第07.21 6 机器人的感觉系统(2)

1、机器人应用技术机器人应用技术大连职业技术学院董春利 QQ：958385645实训楼414ACompiled by: Dong Chunli复习复习1. 1.按照安装位置划分机器人用传感器可分为哪几类？按照安装位置划分机器人用传感器可分为哪几类？2. 2.什么是内部传感器？什么是内部传感器？3. 3.什么是外部传感器？什么是外部传感器？4. 4.内部传感器和外部传感器的区别。内部传感器和外部传感器的区别。5. 5.根据传感器功能划分机器人用传感器可分为哪几类？根据传感器功能划分机器人用传感器可分为哪几类？ 6. 6.感觉机器人与智能机器人的区别与联系有哪些？感觉机器人与智能机器人的区别与联系有哪

2、些？7. 7.自主自导的移动机器人需要哪些传感器？自主自导的移动机器人需要哪些传感器？8. 8.移动机器人所需要的最重要传感器系统是什么？为什么？移动机器人所需要的最重要传感器系统是什么？为什么？9. 9.什么是机器人环境地图？什么是机器人环境地图？10.10.什么是机器人的集成控制？什么是机器人的集成控制？11.11.移动机器人或柔性制造系统的分层的分散的计算机是如何分工的？移动机器人或柔性制造系统的分层的分散的计算机是如何分工的？12.12.常用的机器人位置传感器有哪些？常用的机器人位置传感器有哪些？13.13.谈谈典型的位置传感器电位计的原理。谈谈典型的位置传感器电位计的原理。14.14

3、.谈谈光电式位置传感器的工作原理。谈谈光电式位置传感器的工作原理。Compiled by: Dong Chunli复习复习1. 1.人与机器人的感官人与机器人的感官的联系与区别。的联系与区别。2. 2.什么是机器人的什么是机器人的触觉触觉？力觉、接近觉、嗅觉、味觉、听觉、视觉？力觉、接近觉、嗅觉、味觉、听觉、视觉？3. 3.从机器人的结构组成上看从机器人的结构组成上看，机器人传感器可分为哪几类？，机器人传感器可分为哪几类？4. 4.从检测对象上看从检测对象上看，机器人传感器可分为哪几类？，机器人传感器可分为哪几类？5. 5.从安装位置看，机器人传感器可分为哪几类？从安装位置看，机器人传感器可分

4、为哪几类？6. 6.什么是内部传感器？什么是内部传感器？7. 7.什么是外部传感器？什么是外部传感器？8. 8.内部传感器和外部传感器的区别。内部传感器和外部传感器的区别。9. 9.根据传感器功能划分机器人用传感器可分为哪几类？根据传感器功能划分机器人用传感器可分为哪几类？ 10.10.什么是接触式传感器？什么是接触式传感器？11.11.什么是非接触式传感器？什么是非接触式传感器？12.12.内部传感器有哪些种类？内部传感器有哪些种类？13.13.常用的机器人位置传感器有常用的机器人位置传感器有那些？那些？14.14.谈谈谈谈电位计式位置传感器电位计式位置传感器的原理？的原理？15.15.谈谈

5、谈谈光电式位置传感器光电式位置传感器的原理？的原理？16.16.什么是旋转编码器？一般安装在哪里？什么是旋转编码器？一般安装在哪里？17.17.什么是绝对值型编码器？什么是绝对值型编码器？18.18.什么是相对值型编码器？什么是相对值型编码器？19.19.根据监测方法等不同，编码器可分为哪几类？根据监测方法等不同，编码器可分为哪几类？ 20.20.绝对型编码器和相对值型编码器的区别。绝对型编码器和相对值型编码器的区别。21.21.谈谈绝对型旋转编码器的用途。谈谈绝对型旋转编码器的用途。22.22.什么是直线编码器？什么是旋转编码器？什么是直线编码器？什么是旋转编码器？23.23.什么是测速发电

6、机？用来做什么？什么是测速发电机？用来做什么？24.24.什么是陀螺仪？是用来做什么的？什么是陀螺仪？是用来做什么的？机器人应用技术机器人应用技术第六章第六章 机器人的感觉系统机器人的感觉系统 第一节 机器人传感技术 第二节 机器人内部传感器 第三节 机器人外部传感器第四节 机器人的视觉系统第五节 机器人传感器的选择Compiled by: Dong Chunli第三节第三节 机器人外部传感器机器人外部传感器 一、机器人的触觉传感器二、机器人的距离传感器三、机器人的听觉传感器Compiled by: Dong Chunli一、机器人的触觉传感器一、机器人的触觉传感器o 机器人触觉的原型是模仿人

