5章机器人传感器

第5章机器人传感器第一代机机器人：：不具有有感知和和反馈，，示教再再现型第二代机机器人：：对外界界环境有有一定感感知能力力，具有有视觉、、触觉、、听觉等等功能。。第三代机机器人：：智能机机器人，，具有感感觉能力力，有记记忆、推推理和决决策的能能力，有有与外部部世界———对象象、环境境和人相相适应、、相协调调的工作作机能。。为了检测测作业对对象、环环境或机机器人与与它们的的关系，，在机器器人上安安装了触触觉、视视觉、力力觉、接接近觉、、超声波波等传感感器，进行定位位和控制制，实现类似似人类感感知作用用。机器人传传感器是是指机器器人对内内外部环环境感知知的物理理量变换换为电量量输出的的装置。。机器人传传感器分为内部部传感器器和外部部传感器器。机器人的的内部传传感器是是安装在在机器人人自身中中,用来来感知它它自己的的状态，，以调整整并控制制机器人人的行动动。它通通常由位位置、加加速度、、速度及及压力传传感器组组成。机器人的的外部传传感器是是检测环环境、目目标的状状态特征征，使机机器人---环境境发生交交互作用用，从而而使机器器人对环环境有自自校正和和自适应应能力。。类型：包包括触觉觉传感器器、视觉觉传感器器、接近近觉传感器、听觉传传感器等等。控制器内部传感感外部传感感机器人位置传感感器速度传感感器加速度传传感器力和压力力传感器器微动开关关红外传感感器接触和视视觉传感感器接近觉传传感器超声波传传感器视觉传感感器语音合成成器内传感器器用于测测量机器器人自身身状态测量与机机器人作作业有关关的外部部环境多指协调调控制抓抓取规划划多指多关关节灵巧机械械手三个手指指3个关节节电机角度传感感器复合触觉觉传感器器通过从结结构与功功能上模模仿人手手，实现现对各种种形状物物体的灵灵巧操作作，精确确的力控控制与运运动控制制传感器在在机器人人身上分分布5.1机机器器人内部部传感器器机器人内内传感器器包括位位移（位位置）传传感器、、速度、、加速度度传感器器等。一、位置置传感器器1.电位位器式位位移传感感器直线电位位器和圆圆形电位位器，用用作直线线位移和和角位移移传感器器。电位器式式位移传传感器结结构简单单，性能能稳定可可靠，精精度高，，较方便便地选择择其输出出信号范范围。电位器式式位移传传感器的的可动电电刷与被被测物体体相连。。物体的的位移引引起电位位器移动动端的电电阻变化化。阻值值的变化化量反映映了位移移的量值值，阻值值的增加加还是减减小则表表明了位位移的方方向。电位器式式位移传传感器位移和电电压关系系：E：输入电压压L：触头最大大移动距距离X：向左端移移动的距距离e：电阻右侧侧的输出出电压旋转型电电位器式式位移传传感器直线型电电位器式式位移传传感器2.编编码式位位移传感感器——光电编码码器光电编码码器是角角度（角角速度））检测装装置，通通过光电电转换，，将输出出轴上的的机械几几何位移移量转换换成脉冲冲数字量量的传感感器。具具有体积积小，精精度高，，工作可可靠等优优点，应应用广泛泛。一般装在在机器人人各关节节的转轴轴上，用用来测量量各关节节转轴转转过的角角度。光电编码码器由光光栅盘和和光电检检测装置置组成。。常见的光光电编码码器由光光栅盘，，发光元元件和光光敏元件件组成。。光电码盘盘随电动动机转动动，输出出脉冲信信号。根根据旋转转方向用用计数器器对输出出脉冲计计数就能能确定电电动机的的位移或或转速。。根据其刻刻度方法法及信号号输出形形式，分分为增量量式、绝绝对式以以及混合合式三种种。透明圆盘盘上设置置n条同同心圆环环，对环环带进行行二进制制编码。。