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1、第六章 工业机器人的感觉系统6.1 工业机器人传感器概述6.2 位置和位移传感器6.3 速度传感器6.4 接近觉传感器6.5 触觉传感器6.6 工业机器人视觉技术6.7 其他外部传感器第1页/共46页 6.1 工业机器人传感器概述一、工业机器人感觉系统的基本组成1.人的五大感觉：视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉。经常说的第六感是什么？2.没有感觉功能的机器人，只能按预先给定的顺序，重复地进行一定的动作。如果给机器人添加感觉模块，它就能够根据对象的变化而变更动作，感知自己执行的工作结果的信息。3.机器人感觉信息的方式是通过传感器来实现的。，从传感器取得了数据之后，通过这这些数据的分析处理形成对客观世
2、界的正确认识，从而为执行任务并正确处理突发事件（可预见性的）提供依据。4.机器人的感觉：视觉、力觉、触觉、接近觉等。第2页/共46页一、工业机器人感觉系统的基本组成视觉 20世纪50年代后期出现，发展十分迅速，是机器人中最重要的传感器之一。机器视觉从20世纪60年代开始首先处理积木世界，后来发展到处理室外的现实世界。20世纪70年代以后，实用性的视觉系统出现了。视觉一般包括三个过程：图像获取、图像处理和图像理解。相对而言，图像理解技术还很落后。力觉 机器人力传感器就安装部位来讲，可以分为关节力传感器、腕力传感器和指力传感器。国际上对腕力传感器的研究是从20世纪70年代开始的，主要研究单位有美国
3、的DRAPER实验室、SRI研究所、IBM公司和日本的日立公司、东京大学等单位。6.1 工业机器人传感器概述第3页/共46页一、工业机器人感觉系统的基本组成触觉 作为视觉的补充，触觉能感知目标物体的表面性能和物理特性：柔软性、硬度、弹性、粗糙度和导热性等。对它的研究从20世纪80年代初开始，到20世纪90年代初已取得了大量的成果。接近觉 研究它的目的是是使机器人在移动或操作过程中获知目标（障碍）物的接近程度，移动机器人可以实现避障，操作机器人可避免手爪对目标物由于接近速度过快造成的冲击。6.1 工业机器人传感器概述第4页/共46页外界环境视觉视觉超声波传感器红外接近觉立体视觉地标识别障碍探测目
4、标物探测景物识别内部传感器融合力觉触觉环境模型定位避障操作规划学习路径规划任务规划：执行机构控制指令感觉功能 6.1 工业机器人传感器概述第5页/共46页二、工业机器人常用传感器分类位置传感器 用来检测机器人本身状态（如手臂间角度）的传感器。多为检测位置和角度的传感器。a.内部传感器角度传感器 6.1 工业机器人传感器概述第6页/共46页二、工业机器人常用传感器分类b.外部传感器 具体有物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。用来检测机器人所处环境（如是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。6.1 工业机器人传感器概
5、述第7页/共46页三、工业机器人传感器的性能指标1.1.灵敏度：灵敏度：在传感器的输出信号达到稳定时，输出信号变化与输入信号变化的比值。6.1 工业机器人传感器概述式中：为传感器的灵敏度；为传感器输出信号的增量；为传感器输入信号的增量。灵敏度的数学表达：探讨：一般来说，传感器的灵敏度越大越好，这样传感器的输出信号精确度就更高；但是过高的灵敏度会导致传感器的输出稳定性下降。第8页/共46页三、工业机器人传感器的性能指标2.2.线性度：线性度：线性度反映传感器输出信号与输入信号之间的线性程度。6.1 工业机器人传感器概述如果式中：为常数或者近似常数，则说明传感器的线性度较高；如果 是一个变化较大的
6、量，则说明传感器的线性度较差。设传感器输出信号为y，输入信号为x，则y与x的关系可表示为：探讨：一般的传感器的输出和输入经常呈现非线性关系，常用的线性化方法有：割线法、最小二乘法、最小误差法等。第9页/共46页三、工业机器人传感器的性能指标3.3.测量范围：测量范围：指被测量的最大允许值和最小允许值之差（量程）。6.1 工业机器人传感器概述4.4.精度：精度：指传感器的测量输出值与实际被测量值之间的误差。5.5.重复性：重复性：指传感器在对输入信号按同一方式进行全量程对此测量时，相应测试结果的变化程度。6.6.分辨率：分辨率：指传感器在在整个测量范围内所能辨别的被测量的最小变化量。7.7.相应
