机器人传感器课件

1、12.1 概述机器人与机器人传感器12.2 触觉传感器12.3 接近觉传感器12.4 视觉传感器12.5 听觉传感器第12章 机器人传感器The greatest pride in life is exploration and dedication 12.1 概述机器人与机器人传感器一、机器人的定义在科技界，科学家会给每一个科技术语一个明确的定义，机器人问世已有几十年，但对机器人的定义仍然没有一个统一的意见，主要是因为机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。其实并不是人们不想给机器人一个完整的定义，自机器人诞生之日起人们就不断地尝试着说明到底什么是机器人。而随着机器人技术的飞速发

2、展和信息时代的到来，机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断充实和创新。 1920年捷克作家卡雷尔卡佩克发表了科幻剧本罗萨姆的万能机器人。在剧本中，卡佩克把捷克语“Robota”写成了“Robot”，“Robota”是奴隶的意思。该剧预告了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响，引起了大家的广泛关注，被当成了机器人一词的起源。 在该剧中，机器人按照其主人的命令默默地工作；没有感觉和感情，以呆板的方式从事繁重的劳动。后来，罗萨姆公司取得了成功，使机器人具有了感情，机器人发觉人类十分自私和不公正，终于造反了，机器人的体能和智能都非常优异，因此消灭了人类。）但是机器人不知道如何制造它们自己，认为

3、它们自己很快就会灭绝，所以它们开始寻找人类的幸存者，但没有结果。最后，一对感知能力优于其他机器人的男女机器人相爱了。这时机器人进化为人类，世界又起死回生了。卡佩克提出的是机器人的安全、感知和自我繁殖问题。科学技术的进步很可能引发人类不希望出现的问题。虽然科幻世界只是一种想像，但人类社会将可能面临这种现实。 为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫1950年在我是机器人一书中提出了“机器人三原则”：1机器人不应伤害人类；2机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；3机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。 我国

4、科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。” 联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。” 人们已经发展了具有感知、决策、行动和交互能力的智能机器，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。这些机器人从外观上已远远脱离

5、了最初仿人形机器人和工业机器人所具有的形状，其功能和智能程度也大大增强，从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。 西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人。 春秋后期，我国著名的木匠鲁班，在机械方面也是一位发明家，据墨经记载，他曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下”，体现了我国劳动人民的聪明智慧。 公元前2世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人自动机。它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的雕像，它可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。 1800年前的汉代，大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车。计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行

6、十里击钟一下。 后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其运送军粮，支援前方战争。 1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶，并在大阪的道顿堀演出。1. 古代机器人二、机器人的发展史 1738年，法国天才技师杰克戴瓦克逊发明了一只机器鸭，它会嘎嘎叫，会游泳和喝水，还会进食和排泄。瓦克逊的本意是想把生物的功能加以机械化而进行医学上的分析。 现在保留下来的最早的机器人是瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，它制作于二百年前，两只手的十个手指可以按动风琴的琴键而弹奏音乐，现在还定期演奏供参观者欣赏，展示了古代人的智慧。 19世纪中叶自动玩偶分为2个流派，即科学幻想派

7、和机械制作派，并各自在文学艺术和近代技术中找到了自己的位置。1831年歌德发表了浮士德，塑造了人造人“荷蒙克鲁斯”；1870年霍夫曼出版了以自动玩偶为主角的作品葛蓓莉娅；1883年科洛迪的木偶奇遇记问世；1886年未来的夏娃问世。在机械实物制造方面，1893年摩尔制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。 进入20世纪后，机器人的研究与开发得到了更多人的关心与支持，一些实用化的机器人相继问世，1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”，并在纽约举行的世界博览会上展出。它是一个电动机器人，装有无线电发报机，可以回答一些问题，但该机器人不能走动。 现代机器人的研究始

8、于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。 1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念：借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外形特征迥异，主要由类似人的手和臂组成。 1965年，MIT的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人

9、系统。 2. 现代机器人 1967年日本成立了人工手研究会（现改名为仿生机构研究会），同年召开了日本首届机器人学术会。1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。1970年以后，机器人的研究得到迅速广泛的普及。 1973年，辛辛那提米拉克隆公司的理查德豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人，它是液压驱动的，能提升的有效负载达45公斤。到了1980年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为“机器人元年”。随后，工业机器人在日本得到了巨大发展，日本也因此而赢得了“机器人王国”的美称。 随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人

10、的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。 80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、空中机机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。将机器人的技术（如传感技术、智能技术、控制技术等）扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机器机器人化机器。当前与信息技术的交互和融合又产生了“软件机器人”、“网络机器人”的名称，这也说明了机器人所具有的创新活力。三、现代机器人的

11、分代1. 第一代机器人 英格伯格和德沃尔制造的工业机器人是第一代机器人，属于示教再现型，即人手把着机械手，把应当完成的任务做一遍，或者人用“示教控制盒”发出指令，让机器人的机械手臂运动，一步步完成它应当完成的各个动作。 因未采用传感器，第一代机器人不具有感知和反馈能力。 第二代机器人是有感觉的机器人：它们对外界环境有一定感知能力，即具有听觉、视觉、触觉等功能。机器人工作时，根据感觉器官传感器获得的信息，灵活调整自己的工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。如：有触觉的机械手可轻松自如地抓取鸡蛋，具有嗅觉的机器人能分辨出不同饮料和酒类。2. 第二代机器人 第三代机器人是智能机器人，它不仅具有感