16码道每个码道道上黑（不透透光）二二进制数数的1白（透光光），二进制数数的0码道沿径径向具有有不同的的二进制制值。码盘转动动，光电电元件接接受光信信号，并并转成相相应的数数字电信信号。增量式编编码器二、速度度传感器器速度传感感器：测测量机器器人关节节速度。。测速发电电机、增量光电编码码器。测速发电电机：把机械转转速变换换成电压压信号，，输出电电压与输输入的转转速成正正比。u=K**nK是常数数直流测速速发电机机的结构构原理1—永久磁磁铁；2—转子子线圈；；3—电电刷；4—整流流子测速发电电机转子子与机器器人关节节伺服驱驱动电动动机相连连，就能能测出机机器人运运动过程程中关节节转动速速度。测速发电电机在机机器人控控制系统统中有广广泛的应应用。直流测速速发电机机交流测速速发电机机5.2机机器人人外部传传感器外部传感感器用来来检测机机器人所所处环境境及目标标状况，，从而使使得机器器人能够够与环境境发生交交互作用用并对环环境具有有自我校校正和适适应能力力。如：是什什么物体体，离物物体的距距离有多多远，抓抓取的物物体是否否滑落等等。广义来看看，机器器人外部部传感器器就是具具有人类类五官的的感知能能力的传传感器。。外力沿压压电材料料特定晶晶向作用用使晶体体产生形形变，在在相应的的晶面上上将产生生电荷，，去掉外外力后压压电材料料又重回回不带电电状态，，这种由由外力作作用产生生电极化化的现象象叫正压压电效应应。逆压电效效应：压压电效应应是可逆逆的。在在压电材材料特定定晶向施施加电场场时，不不仅有极极化现象象发生，，还特产产生机械械形变。。去掉电电场，应应力和形形变也随随之消失失，这种种现象称称作逆压压电效应应。半导体材材料受到到外力作作用时电电阻率会会发生变变化。原原因是外外力作用用使原子子点阵排排列发生生变化，，晶格间间距的改改变使禁禁带宽度度变化，，导致载载流子迁迁移率及及浓度变变化，即即电阻率率发生变变化。压阻效应应压电效应应物质在光光照作用用下释放放电子的的现象称称为光电电效应，，释放的的电子叫叫光电子子，光电电子在外外电场作作用下形形成的电电流叫光光电流。。由实验验发现的的光电效效应的规规律是光光电流大大小与入入射光频频率有关关，当入入射光频频率低于于某一极极限频率率时，将将不产生生光电效效应。只只有当入入射光频频率高于于极限额额串时，，光电流流的大小小才与入入射光强强度成正正比。在既无外外电场也也无外力力作用时时，电石石、水品品等晶体体材料受受温度变变化的影影响，其其品格的的原子排排列发生生变化，，也能产产生自发发极化。。这是由由于当环环境温度度变化时时，晶体体的热膨膨胀和热热振动状状态发生生变化，，在晶面面上将产产生电荷荷，表现现出自发发极化现现象，称称作热释释电效应应。热释电效效应光电效应应一、力觉觉传感器器力觉是指指对机器器人的指指、肢和和关节等等运动中中所受力力的感知知。主要包括括腕力、、关节力、、指力和支座力力传感器，是机器人人重要的的传感器器之一。。关节力传感器:测量驱动动器本身身的输出出力和力力矩，用用于控制制中的力力反馈。。腕力传感感器：测测量作用用在末端端执行器器上的各各向力和和力矩。。指力传感感器：测测量夹持持物体手手指的受受力情况况。力觉传感感器主要要使用的的元件是是电阻应应变片。。六维腕力力传感器器具有八个个窄长的的弹性梁梁，每个个梁只传传递力。。梁的另一一头贴有有应变片片。图中中从Px+到Qy-代表了8根应变变梁的变变形信号号的输出出。日本大和和制衡株株式会社社林纯一一研制的的腕力传传感器。。