机器人感知智能 教案-第4章 机器人接近觉感知

PAGEPAGE27授课周次第周授课时间2024年月日至2024年月日课程章节第四章机器人接近觉感知4.1机器人接近觉感知概述1、接近觉感知的概述2、接近觉感知的发展和现状4.2红外传感器4.3微波传感器教学目的1、理解机器人接近觉感知概念2、理解红外传感器的微波传感器原理及应用内容提要及板书设计第四章机器人接近觉感知4.1机器人接近觉感知概述1、接近觉感知的概述2、接近觉感知的发展和现状4.2红外传感器1、概述和系统组成2、传感器原理1、功能与目前研究实现4.3微波传感器1、概述和系统组成2、微波特点3、微波传感器原理4、微波传感器的常见应用重点、难点及解决方案重点：机器人接近觉感知概念难点：红外传感器的微波传感器原理教学内容时间分配序号教学内容1接近觉感知的概念202接近觉感知的发展和现状303机器人红外传感器204机器人微波传感器20教学手段讲解教学形式（在右栏勾选）理实一体（）理论教学（）实验（）实训（）上机（）作业作业完成方式书面（）电子（）教学后记注：教案按周次填写，课堂组织和教学过程设计填写在附页中。附页：第周序号具体内容（课堂组织和教学过程设计）授课改进意见及实时教学效果记录第4章机器人接近觉感知4.1机器人接近觉感知概述4.1.1接近觉感知的概述随着科学技术的发展，机器人的发展逐渐呈现智能化，这要求覆盖在机器人表面的大面积、多功能传感系统能够完美地实现交互过程中各类信息的量化。在日常生活中，接近觉感知传感器最常见的使用场景就是各个场所的自动感应装置。机器人假手获取触觉信息一般是通过触觉传感器实现的，通过加载在机器人假手上的触觉传感器，假手的控制单元能收到假手抓握时的触觉信息，并根据触觉信息来调控假手的抓握力度。图4.1日常生活中接近觉感知传感器的常见使用场景4.1.1接近觉感知的发展和现状自1916年法国朗之万发明了世界上第一部超声波传感器到现在，超声波传感器己经完成从简单的借助回声定位到能够分析处理复杂信号的转变，其测量精度和可靠性都非常的高。在实际应用中，电容式接近觉感知传感器具有对光线、噪音、待测物的颜色、表面纹理等不敏感、检测范围较大等优点，这使得电容式接近觉感知传感器机器人的实际操作场景下具有极大的稳定性。图4.13兼具触觉与接近觉感知的传感器随着制作工艺的提高，现有工艺可以满足更精细的加工需求。因此，采用MEMS工艺制作加工的垂直结构的双模式电容电感接近式传感器逐渐被使用。为了让具备电容式接近传感器的服务型机器人安全完成与人交互的任务，需要提高传感器的柔性。柔性的器件能够在发生碰撞时，产生减震缓冲，提高安全性，还能够在曲面、被拉伸等苛刻环境中正常工作。图4.14垂直结构的电容-电感双模式接近觉感知传感器结构示意图4.2红外传感器4.2.1概述和系统组成接近觉感知传感器的主要优点是无接触，而由于所有的物质都会在温度的作用下将内能转化为电磁波向外辐射能量。所以为了实现电磁波的无接触测量，红外检测传感器应运而生。红外检测技术借助红外线对温度的敏感性，实现对目标物无接触检测，成为接近觉传感器的重要分类，被广泛应用于距离测试、温度测试、气体检测、生物监测等方面。普朗克定律说明温度、能量和波长三者之间存在对应关系，红外总能量与温度呈正相关，峰值波长与温度呈负相关。它给出辐射场能量密度按频率的分布，式中T是热力学温度,k是玻耳兹曼常数。普朗克公式在高频范围hvkT的极限条件下，过渡到维恩公式。在现代社会中，远距离实现目标物的检测是发展热点。辐射计：主要用于检测微波辐射和光谱测量。