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1、第第5 5章章 机器人传感器机器人传感器第一代机器人：不具有感知和反馈，示教再现型 第二代机器人：对外界环境有一定感知能力，具有视觉、触觉、听觉等功能。第三代机器人：智能机器人，具有感觉能力，有记忆、推理和决策的能力，有与外部世界对象、环境和人相适应、相协调的工作机能。为了检测作业对象、环境或机器人与它们的关系，在机器人上安装了触觉、视觉、力觉、接近觉、超声波等传感器，进行定位和控制，实现类似人类感知作用。机器人传感器是指机器人对内外部环境感知的物理量变换为电量输出的装置。机器人传感器分为内部传感器和外部传感器。机器人的内部传感器是安装在机器人自身中,用来感知它自己的状态，以调整并控制机器人的
2、行动。它通常由位置、加速度、速度及压力传感器组成。机器人的外部传感器是检测环境、目标的状态特征，使机器人-环境发生交互作用，从而使机器人对环境有自校正和自适应能力。类型：包括触觉传感器、视觉传感器、接近觉传感器、听觉传感器等。控制器控制器控制器控制器内部传感内部传感内部传感内部传感外部传感外部传感外部传感外部传感机器人机器人位置传感器位置传感器位置传感器位置传感器速度传感器速度传感器速度传感器速度传感器加速度传感器加速度传感器加速度传感器加速度传感器力和压力传感器力和压力传感器力和压力传感器力和压力传感器微动开关微动开关微动开关微动开关红外传感器红外传感器红外传感器红外传感器接触和视觉传感器接
3、触和视觉传感器接触和视觉传感器接触和视觉传感器接近觉传感器接近觉传感器接近觉传感器接近觉传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器视觉传感器视觉传感器视觉传感器视觉传感器语音合成器语音合成器语音合成器语音合成器内传感器用于测量机器人自身状态测量与机器人作业有关的外部环境多指协调控制多指协调控制抓取规划抓取规划 多指多关节多指多关节灵巧机械手灵巧机械手三个手指三个手指3个关节个关节电电 机机角度传感器角度传感器复合触觉传感器复合触觉传感器通过从结构与功能上模仿人手，实现对各种形状物体的灵巧操作，精确的力控制与运动控制传感器在机器人身上分布传感器在机器人身上分布 5.1 5.1 机器人
4、内部传感器机器人内部传感器机器人内传感器包括位移（位置）传感器、速度、加速度传感器等。一、位置传感器1.电位器式位移传感器直线电位器和圆形电位器，用作直线位移和角位移传感器。电位器式位移传感器结构简单，性能稳定可靠，精度高，较方便地选择其输出信号范围。电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。电位器式位移传感器位移和电压关系：E：输入电压 L：触头最大移动距离 X：向左端移动的距离 e：电阻右侧的输出电压旋转型电位器式位移传感器直线型电位器式位移传感器2.编码式位移传感器 光电编码器光电
5、编码器是角度（角速度）检测装置，通过光电转换，将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲数字量的传感器。具有体积小，精度高，工作可靠等优点，应用广泛。一般装在机器人各关节的转轴上，用来测量各关节转轴转过的角度。光电编码器由光栅盘和光电检测装置组成。常见的光电编码器由光栅盘，发光元件和光敏元件组成。光电码盘随电动机转动，输出脉冲信号。根据旋转方向用计数器对输出脉冲计数就能确定电动机的位移或转速。根据其刻度方法及信号输出形式，分为增量式、绝对式以及混合式三种。透明圆盘上设置n条同心圆环，对环带进行二进制编码。16 码道每个码道上 黑（不透光）二进制数的1 白（透光），二进制数的0码道沿径向具有不同的二进
