第06章机器人传感器

1、第六章第六章 机器人传感器机器人传感器Senses of Robotics第一节第一节 机器人传感技术机器人传感技术第二节第二节 机器人常用传感器机器人常用传感器第三节第三节 触觉信息的获取触觉信息的获取第四节第四节 视觉信息的获取视觉信息的获取第五节第五节 距离信息的获取距离信息的获取第一节 机器人传感技术 1、机器人与传感器 研究机器人，首先从模仿人开始，通过考察人的劳动我们发现，人类是通过五种熟知的感官（视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉）接收外界信息的，这些信息通过神经传递给大脑，大脑对这些分散的信息进行加工、综合后发出行为指令，调动肌体（如手足等）执行某些动作。如果希望机器人代替人类劳动，

2、则发现大脑可与当今的计算机相当，肌体与机器人的机构本体（执行机构）相当，五官可与机器人的各种外部传感器相当。 Senses of Robotics 机器人则是通过传感器得到感觉信息的。其中，传感器处于连接外界环境与机器人的接口位置，是机器人获取信息的窗口。要使机器人拥有智能，对环境变化做出反应，首先，必须使机器人具有感知环境的能力，用传感器采集信息是机器人智能化的第一步；其次，如何采取适当的方法，将多个传感器获取的环境信息加以综合处理，控制机器人进行智能作业，则是提高机器人智能程度的重要体现。因此，传感器及其信息处理系统，是构成机器人智能的重要部分，它为机器人智能作业提供决策依据。 Sense

3、s of Robotics 机器人在执行操作的同时用传感器不断感受周机器人在执行操作的同时用传感器不断感受周围工作环境及自身活动的情况，经过不断的感围工作环境及自身活动的情况，经过不断的感受、信息反馈、比较修正，保证了可靠地实现受、信息反馈、比较修正，保证了可靠地实现期望的操作。期望的操作。是接受外界信息的必要途径；是接受外界信息的必要途径；与微处理器联合工作与微处理器联合工作(某些传感器本身就某些传感器本身就集成了微处理器集成了微处理器)；构成反馈的必要环节构成反馈的必要环节。Senses of Robotics 视觉视觉 20世纪世纪50年代后期出现，发展十分迅速，是机器人中最重年代后期出

4、现，发展十分迅速，是机器人中最重要的传感器之一。要的传感器之一。 机器视觉从机器视觉从20世纪世纪60年代开始首先处理积木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。世界，后来发展到处理室外的现实世界。 20世纪世纪70年代以后，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、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。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、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

5、传感器。国际上对腕力传感器的研究是从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世世纪纪70年代开始的，主要研究单位有美国的年代开始的，主要研究单位有美国的DRAPER实验室、实验室、SRI研究所、研究所、IBM公司和日本的日立公司、东京大学等单位。公司和日本的日立公司、东京大学等单位。 几种主要的机器人传感器简介几种主要的机器人传感器简介Senses of Robotics 触觉触觉 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。对它的研究从特性：柔软性、硬度、弹性、粗糙度和导热性等

6、。对它的研究从20世纪世纪80年代初开始，到年代初开始，到20世纪世纪90年代初已取得了大量的成果。年代初已取得了大量的成果。接近觉接近觉 研究它的目的是使机器人在移动或操作过程中获知目标研究它的目的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（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。人可避免手爪对目标物由于接近速度过快造成的冲击。Senses of Robotics 2、机器人传感器的分类 机器人用传感器也可分为内部传感器和外部传感器。 内部传感器是用来确定机器人在其自身坐标系内的姿态位

7、置的，如用来测量位移、速度、加速度和应力的通用型传感器。 而外部传感器则用于机器人本身相对其周围环境的定位。外部传感机构的使用使机器人能以柔性方式与其环境互相作用。负责检验诸如距离、接近程度和接触程度之类的变量，便于机器人的引导及物体的识别和处理。 Senses of Robotics Senses of Robotics ( (用途用途) ) ：检测机器人本身状态（关节位移：检测机器人本身状态（关节位移, ,手臂间角度等）的传感器。手臂间角度等）的传感器。 控制检测控制检测 ：检测机器人所处环境（是什么物体，：检测机器人所处环境（是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（抓取的物体滑落等）离

