《機(jī)器人的傳感器》教學(xué)課件2

機(jī)器人的傳感器1概述

2觸覺傳感器

3接近覺傳感器

4視覺傳感器

5聽覺、嗅覺、味覺及其他傳感器

6傳感器融合

概述概述機(jī)器人技術(shù)是一種綜合性高技術(shù)，它涉及到多種相關(guān)技術(shù)及學(xué)科，如機(jī)構(gòu)學(xué)、控制工程、計(jì)算機(jī)、人工智能、微電子學(xué)、傳感技術(shù)、材料科學(xué)以及仿生學(xué)等科學(xué)技術(shù)。因此機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展一方面帶動了相關(guān)技術(shù)及學(xué)科的發(fā)展，另一方面也取決于這些相關(guān)技術(shù)和學(xué)科的發(fā)展進(jìn)程。機(jī)器人傳感器可以被定義為一種能把機(jī)器人目標(biāo)物特性(或參量)變換為電量輸出的過程。機(jī)器人通過傳感器實(shí)現(xiàn)類似于人類的知覺作用。機(jī)器人傳感器主要包括機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、接近覺、距離覺、姿態(tài)覺、位置覺等傳感器。概述

機(jī)器人的發(fā)展歷史第一代機(jī)器人是一種進(jìn)行重復(fù)操作的機(jī)械、主要是通常所說的機(jī)械手，它雖配有電子存儲裝置，能記憶重復(fù)動作，然而因未采用傳感器，所以沒有適應(yīng)外界環(huán)境變化的能力。第二代機(jī)器人已初步具有感覺相反饋控制的能力，能進(jìn)行識別、選取相判斷．這是由于采用了傳感器，使機(jī)器人具有了初步的智能。因而傳感器的采用與否已成為衡量第—代機(jī)器人的重要特征。第三代機(jī)器人為高一級的智能機(jī)器人，“電腦化”是這代機(jī)器人的重要標(biāo)志。概述

機(jī)器人傳感器特點(diǎn).與大量使用的工業(yè)檢測傳感器相比，機(jī)器人傳感器對傳感信息的種類和智能化處理的要求更高。

無論研究與產(chǎn)業(yè)化，其均需要有多種學(xué)科專門技術(shù)和先進(jìn)的工藝裝備作為支撐。如果說機(jī)器人是人類自身的擴(kuò)展，那么傳感器就是人類五官的延伸。當(dāng)集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)取得飛速發(fā)展時，人們逐步認(rèn)識到，作為信息獲取裝置的傳感器沒有跟上信息技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致“大腦發(fā)達(dá)、五官不靈”。概述

機(jī)器人傳感器的分類機(jī)器人傳感器可分為內(nèi)部檢測傳感器及外界檢測傳感器兩大類。內(nèi)部檢測傳感器是以機(jī)器人本身的坐標(biāo)軸來確定其位置，是安裝在機(jī)器人自身中用來感知它自己的狀態(tài)，以調(diào)整并控制機(jī)器人的行動。它通常由位置、加速度、速度及壓力傳感器組成。

外界檢測傳感器用于機(jī)器人對周圍環(huán)城、日標(biāo)構(gòu)的狀態(tài)持征獲取信息．使機(jī)器人---環(huán)境能發(fā)生交互作用，從而使機(jī)器人對環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力。外界檢測傳感器通常包括觸覺、接近覺、視覺、聽覺、嗅覺、味學(xué)覺等傳感器。類別檢測內(nèi)容應(yīng)用目的傳感器件明暗覺是否有光，亮度多少判斷有無對象，并得到定量結(jié)果光敏管、光電斷續(xù)器色覺對象的色彩及濃度利用顏色識別對象的場合彩色攝影機(jī)、濾色器、彩色CCD位置覺物體的位置、角度、距離物體空間位置，判斷物體移動光敏陣列、CCD等形狀覺物體的外形提取物體輪廓及固有特征，識別物體光敏陣列、CCD等接觸覺與對象是否接觸，接觸的位置決定對象位置，識別對象形態(tài)，控制速度，安全保障，異常停止，尋徑光電傳感器、微動開關(guān)、薄膜接點(diǎn)、壓敏高分子材料壓覺對物體的壓力、握力、壓力分布控制握力，識別握持物，測量物體彈性壓電元件、導(dǎo)電橡膠、壓敏高分子材料力覺機(jī)器人有關(guān)部件（如手指）所受外力及轉(zhuǎn)矩控制手腕移動，伺服控制，正確完成作業(yè)應(yīng)變片、導(dǎo)電橡膠接近覺對象物是否接近，接近距離，對象面的傾斜控制位置，尋徑，安全保障，異常停止光傳感器、氣壓傳感器、超聲波傳感器、電渦流傳感器、霍爾傳感器滑覺垂直握持面方向物體的位移，重力引起的變形修正握力，防止打滑，判斷物體重量及表面狀態(tài)球形接點(diǎn)式、光電旋轉(zhuǎn)傳感器、角編碼器、振動檢測器機(jī)器人傳感器分類傳感器在機(jī)器人身上的分布

