新型传感器第七章

新型传感器第七章第1页，课件共36页，创作于2023年2月概述一、机器人与传感器机器人定义：由计算机控制的能模拟人的感觉、手工操纵的和具有自动行走能力的而又足以完成有效工作的装置。机器人传感器定义：能把机器人目标物特性（或参量）变换为电量输出的装置。机器人通过传感器实现类似于人类的知觉作用。二、机器人的发展第一代：机械手--------未采用传感器第二代：采用传感器第三代：电脑化三、应用第2页，课件共36页，创作于2023年2月第一节机器人传感器功能与分类对敏感材料的柔性和功能有特定要求:因此，机器人传感器既包括传感器本身，也包含传感器的信号处理。它由获取信息和处理信息两部分有机地构成。机器人传感器的特点是：有别于其它种类的传感器:机器人传感器信息收集能力强,既能获取信息，又紧随环境状态进行大幅度变化。获取的信息实时地用于控制:用以决定机器人的行动。有和人类的五官对应的功能:能安装在机器人上第3页，课件共36页，创作于2023年2月传感器的信号获取与处理过程：接触觉传感器多半是经过①过程。信号获取→信号处理→信号提取→数据解释等几个层次的处理；并非所有传感器的信号处理都要经过这四个全过程；如视觉和高密度压觉传感器一般需经过③和④的的过程；位置、接近觉和压觉等传感器仅经过②过程；第4页，课件共36页，创作于2023年2月外部检测传感器：用于获取机器人周围环境或者目标物状态特征的信息，是机器人与周围进行交互工作的信息通道。其功能是让机器人对环境有自校正和自适应能力，很好地执行工作。接近觉、视觉、听觉、嗅觉、味觉等传感器。传感器的分类：内部检测传感器：以机器人本身的坐标轴来确定其位置，用来感知运动学参数。通过内部检测传感器，机器人可以了解自己的工作状态，调整和控制自己按照一定的位置、速度、加速度、压力和轨迹等进行工作。第5页，课件共36页，创作于2023年2月机器人传感器的分类及应用第6页，课件共36页，创作于2023年2月一、人眼与视觉人的80%以上的外界信息通过视觉所获取。对于机器人来说，视觉传感器也是最重要的传感器。第二节机器人视觉传感器1、

人眼的结构眼球壁：外层（角膜、巩膜）中层（虹膜、睫状体、脉络膜）内层（视网膜）屈光系统：角膜、房水、睫状肌、晶状体感光系统：视网膜、视神经、视中枢眼球的构造类似一台照相机：屈光系统＝镜头、感光系统＝底片第7页，课件共36页，创作于2023年2月

2、人的视觉功能

1）、立体感觉能力2）、测定物体大小及其所在位置远近的能力。

3）、自动跟踪和观察运动目标对象的能力。4）、人的视神经有快速接受和传输视觉信息的能力5）、感觉色彩的能力。第8页，课件共36页，创作于2023年2月

3、机器人视觉系统主要应用1）、用视觉进行产品检验，代替人的目检。包括：形状检验棗检查和测量零件的几何尺寸。形状和位置；缺陷检验检查零件是否损坏，划伤；齐全检验棗检查部件上的零件是否齐全。

2）、在机器人进行装配、搬运等工作时，用视觉系统对一组需装配的零、部件逐个进行识别，并确定它在空间的位置和方向，引导机器人的手准确地抓取所需的零件，并放到指定位置，完成分类、搬运和装配任务。3）、为移动机器人进行导航。第9页，课件共36页，创作于2023年2月人的双眼从不同的方位获取同一景物的信息，各自得到关于景物的二维图像，这左右两幅图像有着微小的区别，这种区别就叫做视差。人的大脑通过对左右两幅图像、以及两幅图像的视差进行分析和处理后，可以得到关于景物的光亮度、形状、色彩、空间分布等等信息。4、人眼的立体视觉第10页，课件共36页，创作于2023年2月当双眼注视着有限距离点B点时，B在视网膜上的像也落在左右眼的黄斑位置B1和Br。B点相对于左右眼的两视线的夹角O1BOr称作视差角，用θb表示。为了观看物点B，眼睛将偏转一定量的会聚角φ，显然，θb=2φ。双眼注视无穷远的点，该点与双目的夹角θ=0，无穷远的点经水晶体成的像都落在左右眼的黄斑处；第11页，课件共36页，创作于2023年2月A点在左、右眼上的线视差为：线视差是描述物点在空间中位置的重要参数，在机器人立体视觉中，视差也是一个十分重要的判定景物空间分布的因素之一。B相对于人眼的距离Zb为：Zb=b/tgφ空间中任意一点A的左右像点分别为A1和Ar，设线视差分别为Δl、Δr。第12页，课件共36页，创作于2023年2月1、激光扫描法