微波辐射检测通常用于雷达和卫星通信等领域，而光谱测量则常用于化学和环境监测等领域。搜索和跟踪系统：主要用于跟踪目标并确定其位置，能够持续跟踪目标运动轨迹。热成像系统：主要用于获取目标物红外辐射的分布图像。这种传感器能够在夜间或低光照条件下检测目标物体表面的温度分布。红外测距和通信系统：主要用于无接触测距和实时通信。这种传感器可以通过红外辐射来测量距离，并能够实现短距离通信。混合系统：这种传感器结合了多种不同的传感器技术，能够实现更加复杂和精确的检测任务。图4.16红外检测传感器（a）辐射计（b）热成像系统4.2.2传感器原理红外光作为太阳光谱的一部分其具有光热效应和辐射能量，相比于其他的光谱范围，由于大气无法吸收固定波长的红外线，所以物体的红外辐射能量产生的损耗小。所有的物体包括冰在内，均具有辐射能量，当红外光穿过介质时光能量会产生衰减，其中由于金属的固有材料损耗，使得其传播衰减很大，在液体中也存在对红外辐射吸收较大的情况。不同介质对红外辐射的吸收程度不同，而在外界环境中，大气层也对不同波长的红外光产生不同的吸收带。红外探测器:本质上就是指将不同的光热效应转化为电信号实现检测的装置，是整个红外测试系统的核心，其余为辅助电路。红外探测器按照检测机理可分为光电探测器和热电探测器。4.2.2功能与目前研究实现一、温度检测温度检测在生产生活中具有十分重要的作用，从大型设备保持正常运转到农作物的正常生长以及人类生活的适宜程度都与温度息息相关。图4.17AVHRR传感器二、故障检测红外无损缺陷检测是利用红外辐射对材料的透过、反射、散射特性进行缺陷检测的一种方法。其机理是利用红外辐射在材料表面与内部缺陷之间的不同反射和透过特性来检测缺陷的存在和位置。当红外辐射照射到材料表面时，会红外辐射在材料表面和内部缺陷之间发生反射、透射和散射。通过检测这些反射、透射和散射的红外辐射，可以判断材料内部的缺陷情况，例如裂纹、气泡、缺陷等。图4.18卷扬机的可见光图与红外热像图有源红外检测法又称主动红外检测，顾名思义，其存在外部热源，通过外部热源向待测物体发射能量，待测物体中原本的热平衡被打破，出现热流的变化，而在经过内部缺陷时，这种热流的变化会出现异常，表面温度分布区发生变化。无源红外检测法，不附加热源对待测物体进行能量注入，仅仅依靠物体本身中的热流动异常进行检测。红外检测方法最早应用在大型仪器设备的电力行业中，近年来，随着技术的发展和进步，开始广泛应用于其他行业例如建筑业、轧钢、冶炼等等。图4.19两种红外无损检测方法三、气体检测红外成像技术能够实现危险气体的远距离非接触探测，具有灵敏度高、响应时间短、检测范围大等优点且成像动态直观，能够实现危险气体泄漏的在线实时监控，故被广泛应用于气体储运、油矿开采、工业制造等领域。图4.20非分光型红外气体传感器检测原理示意图三、生物监测人体动作识别指的是对目标的动作方式进行识别。从人体散发的红外热辐射信号上寻找与人体运动和位置相关的隐含信息的方法被提出。基于PassiveInfrared（PIR）传感器的室内定位PIR（被动式红外检测技术”或“热释电传感器技术）是指通过感应人体的红外辐射来实现人体检测和控制的技术。PIR传感器可以感应静态或移动的热源，例如人体、动物、车辆等，通过检测其辐射的红外能量来判断其是否存在。基于PIR传感器的室内人体动作识别PIR传感器除了能检测到某区域的人体目标，还可以发现人体在检测区域中的运动特征信息，包括动作频率、幅度和姿态等多种信息。4.3微波传感器4.3.1概述和系统组成微波是一种电磁波，具有易于集聚成束、高度定向性以及直线传播的特性，可用来在无阻挡的视线自由空间传输高频信号。