6、制值。码盘转动，光电元件接受光信号，并转成相应的数字电信号。增量式编码器二、速度传感器速度传感器：测量机器人关节速度。测速发电机、增量光电编码器。测速发电机：把机械转速变换成电压信号，输出电压与输入的转速成正比。u=K*n K是常数直流测速发电机的结构原理1永久磁铁；2转子线圈；3电刷；4整流子测速发电机转子与机器人关节伺服驱动电动机相连，就能测出机器人运动过程中关节转动速度。测速发电机在机器人控制系统中有广泛的应用。直流测速发电机 交流测速发电机交流测速发电机 5.2 机器人外部传感器外部传感器用来检测机器人所处环境及目标状况，从而使得机器人能够与环境发生交互作用并对环境具有自我校正和适应能
7、力。如：是什么物体，离物体的距离有多远，抓取的物体是否滑落等。广义来看，机器人外部传感器就是具有人类五官的感知能力的传感器。外力沿压电材料特定晶向作用使晶体产生形变，在相应的晶面上将产生电荷，去掉外力后压电材料又重回不带电状态，这种由外力作用产生电极化的现象叫正压电效应。逆压电效应：压电效应是可逆的。在压电材料特定晶向施加电场时，不仅有极化现象发生，还特产生机械形变。去掉电场，应力和形变也随之消失，这种现象称作逆压电效应。半导体材料受到外力作用时电阻率会发生变化。原因是外力作用使原子点阵排列发生变化，晶格间距的改变使禁带宽度变化，导致载流子迁移率及浓度变化，即电阻率发生变化。压阻效应压阻效应压
8、电效应压电效应物质在光照作用下释放电子的现象称为光电效应，释放的电子叫光电子，光电子在外电场作用下形成的电流叫光电流。由实验发现的光电效应的规律是光电流大小与入射光频率有关，当入射光频率低于某一极限频率时，将不产生光电效应。只有当入射光频率高于极限额串时，光电流的大小才与入射光强度成正比。在既无外电场也无外力作用时，电石、水品等晶体材料受温度变化的影响，其品格的原子排列发生变化，也能产生自发极化。这是由于当环境温度变化时，晶体的热膨胀和热振动状态发生变化，在晶面上将产生电荷，表现出自发极化现象，称作热释电效应。热释电效应热释电效应光电效应光电效应一、力觉传感器一、力觉传感器力觉是指对机器人的指
9、、肢和关节等运动中所受力的感知。主要包括腕力、关节力、指力和支座力传感器，是机器人重要的传感器之一。关节力传感器:测量驱动器本身的输出力和力矩，用于控制中的力反馈。腕力传感器：测量作用在末端执行器上的各向力和力矩。指力传感器：测量夹持物体手指的受力情况。力觉传感器主要使用的元件是电阻应变片。六维腕力传感器具有八个窄长的弹性梁，每个梁只传递力。梁的另一头贴有应变片。图中从Px+到Qy-代表了8根应变梁的变形信号的输出。日本大和制衡株式会社林纯一研制的腕力传感器。整体轮辐式结构，传感器在十字梁与轮缘联结处有一个柔性环节，在四根交叉梁上共贴有32个应变片（图中小方块），组成8路全桥输出。十字梁腕力传
10、感器十字梁腕力传感器二、接近觉传感器接近觉传感器：感知传感器与物体之间接近程度。主要有两个用途：避障和防止冲击。移动机器人绕开障碍物 机械手抓取物体时柔性接触探测的距离一般在几毫米到十几厘米之间。一般采用非接触型测量元件。常用有电涡流式、光纤式、超声波式及红外线式等类型。1.电涡流式传感器变化的磁场将在金属体内产生感应电涡流。涡流的大小随金属体表面与线圈的距离大小而变化。当电感线圈内通以高频电流时，金属体表面的涡流电流反作用于线圈L，改变L内的电感大小。通过检测电感便可获得线圈与金属体表面的距离信息。2.光纤式传感器光纤在远距离通信和遥测方面应用广泛。光纤接近觉传感器可以检测较远距离的目标。具
