電效應(yīng)，環(huán)境溫度的變化使極間產(chǎn)生電荷，從而產(chǎn)生了溫覺(jué)。合成橡膠基片內(nèi)包含許多高分子充水薄膜微球。微球之間呈立式放置和纏繞式放置大量幾十微米的PVDF薄膜絲神經(jīng)纖維束。壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷是x、y、z三方向的軸向應(yīng)力和切向應(yīng)力產(chǎn)生電荷的總和，所以它能感覺(jué)出三維應(yīng)力，從而判斷觸覺(jué)、滑覺(jué)的大小及應(yīng)力區(qū)域。第28頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月

第四節(jié)機(jī)器人接近覺(jué)傳感器機(jī)械人接近覺(jué)是介于觸覺(jué)和視覺(jué)之間的感覺(jué)，感應(yīng)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(chǎng)景的狀況。常見(jiàn)的接近覺(jué)傳感器有電磁式、光電式、電容式、氣動(dòng)式、超聲式、紅外線、微波式等多種類(lèi)型。接近覺(jué)傳感器是機(jī)器人用以探測(cè)自身與周?chē)矬w之間相對(duì)位置和距離的傳感器第29頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月一、電磁式接近覺(jué)傳感器

焊接機(jī)器人多半使用渦流傳感器來(lái)跟蹤焊接縫，在200℃下工作，距離0~8mm時(shí)，誤差小于4%。精度比較高、響應(yīng)速度快、受環(huán)境影響小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可以在高溫下工作。金屬物體內(nèi)產(chǎn)生流線閉合的感應(yīng)電流（即渦流）。渦流的大小與對(duì)象物表面的距離等有關(guān)。第30頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月用永久磁鐵和緊貼磁鐵的圓柱形線圈構(gòu)成。在遠(yuǎn)離物體時(shí)，永久磁鐵的磁力線對(duì)稱(chēng)分布。當(dāng)有金屬（鋼或鐵等導(dǎo)磁金屬）物體接近時(shí)，永久磁鐵的磁力線分布發(fā)生不對(duì)稱(chēng)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。第31頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月只能感知金屬物體，非金屬材料構(gòu)成的物體無(wú)法感知。永久磁鐵磁力線分布的變化導(dǎo)致線圈的感應(yīng)電流發(fā)生變化，檢測(cè)出線圈輸出電流就可以判斷出物體的接近程度。線圈輸出與物體距離之間的呈非線性關(guān)系。當(dāng)距離小于0.25mm時(shí)，電流輸出急劇變化。這種接近覺(jué)傳感器所能感知的距離很近，對(duì)于小于幾分之一毫米的近距離運(yùn)動(dòng)物體十分靈敏。第32頁(yè),共36頁(yè)，星期六，2024年，5月二、光電式接近覺(jué)傳感器發(fā)射透鏡與接收透鏡的光軸有一定的夾角θ。若接近到物體，光敏管有光電流輸出；若沒(méi)有接近到物體，光敏二極管無(wú)輸出。傳感器存在靈敏區(qū)域，通過(guò)調(diào)節(jié)兩透鏡的光軸夾角θ，可以調(diào)節(jié)光電式接近覺(jué)