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 6.1 .1 概述概述 6.2 6.2 内部传感器内部传感器 6.3 6.3 视觉传感器视觉传感器 6.4 6.4 测距传感器测距传感器 6.5 6.5 力觉传感器力觉传感器 6.6 6.6 触觉传感器触觉传感器No.36.1 6.1 概述概述 一、传感器的基本概念一、传感器的基本概念 二、智能机器人及其传感器系统二、智能机器人及其传感器系统 三、传感器的分类与作用三、传感器的分类与作用 No.41 1、传感器的定义、传感器的定义2 2、传感器的组成传感器的组成3 3、传感器的主要指标传感器的主要指标4 4、传感器的应用、传感器的应用一、传感器的基本概念

2、一、传感器的基本概念No.5一、传感器的基本概念一、传感器的基本概念No.61、传感器的定义一、传感器的基本概念一、传感器的基本概念 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。换成另一种信息的装置。 物理量物理量电量电量 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。号转换成电信号的装置。No.71、传感器的定义 传感器是一种按一定的精确度、规律将被测量（物理的、化学的和生物的信息）转换成与之有确定关系的

3、、便于应用的某种物理量（通常是电量）的测量装置。它是自动控制系统（机器人）必不可少的关键部分。一、传感器的基本概念一、传感器的基本概念No.82、传感器的组成一、传感器的基本概念一、传感器的基本概念测试系统的组成测试系统的组成No.92、传感器的组成敏感元件转换元件基本转换电路被测量电信号一、传感器的基本概念一、传感器的基本概念传感器的组成传感器的组成No.10 敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。信号进行放大、阻抗匹配

4、，以便于后续仪表接入。 dV一、传感器的基本概念一、传感器的基本概念2、传感器的组成No.113、传感器的主要指标灵敏度灵敏度量程量程精度精度温漂温漂时漂时漂一、传感器的基本概念一、传感器的基本概念No.123、传感器的主要指标灵敏度灵敏度 传感器输出的变化量与引起该变化传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比，它反映了传感器量的输入变化量之比，它反映了传感器对被测量的敏感程度。对被测量的敏感程度。 如果是线性传感器，则灵敏度就是如果是线性传感器，则灵敏度就是静态特性曲线的斜率：静态特性曲线的斜率：一、传感器的基本概念一、传感器的基本概念xyKNo.133、传感器的主要指标灵敏度灵敏度

5、 如果是呈曲线关系，则灵敏度就是如果是呈曲线关系，则灵敏度就是该静态特性曲线的导数：该静态特性曲线的导数： 一、传感器的基本概念一、传感器的基本概念dxdySNo.143、传感器的主要指标量程量程 量程是指传感器适用的测量范围。量程是指传感器适用的测量范围。 每个传感器都有其测量范围，如超每个传感器都有其测量范围，如超出其测量范围将不可靠，甚至损坏传感出其测量范围将不可靠，甚至损坏传感器。器。一、传感器的基本概念一、传感器的基本概念No.153、传感器的主要指标精度精度 精度是指传感器在其测量范围内任一点的输精度是指传感器在其测量范围内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。精度还可以通过出值与其

6、理论值的偏离程度。精度还可以通过非非线性、迟滞、重复性线性、迟滞、重复性来表示。来表示。 精度反映了传感器测量的可靠程度，根据最精度反映了传感器测量的可靠程度，根据最大引用误差划分为大引用误差划分为7个精确度等级：个精确度等级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、5.0级。级。一、传感器的基本概念一、传感器的基本概念No.163、传感器的主要指标精度精度非线性非线性 一、传感器的基本概念一、传感器的基本概念 在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差或线性度拟合曲线之间的最大偏差，就称

7、为非线性误差或线性度 非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。直线拟合方法 a)理论拟合 b)过零旋转拟合 c)端点连线拟合 d)端点连线平移拟合No.183、传感器的主要指标精度精度迟滞迟滞 一、传感器的基本概念一、传感器的基本概念0yxHmaxyFS迟滞特性

8、传感器在在标定过程中加传感器在在标定过程中加载输出与卸载输出之间的不载输出与卸载输出之间的不重合性称为迟滞重合性称为迟滞。迟滞特性。迟滞特性如图所示，它一般是由实验如图所示，它一般是由实验方法测得。迟滞误差一般以方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示满量程输出的百分数表示, ,即即%100/2/1maxFSHHy式中 Hmax正反行程间输出的最大差值No.193、传感器的主要指标精度精度重复性重复性 一、传感器的基本概念一、传感器的基本概念y0Rmax2Rmax1重复性是指传感器在输入按重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度得特性

9、曲线不一致的程度。重复性误差可用正反行程的最重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即大偏差表示，即%100/maxFSRRyRmax1正行程的最大重复性偏差， Rmax2反行程的最大重复性偏差。No.203、传感器的主要指标温漂温漂 温漂指温度变化对传感器输出所产生的温漂指温度变化对传感器输出所产生的影响，它是由影响，它是由温度零漂温度零漂和和灵敏度温漂灵敏度温漂两项两项指标来表示的。指标来表示的。一、传感器的基本概念一、传感器的基本概念No.213、传感器的主要指标时漂时漂 时漂是指衡量传感器长期稳定性的指标，时漂是指衡量传感器长期稳定性的指标，一般是测量时间内传感器零点输出变化的一般是测量