能踢球的機(jī)器人對運(yùn)動的球類有正確反應(yīng)的機(jī)器人能打網(wǎng)球的機(jī)器人機(jī)器人足球比賽能行走的機(jī)器人服務(wù)機(jī)器人機(jī)器人奏樂機(jī)器人伴舞可愛的小機(jī)器人能上臺階并避開障礙物的機(jī)器人能自己站起來的機(jī)器人軍事機(jī)器人我國引進(jìn)的排爆機(jī)器人進(jìn)攻型機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人核工業(yè)機(jī)器人汽車噴漆機(jī)器人機(jī)器人的手機(jī)械手在汽車加工中的應(yīng)用機(jī)械手能按照程序焊接和安裝汽車部件，是機(jī)器人的雛形。激光焊接機(jī)械手（參考上海大眾汽車有限公司資料）觸覺傳感器人的觸覺通常包括熱覺、冷覺、痛覺、觸壓覺和力覺等。機(jī)器人觸覺是人的觸覺的某些模仿。它是有關(guān)機(jī)器人和對象物之間直接接觸的感覺。通常指以下幾種：觸覺:手指與被測物是否接觸．接觸圖形的檢測。壓覺:垂直于機(jī)器人和對象物接觸面上的力感覺。力覺:機(jī)器人動作時各自由度的力感覺?；X:物體向著垂直于手指把桅面的方向滑動或變形。觸覺傳感器

2.1觸覺觸覺是通過與對象物體彼此接觸而產(chǎn)生的，所以最好使用手指表面高密度分布觸覺傳感器陣列，它柔軟易于變形，可增大接觸面積，并且有一定的強(qiáng)度，便于抓握。接觸覺傳感器可檢測機(jī)器人是否接觸目標(biāo)或環(huán)境，用于尋找物體或感知碰撞。

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，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。可用于控制機(jī)械手的運(yùn)動方向和范圍、躲避障礙物等。1.導(dǎo)電橡膠；2.金屬；12.襯底；13.引線觸覺傳感器

觸覺傳感器的研究重點(diǎn):

選擇更為合適的敏感材料，研究人工皮膚觸覺傳感器.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，得到大規(guī)?；虺笠?guī)模陣列式觸覺傳感器。

觸覺傳感器的重點(diǎn)集中在陣列式觸覺傳感器信號的處理上，這種信號的處理涉及到信號處理、圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、模式識別等學(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.觸覺傳感器

2.2壓覺壓覺指的是對于手指給予被測物的力，或者加在手指上的外力的感覺。它用于握力控制與手的支撐力的檢測。目前的壓覺傳感器主要是分布是壓覺傳感器，即通過把分散敏感元件排列成矩陣式格子來設(shè)計(jì)的。常被用敏感元件陣列單元有:導(dǎo)電橡膠、感應(yīng)高分子、應(yīng)變計(jì)、光電器件和霍爾元件.觸覺傳感器

2.2壓覺這種傳感器是在調(diào)整器的軸上安裝了線性彈簧。一個傳感器有l(wèi)0mm的有效行程。在此范圍內(nèi)，將力的變化轉(zhuǎn)換為長度位移，以便進(jìn)行儉測。在一側(cè)手指上，每個6mm×8mm的面積分布一個傳感器來計(jì)算，共排列了28個(四行七排)傳感器。左右兩側(cè)總共有56個體感器輸出。用四路A/D轉(zhuǎn)換器，變速多路調(diào)制器對這些輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換后進(jìn)入計(jì)算機(jī)。a為手指抓住物體的狀態(tài)；b為手指從a狀態(tài)稍微握緊的狀態(tài)。觸覺傳感器

2.3力覺感知是否夾起了工件或是否夾持在正確部位；控制裝配、打磨、研磨拋光的質(zhì)量；裝配中提供信息、以產(chǎn)生后續(xù)的修正補(bǔ)償運(yùn)動來保證裝配質(zhì)量和速度防止碰撞、卡死和損壞機(jī)件。力覺傳感器的作用力覺是指對機(jī)器人的指、肢和關(guān)節(jié)等運(yùn)動中所受力的感知，主要包括腕力覺、關(guān)節(jié)力覺和支座力覺等案例：機(jī)器人握力測量案例：玩具機(jī)器人（廣州中鳴數(shù)碼）原理：電機(jī)->轉(zhuǎn)角

