新型傳感器第七章10.ppt

第 七 章 機 器 人 傳 感 器,第一節(jié) 機器人傳感器功能與分類,第二節(jié) 機器人視覺傳感器,第三節(jié) 機器人觸覺傳感器,第四節(jié) 機器人接近覺傳感器,概述,一、機器人與傳感器,機器人定義：由計算機控制的能模擬人的感覺、手工操縱的和具有自動行走能力的而又足以完成有效工作的裝置。,機器人傳感器定義：能把機器人目標物特性（或參量）變換為電量輸出的裝置。機器人通過傳感器實現(xiàn)類似于人類的知覺作用。,二、機器人的發(fā)展,第一代：機械手-未采用傳感器,第二代：采用傳感器,第三代：電腦化,三、應用,第一節(jié) 機器人傳感器功能與分類,對敏感材料的柔性和功能有特定要求: 因此，機器人傳感器既包括傳感器本身，也包含傳感器的信號處理。它由獲取信息和處理信息兩部分有機地構(gòu)成。,機器人傳感器的特點是：,有別于其它種類的傳感器: 機器人傳感器信息收集能力強, 既能獲取信息，又緊隨環(huán)境狀態(tài)進行大幅度變化。,獲取的信息實時地用于控制: 用以決定機器人的行動。,有和人類的五官對應的功能: 能安裝在機器人上,傳感器的信號獲取與處理過程：,接觸覺傳感器多半是經(jīng)過過程。,信號獲取信號處理信號提取數(shù)據(jù)解釋等幾個層次的處理；,并非所有傳感器的信號處理都要經(jīng)過這四個全過程；,如視覺和高密度壓覺傳感器一般需經(jīng)過和的的過程；,位置、接近覺和壓覺等傳感器僅經(jīng)過過程；,外部檢測傳感器：用于獲取機器人周圍環(huán)境或者目標物狀態(tài)特征的信息，是機器人與周圍進行交互工作的信息通道。其功能是讓機器人對環(huán)境有自校正和自適應能力，很好地執(zhí)行工作。接近覺、視覺、聽覺、嗅覺、味覺等傳感器。,傳感器的分類：,內(nèi)部檢測傳感器：以機器人本身的坐標軸來確定其位置，用來感知運動學參數(shù)。通過內(nèi)部檢測傳感器，機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、壓力和軌跡等進行工作。,機器人傳感器的分類及應用,一、人眼與視覺,人的80%以上的外界信息通過視覺所獲取。對于機器人來說，視覺傳感器也是最重要的傳感器。,第二節(jié) 機器人視覺傳感器,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)造類似一臺照相機： 屈光系統(tǒng)鏡頭、感光系統(tǒng)底片,2、人的視覺功能,1）、立體感覺能力,2）、測定物體大小及其所在位置遠近的能力。,3）、自動跟蹤和觀察運動目標對象的能力。,4）、人的視神經(jīng)有快速接受和傳輸視覺信息的能力,5）、感覺色彩的能力。,3、機器人視覺系統(tǒng)主要應用,1）、用視覺進行產(chǎn)品檢驗，代替人的目檢。包括：形狀檢驗棗檢查和測量零件的幾何尺寸。形狀和位置；缺陷檢驗檢查零件是否損壞，劃傷；齊全檢驗棗檢查部件上的零件是否齊全。,2）、在機器人進行裝配、搬運等工作時，用視覺系統(tǒng)對一組需裝配的零、部件逐個進行識別，并確定它在空間的位置和方向，引導機器人的手準確地抓取所需的零件，并放到指定位置，完成分類、搬運和裝配任務。,3）、為移動機器人進行導航。,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。,人的大腦通過對左右兩幅圖像、以及兩幅圖像的視差進行分析和處理后，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,當雙眼注視著有限距離點B點時，B在視網(wǎng)膜上的像也落在左右眼的黃斑位置B1和Br。,B點相對于左右眼的兩視線的夾角O1BOr稱作視差角，用b表示。,為了觀看物點B，眼睛將偏轉(zhuǎn)一定量的會聚角，顯然，b = 2。,雙眼注視無窮遠的點，該點與雙目的夾角= 0，無窮遠的點經(jīng)水晶體成的像都落在左右眼的黃斑處；,A點在左、右眼上的線視差為：,線視差是描述物點在空間中位置的重要參數(shù)，在機器人立體視覺中，視差也是一個十分重要的判定景物空間分布的因素之一。,B相對于人眼的距離Z b為：,Zb = b / tg,空間中任意一點A的左右像點分別為A1和A r ，設(shè)線視差分別為l 、r。,1、激光掃描法,X = x ( b tg+ Ll ) / ( x tg+Lf ) Y = y ( b tg+ Ll ) / ( x tg+Lf ),二、機器人視覺方法,結(jié)構(gòu)分析。