10、时间内传感器零点输出变化的最大值，然后计算出单位时间内与满量程最大值，然后计算出单位时间内与满量程输出相比的百分比。输出相比的百分比。一、传感器的基本概念一、传感器的基本概念No.224、传感器的应用一、传感器的基本概念一、传感器的基本概念仓储模型仓储模型机械手机械手No.23a)机械手、机器人中的传感器机械手、机器人中的传感器 转动转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。嗅觉传感器。 密歇根大学的机械手装配模型密歇根大学的机械手装配模型

11、广州中鸣数码的机器狗广州中鸣数码的机器狗4、传感器的应用、传感器的应用No.24b) AGV自动送货车自动送货车 超声波测距传感器、判断超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置小车位置识别；条形识别；条形码传感器，码传感器，货品识别。货品识别。香港理工香港理工AGV模型模型4、传感器的应用、传感器的应用No.25c）、楼宇控制与安全防护）、楼宇控制与安全防护 为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在

12、作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了多种传感器，进行如闯入监测、空气监测、楼宇中应用了多种传感器，进行如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况等相关测试。温度监测、电梯运行状况等相关测试。 图示为某公司楼宇自动化系图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水控制、停车管理、水/废水管废水管理和电梯监控。理和电梯监控。烟雾传感器亮度传感器红外人体探测器4、传感器的应用、传感器的应用No.26d）、家庭与办公自动化）、家庭与办公自动化 在家电产品和办公自动化产品设计中，人

13、们大量的应用在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器来提高产品性能和质量。了传感器来提高产品性能和质量。全自动洗衣机中的传感器：全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器传感器，透光率光传感器(洗净度洗净度)， 液位传感器，液位传感器，电阻传感器电阻传感器(衣物烘干检衣物烘干检测测)。指纹传感器指纹传感器透光率传感器透光率传感器温湿度传感器温湿度传感器温度传感器温度传感器4、传感器的应用、传感器的应用No.27鼠标鼠标:光电位移传感器光电位移传感器摄象头摄象头:CCD传感器传感器声位笔声

14、位笔:超声波传感器超声波传感器软驱软驱:速度速度,位置伺服位置伺服e）、）、PC机中的传感器应用机中的传感器应用4、传感器的应用、传感器的应用No.28f）、其他应用）、其他应用航天航天农业农业交通交通医学医学4、传感器的应用、传感器的应用No.29g）、传感器的发展趋势方面）、传感器的发展趋势方面 1) 利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学效应开发出的新型传感器效应开发出的新型传感器光纤流速传感器光纤流速传感器荧光材荧光材料制作料制作的电子的电子鼻传感鼻传感器器生物酶血样分析传感器生物酶血样分析传感器热热/光光电量电量4、传感器的应用、传感器的

15、应用No.302) 传感器传感器+嵌入式计算机嵌入式计算机 智能传感器智能传感器 振动网络传感器振动网络传感器嵌入式计算机嵌入式计算机智能压力网络智能压力网络传感器传感器智能智能倾角倾角RS232RS232传感器传感器IC总线数字温度总线数字温度传感器传感器4、传感器的应用、传感器的应用g）、传感器的发展趋势方面）、传感器的发展趋势方面 No.31 二、智能机器人及其传感器系统机器人的运动和传感器系统的作用机器人的运动和传感器系统的作用No.32三、 传感器的分类与作用 内内部部传传感感器器用途用途机器人的精确控制。机器人的精确控制。检测的信息检测的信息位置、角度、速度、加速度、姿态、方向、倾

16、斜、力等。位置、角度、速度、加速度、姿态、方向、倾斜、力等。所用的传感器所用的传感器微动开关、光电开关、差动变压器、编码器微动开关、光电开关、差动变压器、编码器(直线和旋转式直线和旋转式)、电、电位计、旋转变压器、测速发电机、加速度计，陀螺、倾角传感位计、旋转变压器、测速发电机、加速度计，陀螺、倾角传感器、力传感器器、力传感器(力和力矩力和力矩)等。等。外外部部传传感感器器用途用途了解工件、环境或机器人在环境中的状态。了解工件、环境或机器人在环境中的状态。检测的信息检测的信息工件和环境工件和环境(形状、位置、范围、重量、姿态、运动、速度等形状、位置、范围、重量、姿态、运动、速度等)，机器人与环

17、境机器人与环境(位置、速度、加速度、姿态等位置、速度、加速度、姿态等)。所用的传感器所用的传感器视觉传感器、图象传感器视觉传感器、图象传感器(CCD、摄像管等、摄像管等)、光学测距传感器、光学测距传感器、超声测距传感器、触觉传感器等。超声测距传感器、触觉传感器等。末末端端执执行行器器传传感感器器用途用途对工件的灵活、有效的操作。对工件的灵活、有效的操作。检测的信息检测的信息非接触非接触(间隔、位置、姿态等间隔、位置、姿态等)、接触、接触(接触、障碍检测碰撞检测接触、障碍检测碰撞检测等等)、触觉、触觉(接触觉、压觉、滑觉接触觉、压觉、滑觉)、夹持力等。、夹持力等。所用的传感器所用的传感器光学测距