8、物体的距离有多远等）及状况（抓取的物体滑落等）的传感器。的传感器。 与环境的交互与环境的交互 外部传感器分为末端执行器传感器和环境传感器。外部传感器分为末端执行器传感器和环境传感器。 末端执行器传感器末端执行器传感器：主要装在作为末端执行器的手：主要装在作为末端执行器的手上，检测处理精巧作业的感觉信息。相当于触觉。上，检测处理精巧作业的感觉信息。相当于触觉。 环境传感器：环境传感器：用于识别物体和检测物体与机器人的用于识别物体和检测物体与机器人的距离距离, ,定位定位, ,认知环境。相当于视觉。认知环境。相当于视觉。 1. 1.内部状态的感觉内部状态的感觉 （1 1）位置和角度传感器）位置和角

9、度传感器 典型的传感器是电位计。检测的是以电阻中典型的传感器是电位计。检测的是以电阻中心为基准位置的移动距离。心为基准位置的移动距离。 E：输入电压输入电压L：距中心最大移动距离距中心最大移动距离X：中心向左端移动的距离中心向左端移动的距离 e：电阻右侧的输出电压电阻右侧的输出电压Senses of Robotics EEeLx)2(e=0, x=-Le=E/2, x=0e=E, x=LxLxLeeE)()(第二节 机器人常用传感器 另有光电传感器。另有光电传感器。 Senses of Robotics 测算光敏晶体管的感光量与距离之间的关系测算光敏晶体管的感光量与距离之间的关系Senses

10、of Robotics (2) (2)角度传感器：角度传感器： 回转式编码器。回转式编码器。anan通过脉冲计数，测得角速度及回转角通过脉冲计数，测得角速度及回转角定盘的作用：感光量发生变化定盘的作用：感光量发生变化 感光位置固定感光位置固定Senses of Robotics 2. 2.外部状况的感觉外部状况的感觉 （1 1）物体识别传感器）物体识别传感器 典型的是典型的是视觉视觉传感器。如摄像机。视觉是利用传感器。如摄像机。视觉是利用 光（机器人可用红外线等）的非接触方式。光（机器人可用红外线等）的非接触方式。 触觉触觉也能识别物体。机器人可以用触觉传感器也能识别物体。机器人可以用触觉传感

11、器 来实现这种机能。来实现这种机能。 Senses of Robotics （2 2）物体探测传感器）物体探测传感器 视觉视觉传感器是一种传感器是一种识别识别物体而且知道其物体而且知道其存在存在的的 传感器。传感器。 例如光电开关。例如光电开关。( (光遮断光遮断) ) 视觉传感器、光电开关和超声波传感器，即使视觉传感器、光电开关和超声波传感器，即使 物体较远也能探测其存在。物体较远也能探测其存在。Senses of Robotics （3 3）极近物体探测传感器）极近物体探测传感器 探测非常近的物体存探测非常近的物体存 在的传感器称为接近传感在的传感器称为接近传感 器。器。Senses of

12、 Robotics （4 4）距离传感器）距离传感器 定位定位, ,避障避障 摄像机做距离传感器。具体留待摄像机做距离传感器。具体留待7.47.4节介绍。节介绍。 超声波做距离传感器。可用于鱼群探测、金属超声波做距离传感器。可用于鱼群探测、金属 内部探伤等方面。内部探伤等方面。Senses of Robotics （5 5）力觉传感器）力觉传感器 力觉传感器是检测力和力矩的施加地点大小方力觉传感器是检测力和力矩的施加地点大小方 向三个量的传感器。向三个量的传感器。装配装配, ,力控制力控制 力的检测主要是用电阻应变片（参看力的检测主要是用电阻应变片（参看7.27.2节）。节）。 根据根据形变量