,根據(jù)發(fā)射光線的空間角度和反射光線空間角度，以及發(fā)射源與電視攝像機之間的相對位置b的幾何關(guān)系，就可以確定反射點的空間坐標Z：,tg= x / Lf OM = ( Z + Ll ) tg= x ( Z + Ll ) / Lf MOlaser = Zctg OM + MOlaser = b,綜合上式計算得：,Z = ( b Lf x L l ) /( x + L f tg),A點的另外兩個坐標值：,機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進行二維掃描，即可得到景物空間各點的距離信息。,如果用扇形光束代替點光束，只需進行一維掃瞄，就能快速測定CCD圖像畫面內(nèi)全部點的距離信息。,2、立體攝影法,模仿人的雙眼，用兩個鏡頭光軸相互平行的攝像機從不同的方位記錄圖像。,設(shè)坐標系XYZ、XlYlZl和X rY rZ r 。,設(shè)景物空間有物點A 和 B， 分別成像于a1和a2點，兩視線的夾角O1AO2就稱作視差角，以a表示；,a = 2b / Z a,式中，2b為兩CCD攝像機光軸之間的距離。,顯然，對于物點B，其視差角為：,b = 2b / Z b,在CCD成像面上，物體的角視差實際上是以線視差來表現(xiàn)的。,點A和點B視差角的差值ab稱作立體視差：,ab =a -b,視差角的大小表征了物點的遠近，如果近物點A和遠物點B相對于CCD攝像機的視差角分別為a、b，必然a b；反之，若a b，則可以判斷，認為物點A相對于物點B遠。,同樣，立體視差的正負也能表征物點的遠近。,根據(jù)二維圖像中的線視差和相對線視差，可以推算出空間物點的三維信息。,設(shè)物點A)、B分別成像于Al(X al、Yal、Z al)、Ar (Xar、Yar、Z ar)和Bl(Xal、Yal、Z al)、Br (Xar、Yar、Z ar)。,A點的線視差X a：,A、B兩 點的線視差X a、 Xb為：,物點A和物點B之間的相對線視差X ab為：,第三節(jié) 機器人觸覺傳感器,機械人觸覺可分為：接觸覺、壓覺、力覺、滑覺等幾種。,檢測機器人的某些部位（如手或足）與外界物體是否接觸，識別物體的形狀和在空間的位置，保證機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。,機器人裝上觸覺傳感器的目的:,觸覺是接觸、滑動、壓覺等機械刺激的總稱。,一、接觸覺傳感器,接觸覺傳感器用來檢測機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。,二、壓覺傳感器,V o = V p (C x -C R ) / C F = V p (C / C F ),用來檢測機器人手指的握持面上承受的壓力大小和分布，分布式壓覺傳感器是前述陣列式接觸覺傳感器的延伸。特點：小型輕便、響應快、陣列密度高、在線性好、可靠性高等。,常用的敏感材料：導電橡膠或塑料、偏聚二氟乙烯薄膜（PVF2）、應變片陣列、磁彈性式壓磁傳感器陣列（如針式差動變壓器、霍爾元件）、光電傳感器陣列等。,三、力覺傳感器,腕力傳感器發(fā)展趨勢：,間接輸出型腕力傳感器：將傳感器本身設(shè)計的簡單化，經(jīng)過復雜的計算求出傳遞矩陣，使用時要經(jīng)過矩陣運算才能提取出六個力分量。,用于感知機器人的指、肢和關(guān)節(jié)等在工作和運動中所受力的大小和方向，從而決定如何運動、采用什么姿勢、以及推測對象物體的重量等。特點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)比較復雜，簡單的計算就能提取個分量，甚至可以直接得到六個分量。,式中，K1、K2、K3、K4、K5、K6為比例系數(shù)，與各根梁所貼應變片的應變靈敏度有關(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（Q x+ + Qx- + Q y+ + Qy-）,X、Y、Z方向的力Fx、Fy、Fz ，轉(zhuǎn)矩Mx、My、Mz：,Mx = K4（Q y+ - Qy-） My = K5（- Q x+ + Qx-） Mz = K6（P x+ - Px- - P y+ + Py-）,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)面各貼一片應變片。,相對面上的兩片應變片構(gòu)成一組半橋，共8只應變計，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 ：,四、滑覺傳感器,用于機器人感知手指與物體接觸面之間相對運動（滑動）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，又不至于因用力過大而使物體發(fā)生變形或被損壞。