18、传感器、超声测距传感器、电容传感器、电磁感应传光学测距传感器、超声测距传感器、电容传感器、电磁感应传感器、限位传感器、压敏导电橡胶、弹性体加应变片等。感器、限位传感器、压敏导电橡胶、弹性体加应变片等。No.33三、 传感器的分类与作用 内部传感器内部传感器速度、角速速度、角速度传感器度传感器加速度加速度传感器传感器位置、角位置、角度传感器度传感器力力/力矩力矩传感器传感器其他其他光光电电开开关关霍霍尔尔传传感感器器电电位位计计光光电电码码盘盘磁磁栅栅传传感感器器旋旋转转变变压压器器加加速速度度计计其其他他增增量量编编码码器器脉脉冲冲发发电电机机 测测速速发发电电机机 角角加加速速度度计计其其他

19、他弹弹性性梁梁应应变变片片其其他他姿姿态态传传感感器器惯惯性性传传感感器器其其他他限限位位开开关关No.34三、 传感器的分类与作用 外部传感器外部传感器视视觉觉传传感感器器力力觉觉传传感感器器触触觉觉传传感感器器测测距距传传感感器器其其它它No.35三、 传感器的分类与作用 末端执行器传末端执行器传感器感器接近觉接近觉(测距测距)传传感器感器触觉触觉传感器传感器其其 它它No.366.2 6.2 内部传感器内部传感器 一、电位器一、电位器 二、测速发电机二、测速发电机 三、光学编码器三、光学编码器No.37电位器（1）6.2 6.2 内部传感器内部传感器No.38多圈电位器多圈电位器直线滑动

20、式电位器直线滑动式电位器6.2 6.2 内部传感器内部传感器优点：优点：可变的函数关系；可变的函数关系；输出信号范围大；输出信号范围大；失电信号不变；失电信号不变；性能稳定性能稳定薄膜电位传感器薄膜电位传感器No.39电位器（1）旋转型电位器的基本结构旋转型电位器的基本结构 00360360RRRVEER6.2 6.2 内部传感器内部传感器No.40按制作方式：按制作方式：线绕电位器线绕电位器导电塑料电位器导电塑料电位器普通塑料基底普通塑料基底导电导电材料粉材料粉6.2 6.2 内部传感器内部传感器No.41变阻器式传感器产品变阻器式传感器产品6.2 6.2 内部传感器内部传感器No.42电位

21、器（2）磁阻式电位器结构6.2 6.2 内部传感器内部传感器优点：优点：寿命长；寿命长；分辨率高；分辨率高；转矩小；转矩小；响应速度快响应速度快No.43测速发电机直流测速发电机的结构图直流测速发电机的结构图6.2 6.2 内部传感器内部传感器ddEt No.44测速发电机6.2 6.2 内部传感器内部传感器No.45光电鼠标就是利用光电鼠标就是利用LEDLED与光敏晶体管组合来测量位移。与光敏晶体管组合来测量位移。光学编码器（1）6.2 6.2 内部传感器内部传感器No.46光学编码器（1）6.2 6.2 内部传感器内部传感器No.47光学编码器（1）6.2 6.2 内部传感器内部传感器 输

22、出量与光栅盘转角的函数关系为：输出量与光栅盘转角的函数关系为：12cos2mpVVVn 由输出的变化次数来测量转角：由输出的变化次数来测量转角：No.48光学编码器（2）增量式光电编码器增量式光电编码器6.2 6.2 内部传感器内部传感器No.49光学编码器（2）增量式光电编码器增量式光电编码器6.2 6.2 内部传感器内部传感器No.50光学编码器（2）增量式光电编码器增量式光电编码器6.2 6.2 内部传感器内部传感器No.51光学编码器（3）绝对编码器6.2 6.2 内部传感器内部传感器No.52光学编码器（2）增量式光电编码器增量式光电编码器6.2 6.2 内部传感器内部传感器No.5

23、36.6.3 3 视觉视觉传感器传感器No.546.6.3 3 视觉视觉传感器传感器手持轿车风挡玻璃的机器人涂胶(激光视觉装配)系统手持轿车风挡玻璃的机器人涂胶(激光视觉装配)系统No.556.6.3 3 视觉视觉传感器传感器 一、视觉传感器系统的硬件组成一、视觉传感器系统的硬件组成 二、数字图象处理方法二、数字图象处理方法 三、视觉传感器的应用三、视觉传感器的应用 四、计算机视觉中的距离信息获四、计算机视觉中的距离信息获 取技术简述取技术简述No.566.6.3 3 视觉视觉传感器传感器美国机器人工业协会对美国机器人工业协会对机器视觉下的定义为：机器视觉下的定义为：“机器视觉是通过光学机器视

24、觉是通过光学的装置和非接触的传感的装置和非接触的传感器自动地接收和处理一器自动地接收和处理一个真实物体的图像，以个真实物体的图像，以获得所需信息或用于控获得所需信息或用于控制机器人运动的装置制机器人运动的装置”。 No.576.6.3 3 视觉视觉传感器传感器摄象头摄象头:CCD传感器传感器美国DVT公司推出新一代Machine Vision在线全自动检测系统Smartlmage Sensor（智能成像传感器）。该产品将CCD摄像头、微处理器、存贮器、数字I/O集为一体，具有全自动在线检测产品表面质量（缺损和瑕疵）、在线非接触测量（距离、角度、坐标）、图样识别、读取条码等功能。 识别型陪伴型机