微波作为一种电磁波具有波粒二象性。4.3.2概述和系统组成从电子学和物理学观点来看，微波这段电磁频谱具有不同于其他波段的重要特点：穿透性：微波比其他用于辐射加热的电磁波，如红外线、远红外线等波长更长，因此具有更好的穿透性。选择性加热：物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。热惯性小：微波对介质材料是瞬时加热升温，升温速度快，消耗能量低。似光性：微波波长很短，比地球上的一般物体（如飞机，舰船，汽车建筑物等）尺寸相对要小得多，或在同一量级上。使得微波的特点与几何光学相似，即所谓的似光性。4.3.3微波传感器原理一、微波传感器原理与分类微波传感器是利用微波特性来检测某些物理量，如物体的存在、运动速度、距离、浓度等信息。其工作原理为，由微波发射器定向发出微波信号，遇到被测物体时，微波信号部分被检测物体吸收，部分则被反射，使微波功率发生变化。反射式：发生天线和接收天线位于检测物体的同一侧，反射式微波传感器通过检测微波信号从发出到接收到的时间间隔或者相位偏移来检测被测物体的位置、厚度和位移等参数。遮断式：发射天线和接受天线位于检测物体的两边，间断式微波传感器通过接收天线接收到的微波信号功率的大小，判断发射天线和接收天线之间是否有被测物体、被测物体的厚度和位置等参数信息。图4.25西门子微波物位计图4.26西门子智能雷达物位计二、微波传感器组成与特点微波传感器通常由微波振荡器（微波发射器）、微波天线及微波检测器三部分组成。微波振荡器和微波天线是微波传感器的重要组成部分。微波振荡器是一种产生微波的装置。电磁波作为空间的微小电场变动而传播，所以使用电流-电压特性呈现非线性的电子元件作为探测它的敏感探头，敏感探头在其工作频率范围内必须有足够快的响应速度。作为非线性的电子元件，在几兆赫兹以下的频率通常可用半导体PN结，而对于频率比较高的可使用肖特基结。图4.27常用的微波天线4.3.4微波传感器的常见应用一、微波测距利用接收天线接收被测物反射回来的微波信号，检测其电磁参数，再由测量电路处理，就实现了微波检测。图4.28微波测距原理二、微波液位计液位是各种工业过程中的一个重要参数。液位测量方法很多，如：差压式、浮力式、磁翻转式、磁致伸缩式、射频电容式、超声波式等。微波液位计可分为天线式微波液位计和导波式微波液位计。通过天线来发射微波并接收回波，为非接触式测量，也称自由空间雷达(FreeSpaceRadar)，是微波液位计的主要形式。图4.35雷达液位计三、微波探测仪微波探测仪会持续发射微波，并接收反射回的微波信号，根据时间差就可以求出物体的运动速度与位移。当探测区内的目标移动时，原发射信号与反射的信号之间会有频率差异，即触发报警，通常称为多普勒效应。图4.36微波探测仪四、微波无损监测系统微波无损检测技术始于20世纪60年代，现在微波无损检测技术已经在大多数复合材料和非金属内部的缺陷检测和和各种非电量测量等方面获得了广泛的应用。微波无损检测主要有穿透法、反射法、干涉法、散射法、全息法以及CT法等。