整体轮轮辐式结结构，传传感器在在十字梁梁与轮缘缘联结处处有一个个柔性环环节，在在四根交交叉梁上上共贴有有32个个应变片片（图中中小方块块），组组成8路路全桥输输出。。十字梁腕腕力传感感器二、接近近觉传感感器接近觉传传感器：：感知传传感器与与物体之之间接近近程度。。主要有两两个用途途：避障障和防止止冲击。。移动机器器人绕开开障碍物物机械手抓抓取物体体时柔性性接触探测的距距离一般般在几毫毫米到十十几厘米米之间。。一般采用用非接触触型测量量元件。。常用有电电涡流式式、光纤纤式、超超声波式式及红外外线式等等类型。。1.电涡涡流式传传感器变化的磁磁场将在在金属体体内产生生感应电电涡流。。涡流的大大小随金金属体表表面与线线圈的距距离大小小而变化化。当电感线线圈内通通以高频频电流时时，金属属体表面面的涡流流电流反反作用于于线圈L，改变变L内的的电感大大小。通过检测测电感便便可获得得线圈与与金属体体表面的的距离信信息。2.光纤纤式传感感器光纤在远远距离通通信和遥遥测方面面应用广广泛。光纤接近近觉传感感器可以以检测较较远距离离的目标标。具有抗电电磁干扰扰能力强强，灵敏敏度高，，响应快快的特点点。只能检测出不透明物体可检测透光和不透光材料可检测透光或半透光物体反射光3.超超声波接接近觉传传感器检测物体体的存在在和测量量距离，，不能用用于测量量小于30至50cm的距离离。利用超声声波检测测迅速、、简单方方便、对材料的的依赖性性小、易于实实时控制制，测量量精度高高，应用用广泛。。在移动式式机器人人上，检检验前进进道路上上的障碍碍物，避避免碰撞撞。超声波传传感器对对于水下下机器人人的作业业非常重重要。水水下机器器人安装装超声波波传感器器后能使使其定位位精度达达到微米米级。时间与超超声波的的传播速速度和距距离成正正比测量出超超声波从从物体发发射经反反射回到到该物体体（被接接收）的的时间压电效应应超声波发发射器向向某一方方向发射射超声波波，在发发射时刻刻的同时时开始计计时，超超声波在在空气中中传播途途中碰到到障碍物物即返回回，超声声波接收收器收到到反射波波立即停停止计时时。超声声波在空空气中的的传播速速度为340m/s，，根据计计时时间间t，就就可以计计算出发发射点距距障碍物物的距离离(s))，即：：s=340t/2----------时间差差测距法法。超声波测测距误差差：一是是计时误误差。当当要求测测距误差差小于1mm时时，若超超声波速速度C==344m/s(20℃室室温)，，忽略声声速的传传播误差差，时间间误差△△t<((0.001//344)≈≈0.000002907s，即即2.907毫毫秒。采采用MHz级的的高精度度石英晶晶振一般般可以达达到微秒秒量级误误差。另一个是是传播速速度误差差。超声声波传播播速度受受空气密密度影响响，空气气密度越越高则超超声波传传播速度度就越快快，而空空气密度度又与温温度有关关。当温温度0℃℃时超声声波速度度是332m//s,30℃℃时是350m/s，，超声波波速度变变化为18m//s。若若超声波波在30℃的环环境下以以0℃的的声速测测量100m距距离，测测量误差差达到5m，测测量1m误差将将达到5mm。。小科普：：超声波波测距原原理4.红红外线接接近觉传传感器任何物质质，只要要它本身身具有一一定的温温度（高高于绝对对零度）），都能能辐射红红外线。。非接触式式测量，，红外发发光管发发射经调调制的信信号，经经目标物物反射，，红外光光敏管接接收到红红外光强强的调制制信号。。具有灵灵敏度高高，响应应快等优优点。