25、器人在爱知万博会上亮相识别型陪伴型机器人在爱知万博会上亮相No.586.6.3 3 视觉视觉传感器传感器omron视觉传感器视觉传感器f210 omron高性能视觉传感器高性能视觉传感器f250 banner视觉传感器视觉传感器p4 ce01.3 omron视觉识别装置视觉识别装置f231 omron视觉传感器视觉传感器f270 No.59一、视觉传感器系统的硬件组成一、视觉传感器系统的硬件组成No.60一、视觉传感器系统的硬件组成一、视觉传感器系统的硬件组成No.61 CCD自自1970年问世以后，由于它的年问世以后，由于它的低噪声等特点，低噪声等特点，CCD图象传感器广泛图象传感器广泛的被

26、应用在微光电视摄像、信息存储和的被应用在微光电视摄像、信息存储和信息处理等方面。信息处理等方面。 固体视觉图象传感器由固体视觉图象传感器由光敏元件阵光敏元件阵列列和和电荷转移器件电荷转移器件集合而成。它的核心集合而成。它的核心是是电荷转移器件电荷转移器件CTD(Charge Transfer Device),最常用的是最常用的是电荷耦合器件电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)。 一、视觉传感器系统的硬件组成一、视觉传感器系统的硬件组成No.62 CCD是由若干个电荷耦合单元组成，该单元的结是由若干个电荷耦合单元组成，该单元的结构如图所示。构如图所示。CCD的最小单元

27、是在的最小单元是在P型（或型（或N型）硅型）硅衬底上生长一层厚度约为衬底上生长一层厚度约为120nm的的SiO2，再在，再在SiO2层层上依次沉积铝电极而构成上依次沉积铝电极而构成MOS的电容式转移器。将的电容式转移器。将MOS阵列加上输入、输出端，便构成了阵列加上输入、输出端，便构成了CCD。 CCD CCD固态视觉图像传感器固态视觉图像传感器No.63 在半导体硅片上按线阵或面阵排列在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOSMOS单元，单元，如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度像，则这些光敏元上就会感生出一

28、幅与光照强度相对应的光生电荷图像。相对应的光生电荷图像。 CCD CCD固态视觉图像传感器固态视觉图像传感器No.6401111100光敏管光敏管阵列阵列并联串联转换器运算电路显示电路结束信号驱动脉冲CCD CCD CCD固态视觉图像传感器固态视觉图像传感器No.65 特点特点:(1) 非接触检测非接触检测;(2) 响应快响应快;(3) 可靠性高可靠性高,为修简便为修简便;(4) 测量精度高测量精度高;(5) 体积小体积小,重量轻重量轻; 容易与计算机连接容易与计算机连接(6) 对被测物体需要强光照射对被测物体需要强光照射;(7) 受被测物体以外的光的影响受被测物体以外的光的影响. 应用:(1

29、) 宽度测量; (2) 外径测量; (3) 主轴径向跳动测量. 条形码扫描器条形码扫描器 CCD CCD固态视觉图像传感器固态视觉图像传感器No.66数码相机数码相机 CCD CCD固态视觉图像传感器固态视觉图像传感器No.67一、视觉传感器系统的硬件组成一、视觉传感器系统的硬件组成自动对焦自动对焦自调光圈自调光圈自调视野自调视野No.68一、视觉传感器系统的硬件组成一、视觉传感器系统的硬件组成图象处理机举例 No.69二、数字图象处理方法二、数字图象处理方法 1、图像的输入、图像的输入 对于对于CCDCCD摄像机，图象的输入是通过摄像机，图象的输入是通过外加驱动脉冲，依次将各像元的耦合电荷外

30、加驱动脉冲，依次将各像元的耦合电荷移出，经放大和移出，经放大和A/DA/D转换，转换为转换，转换为4 48 8位位的数字信息并输入到图象处理机或计算机。的数字信息并输入到图象处理机或计算机。 No.70二、数字图象处理方法二、数字图象处理方法 1、图像的输入、图像的输入 2、图象校正处理、图象校正处理 电视摄像机的白色图象噪声，可以用连续摄电视摄像机的白色图象噪声，可以用连续摄影的数幅图象作加法平均来减轻。影的数幅图象作加法平均来减轻。 如果图象的对比度有些偏差、反差不够，靠如果图象的对比度有些偏差、反差不够，靠对比度变换处理能把图象扩展到适当的对比度范围。对比度变换处理能把图象扩展到适当的对

31、比度范围。 对光学系统的失真可以用映射变换等方法将对光学系统的失真可以用映射变换等方法将图象进行重构，这个变换可如下表示：图象进行重构，这个变换可如下表示：xyababXYccNo.71二、数字图象处理方法二、数字图象处理方法 1、图像的输入、图像的输入 2、图象校正处理、图象校正处理 3 3、滤波、滤波 滤波处理既是指图象上某个空间的滤波处理既是指图象上某个空间的运算处理。运算处理。 线性滤波器线性滤波器g x ya f xiyjijimjn( , )(,) 1111No.72二、数字图象处理方法二、数字图象处理方法 1、图像的输入、图像的输入 2、图象校正处理、图象校正处理 3 3、滤波、