7、的触觉功能，n 通过触觉传感器与被识别物体相接触或相互作用来完成对物体表面特征和物理性能的感知。o 触觉有接触觉、压觉、滑觉、力觉四种，n 狭义的触觉照从字面来看是指前三种感知接触的感觉。n 目前还难以实现的材质感觉，如丝绸的皮肤触感，也会包含在触觉中。o 下面就分别介绍以下这四种触觉传感器。 Compiled by: Dong Chunli1接触觉传感器o 机器人在探测是否接触到物体时有时用开关传感器，n传感器接受由于接触产生的柔量（位移等的响应）。n机械式的接触传感器有微动开关、限位开关等。o 微动开关是按下开关就能进入电信号的简单机构。n接触觉传感器即使用很小的力也能动作，多采用杠杆原理

8、。o 限定机器人动作范围的限位开关等也可使用。n限位开关是为了防止油污染开关部分，n它是一种把留出的微动开关的控制杆部分（与物体接触的部分）加个罩盖的开关。一、机器人的触觉传感器一、机器人的触觉传感器Compiled by: Dong Chunlio 在机器人手爪的前端及内外侧面，相当于手掌心的部分装置接触传感器，通过识别手爪上接触物体的位置，可使手爪接近物体并且准确地完成把持动作。 一、机器人的触觉传感器一、机器人的触觉传感器Compiled by: Dong Chunli一、机器人的触觉传感器一、机器人的触觉传感器2压觉传感器 o 对于人类来说，压觉是指用手指把持物体时感受到的感觉，o 机

9、器人的压觉传感器就是装在其手爪上面，n可以在把持物体时检测到物体同手爪间产生的压力和力以及其分布情况的传感器。o 检测这些量要用许多压电元件。n压电元件照字面上看，是指某种物质上如施加压力就会产生电信号，即产生压电现象的元件。n对于机械式检测，可以使用弹簧。 Compiled by: Dong Chunlio 压电现象的机理是在显示压电效果的物质上施力时，由于物质被压缩而产生极化（与压缩量成比例），如在两端接上外部电路，电流就会过，所以通过计测这个电流就可构成压力传感器。o 压电元件可用在计测力和加速度的计测仪器上。把加速度输出通过电阻和电容构成的积分电路可求得速度，再进一步把速度输出积分，就

10、可求得移动距离，因此能够比较容易构成振动传感器。一、机器人的触觉传感器一、机器人的触觉传感器Compiled by: Dong Chunlio如果把多个压电元件和弹簧排列成平面状，就可识别各处压力的大小以及压力的分布。o使用弹簧的平面传感器如图所示，由于压力分布可表示物体的形状，所以也可作为物体识别传感器。o虽然不是机器人形状，但把手放在一种压电元件的感压导电橡胶板上，通过识别手的形状来鉴别人的系统，也是压觉传感器的一种应用。o通过对压觉的巧妙控制，机器人既能抓取豆腐及蛋等软物体，也能抓取易碎的物体。 一、机器人的触觉传感器一、机器人的触觉传感器Compiled by: Dong Chunli

11、3滑觉传感器o滑觉传感器是检测垂直加压方向的力和位移的传感器。如图o当用手爪抓取处于水平位置的物体时，手爪对物体施加水平压力，垂直方向作用的重力会克服这一压力使物体下滑。 一、机器人的触觉传感器一、机器人的触觉传感器Compiled by: Dong Chunlio 如果把物体的运动约束在一定面上的力，即垂直作用在这个面的力称为阻力 n如离心力和向心力垂直于圆周运动方向且作用在圆心方向o 考虑面上有摩擦时，还有摩擦力 作用在这个面的切线方向阻碍物体运动，其大小与阻力 有关。o 静止物体刚要运动时，假设 为静止摩擦系数，则 称为最大摩擦力，o 设运动摩擦系数为 ，则运动时，摩擦力 RFR0RF0

12、RF0RF一、机器人的触觉传感器一、机器人的触觉传感器Compiled by: Dong Chunlio 假设物体的质量为 ，重力加速度为 ，n图中所示的物体看作是处于滑落状态，o 则手爪的把持力 为了把物体束缚在手爪面上，n垂直作用于手爪面的把持力 相当于阻力。n当向下的重力 比最大摩擦力 大时，物体会滑落。n重力 时的o 把持力 ，o 称为最小把持力。mgffmgf0mgf00min/mgf一、机器人的触觉传感器一、机器人的触觉传感器Compiled by: Dong Chunlio 作为滑觉传感器的例子，可用贴在手爪上的面状压觉传感器（可参见图611）检测感知的压觉分布重心之类特定点的移