13、形变量检测轴向力，返回力和力矩检测轴向力，返回力和力矩 力传感器力传感器多维力传感器：多维力传感器： 通过几个应变通过几个应变片的受力变化感片的受力变化感知外部力的方向、知外部力的方向、大小大小Senses of Robotics Senses of Robotics （6 6）其他传感器）其他传感器 利用声波：语音识别传感器。分析振动声音探利用声波：语音识别传感器。分析振动声音探 测机械故障的点传感器。测机械故障的点传感器。 热传感器：点检传感器。热传感器：点检传感器。 通过分析敲打的声音测定果品成熟程度的传感通过分析敲打的声音测定果品成熟程度的传感 器。器。 根据近红外线的糖度吸收程度测定

14、水果甜度的根据近红外线的糖度吸收程度测定水果甜度的 传感器传感器触觉传感器触觉传感器分类：分类：q接触觉传感器接触觉传感器q压觉传感器压觉传感器q力觉传感器力觉传感器q滑觉传感器滑觉传感器q接近觉传感器接近觉传感器机器人所能实现的机器人所能实现的触觉功能只有接触触觉功能只有接触觉、压觉、滑觉和觉、压觉、滑觉和力觉。力觉。Senses of Robotics 第三节第三节 触觉信息的获取触觉信息的获取Senses of Robotics 1. 1.接触觉传感器接触觉传感器 接触觉传感器：探测是否接触到物体，传感器接受接触觉传感器：探测是否接触到物体，传感器接受由于接触由于接触( (碰及碰及) )

15、产生的柔量。产生的柔量。 微动开关：微动开关：( (微小力）微小力）按下开关就能进入电信号的按下开关就能进入电信号的 简单机构。简单机构。 猫胡须传感器：如图猫胡须传感器：如图a,ba,b 检查是否有接触检查是否有接触Senses of Robotics 2. 2.压觉传感器压觉传感器 压觉传感器：检测物体同手爪间产生的压力和力压觉传感器：检测物体同手爪间产生的压力和力以及其分布情况。以及其分布情况。 利用压电元件或弹簧。利用压电元件或弹簧。 （受压而产生极化现象）（受压而产生极化现象） 如图是使用弹簧的平如图是使用弹簧的平 面传感器，感知压力面传感器，感知压力 大小和分布。大小和分布。抓鸡蛋

16、，抓豆腐抓鸡蛋，抓豆腐开开关关式式触触觉觉传传感感器器外形尺寸十分大外形尺寸十分大空间分辨率低空间分辨率低利用阵列这一概利用阵列这一概念已开发了许多念已开发了许多重要的传感器。重要的传感器。Senses of Robotics ( (光遮断光遮断) )压阻式阵列触觉传感器压阻式阵列触觉传感器碳毡（碳毡（CSA）灵敏度高，具有较强的耐过载能力。缺点是有灵敏度高，具有较强的耐过载能力。缺点是有迟滞，线性差。迟滞，线性差。 导电橡胶导电橡胶的电阻也会随压力的变化而变化，因此也常用来作的电阻也会随压力的变化而变化，因此也常用来作为触觉传感器的敏感材料。为触觉传感器的敏感材料。碳毡（碳毡（CSA）Sen

17、ses of Robotics 另外还有光学式触觉传感器、电容式阵列触觉传感器等。另外还有光学式触觉传感器、电容式阵列触觉传感器等。它利用一种它利用一种具有压电和具有压电和热释电性的热释电性的高分子材料高分子材料研制而成。研制而成。Senses of Robotics Senses of Robotics 3. 3.滑觉传感器滑觉传感器 滑觉传感器：检测垂直加压力方向的力和位移。滑觉传感器：检测垂直加压力方向的力和位移。 fmg00minmgf驱使运动的力驱使运动的力阻碍运动的力阻碍运动的力最小把持力最小把持力检测特定点的运动检测特定点的运动它由一个金属球和触针组成，金属球表面分成许多个相间排