32、滤波 如果强调对象物体的棱线、轮廓作成如果强调对象物体的棱线、轮廓作成线条抽出，有如下两种方法：线条抽出，有如下两种方法： No.73二、数字图象处理方法二、数字图象处理方法 1、图像的输入、图像的输入 2、图象校正处理、图象校正处理 3 3、滤波、滤波 4 4、特征化、特征化 根据状况变更坐标扫描的场所和顺序的根据状况变更坐标扫描的场所和顺序的处理方法，叫做处理方法，叫做图像的特征化方法图像的特征化方法。 从图象处理到识别处理称为从图象处理到识别处理称为模式识别模式识别。No.74三、视觉传感器的应用三、视觉传感器的应用 1.图象目视检查图象目视检查No.75三、视觉传感器的应用三、视觉传感

33、器的应用 1.图象目视检查图象目视检查 2. 2.视觉定位视觉定位座椅装配系统烟箱立体仓烟箱立体仓库码垛库码垛/拆垛拆垛生产线生产线No.76三、视觉传感器的应用三、视觉传感器的应用 1.图象目视检查图象目视检查 2. 2.视觉定位视觉定位 3. 3.零件识别零件识别 No.77三、视觉传感器的应用三、视觉传感器的应用 1.图象目视检查图象目视检查 2. 2.视觉定位视觉定位 3. 3.零件识别零件识别 4. 4.视觉伺服视觉伺服汽车加工业中机器人汽车加工业中机器人 焊缝跟踪焊缝跟踪 No.78三、视觉传感器的应用三、视觉传感器的应用 1.图象目视检查图象目视检查 2. 2.视觉定位视觉定位

34、3. 3.零件识别零件识别 4. 4.视觉伺服视觉伺服 5. 5.移动机器人的导航移动机器人的导航利用图像识别，跟随预先登利用图像识别，跟随预先登记者的记者的“ApriAttenda” No.79四、计算机视觉中的距离信息获四、计算机视觉中的距离信息获 取技术简述取技术简述 1.直接法和间接法直接法和间接法 2. 2.主动法和被动法主动法和被动法 3. 3.单目法和多目法单目法和多目法1.立体视差法；移动摄象机法立体视差法；移动摄象机法(间接、被动、三角法间接、被动、三角法)2.几何光学聚焦；纹理梯度法几何光学聚焦；纹理梯度法 (间接、主动、三角法间接、主动、三角法)3.结构光法结构光法 (间

35、接、主动、三角法间接、主动、三角法)4.光强法光强法 (间接、主动、单目法间接、主动、单目法)5.简单三角测距简单三角测距 (直接、主动、三角法直接、主动、三角法)6.超声测距，渡越时间法激光超声测距，渡越时间法激光测距测距 (直接、主动、单目直接、主动、单目)No.806 6. .4 4 测距测距传感器传感器 一、机器人测距传感器的一、机器人测距传感器的作用作用 二、机器人测距传感器的二、机器人测距传感器的原理原理 与应用与应用No.81一、机器人测距传感器的作用一、机器人测距传感器的作用 1.1.发现前方障碍物，限制机器人发现前方障碍物，限制机器人的运动范围，以避免与障碍物发生的运动范围，

36、以避免与障碍物发生碰撞；碰撞；2.2.在接触对象物前得到必要的信在接触对象物前得到必要的信息，如与物体的相对距离，相对倾息，如与物体的相对距离，相对倾角，以便为后续动作做准备角，以便为后续动作做准备; ;3.3.获取对象物表面各点间的距离，获取对象物表面各点间的距离，从而得到有关对象物表面形状的信从而得到有关对象物表面形状的信息。息。 No.82一、机器人测距传感器的作用一、机器人测距传感器的作用VoyagerII“旅行家”智能地面移动机器人教学研究竞赛平台 No.83二、机器人测距传感器的原理与应用二、机器人测距传感器的原理与应用 1.1.接触式传感器接触式传感器 2. 2.感应式测距传感器

37、感应式测距传感器 3. 3.电容式测距传感器电容式测距传感器 4. 4.超声测距传感器超声测距传感器 5. 5.光电式测距传感器光电式测距传感器 6. 6.气压式测距传感器气压式测距传感器 7. 7.微波和无线电波测距传感器微波和无线电波测距传感器No.841.1.接触式传感器接触式传感器触须传感器的结构及应用触须传感器的结构及应用No.851.1.接触式传感器接触式传感器接触棒式传感器接触棒式传感器No.862.2.感应式测距传感器感应式测距传感器 (1)(1)电磁感应测距传感器电磁感应测距传感器电磁感应测距传感器永久磁铁磁力线的变化电磁感应测距传感器永久磁铁磁力线的变化 No.872.2.