12、觉能力，而且还具有独立判断和行动的能力，并具有记忆、推理和决策的能力，因而能够完成更加复杂的动作。中央电脑控制手臂和行走装置，使机器人的手完成作业，脚完成移动，机器人能够用自然语言与人对话。 智能机器人的“智能”特征就在于它具有与外部世界对象、环境和人相适应、相协调的工作机能。从控制方式看，智能机器人不同于工业机器人的“示教、再现”，不同于遥控机器人的“主从操纵”，而是以一种“认知适应”的方式自律地进行操作。智能机器人在发生故障时，通过自我诊断装置能自我诊断出故障部位，并能自我修复。3. 第三代机器人探路者机遇号四、机器人传感器传感器使得机器人初步具有类似于人的感知能力，不同类型的传感器组合构

13、成了机器人的感觉系统。 机器人传感器主要可以分为视觉、听觉、触觉、力觉和接近觉五大类。不过从人类生理学观点来看，人的感觉可分为内部感觉和外部感觉，类似的，机器人传感器也可分为内部传感器和外部传感器。1. 内部传感器机器人内部传感器的功能是测量运动学和力学参数，使机器人能够按照规定的位置、轨迹和速度等参数进行工作，感知自己的状态并加以调整和控制。内部传感器通常由位置传感器、角度传感器、速度传感器、加速度传感器等组成。角度传感器2. 外部传感器 广义来看，机器人外部传感器就是具有人类五官的感知能力的传感器。 外部传感器主要用来检测机器人所处环境及目标状况，如是什么物体，离物体的距离有多远，抓取的物

14、体是否滑落等。从而使得机器人能够与环境发生交互作用并对环境具有自我校正和适应能力。12.2 机器人的触觉 一般认为触觉包括接触觉、压觉、滑觉、力觉四种，狭义的触觉按字面上来看是指前三种感知接触的感觉。1. 接触觉传感器 接触觉传感器实例 高密度智能压觉传感器 P266 图14-6 硅电容压觉传感器阵列 P266 图14-7开关式触觉传感器接触觉传感器实例接触觉传感器实例压阻式阵列触觉传感器碳毡（CSA）灵敏度高，具有较强的耐过载能力。缺点是有迟滞，线性差。 导电橡胶的电阻也会随压力的变化而变化，因此也常用来作为触觉传感器的敏感材料。碳毡（CSA）接触觉传感器实例对于非阵列接触觉传感器，信号的处

15、理主要是为了感知物体的有无。由于信息量较少，处理技术相对比较简单、成熟； 对于阵列式接触觉传感器，其目的是辨识物体接触面的轮廓。这种信号的处理将涉及到图像处理、计算机图形学、人工智能、模式识别等学科，目前还不成熟，有待进一步研究。接触觉传感器信号处理2. 压觉传感器 压觉用于握力控制与手的支撑力检测，实际是接触觉的延伸。现有压觉传感器一般有以下几种： 1. 利用某些材料的压阻效应制成压阻器件，将它们密集配置成阵列，即可检测压力的分布； 2. 利用压电晶体的压电效应检测外界压力； 3.利用半导体压敏器件与信号电路构成集成压敏传感器； 4.利用压磁传感器和扫描电路与针式接触觉传感器构成压觉传感器。

16、压觉传感器原理 这种传感器是对小型线性调整器的改进。在调整器的轴上安装了线性弹簧。一个传感器有l0mm的有效行程。在此范围内，将力的变化转换为遵从虎克定律的长度位移，以便进行俭测。在一侧手指上，每个6mm8mm的面积分布一个传感器来计算，共排列了28个(四行七排)传感器。左右两侧总共有56个传感器输出。用四路A/D转换器，高速多路调制器对这些输出进行转换后进入计算机。 下图a为手指抓住物体的状态；b为手指从a状态稍微握紧的状态。压觉传感器实例高密度智能压觉传感器 （压阻式）压觉传感器实例硅电容压觉传感器阵列 （电容式）3. 力觉传感器 力觉传感器使用的主要元件是电阻应变片。 通常我们将机器人的

17、力传感器分为三类： （1）关节力传感器 装在关节驱动器上的力传感器，称为关节力传感器，用于控制运动中的力反馈。应变式关节力传感器结构 （2）腕力传感器 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。 SRI （Stanford Research Institute）研制的六维腕力传感器，如图所示。它由一只直径为75mm的铝管铣削而成，具有八个窄长的弹性梁，每个梁的颈部只传递力，扭矩作用很小。梁的另一头贴有应变片。图中从Px+到Qy-代表了8根应变梁的变形信号的输出。SRI六维腕力传感器 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