18、它由一个金属球和触针组成，金属球表面分成许多个相间排列的导电和绝缘小格。触针头很细，每次只能触及一格。当工件列的导电和绝缘小格。触针头很细，每次只能触及一格。当工件滑动时，金属球也随之转动，在触针上输出脉冲信号，脉冲信号滑动时，金属球也随之转动，在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。的频率反映了滑移速度，个数对应滑移的距离。Senses of Robotics Senses of Robotics 4. 4.力觉传感器力觉传感器 力觉传感器主要利用电阻力觉传感器主要利用电阻 应变片。应变片。 原理：金属丝拉伸时电阻原理：金属丝拉伸时电阻 变大。变大。 Sens

19、es of Robotics 图中电压与电流关系：图中电压与电流关系：则：则：所以：所以： 221121;)(2)2(RIVIRRVRIIRRVRRVRRRRVVVV4212221VVRR4RR （3）装在机器人手爪指关节（或手指上）的力传感器，称为）装在机器人手爪指关节（或手指上）的力传感器，称为指力传感器。指力传感器。 （1）装在关节驱动器上的力传感器，称为关节力传感器。用）装在关节驱动器上的力传感器，称为关节力传感器。用于控制中的力反馈。于控制中的力反馈。 （2）装在末端执行器和机器人最后一个关节之间的力传感器，）装在末端执行器和机器人最后一个关节之间的力传感器，称为腕力传感器。称为腕力

20、传感器。Senses of Robotics SRI （Stanford Research Institute）研制的六维腕力传感器，）研制的六维腕力传感器，如图所示。它由一只直径为如图所示。它由一只直径为75mm的铝管铣削而成，具有八个窄长的铝管铣削而成，具有八个窄长的弹性梁，每个梁的颈部只传递的弹性梁，每个梁的颈部只传递力，扭矩作用很小。梁的另一头力，扭矩作用很小。梁的另一头贴有应变片。图中从贴有应变片。图中从Px+到到Qy-代代表了表了8根应变梁的变形信号的输出。根应变梁的变形信号的输出。SRI传感器传感器Senses of Robotics 日本大和制衡株式会社林纯一研制的腕力传感器。

21、它是一种日本大和制衡株式会社林纯一研制的腕力传感器。它是一种整体轮辐式结构，传感器在十字梁与轮缘联结处有一个柔性环节，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在四根交叉梁上共贴有3232个应变片（图中以小方块），组成个应变片（图中以小方块），组成8 8路路全桥输出全桥输出 。Senses of Robotics 有研究结果表明，视觉获得的感知信息有研究结果表明，视觉获得的感知信息占人对外界感知信息的占人对外界感知信息的 人类视觉细胞数量的数量级大约为人类视觉细胞数量的数量级大约为1010的的8 8次方，是听觉细胞的次方，是听觉细胞的300300多倍，是皮肤

22、感觉多倍，是皮肤感觉细胞的细胞的100100多倍。多倍。Senses of Robotics 第四节第四节 视觉信息的获取视觉信息的获取 受环境影响受环境影响: : 光照，阴影，背景等光照，阴影，背景等Senses of Robotics 1.PSD 1.PSD（position sensitive deviceposition sensitive device）传感器）传感器 PSDPSD传感器：当光束照射到传感器：当光束照射到1 1维的线和维的线和2 2维的平面维的平面时，检测光照射的位置。时，检测光照射的位置。L ：电极：电极1 1与电极与电极2 2的距离。的距离。I1 1：流过电极：流