38、感应式测距传感器感应式测距传感器 (1)(1)电磁感应测距传感器电磁感应测距传感器（a）电磁感应测距传感器输出与相对运动速度的关系）电磁感应测距传感器输出与相对运动速度的关系（b）传感器输出与传感器和外界物体距离的关系）传感器输出与传感器和外界物体距离的关系No.88电感式接近传感器（金属）电感式接近传感器（金属）No.89原理原理: :涡流效应涡流效应 (2)(2)电涡流测距传感器电涡流测距传感器No.902.2.感应式测距传感器感应式测距传感器 (2)(2)电涡流测距传感器电涡流测距传感器No.912.2.感应式测距传感器感应式测距传感器 (2)(2)电涡流测距传感器电涡流测距传感器弧焊机

39、器人弧焊机器人No.922.2.感应式测距传感器感应式测距传感器 (3)(3)霍尔效应测距传感器霍尔效应测距传感器No.933.3.电容式测距传感器电容式测距传感器 前面所述感应式测距传感器仅能检前面所述感应式测距传感器仅能检测导体或铁磁性材料，电容式测距传感测导体或铁磁性材料，电容式测距传感器能够检测任何固体和液体材料。器能够检测任何固体和液体材料。 这类传感器通过检测外界物体靠近这类传感器通过检测外界物体靠近传感器所引起的电容变化来反映距离信传感器所引起的电容变化来反映距离信息。电容式传感器最基本的元件是由一息。电容式传感器最基本的元件是由一个参考电极和敏感电极所组成的电容，个参考电极和敏

40、感电极所组成的电容，外界物体靠近传感器时，引起这个电容外界物体靠近传感器时，引起这个电容的变化。的变化。No.94电容式接近开关电容式接近开关振荡电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测电容被测电容测量头构成电容器的一个极板，测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发测量头相连的电路状态也随之发生变化生变化. .接近开关的检测物体，接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝并不限于金属导体，也可以是

41、绝缘的液体或粉状物体。缘的液体或粉状物体。3.3.电容式测距传感器电容式测距传感器No.95超声波传感器对超声波传感器对4.4.超声测距传感器超声测距传感器No.964.4.超声测距传感器超声测距传感器(1)(1)测量原理测量原理 超声测距传感器的测量原理基超声测距传感器的测量原理基于测量于测量渡越时间渡越时间(Time of Flight)(Time of Flight)，即测量从发射换能器发出的超声波，即测量从发射换能器发出的超声波，经目标反射后沿原路返回接收换能器经目标反射后沿原路返回接收换能器所需的时间。由渡越时间和介质中的所需的时间。由渡越时间和介质中的声速即可求得目标与传感器的距离

42、。声速即可求得目标与传感器的距离。渡越时间的测量有渡越时间的测量有脉冲回波法、调频脉冲回波法、调频法、相位法、频差法法、相位法、频差法等。等。No.974.4.超声测距传感器超声测距传感器(1)(1)测量原理测量原理脉冲回波法脉冲回波法 RT START 计计 数数 STOP 驱动电路驱动电路放大滤波放大滤波检波或鉴检波或鉴别别脉冲发生脉冲发生脉冲回波法测距系统功能框图 No.984.4.超声测距传感器超声测距传感器(1)(1)测量原理测量原理相位法相位法 RT发振器发振器相位检测相位检测运算器运算器输出输出相位法测距系统功能框图相位法测距系统功能框图 Lcff()412121212212No

43、.994.4.超声测距传感器超声测距传感器(1)(1)测量原理测量原理频差法频差法 超声波频差法测距原理超声波频差法测距原理 tLc2tTfB22Lc TfB2No.1004.4.超声测距传感器超声测距传感器(2)(2)环境因素对超声波测距传感器的影响环境因素对超声波测距传感器的影响 环境中温度、湿度、气压对声速均会环境中温度、湿度、气压对声速均会 产生影响。产生影响。 声强随传播距离增加而按指数规律衰声强随传播距离增加而按指数规律衰 减，以及空气流的扰动、热对流的存减，以及空气流的扰动、热对流的存 在、工业环境中噪声、被测物体表面在、工业环境中噪声、被测物体表面 的倾斜等因素都会对超声波测距

44、传感的倾斜等因素都会对超声波测距传感 器产生影响。器产生影响。No.101超声波探伤超声波探伤/测距测距/测物测物4.4.超声测距传感器超声测距传感器( (3 3) ) 超声波测距传感器研制和应用情况超声波测距传感器研制和应用情况No.102输油管检测检测机器人4.4.超声测距传感器超声测距传感器( (3 3) ) 超声波测距传感器研制和应用情况超声波测距传感器研制和应用情况No.103倒车雷达倒车雷达 4.4.超声测距传感器超声测距传感器( (3 3) ) 超声波测距传感器研制和应用情况超声波测距传感器研制和应用情况No.104 鱼群探测器鱼群探测器 4.4.超声测距传感器超声测距传感器(

45、(3 3) ) 超声波测距传感器研制和应用情况超声波测距传感器研制和应用情况No.105 光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。其工作原理是基于一些物质的光电效应。 内光电效应内光电效应 半导体材料受到光照时会产生电子半导体材料受到光照时会产生电子- -空穴对空穴对, ,使其导电性能增强使其导电性能增强, ,光线愈强，阻值愈低，这种光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象光照后电阻率发生变化的现象, ,称为称为内光电效应