18、联结处有一个柔性环节，在四根交叉梁上共贴有32个应变片（图中以小方块），组成8路全桥输出 。十字梁腕力传感器 传感器的内圈和外圈分别固定于机器人的手臂和手爪，力沿与内圈相切的三根梁进行传递。每根梁上下、左右个贴一对应变片，三根梁上共有6对应变片，分别组成六组半桥，对这6组电桥信号进行解耦可得到六维力（力矩）的精确解。三梁腕力传感器 （3）基座力传感器 传感器装在基座上，机械手装配时用来测量安装在工作台上的工件所受的力。4. 滑觉传感器 一般可将机械手抓取物体的方式分为两种：硬抓取和软抓取。 硬抓取（无感知时采用）：末端执行器利用最大的夹紧力抓取工件。 软抓取（有滑觉传感器时采用）：末端执行器使

19、夹紧力保持在能稳固抓取工件的最小值，以免损伤工件。此时机器人要抓住物体，必须确定最适当的握力大小。因此需检测出握力不够时物体的滑动，利用这一信号，在不损坏物体的情况下牢牢抓住物体。 滑觉传感器工作原理采用压觉传感器实现滑觉感知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。滚筒式滑觉传感器钢球指针与被抓物体接触。若工件滑动，则指针振动，线圈输出信号。通过检测滑动时的微小振动来检测滑动基于振动的机器人专用滑觉传感器利用光纤传感器检测形变光纤

20、式滑觉传感器 当有力作用时，通过弹性元件的变形使发射和接收光纤的端面与发射面之间的距离发生变化，接收光纤所接收到的光强也随之变化。如果得出位移和转角的确定关系，便可得出传感器的输入输出转换关系。光纤式滑觉传感器工作原理12.3 机器人的接近觉接近觉主要感知传感器与对象物之间的接近程度，即需要检测对象物体与传感器之间的距离。接近觉传感器有电磁感应式、光电式、电容式、气压式、超声波式、红外式以及微波式等多种类型。一、电磁感应式接近觉传感器 变化的磁场将在金属体内产生感应电流。这种电流的流线在金属体内是闭合的，所以称为涡旋电流（简称涡流），而涡流的大小随金属体表面与线圈的距离大小而变化。当电感线圈内

21、通以高频电流时，金属体表面的涡流电流反作用于线圈L，改变L内的电感大小。通过检测电感便可获得线圈与金属体表面的距离信息。二、电容式接近觉传感器 利用平板电容器的电容C与极板距离d成反比的关系。其优点是对物体的颜色、构造和表面都不敏感且实时性好；其缺点是必须将传感器本身作为一个极板，被接近物作为另一个极板。这就要求被测物体是导体且必须接地，大大降低了其实用性。三、超声波接近觉传感器 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能

22、达到工业实用的要求，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。超声波测距原理 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2 。这就是所谓的时间差测距法。 从以上公式可知超声波测距的误差来源有两个：一是计时误差。如当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20室温)，忽略声速的传播误差，时间误差t(0.001/344) 0.000002907s ，即

23、2.907毫秒。采用MHz级的高精度石英晶振一般可以达到微秒量级的误差。 另一个是传播速度误差。超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。当温度0时超声波速度是332m/s, 30时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。若超声波在30的环境下以0的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5mm。四、光纤接近觉传感器五、光电式接近觉传感器12.4 机器人的视觉视觉传感器是组成智能机器人最重要的传感器之一。目前机器人视觉多数是用电视摄像机和对信号进行处理的运算装置来实现的，由于其主体

24、是计算机，所以又称为计算机视觉。 机器人视觉传感器的工作过程可分为四个步骤：检测、分析、绘制和识别。一、视觉检测视觉信息一般通过光电检测转化成电信号。常用的光电检测器有摄像管和固态图像传感器。 在处理三维空间问题时，位置信息必不可少。获得距离信息的方法有光投影法、立体视法。光投影法光投影法是向被测物体投射特殊形状的光束并检测其反射光，即可获得位置信息。目前常用的是采用激光扫描法。立体视法立体视法(Stereoscopy)就是指同一物体的两张具有轻微角度差别的照片放在一起（分别用左右双眼）观看，得到一种深度的感觉，从而产生常规立体视觉的方法。那么（最基本的）立体摄影就是（模拟双眼的位置）从左右两

25、个具有轻微角度差异的观察点分别拍摄同一个物体，然后将这两幅照片以同样的方式展示出来，让左右摄像机分别采集左视觉和右视觉的照片，通过计算机的合成处理，我们就获得了与人眼直接观看被摄物体完全一致的、有立体深度的立体画面。 人类的眼睛就像是一套功能完整的摄影系统，具有变焦镜头、可变光圈以及能将光信号转变成大脑可以识别的电信号。 在二维图像中（如一张普通的平面照片），利用物体提供的有关尺寸和重叠等视觉线索，我们可以“判断出”位于背景前这些物体的前后排列次序，但是却无法知道它们之间究竟距离多远。幸好我们人类拥有了两只眼睛，并且都长在前面的脸部，呈左右排列，间隔约为65mm。在我们观察物体时，由于两只眼睛所处的角度有略微不同，两只眼睛看到的图像还是有略微差别的，我们的大脑将这两幅画面综合在一起，形成一种有深度的视觉画面。这个综合处理的过程十分迅