,四、仿生皮膚,聚偏二氟乙烯（PVDF）是具有壓電效應、熱釋電效應的高分子材料。,利用PVDF可以制成接觸覺、滑覺、溫覺等傳感器，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、機械強度高、頻響寬，很容易用熱成形的辦法加工成薄膜、細管或微粒。,觸覺傳感器,當物體與幾十微米的PVDF薄膜有相對滑移時，指紋或凸點變形，引起誘導振動，發(fā)生應力變化，使PVDF膜產(chǎn)生電荷。,觸、滑、溫覺,上下兩層PVDF之間，有電加熱層和柔性隔熱層，隔離成兩個不同的物理測量空間。,指紋狀或有許多小凸點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、觸覺信號。,下層PVDF鍍有條狀電極，引線由導電膠粘接后引出，可以獲取壓覺和滑覺信號。,為使PVDF有溫覺，將上層PVDF保持在55左右，當與物體接觸時，物體與表皮的溫差形成熱能傳遞，使PVDF極化面產(chǎn)生相應數(shù)量的電荷輸出。,當機器人的手爪(傳感器)表面開始接觸物體時，接觸階躍性應力使PVDF產(chǎn)生電荷，呈現(xiàn)單方向脈沖信號特征。即觸覺信號。,物體相對于傳感器表層滑動時，摩擦力變化引起傳感器表層的誘導振動，誘導振動使PVDF產(chǎn)生交變信號。即滑覺信號。,由于PVDF薄膜絲纖維束有強的熱釋電效應，環(huán)境溫度的變化使極間產(chǎn)生電荷，從而產(chǎn)生了溫覺。,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。,壓電效應產(chǎn)生的電荷是x、y、z三方向的軸向應力和切向應力產(chǎn)生電荷的總和，所以它能感覺出三維應力，從而判斷觸覺、滑覺的大小及應力區(qū)域。,第四節(jié) 機器人接近覺傳感器,機械人接近覺是介于觸覺和視覺之間的感覺，感應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)場景的狀況。,常見的接近覺傳感器有電磁式、光電式、電容式、氣動式、超聲式、紅外線、微波式等多種類型。,一、電磁式接近覺傳感器,焊接機器人多半使用渦流傳感器來跟蹤焊接縫，在200下工作，距離08mm時，誤差小于4%。,精度比較高、響應速度快、受環(huán)境影響小、結(jié)構(gòu)簡單、可以在高溫下工作。,金屬物體內(nèi)產(chǎn)生流線閉合的感應電流（即渦流）。渦流的大小與對象物表面的距離等有關(guān) 。,用永久磁鐵和緊貼磁鐵的圓柱形線圈構(gòu)成。,在遠離物體時，永久磁鐵的磁力線對稱分布。,當有金屬（鋼或鐵等導磁金屬）物體接近時，永久磁鐵的磁力線分布發(fā)生不對稱變化，,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。,只能感知金屬物體，非金屬材料構(gòu)成的物體無法感知。,永久磁鐵磁力線分布的變化導致線圈的感應電流發(fā)生變化，檢測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。當距離小于0.25mm時，電流輸出急劇變化。,這種接近覺傳感器所能感知的距離很近，對于小于幾分之一毫米的近距離運動物體十分靈敏。,二、光電式接近覺傳感器,發(fā)射透鏡與接收透鏡的光軸有一定的夾角。,若接近到物體，光敏管有光電流輸出；,若沒有接近到物體，光敏二極管無輸出。,傳感器存在靈敏區(qū)域，通過調(diào)節(jié)兩透鏡的光軸夾角， 可以調(diào)節(jié)光電式接近覺傳感器的感知距離，越小，敏 感距離越遠，反之，敏感距離越近。,不同物體的光反射率不同，無法通過測量接收光的強度計算物體的遠近。傳感器只適合作有無物體接近的感知。,是一種比較簡單有效的傳感器，把它裝在機器人手（或足）上，能夠檢測機器人手臂（或腿）運動路線上的各種物體。,三、超聲波接近覺傳感器,相位調(diào)制法：電路復雜，但可以根據(jù)需要選擇適當?shù)恼{(diào)制波長，實現(xiàn)近距離高精度探測。,超聲波換能器的構(gòu)造與特性（雙向聲電器件）。,在接近覺傳感器中，可以用一只超聲波換能器兼作發(fā)射和接收器件，也可以用兩只超聲波換能器，分別發(fā)射和接收超聲波。,超聲波換能器兼作發(fā)射和接收器的話，由于壓電陶瓷機械振蕩的衰減需要一定時間，