11、有抗电磁干扰能力强，灵敏度高，响应快的特点。只能检测出不透明物体只能检测出不透明物体可检测透光和不透光材料可检测透光和不透光材料可检测透光或半透光物体可检测透光或半透光物体反射光反射光反射光反射光3.超声波接近觉传感器检测物体的存在和测量距离，不能用于测量小于30至50cm的距离。利用超声波检测迅速、简单方便、对材料的依赖性小、易于实时控制，测量精度高，应用广泛。在移动式机器人上，检验前进道路上的障碍物，避免碰撞。超声波传感器对于水下机器人的作业非常重要。水下机器人安装超声波传感器后能使其定位精度达到微米级。时间与超声波的传播速度和距离成正比测量出超声波从物体发射经反射回到该物体（被接收）的时
12、间压电效应压电效应 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播途中碰到障碍物即返回，超声波接收器收到反射波立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2-时间差测距法。超声波测距误差：一是计时误差。当要求测距误差小于1mm时，若超声波速度C=344m/s(20室温)，忽略声速的传播误差，时间误差t(0.001/344)0.000002907s，即2.907毫秒。采用MHz级的高精度石英晶振一般可以达到微秒量级误差。另一个是传播速度误差。超声波传播速度受空气密度影响，空气密度越
13、高则超声波传播速度就越快，而空气密度又与温度有关。当温度0时超声波速度是332m/s,30时是350m/s，超声波速度变化为18m/s。若超声波在30的环境下以0的声速测量100m距离，测量误差达到5m，测量1m误差将达到5mm。小科普：超声波测距原理小科普：超声波测距原理4.红外线接近觉传感器任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。非接触式测量，红外发光管发射经调制的信号，经目标物反射，红外光敏管接收到红外光强的调制信号。具有灵敏度高，响应快等优点。发送器和接收器都很小，能够装在机器人夹手上。易于检测出工作空间内是否存在某个物体。三、触觉传感器触觉是仅次于视觉的一
14、种重要感知形式。触觉能保证机器人可靠地抓握各种物体，也能使机器人获取环境信息，识别物体形状和表面纹理，确定物体空间位置和姿态参数。机器人触觉与视觉一样，基本上是模拟人的感觉。广义上包括接触觉、压觉、力觉、滑觉等与接触有关的感觉。狭义上它是机械手与对象接触面上的力感觉。触觉传感器：测量自身敏感面和外界物体相互作用。触觉传感器的作用：(1)感知操作手指的作用力，使手指动作适当。(2)识别操作物的大小、形状、质量及硬度等。(3)躲避危险，以防碰撞障碍物。抓住鸡蛋开关式触觉传感器最早的触觉传感器为开关式传感器，只有0和1两个信号，用于表示接触与不接触。光电开关由发射器、接收器和检测电路三部分组成。发射
15、器对准目标发射光束，在光束被中断时产生一个开关信号变化 指端应变式触觉传感器指端应变式触觉传感器柔顺指端结构柔顺指端结构柔顺人工指端用金属弹性薄板4作弹性元件，应变片3作敏感元件，两个金属弹性薄板4安装在支撑座1上。当人工手指抓握物体时，触头7向左滑动，由压头5作用在弹性元件4上。凸缘到盖板的距离为最大量程。当被抓物体重量超过最大量程时，凸缘与盖板接触，将力传到底座2上。触头7右侧为封装电变流体部分，两层导电橡胶11之间用海绵隔开，海绵层填充电变流体。电流变流体作为人工手指的皮下组织介质，没有通电时电流变流体层作保护层用；通电时，变成塑性体，借助电流变流体的柔顺可控性稳定抓握，防止被抓物体滑落