X=x(btgβ+Ll)/(xtgβ+Lf)Y=y(btgβ+Ll)/(xtgβ+Lf)二、机器人视觉方法结构分析。根据发射光线的空间角度β和反射光线空间角度α，以及发射源与电视摄像机之间的相对位置b的几何关系，就可以确定反射点的空间坐标Z：

tgα=x/LfOM=(Z+Ll)×tgα=x×(Z+Ll)/Lf MOlaser=Z×ctgβOM+MOlaser=b综合上式计算得：Z=(bLf–xLl)/(x+Lftgβ)A点的另外两个坐标值：第13页，课件共36页，创作于2023年2月机械扫描装置把激光光束投向景物空间，按照一定的顺序对景物空间进行二维扫描，即可得到景物空间各点的距离信息。如果用扇形光束代替点光束，只需进行一维扫瞄，就能快速测定CCD图像画面内全部点的距离信息。第14页，课件共36页，创作于2023年2月2、立体摄影法模仿人的双眼，用两个镜头光轴相互平行的摄像机从不同的方位记录图像。设坐标系X—Y—Z、Xl—Yl—Zl和Xr—Yr—Zr

。设景物空间有物点A和B，分别成像于a1和a2点，两视线的夹角O1AO2就称作视差角，以θa表示；θa=2b/Za 式中，2b为两CCD摄像机光轴之间的距离。显然，对于物点B，其视差角为：θb=2b/Zb

第15页，课件共36页，创作于2023年2月在CCD成像面上，物体的角视差实际上是以线视差来表现的。点A和点B视差角的差值Δθab称作立体视差：Δθab=θa-θb视差角的大小表征了物点的远近，如果近物点A和远物点B相对于CCD摄像机的视差角分别为θa、θb，必然θa>θb；反之，若θa<θb，则可以判断，认为物点A相对于物点B远。同样，立体视差的正负也能表征物点的远近。第16页，课件共36页，创作于2023年2月根据二维图像中的线视差和相对线视差，可以推算出空间物点的三维信息。设物点A)、B分别成像于Al(Xal、Yal、Zal)、Ar(Xar、Yar、Zar)和Bl(Xal、Yal、Zal)、Br(Xar、Yar、Zar)。A点的线视差ΔXa：A、B两点的线视差ΔXa、ΔXb为：物点A和物点B之间的相对线视差ΔXab为：第17页，课件共36页，创作于2023年2月第三节机器人触觉传感器机械人触觉可分为：接触觉、压觉、力觉、滑觉等几种。检测机器人的某些部位（如手或足）与外界物体是否接触，识别物体的形状和在空间的位置，保证机器人的手能牢固地抓住物体，或保证其足能稳稳地踩在地面上。机器人装上触觉传感器的目的:触觉是接触、滑动、压觉等机械刺激的总称。第18页，课件共36页，创作于2023年2月一、接触觉传感器接触觉传感器用来检测机器人的某些部位与外界物体接触与否，例如感受是否抓住零件，是否接触地面等。第19页，课件共36页，创作于2023年2月二、压觉传感器Vo=Vp

[(Cx-CR)/CF]=Vp(ΔC/CF)

用来检测机器人手指的握持面上承受的压力大小和分布，分布式压觉传感器是前述阵列式接触觉传感器的延伸。特点：小型轻便、响应快、阵列密度高、在线性好、可靠性高等。常用的敏感材料：导电橡胶或塑料、偏聚二氟乙烯薄膜（PVF2）、应变片阵列、磁弹性式压磁传感器阵列（如针式差动变压器、霍尔元件）、光电传感器阵列等。第20页，课件共36页，创作于2023年2月三、力觉传感器腕力传感器发展趋势：间接输出型腕力传感器：将传感器本身设计的简单化，经过复杂的计算求出传递矩阵，使用时要经过矩阵运算才能提取出六个力分量。用于感知机器人的指、肢和关节等在工作和运动中所受力的大小和方向，从而决定如何运动、采用什么姿势、以及推测对象物体的重量等。特点是感知多维的作用力。直接输出型腕力传感器：传感器结构比较复杂，简单的计算就能提取６个分量，甚至可以直接得到六个分量。第21页，课件共36页，创作于2023年2月

式中，K1、K2、K3、K4、K5、K6为比例系数，与各根梁所贴应变片的应变灵敏度有关。筒式六自由度腕力传感器：材料：铝。Fx=K1（Py++Py-

）Fy=K2（Px++Px-）Fz=K3（Qx++Qx-+Qy++Qy-）X、Y、Z方向的力Fx、Fy、Fz，转矩Mx、My、Mz：Mx=K4（Qy+-Qy-）My=K5（-Qx++Qx-）Mz=K6（Px+-Px--Py++Py-）第22页，课件共36页，创作于2023年2月

Fx=-fx1-fx3 Fy=-fy1-fy2-fy3-fy4 Fz=-fz2-fz4 Mx=afz2+afz4+bfy1-bfy3 My=-bfx1+bfz4+bfz2–bfz4 Mx=-afx1–afx3–bfy2+bfy4