46、内光电效应 。光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管5.5.光电式测距传感器光电式测距传感器No.1065.5.光电式测距传感器光电式测距传感器No.107照相机自动测光照相机自动测光光控灯光控灯工业控制工业控制5.5.光电式测距传感器光电式测距传感器No.108相机测距反射式光电传感器相机测距反射式光电传感器5.5.光电式测距传感器光电式测距传感器No.1095.5.光电式测距传感器光电式测距传感器 (1)(1)光强法光强法No.1105.5.光电式测距传感器光电式测距传感器 (1)(1)光强法光强法 为了避免外界环境中其它光源以及为了避免外界环境中其它光源以及日光

47、的干扰，获得信噪比高、真实的输日光的干扰，获得信噪比高、真实的输出信号，可以采用以下两种方法：同步出信号，可以采用以下两种方法：同步调制法调制法和和强脉冲法强脉冲法。 当被测目标为平面时，若当被测目标为平面时，若发射元件和接收元件轴线近发射元件和接收元件轴线近似平行，且相距很近时，接似平行，且相距很近时，接收元件的输出近似为：收元件的输出近似为：yk d2No.1115.5.光电式测距传感器光电式测距传感器 (1)(1)光强法光强法采用光纤的光强法测距传感器采用光纤的光强法测距传感器 No.1125.5.光电式测距传感器光电式测距传感器 (2)(2)相位法相位法相移法检测距离相移法检测距离 N

48、o.1135.5.光电式测距传感器光电式测距传感器 (2)(2)相位法相位法表面倾斜角度的测量表面倾斜角度的测量No.1145.5.光电式测距传感器光电式测距传感器 (3)(3)光学三角法光学三角法No.1156.6.气压式测距传感器气压式测距传感器No.1167.7.微波和无线电波测距传感器微波和无线电波测距传感器 这类传感器的基本原这类传感器的基本原理是通过天线向外发射理是通过天线向外发射电磁波信号，测量被目电磁波信号，测量被目标物体反射回来的信号标物体反射回来的信号与发射信号的时间间隔。与发射信号的时间间隔。通常，这种传感器只适通常，这种传感器只适合于测量较大距离，一合于测量较大距离，一

49、般用在室外移动机器人，般用在室外移动机器人，做避障和导航用。做避障和导航用。智能汽车智能汽车No.117各类测距传感器的比较各类测距传感器的比较传感器传感器比较项目比较项目接触式接触式( (微动开关微动开关) )感应式感应式( (电涡流电涡流) )电容式电容式超声式超声式光强法光强法光学光学相位法相位法光学光学三角法三角法气压式气压式微波微波/ /无线电无线电实际测量实际测量范围范围几厘米几厘米几厘米几厘米几毫米几毫米几厘米几厘米几米几米几毫米几毫米几十几十厘厘米米几毫米几毫米1 1米米几毫米几毫米几十几十厘厘米米几毫米几毫米几厘几厘几几公公里里外形尺寸外形尺寸小小中等中等中等中等中等中等很小

50、很小小小中等中等小小大大距离信息距离信息不测量不测量测量测量不测量不测量测量测量测量测量测量测量测量测量不测量不测量测量测量精精 度度/ /好好/ /一般一般好好一般一般中等中等/ /不定不定响应时间响应时间短短很短很短很短很短长长很短很短很短很短很短很短中等中等不定不定受被测物体受被测物体影响影响无无有有有有无无有有很短很短很短很短无无有有受被测物体几何受被测物体几何尺寸及位置尺寸及位置影响影响无无有有有有有有有有有有稍有稍有有有有有机械强度机械强度一般一般非常好非常好好好一般一般中等中等中等中等中等中等一般一般中等中等受外界噪音受外界噪音干扰的影响干扰的影响无无无无无无有有稍有稍有稍有稍有

51、稍有稍有无无有些有些影响影响使用的难易使用的难易程度程度不定不定很容易很容易不定不定中等中等容易容易困难困难中等中等易易很难很难数据处理代价数据处理代价低低低低低低低低低中低中很低很低很低很低低低很低很低No.118各类测距传感器的特点各类测距传感器的特点特点特点种类种类主动主动/被动被动二值信息二值信息/非二值信非二值信息息输出信号的性质输出信号的性质接触式接触式(微动开关微动开关)被动被动二值二值外界物体是否存在外界物体是否存在(接触接触)感应式感应式主动主动非二值非二值f (距离，被测物体磁性距离，被测物体磁性)电容式电容式主动主动二值二值(通常情况通常情况)外界物体是否存在外界物体是否

52、存在(非接触非接触)超声式超声式主动主动非二值非二值距离距离(渡越时间法渡越时间法)光强式光强式主动主动非二值非二值f (距离，反射率，表面位距离，反射率，表面位置置)光学相位法光学相位法主动主动非二值非二值距离距离(相移相移)光学三角法光学三角法主动主动非二值非二值距离距离(有时受表面倾斜影响有时受表面倾斜影响)气压式气压式主动主动二值（通常情况）二值（通常情况）外界物体是否存在外界物体是否存在(非接触非接触)微波微波/无线电波无线电波主动主动非二值非二值距离距离(渡越时间法渡越时间法)No.1196 6. .5 5 力觉力觉传感器传感器 力和力矩的一般检测方法：力和力矩的一般检测方法：1.