7、时间：相应时间：指传感器的输入信号变化后，其输出信号随之变化并达到一个稳定值所需要的时间。8.8.抗干扰能力：抗干扰能力：统计指标，单位时间内发生故障的概率。第10页/共46页第六章 工业机器人的感觉系统6.1 工业机器人传感器概述6.2 位置和位移传感器6.3 速度传感器6.4 接近觉传感器6.5 触觉传感器6.6 工业机器人视觉技术6.7 其他外部传感器第11页/共46页一、位置传感器 位置传感器包括位置和角度检测传感器；n 模拟型位置传感器：旋转变压器、感应同步器、电位器等。n 数字型位置传感器：光电盘、编码盘、光栅等。1.旋转变压器：是一种输出电压随转角变化的检测装置，用来测量角位移。
8、检测精度高。6.2 位置和位移传感器输入：角位移输出：感应电动势第12页/共46页一、位置传感器2.感应同步器：工作原理与旋转变压器相似，是一种高精度位置检测元器件，可制成直线式和旋转式两个结构形式，分别用来检测直线位移和转角。3.电位器式位置传感器：滑动点受被检测量控制，根据输出阻值的变化，可以检测出机器人各关节的位置和位移量。6.2 位置和位移传感器第13页/共46页一、位置传感器4.光电盘：工作原理与旋转变压器相似，是一种高精度位置检测元器件，可制成直线式和旋转式两个结构形式，分别用来检测直线位移和转角。6.2 位置和位移传感器第14页/共46页一、位置传感器5.编码盘：滑动点受被检测量
9、控制，根据输出阻值的变化，可以检测出机器人各关节的位置和位移量。6.2 位置和位移传感器第15页/共46页第六章 工业机器人的感觉系统6.1 工业机器人传感器概述6.2 位置和位移传感器6.3 速度传感器6.4 接近觉传感器6.5 触觉传感器6.6 工业机器人视觉技术6.7 其他外部传感器第16页/共46页二、速度传感器：用来确定关节的运动速度1.测速发电机：是一种模拟式速度传感器，它实际上是一种小型永磁式直流发电机。测速原理：当励磁磁通恒定时，其输出电压和转子的转速成正比，即：其中：U 为测速发电机的输出电压；n 为测速发电机的转速；k 为比例系数；6.3 速度传感器第17页/共46页二、速
10、度传感器：用来确定关节的运动速度2.微硅陀螺仪：是一种新型的电子式陀螺仪（角速度传感器），它可产生一正比于旋转速度的精确模拟直流电压输出。由微硅陀螺仪和电子倾角传感器组合构成的姿态传感器，可以用于检测机器人行走过程中的运行姿态。6.3 速度传感器第18页/共46页第六章 工业机器人的感觉系统6.1 工业机器人传感器概述6.2 位置和位移传感器6.3 速度传感器6.4 接近觉传感器6.5 触觉传感器6.6 工业机器人视觉技术6.7 其他外部传感器第19页/共46页接近觉传感器是机器人用以检测自身与周围物体之间相对位置或距离的传感器，感觉的距离一般在几毫米到十几厘米之间。接近觉可认为是介于触觉和视
11、觉之间的感觉，但远比视觉简单。三、接近觉传感器 由于接近觉传感器是非接触的，应用它对机器人工作过程中进行避障以及防止发生事故是十分有意义的。6.4 接近觉传感器第20页/共46页三、接近觉传感器b）无铁磁体时磁力线的形状c）铁磁体接近时磁力线的形状 6.4 接近觉传感器第21页/共46页三、接近觉传感器超声波传感器 超声波探测原理比较简单，一般是采用时差法。超声波传感器主要用途：（1）实时地检测自身所处空间的位置，用以进行自定位；（2）实时地检测障碍物，为行动决策提供依据；（3）检测目标姿态以及进行简单形体的识别；（4）用于导航目标跟踪。6.4 接近觉传感器第22页/共46页第六章 工业机器人
12、的感觉系统6.1 工业机器人传感器概述6.2 位置和位移传感器6.3 速度传感器6.4 接近觉传感器6.5 触觉传感器6.6 工业机器人视觉技术6.7 其他外部传感器第23页/共46页四、接触觉传感器 接触觉传感器是指装于机器人手爪上，以判断是否接触物体为基本特征的测量传感器；n 感受对象物；n 感受手爪与对象物之间的相对位置和姿态,并修正手爪操作状态；n 采用分布式密度较高的接触觉传感器，还可以判断对象物的大致几何形状等。接触觉传感器的输出是开关式的二值量信息；6.5 触觉传感器第24页/共46页开关式触觉传感器特点：特点：外形尺寸十分大空间分辨率低利用阵列这一概念已开发了许多重要的传感器。