16、。电流变流体是一种极具工程应用价值的新型智能材料。电流变流体是一种加入非导电介质微粒和高分子表面活性剂混合而成的液体，因其独特的电流变效应成为材料科学领域的研究热点。电流变效应指液体在电场作用下,电流变流体的力学性质发生变化甚至相变固化。这种变化是可逆的、连续无级的和可控制的。电流变效应的这种特性使电流变流体具有广阔的工程应用前景。小科普：电流变流体小科普：电流变流体压阻阵列触觉传感器压阻阵列触觉传感器压阻阵列触觉传感器压阻阵列触觉传感器利用压阻材料制成阵列式触觉传感器，可有效地提利用压阻材料制成阵列式触觉传感器，可有效地提高阵列数、阵列密度、灵敏度、柔顺性和强固性。高阵列数、阵列密度、灵敏度
17、、柔顺性和强固性。压阻阵列触觉传感器基本结构：压阻阵列触觉传感器基本结构：压阻材料上面排列平行的列电极，下面排列平行的压阻材料上面排列平行的列电极，下面排列平行的行电极，行列交叉点构成阵列压阻触元。行电极，行列交叉点构成阵列压阻触元。在压力作用下，触元的触觉性能可由上下电极间的在压力作用下，触元的触觉性能可由上下电极间的电阻值表示。电阻值表示。压阻材料：导电橡胶、碳毡压阻材料：导电橡胶、碳毡(CSA)(CSA)和碳纤维等。和碳纤维等。导电橡胶是在橡胶类材料中添加金属微粒而构导电橡胶是在橡胶类材料中添加金属微粒而构成的聚合高分子导电材料，具有柔顺性，电阻成的聚合高分子导电材料，具有柔顺性，电阻随
18、压力的变化而变化。随压力的变化而变化。导电橡胶作为压阻材料，工作温度范围宽，可导电橡胶作为压阻材料，工作温度范围宽，可塑性好，可浇铸成复杂塑性好，可浇铸成复杂(指尖指尖)形状复合曲面，其形状复合曲面，其输出电压信号强，频率响应可达至输出电压信号强，频率响应可达至100 Hz100 Hz，但易，但易疲劳、蠕变大、滞后大。疲劳、蠕变大、滞后大。导电橡胶受压时接触面积增加，电阻下降导电橡胶受压时接触面积增加，电阻下降D型截面导电橡胶作行连接导线行连接导线和列导电带列导电带构成行列寻址阵列。正向压力通过改变D型截面橡胶的变形程度来改变行与列间的接触电阻碳毡碳毡(CSA)(CSA)碳毡是一种渗碳纤维材料
19、，灵敏度高，有较强的碳毡是一种渗碳纤维材料，灵敏度高，有较强的耐过载能力，缺点是迟滞大，线性差。耐过载能力，缺点是迟滞大，线性差。在金属电板间夹入碳毡，在负载在金属电板间夹入碳毡，在负载(压力压力)作用下，作用下，导电接触面积增加，纤维电阻值下降。导电接触面积增加，纤维电阻值下降。可制成人工指尖。可制成人工指尖。压觉传感器压觉传感器 压觉是手指给予被测物的力，或者加在手指上外力的感觉，实际是接触觉的延伸。用于握力控制与手的支撑力的检测。压觉传感器主要是分布式压觉传感器，敏感元件排列成阵列。常用敏感元件有:导电橡胶、感应高分子、应变计、光电器件和霍尔元件.高密度智能压觉传感器高密度智能压觉传感器
20、（压阻式）（压阻式）压觉传感器实例压觉传感器实例硅电容压觉传感器阵列硅电容压觉传感器阵列（电容式）（电容式）滑觉传感器滑觉传感器滑觉传感器检测垂直于加压方向的力和位移。修正受力值、防止滑动、进行多层次作业及测量物体重量和表面特性等的目的。例如：机器人的手指夹住物体，为了不发生滑动，最小把持力：F=G/0利用滑觉传感器判断是否握住物体，以及应该使用多大的力等。检测滑动方法：1)将滑动转换成滚球和滚柱的旋转。2)用压敏元件和触针，检测滑动时的微小振动。3)检测出即将发生滑动时，手爪部分的变形和压力。滚球式滑觉传感器滚球式滑觉传感器钢球表面有导体和绝缘体配置成的网眼。当工件滑动时，金属球随之转动，在