23、过电极1 1的电流。的电流。I2：流过电极：流过电极2 2的电流。的电流。X：光照射点与电极：光照射点与电极1 1的距离。的距离。 211IILx按照光照位置到电极的长度分流，检测电极电流按照光照位置到电极的长度分流，检测电极电流Senses of Robotics 2. 2.视觉传感器视觉传感器 机器人通过摄像机以图像的形式获得环境的信息。机器人通过摄像机以图像的形式获得环境的信息。 （1 1）CCD(charge coupled device)CCD(charge coupled device)传感器。传感器。 获取图像信息的最通用手段获取图像信息的最通用手段 CCDCCD阵列，二维扫描，

24、对表示灰度的电压采样，阵列，二维扫描，对表示灰度的电压采样， 二值数字化处理。每一定时间间隔扫描一遍。二值数字化处理。每一定时间间隔扫描一遍。 CCD （电荷耦合器件）的基本结构是一个间隙很小的光敏电（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，即无数个极阵列，即无数个CCD单元组成，也称为像素点（如单元组成，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。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。只需几十毫瓦就可以启动。Sens

25、es of Robotics 共共256级灰度，从图（级灰度，从图（a）到（）到（f）分辨率依次为）分辨率依次为512512， 256256，128128，6464，3232，1616。Senses of Robotics 从图（从图（a）到（）到（f）分辨率依次为）分辨率依次为512512，灰度级依次为，灰度级依次为256 ，64，16，8，4，2。b) 灰度变化对图像的影响灰度变化对图像的影响Senses of Robotics 从图（从图（a）到（）到（f）依次为：）依次为：256256，128级灰度；级灰度；181 181，64级灰度；级灰度；128 128，32级灰度；级灰度；90

26、90，16级灰度；级灰度；64 64，8级灰度；级灰度；45 45，4级灰度。级灰度。c)分辨率和灰度同时变化对图像的影响分辨率和灰度同时变化对图像的影响Senses of Robotics Senses of Robotics （2 2）图像的投影。）图像的投影。 O ：原点，透镜中心。：原点，透镜中心。Z轴：光轴，摄像机的前方。轴：光轴，摄像机的前方。xy轴：组成图像面。轴：组成图像面。P点：物体上一点。点：物体上一点。p点：点：P在图像面上的投影。在图像面上的投影。根据实际坐标，得到图像坐标根据实际坐标，得到图像坐标 ZfYyZfXx,Senses of Robotics 3. 3.形状

27、传感器形状传感器 （1 1）利用）利用CCDCCD摄像机拍摄穿透光。热噪声的干扰。摄像机拍摄穿透光。热噪声的干扰。 透明物体不能准确识别。透明物体不能准确识别。但遮断光容易获取但遮断光容易获取。 （2 2）利用遮断光获取形状，若形状有特征，可用轮）利用遮断光获取形状，若形状有特征，可用轮 廓识别物体。廓识别物体。 例：由手印鉴别每个人。例：由手印鉴别每个人。 由形状识别机械零件。由形状识别机械零件。 Senses of Robotics 4. 4.光切断传感器光切断传感器 将通过狭缝照射的面状光投射到物体上，再检测将通过狭缝照射的面状光投射到物体上，再检测反射光。反射光。 狭缝光照射到平面上狭

28、缝光照射到平面上 直线直线狭缝光照射到相交平面上狭缝光照射到相交平面上 斜率不同的连续直线斜率不同的连续直线狭缝光照射到深度不同的平面上狭缝光照射到深度不同的平面上 不连续的两条直线不连续的两条直线主动方式投射光主动方式投射光Senses of Robotics :狭缝光源的俯角。狭缝光源的俯角。2d :投射在物体上的两直线光投射在物体上的两直线光 源间的距离。源间的距离。LWH:分别是物体的长宽高。分别是物体的长宽高。tandH 检测照射线间距，识别高度检测照射线间距，识别高度主主动动方方式式投投射射光光Senses of Robotics ：物体与传送带所成的角度。：物体与传送带所成的角度