13、第25页/共46页四、压觉传感器 压觉传感器是以检测机器人与作业对象之间接触面法向压力值大小的传感器，通常装在手爪的内侧；n 输出为连续信号，经放大后送到计算机处理，测定所抓取对象的软硬质地；n分布式压觉传感器可以判别对象物的几何形状。6.5 触觉传感器第26页/共46页五、滑觉传感器 机器人手爪在抓起物体时，由于被抓物的自重或者由于物体在外力的作用下相对手爪有滑移，对该量的测量就必须用滑觉传感器来测量；n 根据滑移时产生的振动；n 把滑移量转换为转动量；n 根据滑移时手爪与对象物间的动、静摩擦力的变化；n 根据手爪力分布的改变；测量原理：间接测量，依据检测原理，可分为以下几种：6.5 触觉传
14、感器第27页/共46页五、滑觉传感器 6.5 触觉传感器第28页/共46页六、力传感器测量原理：机械变形使应变片的电阻发生变化，电阻的变化量跟施加力的大小成比例。1.应变计力敏传感器：应变片的电阻计算公式：6.5 触觉传感器其中：为导电材料的电导率；A 为导电材料的截面积；L 为应变片的长度；第29页/共46页六、力传感器1.应变计力敏传感器：6.5 触觉传感器第30页/共46页六、力传感器测量原理：该传感器设置在传动装置和负载体之间，由弹性轴和两个齿轮组成，轴旋转过程中磁通量交替地通过磁线圈，在线圈中产生的电动势变化频率和转速成正比。轴未加转矩时，两个齿轮同步通过磁体。加转矩时，两齿轮间产生
15、旋转移动，电动势之间产生与转矩成正比的相移，该相移与转速无关。2.电感式转矩传感器：6.5 触觉传感器第31页/共46页 力觉一般是多维力的感觉，因此力觉传感器必须具有能使多个敏感元件合理地安排于不同位置的结构，以便能检测多维力的分量。六、力觉传感器 6.5 触觉传感器第32页/共46页第六章 工业机器人的感觉系统6.1 工业机器人传感器概述6.2 位置和位移传感器6.3 速度传感器6.4 接近觉传感器6.5 触觉传感器6.6 工业机器人视觉技术6.7 其他外部传感器第33页/共46页七、视觉传感器有研究结果表明，视觉获得的感知信息占人对外界感知信息的8080%。人类视觉细胞数量的数量级大约为
16、108，是听觉细胞的300多倍，是皮肤感觉细胞的100多倍。从技术上说，机器视觉应用范围主要包括两大类：其一是目标测量，包括目标的几何尺寸、特征、缺陷等的检测和测量；其二是定位，引导制造和装配及其他加工过程中目标在运动过程中实时进行位姿调整，使之与特定的加工、装配要求进行匹配。6.6 工业机器人视觉技术第34页/共46页 CCD（电荷耦合器件）的基本结构是一个间隙很小的光敏电极阵列，即无数个CCD单元组成，也称为像素点（如448380）。它可以是一维的线阵，也可以是二维的面阵。优点：体积小、质量轻、寿命长、抗冲击、耗电极少，一般只需几十毫瓦就可以启动。（1）基本原理一、视觉传感器第35页/共4
17、6页共256级灰度，从图（a）到（f）分辨率依次为512512，256256，128128，6464，3232，1616。（2）图像处理a)分辨率变化对图像的影响第36页/共46页 从图（a）到（f）分辨率依次为512512，灰度级依次为256，64，16，8，4，2。b)灰度变化对图像的影响第37页/共46页从图（a）到（f）依次为：256256，128级灰度；181 181，64级灰度；128 128，32级灰度；90 90，16级灰度；64 64，8级灰度；45 45，4级灰度。c)分辨率和灰度同时变化对图像的影响第38页/共46页机器人视觉系统组成结构机器人视觉系统组成结构1.CCD及
18、光学器件，2.LED光源，3.零件传感器，4.图像采集卡，5.微机平台，6.视觉软件，7.数字I/O 第39页/共46页第40页/共46页机械零件外观缺陷检测、尺寸测量第41页/共46页其他检测（包括各类标签、汽车牌号、发动机铭牌、玻璃（瓶）缺陷、电路板缺陷、灯丝焊接缺陷、输电配线、零件尺寸、符号位置、产品计数、产品分拣、焊接质量等的检测）第42页/共46页加工、装配实时引导、定位第43页/共46页第44页/共46页 多传感器信息融合技术是通过对这些传感器及其观测信息的合理支配和使用，把多个传感器在时间和空间上的冗余或互补信息依据某种准则进行组合，以获取被观测对象的一致性解释或描述。多传感器融合系统主要特点是：（1）提供了冗余、互补信息。（2）信息分层的结构特性。（3）实时性。（4）低代价性。多传感与单传感的比较：多传感器数据融合系统可更大程度获取被探测目标和环境的信息量。单传感器信号处理或低层次的数据处理方式只是对人脑信息处理的一种低水平模仿。工业机器人传感器信息融合第45页/共46页感谢您的观看！第46页/共46页