发送器和和接收器器都很小小，能够够装在机机器人夹夹手上。。易于检检测出工工作空间间内是否否存在某某个物体体。三、触觉觉传感器器触觉是仅仅次于视视觉的一一种重要要感知形形式。触觉能保保证机器器人可靠靠地抓握握各种物物体，也也能使机机器人获获取环境境信息，，识别物物体形状状和表面面纹理，，确定物物体空间间位置和和姿态参参数。机器人触触觉与视视觉一样样，基本本上是模模拟人的的感觉。。广义上上包括接接触觉、、压觉、、力觉、、滑觉等等与接触触有关的的感觉。。狭义上它它是机械械手与对对象接触触面上的的力感觉觉。触觉传感感器：测测量自身身敏感面面和外界界物体相相互作用用。触觉传感感器的作作用：(1)感感知操操作手指指的作用用力，使使手指动动作适当当。(2)识识别操操作物的的大小、、形状、、质量及及硬度等等。(3)躲躲避危危险，以以防碰撞撞障碍物物。抓住鸡蛋蛋开关式触触觉传感感器最早的触触觉传感感器为开开关式传传感器，，只有0和1两两个信号号，用于于表示接接触与不不接触。。光电开关关由发射射器、接接收器和和检测电电路三部部分组成成。发射射器对准准目标发发射光束束，在光光束被中中断时产产生一个个开关信信号变化化指端应变变式触觉觉传感器器柔顺指端端结构柔顺人工工指端用用金属弹弹性薄板板4作弹弹性元件件，应变变片3作作敏感元元件，两两个金属属弹性薄薄板4安安装在支支撑座1上。当人工手手指抓握握物体时时，触头头7向左左滑动，，由压头头5作用用在弹性性元件4上。凸缘到盖盖板的距距离为最最大量程程。当被被抓物体体重量超超过最大大量程时时，凸缘缘与盖板板接触，，将力传传到底座座2上。。触头7右右侧为封封装电变变流体部部分，两两层导电电橡胶11之间间用海绵绵隔开，，海绵层层填充电电变流体体。电流变流流体作为为人工手手指的皮皮下组织织介质，，没有通通电时．．电流变变流体层层作保护护层用；；通电时时，变成成塑性体体，借助助电流变变流体的的柔顺可可控性稳稳定抓握握，防止止被抓物物体滑落落。电流变流流体是一一种极具具工程应应用价值值的新型型智能材材料。电流变流流体是一一种加入入非导电电介质微微粒和高高分子表表面活性性剂混合合而成的的液体，，因其独独特的电电流变效效应成为为材料科科学领域域的研究究热点。。电流变效效应指液液体在电电场作用用下,电电流变流流体的力力学性质质发生变变化甚至至相变固固化。这这种变化化是可逆逆的、连连续无级级的和可可控制的的。电流变效效应的这这种特性性使电流流变流体体具有广广阔的工工程应用用前景。。小科普：：电流变变流体压阻阵列列触觉传传感器利用压阻阻材料制制成阵列列式触觉觉传感器器，可有有效地提提高阵列列数、阵阵列密度度、灵敏敏度、柔柔顺性和和强固性性。压阻阵列列触觉传传感器基基本结构构：压阻材料料上面排排列平行行的列电电极，下下面排列列平行的的行电极极，行列列交叉点点构成阵阵列压阻阻触元。。在压力作作用下，，触元的的触觉性性能可由由上下电电极间的的电阻值值表示。。压阻材料料：导电电橡胶、、碳毡((CSA)和碳碳纤维等等。导电橡胶胶是在橡橡胶类材材料中添添加金属属微粒而而构成的的聚合高高分子导导电材料料，具有有柔顺性性，电阻阻随压力力的变化化而变化化。导电橡胶胶作为压压阻材料料，工作作温度范范围宽，，可塑性性好，可可浇铸成成复杂((指尖))形状复复合曲面面，其输输出电压压信号强强，频率率响应可可达至100Hz，，但易疲疲劳、蠕蠕变大、、滞后大大。导电橡胶胶受压时时接触面面积增加加，电阻阻下降D型截面面导电橡橡胶作行连接导导线和列导电带带构成行列列寻址阵阵列。