13、动。o 而在图611的例子中，把持的物体是圆柱体，这时其压觉分布重心移动时的情况如图613所示。 一、机器人的触觉传感器一、机器人的触觉传感器Compiled by: Dong Chunli一、机器人的触觉传感器一、机器人的触觉传感器4力觉传感器通常将机器人的力传感器分为一下三类：a）装在关节驱动器上的力传感器，称为关节力传感器，n它测量驱动器本身的输出力和力矩，用于控制中的力反馈b）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。n腕力传感器能直接测出作用在末端执行器上的各向力和力矩。c）装在机器人手指关节上（或指上）的力传感器，称为指力传感器。n用来测量夹持物体时的受力情

14、况 Compiled by: Dong Chunlio 机器人的这三种力传感器依其不同的用途有不同的特点，o 关节力传感器用来测量关节的受力（力矩）情况，n信息量单一，传感器结构也较简单，是一种专用的力传感器；o 手（指）力传感器一般测量范围较小，同时受手爪尺寸和重量的限制，n指力传感器在结构上要求小巧，也是一种较专用的力传感器；o 腕力传感器从结构上来说，是一种相对复杂的传感器，n它能获得手爪三个方向的受力（力矩），信息量较多，n又由于其安装的部位在末端执行器和机器人手臂之间，n比较容易形成通用化的产品系列。 一、机器人的触觉传感器一、机器人的触觉传感器Compiled by: Dong C

15、hunli1）力觉传感器的工作原理 o 力觉传感器主要使用的元件是电阻应变片。o 电阻应变片是利用了金属丝拉伸时电阻变大的现象，如将它粘贴在加力的方向上o 对电阻应变片在左右方向上加力，电阻应变片用导线接到外部电路上，可测定输出电压，算出电阻值的变化。 一、机器人的触觉传感器一、机器人的触觉传感器Compiled by: Dong Chunlio 下面我们来求解图614所示电阻应变片作为电桥电路一部分时的电阻值变化。o 为了便于说明，我们看图615所示的检测状态。一、机器人的触觉传感器一、机器人的触觉传感器Compiled by: Dong Chunlio 在不加力的状态下，电桥上的四个电阻是

16、同样的电阻值 ，假设向左右拉伸，电阻应变片电阻增加 （假设 ）。o 这时，电路上各部分的电流和电压如图所示，它们之间存在下面的关系RRRR212)2(RIIRRV211)(RIIRRV22RIV 一、机器人的触觉传感器一、机器人的触觉传感器Compiled by: Dong Chunlio 于是 和 之差的输出电压 ，如果忽略泰勒展开式的高次项，则变为 o 所以，电阻值的变化可由下式算出。 o 因为上面所计算的电阻应变片，测定的只是一个轴方向的力。如果力是任意方向时，最好是在三个轴方向分别贴上电阻应变片。1V2VVRRVRRRRVVVV421)2/)(2/(21VVRR4一、机器人的触觉传感器

17、一、机器人的触觉传感器Compiled by: Dong Chunli2）腕力传感器 o机器人腕力传感器测量的是三个方向的力（力矩），o由于腕力传感器既是测量的载体又是传递力的环节，o所以腕力传感器的结构一般为弹性结构梁，o通过测量弹性体的变形得到3个方向的力（力矩）。图616 Draper Waston，s六维腕力传感器 一、机器人的触觉传感器一、机器人的触觉传感器Compiled by: Dong Chunli一、机器人的触觉传感器一、机器人的触觉传感器o 图所示为Draper实验室研制的六维腕力传感器的结构。n它将一个整体金属环，按周向分布铣成三根细梁。n其上部圆环上有螺孔与手臂相联，n

18、下部圆环上的螺孔与手爪联接，n传感器的测量电路置于空心的弹性构架体内。o 该传感器结构比较简单，灵敏度较高，n六维力（力矩）的获得需要解耦运算，n传感器的抗过载能力较差，容易受损。 Compiled by: Dong Chunli图617 SRI（Stanford Research Institute）研制的六维腕力传感器。 一、机器人的触觉传感器一、机器人的触觉传感器Compiled by: Dong Chunlio 图619是日本大和制衡株式会社林纯一再JPL实验室研制的腕力传感器基础上提出的一种改进结构。它是一种整体轮辐式结构，o 传感器在十字架与轮缘联接处有一个柔性环节，因而简化了弹性

19、体的受力模型（在受力分析时可简化为悬臂梁）。o 在四根交叉梁上总共贴有32个应变片（图中以小方块表示），组成8路全桥输出，六维力的获得须通过解耦计算。o 这一传感器一般将十字交叉主杆与手臂的联接件设计成弹性体变形限幅的形式，可有效起到过载保护作用，是一种较实用的结构。 一、机器人的触觉传感器一、机器人的触觉传感器Compiled by: Dong Chunli图619 林纯一六维腕力传感器 一、机器人的触觉传感器一、机器人的触觉传感器Compiled by: Dong Chunlio图620所示是一种非径向三梁中心对称结构的腕力传感器，o传感器的内圈和外圈分别固定于机器人的手臂合手爪，力沿与内