授课周次第周授课时间2024年月日至2024年月日课程章节第4章机器人接近觉感知4.4激光传感器1、概述和系统组成2、传感器原理3、相关应用及研究现状4.5机器人接近觉感知的未来发展趋势 1、智能化2、网格化4.6机器人接近觉感知的实际应用1、医疗健康2、工业生产3、飞行控制教学目的1、理解接近觉感知激光传感器原理及应用2、了解机器人接近觉感知的未来发展趋势3、了解机器人接近觉感知的实际应用内容提要及板书设计第4章机器人接近觉感知4.4激光传感器1、概述和系统组成2、传感器原理3、相关应用及研究现状4.5机器人接近觉感知的未来发展趋势 1、智能化2、网格化4.6机器人接近觉感知的实际应用1、医疗健康2、工业生产3、飞行控制重点、难点及解决方案重点：激光传感器原理及应用难点：机器人接近觉感知最新技术和发展趋势教学内容时间分配序号教学内容1接近觉感知激光传感器原理及应用402机器人接近觉感知的发展趋势203机器人接近觉感知的实际应用30教学手段讲解教学形式（在右栏勾选）理实一体（0）理论教学（）实验（）实训（）上机（）作业作业完成方式书面（）电子（）教学后记

附页：第周序号具体内容（课堂组织和教学过程设计）授课改进意见及实时教学效果记录4.4激光传感器4.4.1概述和系统组成组成：激光技术的研究可以追溯到20世纪初，经过近百年的发展，激光传感技术进展飞速，已与多个学科相结合，形成新的交叉学科，如光电子学、信息光学、激光光谱学、非线性光学、超快激光学、量子光学、光纤光学、导波光学、激光医学、激光生物学、激光化学等。图4.38激光器主要部件示意图优点：激光传感器是新型测量仪表，具有接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等优点。4.4.2传感器原理当原子处于激发态E2时，如果有能量光子射来，在入射光子的影响下，原子会发出一个同样的光子而跃迁到低能级E1上去，这种辐射叫做受激辐射。其中，入射光子需要满足以下条件：受激辐射过程能够实现相同状态（频率、相位、振动方向及传播方向均相同）的光子数目的几何级数递增，引起光放大。为解决受激辐射与受激吸收间的矛盾，保证受激辐射占绝对优势，需要利用光学谐振腔来实现光的自激振荡，即激光振荡。图4.39光学谐振腔示意图激光传感器工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。图4.40激光测距传感器示意图4.4.3相关应用及研究现状一、激光测距激光测距技术是激光应用领域中最早和最成熟的技术之一，激光自诞生以来，由于它具有普通光源无法比拟的优良的方向性、高亮度等优点，很快就被用于目标距离的探测。同时，因激光具有非接触、测量精度高、作用距离远的特点，被广泛应用于军事、民用和工业等众多领域。图4.41激光测距望远镜脉冲激光测距通过激光脉冲信号进行测距。因为激光脉冲时间短，所以能够选择瞬时功率特别高的激光器发射能量集中的脉冲激光，所以脉冲激光测距具有良好的方向性和较强的抗干扰能力。相位激光测距同样是目前比较常用的一种激光测距技术，原理是利用一定的调制频率对激光进行光强正弦调制，并测量调制光束在测量端和被测端之间往返一次产生的相位差，再根据激光的调制波长换算出这一相位差所代表的距离。二、激光测振激光多普勒测振仪是利用激光多普勒效应对物体振动进行测量的一种测量仪器，与传统的加速度计等传感器相比具有可以远距离测量，非侵入性，空间分辨率高，测量时间短，响应频带宽，速度分辨率高等优点。其物理原理在于从运动物体反射回来的反射光会带有运动着的物体本身的振动特性，即多普勒频移。图4.49激光多普勒测振仪测振光路图在农业的应用：农产品质量评价是种植者、经销商和消费者都十分重视的一个问题。而在水果的运输、储存和销售过程中，根据质量对其进行分类是很重要的。近年来，国内外已有许多研究人员采用激光多普勒测振仪检测水果的品质。