正向压力力通过改改变D型型截面橡橡胶的变变形程度度来改变变行与列列间的接接触电阻阻碳毡(CSA))碳毡是一一种渗碳碳纤维材材料，灵灵敏度高高，有较较强的耐耐过载能能力，缺缺点是迟迟滞大，，线性差差。在金属电电板间夹夹入碳毡毡，在负负载(压压力)作作用下，，导电接接触面积积增加，，纤维电电阻值下下降。可制成人人工指尖尖。压觉传感感器压觉是手手指给予予被测物物的力，，或者加加在手指指上外力力的感觉觉，实际是接接触觉的的延伸。。用于握力力控制与与手的支支撑力的的检测。。压觉传感感器主要要是分布布式压觉觉传感器器，敏感感元件排排列成阵阵列。常用敏感感元件有有:导电橡胶胶、感应应高分子子、应变变计、光光电器件件和霍尔尔元件..高密度智智能压觉觉传感器器（压压阻式））压觉传感感器实例例硅电容压压觉传感感器阵列列（电电容式））滑觉传感感器滑觉传感感器检测测垂直于于加压方方向的力力和位移移。修正受力力值、防防止滑动动、进行行多层次次作业及及测量物物体重量量和表面面特性等等的目的的。例如：机机器人的的手指夹夹住物体体，为了了不发生生滑动，，最小把把持力：：F=G/μ0利用滑觉觉传感器器判断是是否握住住物体，，以及应应该使用用多大的的力等。。检测滑动动方法：：1)将滑滑动转换换成滚球球和滚柱柱的旋转转。2)用压压敏元件件和触针针，检测测滑动时时的微小小振动。。3)检测测出即将将发生滑滑动时，，手爪部部分的变变形和压压力。滚球式滑滑觉传感感器钢球表面面有导体体和绝缘缘体配置置成的网网眼。当当工件滑滑动时，，金属球球随之转转动，在在触针上上输出脉脉冲信号号。脉冲信号号的频率率反映了了滑移速速度，个个数对应应滑移的的距离，，能检测测全方位位的滑动动。滚轴式滑滑觉传感感器当手爪中中的物体体滑动时时，使滚滚轴旋转转，滚轴轴带动光光电传感感器和缝缝隙圆板板而产生生脉冲信信号。这些信号号通过计计数电路路和D//A转换换器转换换成模拟拟电压信信号，通通过反馈馈系统构构成闭环环控制。。可通过过不断修修正握力力，达到到消除滑滑动的目目的。基于振动动的机器器人滑觉觉传感器器通过检测测滑动时时的微小小振动来来检测滑滑动钢球指针针与被抓抓物体接接触。若若工件滑滑动，则则指针振振动，线线圈输出出信号。。机器人视视觉视觉传感感器是智智能机器器人最重重要的传传感器之之一。机器人视视觉通过过视觉传传感器获获取环境境的二维维图像，，并通过过视觉处处理器进进行分析析和解释释，转换换为符号号，让机机器人能能够辨识识物体，，并确定定其位置置。又称为计计算机视视觉。在捕获图图像之后后，视觉觉传感器器将其与与内存中中存储的的基准图图像进行行比较，，以做出出分析。。欧姆龙视视觉传感感器FZ3通过摄像像头捕捉捉图像信信息，检检测拍摄摄对象的的数量、、位置关关系、形形状等特特点，用用于判断断产品是是否合格格或将检检验数据据传送给给机器人人等其它它生产设设备。FZ3从从微妙的的色差乃乃至光泽泽物体的的表面伤伤痕都能能清晰识识别机器视觉觉系统称称现代工工业生产产的“机器眼睛睛”。德国SICKInspectorPIM60视觉觉传感器器应用：机器人抓抓取定位位零部件组组装检查查、定位位、尺寸寸测量太阳能硅硅片边缘缘缺陷检检查包装物标标签检测测AGV视视觉导导航Banner工工程公公司提供供的部分分视觉传传感器能能够捕获获130万万像素，，无论距距离目标标数米或或数厘米米远，传传感器都都能“看看到”十十分细腻腻的目标标图像。。