20、圈相切的三根梁进行传递。o每根梁的上下、左右各贴一对应变片，这样非径向的三根梁共贴有6对应变片，分别组成六组半桥，o对这六组电桥信号进行解耦可得到六维力（力矩）的精确解。o这种力觉传感器结构有较好的刚性。图620 非径向中心对称三梁腕力传感器 一、机器人的触觉传感器一、机器人的触觉传感器Compiled by: Dong Chunli二、机器人的距离传感器二、机器人的距离传感器 1超声波距离传感 o 超声波距离传感器是由发射器和接收器构成的，o 几乎所有超声波距离传感器的发射器和接收器都是利用压电效应制成的。o 其中，发射器是利用给压电晶体加一个外加电场时，晶片将产生应变（压电逆效应）这一原理

21、制成的；o 接收器的原理是，当给晶片加一个外力使其变形时，在晶体的两面会产生与应变量相当的电荷（压电正效应），若应变方向相反则产生电荷的极性反向。 Compiled by: Dong Chunli图为一个共振频率在附近的发射接收器结构图 图621超声波发射接收器结构图二、机器人的距离传感器二、机器人的距离传感器 o 超声波距离传感器的检测方式有两种：脉冲回波式FW-CW（频率调制、连续波）式。 Compiled by: Dong Chunlio 在脉冲回波式中，n先将超声波用脉冲调制后发射，n根据经被测物体反射回来的回波延迟时间 ，n计算出被测物体的距离 ，n假设空气中的声速为 ，o 则被测物

22、与传感器间的距离 为 n如果空气温度为 ，则声速为 可由下式求得tRVR 2/mtVR)( CTV/607. 05 .331smTV二、机器人的距离传感器二、机器人的距离传感器Compiled by: Dong Chunlio 在FW-CW（频率调制、连续波）式是n采用连续波对超声波信号进行调制，n将由被测物体反射延迟时间 后得到的接收波信号n与发射波信号相乘，n仅取出其中的低频信号就可以得到n与距离 成正比的差频 信号，o 设调制信号的频率为 ，n调制频率的带宽为 ，n则可求得被测物体的距离 为 （615）tRrfmffR4/mffVfRmr二、机器人的距离传感器二、机器人的距离传感器 Co

23、mpiled by: Dong Chunli2接近觉传感器 o 探测非常近物体存在的传感器称为接近觉传感器，o 相同极性的磁铁彼此靠近时的排斥力与距离的平方成反比，n所以探测排斥力就可知道两磁铁的接近程度，这是最为大家熟知的接近觉传感器。o 可是作为机器人用的接近觉传感器，n由于物体大多数不是磁性体，所以不能利用磁铁的传感器。 二、机器人的距离传感器二、机器人的距离传感器 Compiled by: Dong Chunlio 只要物体存在，一种检测反作用力的方法是检测碰到气体喷流时的压力。o 图示该机构中，气源送出一定压力 的气流，n离物体的距离 越小，n气流喷出的面积越窄小，n气缸内的压力 则

24、增大。n如果事先求出距离和压力的关系，n即可根据压力 测定距离。Pxpp二、机器人的距离传感器二、机器人的距离传感器 Compiled by: Dong Chunli二、机器人的距离传感器二、机器人的距离传感器o 接近觉传感器主要感知传感器与物体之间的接近程度n它与精确的测距系统虽然不同，但又有相似之处。n可以说接近觉是一种粗略的距离传感器。o 接近觉传感器在机器人中主要有两个用途：n避障和防止冲击，n前者如移动的机器人如何绕开障碍物，n后者如机械手抓取物体时实现柔性接触。o 接近觉传感器应用场合不同，感觉的距离范围也不同n远可达几米至十几米，近可几毫米甚至1毫米以下。 Compiled by

25、: Dong Chunlio 接近觉传感器根据不同的工作原理有多种实现方式o 最常用的有n感应式、电容式、超声波接近觉传感器、n光接近觉传感器、红外反射式接近觉传感器等几种。n图示为电容式接近开关的检测原理。 二、机器人的距离传感器二、机器人的距离传感器 Compiled by: Dong Chunli三、机器人的听觉传感器三、机器人的听觉传感器 o 人用语言指挥机器人，比用键盘指挥机器人更方便。n机器人对人发出的各种声音进行检测，执行向其发出的命令，n如果是在危险时发出的声音，机器人还必须对此产生回避的行动。o 音响传感器实际上就是麦克风。n过去使用的基于各种各样原理的麦克风，n现在则已经变成了小型、廉价、且具有高性能的驻极体电容传声