挠性件十字梁式腕力传感器材料：铝

外端插入手腕框架，悬梁端部与腕框架的接合部装有尼龙球，目的是为了悬梁易于伸缩。为增加灵敏性，在与梁相接处的腕框架上切出窄缝。十字形悬梁实际上是一整体，其中央固定在手腕轴向。每根梁的上下左右侧面各贴一片应变片。相对面上的两片应变片构成一组半桥，共8只应变计，输出参数fx1、fx3、fy1

、fy2、fy3、fy4、fz2、fz4。X、Y、Z的力Fx、Fy、Fz和力矩Mx、My、Mz

：第23页，课件共36页，创作于2023年2月四、滑觉传感器用于机器人感知手指与物体接触面之间相对运动（滑动）的大小和方向，从而确定最佳大小的把握力，以保证既能握住物体不产生滑动，又不至于因用力过大而使物体发生变形或被损坏。第24页，课件共36页，创作于2023年2月四、仿生皮肤聚偏二氟乙烯（PVDF）是具有压电效应、热释电效应的高分子材料。利用PVDF可以制成接触觉、滑觉、温觉等传感器，是研制仿生皮肤的主要材料。工作温度范围宽、体电阻高、重量轻、柔顺性好、机械强度高、频响宽，很容易用热成形的办法加工成薄膜、细管或微粒。第25页，课件共36页，创作于2023年2月触觉传感器当物体与几十微米的PVDF薄膜有相对滑移时，指纹或凸点变形，引起诱导振动，发生应力变化，使PVDF膜产生电荷。触、滑、温觉上下两层PVDF之间，有电加热层和柔性隔热层，隔离成两个不同的物理测量空间。指纹状或有许多小凸点的表皮用普通橡胶制成。上层为两面镀银的整块PVDF，两面引出电极，可获取温觉、触觉信号。下层PVDF镀有条状电极，引线由导电胶粘接后引出，可以获取压觉和滑觉信号。第26页，课件共36页，创作于2023年2月为使PVDF有温觉，将上层PVDF保持在55℃左右，当与物体接触时，物体与表皮的温差形成热能传递，使PVDF极化面产生相应数量的电荷输出。当机器人的手爪(传感器)表面开始接触物体时，接触阶跃性应力使PVDF产生电荷，呈现单方向脉冲信号特征。即触觉信号。物体相对于传感器表层滑动时，摩擦力变化引起传感器表层的诱导振动，诱导振动使PVDF产生交变信号。即滑觉信号。第27页，课件共36页，创作于2023年2月由于PVDF薄膜丝纤维束有强的热释电效应，环境温度的变化使极间产生电荷，从而产生了温觉。合成橡胶基片内包含许多高分子充水薄膜微球。微球之间呈立式放置和缠绕式放置大量几十微米的PVDF薄膜丝神经纤维束。压电效应产生的电荷是x、y、z三方向的轴向应力和切向应力产生电荷的总和，所以它能感觉出三维应力，从而判断触觉、滑觉的大小及应力区域。第28页，课件共36页，创作于2023年2月

第四节机器人接近觉传感器机械人接近觉是介于触觉和视觉之间的感觉，感应的距离范围一般为几毫米至几十毫米，用于感知一定距离内场景的状况。常见的接近觉传感器有电磁式、光电式、电容式、气动式、超声式、红外线、微波式等多种类型。接近觉传感器是机器人用以探测自身与周围物体之间相对位置和距离的传感器第29页，课件共36页，创作于2023年2月一、电磁式接近觉传感器

焊接机器人多半使用涡流传感器来跟踪焊接缝，在200℃下工作，距离0~8mm时，误差小于4%。精度比较高、响应速度快、受环境影响小、结构简单、可以在高温下工作。金属物体内产生流线闭合的感应电流（即涡流）。涡流的大小与对象物表面的距离等有关。第30页，课件共36页，创作于2023年2月用永久磁铁和紧贴磁铁的圆柱形线圈构成。在远离物体时，永久磁铁的磁力线对称分布。当有金属（钢或铁等导磁金属）物体接近时，永久磁铁的磁力线分布发生不对称变化，用霍尔元件或集成磁敏传感器代替线圈，可感知近距离的静止物体的接近情况。第31页，课件共36页，创作于2023年2月只能感知金属物体，非金属材料构成的物体无法感知。永久磁铁磁力线分布的变化导致线圈的感应电流发生变化，检测出线圈输出电流就可以判断出物体的接近程度。线圈输出与物体距离之间的呈非线性关系。当距离小于0.25mm时，电流输出急剧变化。这种接近觉传感器所能感知的距离很近，对于小于几分之一毫米的近距离运动物体十分灵敏。第32页，课件共36页，创作于2023年2月二、光电式接近觉传感器发射透镜与接收透镜的光轴有一定的夹角θ。若接近到物体，光敏管有光电流输出；若没有接近到物体，光敏二极管无输出。传感器存在灵敏区域，通过调节两透镜的光轴夹角θ，可以调节