->電位器

->電阻觸覺傳感器

2.3力覺關(guān)節(jié)力傳感器腕力傳感器觸覺傳感器

2.3力覺

基座力傳感器觸覺傳感器

2.4滑覺機(jī)器人在抓取不知屬性的物體時，其自身應(yīng)能確定最佳握緊力的給定值。當(dāng)握緊力不夠時，要檢測被握緊物體的滑動，利用該檢測信號，在不損害物體的前提下，考慮最可靠的夾持方法，實(shí)現(xiàn)此功能的傳感器稱為滑覺傳感器。

球形滑覺傳感器(舉例)傳感器如同棋盤一樣，相間地用絕緣材料蓋住小導(dǎo)電球。無論滑動方向如何，只要球轉(zhuǎn)動．傳感器就會產(chǎn)生脈沖輸出。接近覺傳感器接近覺傳感器接近覺：接近覺是一種粗略的距離感覺，接近覺傳感器的主要作用是在接觸對象之前獲得必要的信息，用來探測在一定距離范圍內(nèi)是否有物體接近、物體的接近距離和對象的表面形狀及傾斜等狀態(tài)，敏感范圍可小至幾十毫米，甚至1個毫米。在機(jī)器人中，主要用于對物體的抓取和躲避。可以認(rèn)為是介于觸覺與視覺之間的感覺。接近覺一般用非接觸式測量元件.接近覺傳感器有電磁式光電式電容式氣動式超聲波式紅外式等類型

電容式傳感器本體由兩個極板1，2構(gòu)成。極板1由固定頻率的正弦波電壓激勵，2接電荷放大器。0為被接近物。在傳感器兩極板與被接近物三者間形成一交變電場。當(dāng)0接近1，2時，1，2之間的電場受到了影響，也可以認(rèn)為0阻斷了1、2間連續(xù)的電力線。電場的變化引起1、2間電容C12的變化。由于電壓幅值恒定，所以電容的變化又反映為極板2上電荷的變化電磁式高頻傳號is施加于鄰近金屬一側(cè)的電感線L上；L產(chǎn)生的高頻電磁場作用于金屬板的表面。由于趨膚效應(yīng)，高頻電磁場不能透過具有一定厚度的金屬板，而僅作用于表面薄層內(nèi)。而金屬板表面感應(yīng)的渦流嚴(yán)生的電磁場又反作用于線圈L上，改變了電感的大小〔磁場強(qiáng)度的變比也可用另—組檢測線圈來檢測)。從而感知傳感器與被接近物體的距離大小。視覺傳感器

每個人都能體會到、眼睛對人來說是多么重要?？梢哉f人類從外界獲得的信息，大多數(shù)都是從眼睛得到的，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％,是聽覺細(xì)胞的300多倍．是皮膚感覺細(xì)胞的100多倍．從這個角度也可以看出視覺系統(tǒng)的重要性.視覺傳感器是將景物的光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件.2.5聽覺、嗅覺、味覺及其他傳感器除以上介紹的機(jī)器人傳感器外，還可根據(jù)機(jī)器人特殊用途安裝聽覺傳感器，嗅覺,味覺傳感器及電磁波傳感器，而這些機(jī)器人主要用于科學(xué)研究、海洋資源探測或食品分析、救火等特殊用途。這些傳感器多數(shù)屬于開發(fā)階段，有待于更進(jìn)一步完善，以豐富機(jī)器人專用功能。

聽覺:

具有接近人耳的功能還相差很遠(yuǎn)；

嗅覺：主要檢測空氣中的化學(xué)成分、濃度、等功能，主要采用氣體傳感器及射線傳感器等。味覺：對液體進(jìn)行化學(xué)成分的分析。檢測味覺方法有pH計(jì)、化學(xué)分析器等。其他傳感器：如純工程學(xué)的傳感器，象磁傳感器、安全用傳感器和電波傳感器等2.6傳感器融合

傳感器信息融合又稱數(shù)據(jù)融合，是對多種信息的獲取、表示及其內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行綜合處理和優(yōu)化的技術(shù)。傳感器信息融合技術(shù)從多信息的視角進(jìn)行處理及綜合，得到各種信息的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，從而剔除無用的和錯誤的信息，保留正確的和有用的成分，最終實(shí)現(xiàn)信息的優(yōu)化。它也為智能信息處理技術(shù)的研究提供了新的觀念。定義：將經(jīng)過集成處理的多傳感器信息進(jìn)行合成，形成一種對外部環(huán)境或被測對象某一特征的表達(dá)方式。概念2.6傳感器融合機(jī)器人系統(tǒng)中使用的傳感器種類和數(shù)量越來越多，每種傳感器都有一定的使用條件和感知范圍，并且又能給出環(huán)境或?qū)ο蟮牟糠只蛘麄€側(cè)面的信息，為了有效地利用這些傳感器信息，需要采用某種形式對