21、触针上输出脉冲信号。脉冲信号的频率反映了滑移速度，个数对应滑移的距离，能检测全方位的滑动。滚轴式滑觉传感器滚轴式滑觉传感器 当手爪中的物体滑动时，使滚轴旋转，滚轴带动光电传感器和缝隙圆板而产生脉冲信号。这些信号通过计数电路和D/A转换器转换成模拟电压信号，通过反馈系统构成闭环控制。可通过不断修正握力，达到消除滑动的目的。基于振动的机器人滑觉传感器通过检测滑动时的微小振动来检测滑动钢球指针与被抓物体接触。若工件滑动，则指针振动，线圈输出信号。机器人视觉视觉传感器是智能机器人最重要的传感器之一。机器人视觉通过视觉传感器获取环境的二维图像，并通过视觉处理器进行分析和解释，转换为符号，让机器人能够辨识
22、物体，并确定其位置。又称为计算机视觉。在捕获图像之后，视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较，以做出分析。欧姆龙视觉传感器FZ3通过摄像头捕捉图像信息，检测拍摄对象的数量、位置关系、形状等特点，用于判断产品是否合格或将检验数据传送给机器人等其它生产设备。FZ3从微妙的色差乃至光泽物体的表面伤痕都能清晰识别机器视觉系统称现代工业生产的“机器眼睛机器眼睛”。德国SICK Inspector PIM60 视觉传感器 应用：机器人抓取定位 零部件组装检查、定位、尺寸测量 太阳能硅片边缘缺陷检查 包装物标签检测 AGV 视觉导航Banner 工程公司提供的部分视觉传感器能够捕获 130 万像素，无
23、论距离目标数米或数厘米远，传感器都能“看到”十分细腻的目标图像。机器人视觉传感器的工作过程可分为四个步骤：检测、分析、绘制和识别1.视觉检测 视觉信息一般通过光电检测转化成电信号。光电检测器有摄像管和固态图像传感器。获得距离信息的方法有光投影法、立体视法。光投影法：向被测物体投射特殊形状的光束并检测其反射光，即可获得位置信息。激光扫描法。立体视法：同一物体的两张具有轻微角度差别的照片放在一起观看，产生一种深度的常规立体视觉的方法。立体摄影：从左右两个具有轻微角度差异的观察点拍摄同一个物体，左右摄像机分别采集左视觉和右视觉的照片，通过计算机的合成处理，获得有立体深度的立体画面。视觉图像分析成像图
24、像中的像素含有杂波，必须进行（预）处理。通过处理消除杂波，把全部像素重新按线段或区域排列成有效像素集合。视觉图像绘制指以识别的目的而从物体图像中提取特征。理论上这些特征应该与物体的位置和取向无关，并包含足够的绘制信息，以便能唯一的把一个物体从其他物体中鉴别出来。图像识别技术将事先物体的特征信息存储起来，然后将此信息与所看到的物体信息进行比对。人类眼睛是一套功能完整的摄影系统，具有变焦镜头、可变光圈以及能将光信号转变成大脑可以识别的电信号。在二维图像中，利用物体提供的有关尺寸和重叠等视觉线索，可以“判断出”位于背景前这些物体的前后排列次序，但是却无法知道它们之间究竟距离多远。人类两只眼睛观察物体
25、时，由于两只眼睛所处的角度有略微不同，看到的图像是有略微差别的。大脑将这两幅画面综合在一起，形成一种有深度的视觉画面。处理过程十分迅速，而一只眼睛看到的画面是没有前后深度的。更为重要的是，大脑能够根据接受到的两幅图像中同一物体之间位差的大小判断出此物体的深度和远近，距离眼睛越远，位差就越小，反之就越大。小科普：人类视觉原理小科普：人类视觉原理固态图像传感器固态图像传感器CCDCCD电荷藕合图像传感器CCDCCD采用光电转换原理，将被测物体的光像转换为电子图像信号输出的一种大规模集成电路光电元件。CCD由许多感光单元组成，感光单元形成若干像素点。光学系统将被测物体成像在CCD的受光面上，当CCD