53、1.通过检测物体弹性变形测量力；通过检测物体弹性变形测量力；2.2.通过检测物体压电效应检测力；通过检测物体压电效应检测力；3.3.通过检测物体压磁效应检测力；通过检测物体压磁效应检测力；4.4.采用电动机、液压马达驱动的设备可以通过采用电动机、液压马达驱动的设备可以通过检测电动机电流及液压马达油压等方法测量检测电动机电流及液压马达油压等方法测量力或力矩；力或力矩；5.5.装有速度、加速度传感器的设备，可以通过装有速度、加速度传感器的设备，可以通过速度与加速度的测量推出作用力。速度与加速度的测量推出作用力。No.1206 6. .5 5 力觉力觉传感器传感器 力觉传感器的原理与应用：力觉传感器

54、的原理与应用：机器人手腕用力矩传感器原理机器人手腕用力矩传感器原理No.1216 6. .5 5 力觉力觉传感器传感器 力觉传感器的原理与应用：力觉传感器的原理与应用：无触点力矩检测原理无触点力矩检测原理No.1226 6. .5 5 力觉力觉传感器传感器 力觉传感器的原理与应用：力觉传感器的原理与应用： 力觉传感器主要使用的元件是力觉传感器主要使用的元件是电阻应变片。电阻应变片利用了电阻应变片。电阻应变片利用了金属丝拉伸时电阻变大的现象，金属丝拉伸时电阻变大的现象，它被贴在加力的方向上。电阻应它被贴在加力的方向上。电阻应变片用导线接到外部电路上可测变片用导线接到外部电路上可测量输出电压，得出

55、电阻值的变化。量输出电压，得出电阻值的变化。No.123力觉传感器的原理与应用：力觉传感器的原理与应用： 电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形电阻值随着所受机械变形( (伸长或缩短伸长或缩短) )的变化而发的变化而发生变化象。生变化象。 6 6. .5 5 力觉力觉传感器传感器No.124应变计金属应变计金属应变计No.125应变片测量电路应变片测量电路VER1R2R3R4ERRRRRRRRV)(32413142No.126ERRRRRRRR

56、V)(32413142令：令：RR 1dRRR4RRR32ERRdRRRRRdRRRV)()(RdRE4)21(RdR金属丝应变片：金属丝应变片：V V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变No.127电阻应变式传感器的应用：测力电阻应变式传感器的应用：测力No.128标准产品标准产品No.129桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量No.130电子称电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。No.131冲床生产记数冲床生产记数 和生产过程监测和生产过程监测No.132机器人握力测量机器人握力测量No.133链锯的磨链锯的

57、磨削机器人削机器人力控力控制可以让制可以让机器人进机器人进行精加工行精加工操作操作No.1346 6. .5 5 力觉力觉传感器传感器 大多数力传感器采用应变片作为敏感元大多数力传感器采用应变片作为敏感元件，一般情况下，机械手有三种部位可以安件，一般情况下，机械手有三种部位可以安装这些敏感元件：装这些敏感元件：1.1.在关节驱动器上安装；在关节驱动器上安装；2.2.在手爪与机械手的最后一个关节之间安装，在手爪与机械手的最后一个关节之间安装，即构成所谓的即构成所谓的“腕部力传感器腕部力传感器”；3.3.在手爪指尖上安装。在手爪指尖上安装。 No.1356 6. .5 5 力觉力觉传感器传感器夹持

58、力计算：夹持力计算：采用应变片对手指夹持力的测量采用应变片对手指夹持力的测量 fk SSxx() ()1221No.1366 6. .5 5 力觉力觉传感器传感器PUMA562机械手六维力传感器No.1376 6. .5 5 力觉力觉传感器传感器腕力传感器腕力传感器1.筒式腕力传感器123456xyyyxxzxxyyxyyyxxzxxyyFKPPFKPPFKQQQQMKQQMKQQMKPPPPNo.1386 6. .5 5 力觉力觉传感器传感器腕力传感器腕力传感器1.轮辐式腕力传感器No.1396 6. .5 5 力觉力觉传感器传感器腕力传感器腕力传感器1.轮辐式腕力传感器No.1406 6.

59、 .5 5 力觉力觉传感器传感器腕力传感器腕力传感器2. 腕力传感器的性能要求 腕力传感器是将作用在手上的力和力矩转换为可测量的腕部的挠取和位移，力传感器所引起的腕部运动不应影响机械手的定位精度，对这类传感器的性能要求可归纳如下：刚性高结构紧凑线性减小滞后和内摩擦No.1416 6. .5 5 力觉力觉传感器传感器腕力传感器腕力传感器3.力和力矩的还原（轮辐式腕力传感器）F= RW F=力、力矩T=Fx,Fy, Fz, Mx, My, MzTW=原始数据T=W1, W2, W3, W4, W5, W6, W7, W8T RRRRRRRRRR111218212228616268No.1426 6. .5 5 力觉力觉传感器传感器腕力传感器腕力传感器3.力和力矩的还原（筒式腕力传感器）FFFTTTaaaaaaa