29、。 W：物体上照射线的长度。：物体上照射线的长度。 l：物体在传送带上所占的长度。：物体在传送带上所占的长度。 coswW sincosWLl检测物体上照射线长度，识别宽度检测物体上照射线长度，识别宽度只有照射线的位置是可测准的只有照射线的位置是可测准的开关量测开关量测LSenses of Robotics 5. 5.全方位视觉传感器全方位视觉传感器 （1 1）使摄像机回转的方式。）使摄像机回转的方式。 （2 2）带有特殊反射镜的摄像机。（如图）带有特殊反射镜的摄像机。（如图）普通摄像机有可视角限制普通摄像机有可视角限制反射镜面：双曲面？反射镜面：双曲面？双曲面的光学性质双曲面的光学性质是：由

30、双曲面的一是：由双曲面的一个焦点发出的光线，个焦点发出的光线，经双曲面镜面反射经双曲面镜面反射后，一定通过另一后，一定通过另一个焦点个焦点Senses of Robotics 镜面方程表达式：镜面方程表达式：P ：空间内一点。：空间内一点。p ：P在摄像机上所成的像。在摄像机上所成的像。OM：反射镜的一个焦点。：反射镜的一个焦点。OC：反射镜的另一个焦点。：反射镜的另一个焦点。O ：坐标原点。：坐标原点。f ：摄像机透镜的焦距。摄像机透镜的焦距。 : : 直线直线OM P的仰角。的仰角。 ：反射镜面反射光的仰角。反射镜面反射光的仰角。 1)(22222bZaYX射向射向Om的光都被反射到的光都

31、被反射到OcSenses of Robotics ：点点p也是点也是点P在在x-y面上的方位角面上的方位角 cos)(2sin)(tantantantantan2222122122cbbccbyxfcRZcYXZxyXYOMPOcP求仰角求仰角俯瞰图俯瞰图第五节第五节 距离信息的获取距离信息的获取 1.1.双目视觉双目视觉 距离信息：距离信息：用来把持物体，获取物体，障碍规避等用来把持物体，获取物体，障碍规避等由视差得到距离感觉。由视差得到距离感觉。( (三角测量法三角测量法) )O O1 1 ：摄像机：摄像机1 1的透镜中心。的透镜中心。O O2 2 ：摄像机：摄像机1 1的透镜中心。的透镜

32、中心。P ：空间一点。：空间一点。p1 ：P在摄像机在摄像机1上的图像。上的图像。p2 ：P在摄像机在摄像机1上的图像。上的图像。Senses of Robotics Senses of Robotics 2. 2.投光法投光法 投光法：采用主动光照射对象物体，用摄像机把投光法：采用主动光照射对象物体，用摄像机把照射点捕捉到图像上，再用三角测量算出距离。照射点捕捉到图像上，再用三角测量算出距离。 例：测距计：一种把双目视觉一侧的摄像机置换例：测距计：一种把双目视觉一侧的摄像机置换成投光机的装置。一般以激光为光源。成投光机的装置。一般以激光为光源。Senses of Robotics （1 1）

33、点光源）点光源：激光的照射角度。激光的照射角度。d : :透镜中心同光源间的距离透镜中心同光源间的距离。XYZ: :P P的三维位置。的三维位置。tantan/tantan/tan1tanxfdyYxfdXfxdZfZxZfYyZfXx,模型模型Senses of Robotics （2 2）狭缝光）狭缝光 ： 原理如原理如7.3.47.3.4节节 （3 3）符号化光：）符号化光： 如图如图多多传传感感器器在在移移动动机机器器人人中中的的应应用用外界环境外界环境视觉视觉视觉视觉超声波传感器超声波传感器红外接近觉红外接近觉立体视觉立体视觉地标识别地标识别障碍探测障碍探测目标物探测目标物探测景物识别景物识别内部传内部传感器感器融合融合力觉力觉触觉触觉环境模型环境模型定位定位避障避障操作规划操作规划学习学习路径规划路径规划任务规划：执任务规划：执行机构控制行机构控制指令指令感觉感觉功能功能Senses of