图4.50基于激光多普勒测振仪的硬度检测实验系统图在结构监测的应用：结构健康和施工安全是土木工程中的重要问题，与人民的安全密切相关，更换基础设施或部分结构是昂贵的，因此工程师们开发了各种监测技术，以确保这些结构的安全和结构完整性，并减少事故造成的经济和生命损失。图4.51测量系统（a）遥感测振仪；（b）倾角仪和数据采集系统三、激光雷达激光雷达（Lidar）是传统雷达与激光技术相结合的产物。以微波雷达原理为基础，将激光束作为新的探测信号，充分发挥了激光亮度高，具有良好的方向性、单色性和相干性的特点，使激光雷达具备了频率快、峰值功率高、波长范围广、体积小等技术优势。图4.52激光雷达分类4.5机器人接近觉感知的未来发展趋势4.5.1智能化一、集成化随着微电子工艺和大规模集成电路的发展，集成式微型智能传感器成为世界范围内热点的研究课题，具有巨大的潜在价值和广阔的应用市场，接近觉传感器也不例外。利用集成技术，可以在一个传感器上，使用多种原理实现对障碍物的感知，大大增强接近觉传感器的精度和可靠性，并且集成化传感器具有高信噪比、高性能和信号统一等优点。二、微功耗和无源化随着低功耗超大规模集成电路（VLSI）设计技术的发展，现利用先进电源管理技术可将微型传感器及低功耗数字信号处理器的功耗控制到极低。微功耗使得收集周围环境能量为微型传感器及其他电子器件供电（即自供能技术）成为可能。图4.54MT3101接近觉传感器4.5.2网络化一、人机交互人机交互是一门研究系统与用户之间的交互关系的学问，指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话的技术。系统可以是各种各样的机器，也可以是计算机化的系统和软件。人机交互界面通常是指用户可见的部分，用户通过人机交互界面与系统交流，并进行操作。小如收音机的播放按键，大到飞机上的仪表板，或发电厂的控制室。二、主动感知人机交互的未来是向人机共存、共生或者共融发展，随着人工智能和硬件处理速度的进一步发展，在今后的信息交互过程中，人类的反应速度可能不能够满足机器的处理要求，成为人机交互技术发展的瓶颈。在此背景下，认知机器人概念被提出，该机器人的特征之一是主动感知，是一种通过有目的的行动（即探索）实现感知的方式，目前许多机器人学研究都对主动感知原理进行了研究，机器学习在主动感知任务中是必不可少的，同样是当今的一个研究热门，例如物体姿态估计或场景识别，这些任务都是基于接近感知完成的。4.6机器人接近觉感知的实际应用4.6.1医疗健康一、护理机器人护理机器人属于一种特殊类型的合作机器人，直接为接受者提供护理。因此，需要更全面的策略来确保机器人的安全性和合规性。来自中国的JialeLiang和他的团队设计的机器人触觉皮肤与最先进的机器人皮肤相比，建议的皮肤更便宜、更柔软。图4.55皮肤贴片的横截面图和实体图该皮肤的厚度为13mm，每个展开的皮肤贴片为160mm×160mm的矩形。整个皮肤由四块总重量为860克的贴片组成。皮肤的所有部分都由柔性材料制成，使皮肤能够适应不同的曲面。图4.56护理机器人手臂上安装了敏感皮肤原理图在接触和转移阶段，敏感皮肤的触觉信息可用于检测患者与机械臂之间的相对位置和接触力，防止患者滑脱和机械臂故障。将敏感皮肤包裹在护理机器人的前臂上，将患者重心的理想位置设置在前臂中部。图4.57接触阶段可能出现的危险情况护理机器人的圆柱形手臂上安装这种皮肤。每个接近觉传感器阵列上有16个距离传感器模块，每个模块的激光路径是一个锥角为25的圆锥体。这意味着空间分辨率将随着距离的增加而增加。相反，由于连接到曲面，传感器的激光路径从平行变为径向，并且由于轴向阵列之间的间隔，不可检测区域随着距离的增加而增加。