机器人视视觉传感感器的工工作过程程可分为为四个步步骤：检检测、分分析、绘绘制和识识别1.视觉觉检测视觉信息息一般通通过光电电检测转转化成电电信号。。光电检测测器有摄摄像管和和固态图图像传感感器。获得距离离信息的的方法有有光投影影法、立立体视法法。光投影法法：向被被测物体体投射特特殊形状状的光束束并检测测其反射射光，即即可获得得位置信信息。激激光扫描描法。立体视法法：同一一物体的的两张具具有轻微微角度差差别的照照片放在在一起观观看，产产生一种种深度的的常规立立体视觉觉的方法法。立体摄影影：从左左右两个个具有轻轻微角度度差异的的观察点点拍摄同同一个物物体，左左右摄像像机分别别采集左左视觉和和右视觉觉的照片片，通过过计算机机的合成成处理，，获得有有立体深深度的立立体画面面。视觉图像像分析成像图像像中的像像素含有有杂波，，必须进进行（预预）处理理。通过过处理消消除杂波波，把全全部像素素重新按按线段或或区域排排列成有有效像素素集合。。视觉图像像绘制指以识别别的目的的而从物物体图像像中提取取特征。。理论上上这些特特征应该该与物体体的位置置和取向向无关，，并包含含足够的的绘制信信息，以以便能唯唯一的把把一个物物体从其其他物体体中鉴别别出来。。图像识别别技术将事先物物体的特特征信息息存储起起来，然然后将此此信息与与所看到到的物体体信息进进行比对对。人类眼睛睛是一套套功能完完整的摄摄影系统统，具有有变焦镜镜头、可可变光圈圈以及能能将光信信号转变变成大脑脑可以识识别的电电信号。。在二维图图像中，，利用物物体提供供的有关关尺寸和和重叠等等视觉线线索，可可以“判判断出””位于背背景前这这些物体体的前后后排列次次序，但但是却无无法知道道它们之之间究竟竟距离多多远。人类两只只眼睛观观察物体体时，由由于两只只眼睛所所处的角角度有略略微不同同，看到到的图像像是有略略微差别别的。大大脑将这这两幅画画面综合合在一起起，形成成一种有有深度的的视觉画画面。处处理过程程十分迅迅速，而而一只眼眼睛看到到的画面面是没有有前后深深度的。。更为重要要的是，，大脑能能够根据据接受到到的两幅幅图像中中同一物物体之间间位差的的大小判判断出此此物体的的深度和和远近，，距离眼眼睛越远远，位差差就越小小，反之之就越大大。小科普：：人类视视觉原理理固态图像像传感器器CCD电荷藕合合图像传传感器CCDCCD采采用光电电转换原原理，将将被测物物体的光光像转换换为电子子图像信信号输出出的一种种大规模模集成电电路光电电元件。。CCD由由许多感感光单元元组成，，感光单单元形成成若干像像素点。。光学系统统将被测测物体成成像在CCD的的受光面面上，当当CCD表面受受到光线线照射时时，这些些像素点点将投射射到它的的光强转转换成电电荷信号号，将反反映光像像的电荷荷信号读读取并顺顺序输出出，完成成从光图图像到电电信号的的转换过过程。机器人的的听觉听觉也是是机器人人的重要要感觉器器官之一一。现在已经经部分实实现用机机器代替替人耳,,能通过过语音处处理及辨辨识技术术识别讲讲话人，，还能理理解一些些简单的的语句。。机器人听听觉系统统中的听听觉传感感器技术术已经非非常成熟熟。关键键问题是是语音识识别技术术。它与图像像识别同同属于模模式识别别领域，，而模式式识别技技术就是是最终实实现人工工智能的的主要手手段。传感器信信息融合合又称数数据融合合，是对对多种信信息的获获取、表表示其内内在联系系进行综综合处理理和优化化的技术术。传感器信信息融合合技术从从多信息息的视角角进行处处理及综综合，得得到各种种信息的的内在联联系和规规律，从从而剔除除无用的的