26、表面受到光线照射时，这些像素点将投射到它的光强转换成电荷信号，将反映光像的电荷信号读取并顺序输出，完成从光图像到电信号的转换过程。机器人的听觉听觉也是机器人的重要感觉器官之一。现在已经部分实现用机器代替人耳,能通过语音处理及辨识技术识别讲话人，还能理解一些简单的语句。机器人听觉系统中的听觉传感器技术已经非常成熟。关键问题是语音识别技术。它与图像识别同属于模式识别领域，而模式识别技术就是最终实现人工智能的主要手段。传感器信息融合又称数据融合，是对多种信息的获取、表示其内在联系进行综合处理和优化的技术。传感器信息融合技术从多信息的视角进行处理及综合，得到各种信息的内在联系和规律，从而剔除无用的和错
27、误的信息，保留正确的和有用的成分，最终实现信息的优化。它也为智能信息处理技术的研究提供了新的观念。定义：将经过集成处理的多传感器信息进行定义：将经过集成处理的多传感器信息进行合成，形成一种对外部环境或被测对象某一合成，形成一种对外部环境或被测对象某一特征的表达方式。特征的表达方式。传感器融合机器人系统中使用的传感器种类和数量越来越多，每种传感器都有一定的使用条件和感知范围，并且又能给出环境或对象的部分或整个侧面的信息，为了有效地利用这些传感器信息，需要采用某种形式对传感器信息进行综合、融合处理。按照人脑的功能和原理进行视觉、听觉、触觉、力觉、知觉、注意、记忆、学习和更高级的认识过程，将空间、时
28、间的信息进行融合，对数据和信息进行自动解释，对环境和态势给予判定。传感器的融合技术涉及神经网络、知识工程、模糊理论等信息、检测、控制领域的新理论和新方法。多传感器信息融合多传感器信息融合 多多传传感感器器信信息息融融合合技技术术是是通通过过对对这这些些传传感感器器及及其其观观测测信信息息的的合合理理支支配配和和使使用用，把把多多个个传传感感器器在在时时间间和和空空间间上上的的冗冗余余或或互互补补信信息息依依据据某某种种准准则则进进行行组组合合，以以获获取取被被观观测测对对象象的的一一致致性性解解释释或或描描述。述。多多传传感感器器融融合合系系统统主主要要特特点点是是：（1）提提供供了了冗冗余余
29、、互互补补信信息息。（2）信息分层的结构特性。（）信息分层的结构特性。（3）实时性。（）实时性。（4）低代价性。）低代价性。多多传传感感与与单单传传感感的的比比较较：多多传传感感器器数数据据融融合合系系统统可可更更大大程程度度获获取取被被探探测测目目标标和和环环境境的的信信息息量量。单单传传感感器器信信号号处处理理或或低低层层次次的的数据处理方式只是对人脑信息处理的一种低水平模仿。数据处理方式只是对人脑信息处理的一种低水平模仿。控制和信控制和信息融合计息融合计算机算机自主移动装配机器人自主移动装配机器人装配机械手装配机械手力觉传感器力觉传感器触觉传感器触觉传感器视觉传感器视觉传感器超声波传感器超声波传感器激光测距传感器激光测距传感器 多传感器信息融合自主移动装配机器人多传感器信息融合自主移动装配机器人机器人中的传感器信息融合机器人中的传感器信息融合双足步行双足步行在理想状态下，对机器人给定步行模式即可实现双足步行。实际上，地面的不平整就易使机器人倒下。因此，需要利用姿态传感器（陀螺仪）、加速度传感器、力传感器和其它装置的信息来修正步行模式。这就是步行稳定控制器(stabilizer,简称稳定器)。