图4.58皮肤配备了接近传感器阵列和触觉传感器矩阵，安装在护理机器人的前臂上二、人体健康监测的接近觉技术监测人体的生命体征对医疗保健和医学诊断非常重要，因为它们包含关于动脉闭塞、心律失常、动脉粥样硬化、自主神经系统病理、压力水平和阻塞性睡眠呼吸暂停的宝贵信息。近年来，随着大多数健身跟踪器和智能手表提供基于光电容积脉搏波（PPG）的心率监测（HRM）功能，用于医疗应用的可穿戴光学传感器获得了发展势头。与传统的心率监护仪相比，光学系统是一体式解决方案，可以轻松集成。图4.59ＳＡＷ滤波器接近觉测量系统SAW滤波器接近觉测量系统：振荡器的谐振频率根据与胸壁的距离而变化。振荡器的输出被送入SAW滤波器的输入端。如果振荡器的输出频率在SAW滤波器的边缘范围内，则通过SAW滤波器的信号幅度也会因呼吸和心跳而改变。图4.61PLL接近觉感知系统锁相环接近觉感知系统：将锁相环（PLL）合成器组合在一起，以防止振荡频率偏离范围，并改善信号质量。与使用SAW滤波器的系统不同，传感器振荡器设计为电压可控。当传感器振荡器的频率由呼吸和心跳频率调制时，PLL电路应用环路控制电压，使振荡器的频率与参考频率匹配，可以对其分析，以找到呼吸和心跳信。4.6.2工业生产一、工业机器人安全控制——分布式接近觉传感器工业机械手通常与人类工人物理隔离，并安装在不允许人类进入的专用区域。此外，由于移动机器人对人类具有固有的危险性，因此，每当工人进入机器人区域时，适当的监控系统都会发出预防性停车或显著减速的指令。基于传感器的机器人主动控制是解决安全问题最有前途的方法之一。其概念是使用能够感知机器人环境变化的传感器（外部感知传感器，如视觉、力和接近觉传感器）提供的信息，并相应地动态调整机器人行为。将分布式接近觉传感器原型部署在机器人上。它使用20个关闭的红外发光二极管（LED）传感器（SharpGP2Y0A02YK型）作为传感器点。其工作原理基于三角测量，因此输出电压与传感器和障碍物之间的距离成反比。图4.63ABBIRB140机器人连接到ABBIRC5控制器的外部PC还通过适当的模拟驱动器与采集板连接，模拟驱动器以250Hz的频率采样信号。通过这种方式，采集的信号可以被外部控制用作输入。实验确定了传感器电压输出与障碍物距离之间的非线性特性曲线，适用于20–80cm范围内的每个传感器点。图4.64实验硬件和软件设置图通过之前描述优化程序，20个传感器点沿机器人表面分布。首先，考虑了IRB140的网格模型。在机器人的网格表面上选择了一些在尺寸和可达性方面适合放置点的候选区域，并确定了每个区域上的最大允许点位置，总共有254个可能的点位置。图4.65ABBIRB140和工人假人的三维模型，用于蒙特卡罗（MonteCarlo）模拟计算最佳位置检测概率和代价函数的值被报告为构成分布式传感器的点的数量的函数，从最小的一个点到最大的254个点。点的数量存在一个阈值，超过该阈值分布式传感器检测假人的能力不会显著增加。图4.66通过蒙特卡罗模拟计算的成本函数和检测概率值，与构成分布式接近觉传感器的点的数量有关二、工业机器人安全控制——电容接近检测一些最先进的传感工作原理包括红外辐射（IR）、电感和电容。每种技术都有各自的优缺点，与用于测量的物理效应有关。而电容式传感器，它提供了一种廉价、可靠和灵活的方法，可以原型化和实现用于人机交互的传感器系统。这里介绍一种三模式电容传感器，它可以为工业人机交互安全应用提供距离测量、平行运动跟踪和形状识别。传感器不只是检测物体的存在，而是可以导出定量距离，用于调节机器人的操作。图4.