1、第二章第二章 接近觉传感器接近觉传感器n接近觉传感器主要感知传感器与对象物之间的接近程度；接近觉传感器主要感知传感器与对象物之间的接近程度；接近觉是一种粗略的距离感觉接近觉是一种粗略的距离感觉n根据使用场合的不同情况，大多只要求给出简单的阈值根据使用场合的不同情况，大多只要求给出简单的阈值判断：接近或否；判断：接近或否；n有时为了一些特殊用途，要求接近觉传感器能够提供分有时为了一些特殊用途，要求接近觉传感器能够提供分档的距离感觉：远、中等、近。档的距离感觉：远、中等、近。n生活中：电子卫兵、自动感应门等；生活中：电子卫兵、自动感应门等；n在机器人中：在机器人中： 避障避障移动机器人移动机器人
2、防止冲击防止冲击柔性抓握柔性抓握n接近觉应用场合不同，感觉的距离范围也不同：远可达接近觉应用场合不同，感觉的距离范围也不同：远可达几米至十几米，近到几毫米甚至几米至十几米，近到几毫米甚至1毫米以下毫米以下1第二章第二章 接近觉传感器接近觉传感器 接近觉传感器采用的原理： 接近觉传感器根据下同的工作原理有多种实现方式。n光反射式接近觉传感器n感应式接近觉传感器n超声波接近传感器22.1 感应式接近传感器感应式接近传感器一、感应线圈n人们用得最为广泛的人们用得最为广泛的工业接近觉传感器，工业接近觉传感器，依据的是金属物体接依据的是金属物体接近感应式接近觉传感近感应式接近觉传感器引起的电感变化。器引
3、起的电感变化。n磁通量的变化将感应磁通量的变化将感应一个电压脉冲，其幅一个电压脉冲，其幅值和形状正比于磁通值和形状正比于磁通量的变化率。量的变化率。n在线圈的输出观测到在线圈的输出观测到的电压波形可作为接的电压波形可作为接近觉传感的有效手段。近觉传感的有效手段。32.1 感应式接近传感器感应式接近传感器n随着距离的增加，传感器的灵敏度急剧下降，其有效作用距离仅为几分随着距离的增加，传感器的灵敏度急剧下降，其有效作用距离仅为几分之一毫米。之一毫米。n存在相对运动时才会产生输出波形，计输出波形积分便可产生二值信号存在相对运动时才会产生输出波形，计输出波形积分便可产生二值信号n积分值小于特定的阈值时
4、，二值信号输出为低电位；超过该阈值时，二积分值小于特定的阈值时，二值信号输出为低电位；超过该阈值时，二值信号输出为高电位值信号输出为高电位42.1 感应式接近传感器感应式接近传感器二、霍尔效应传感器n霍尔效应霍尔效应指的是金属或半导体片置于磁场中，当有电流流过时，指的是金属或半导体片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上产生电动势。在垂直于电流和磁场的方向上产生电动势。n霍尔传感器单独使用时，只能检测有磁性物体。当与永久磁体以霍尔传感器单独使用时，只能检测有磁性物体。当与永久磁体以图示的结构形式联合使用时，可以用来检测所有的铁磁物体。图示的结构形式联合使用时，可以用来检测所有的
5、铁磁物体。52.1 感应式接近传感器感应式接近传感器n霍尔效应传感器的工作霍尔效应传感器的工作依赖作用于在磁场中运依赖作用于在磁场中运动的带电粒子上的洛仑动的带电粒子上的洛仑兹力。兹力。n该力作用在由带电粒子该力作用在由带电粒子的运动方向和磁场方向的运动方向和磁场方向所形成平面的垂直轴线所形成平面的垂直轴线上。上。n洛仑兹力洛仑兹力n若将铁磁体靠近这个由半导体和磁铁若将铁磁体靠近这个由半导体和磁铁组成的器件，将会使磁场强度降低。组成的器件，将会使磁场强度降低。洛仑兹力下降，半导体两端的电压减洛仑兹力下降，半导体两端的电压减小。小。n电压的降低是感知接近程度的关键。电压的降低是感知接近程度的关键
6、。n对传感器设置一电压阈值便可作出是对传感器设置一电压阈值便可作出是否有物体接近的二值判定。否有物体接近的二值判定。62.1 感应式接近传感器感应式接近传感器n由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。片上，称之为霍尔传感器。 72.1 感应式接近传感器感应式接近传感器 使用半导体材料，有若干优点：使用半导体材料，有若干优点：n体积小体积小n耐用耐用n抗电气干扰性好抗电气干扰性好n可将放大和检测电路直接集成在传感器
7、上可将放大和检测电路直接集成在传感器上n体积小体积小n降低成本。降低成本。82.2 电容式接近传感器电容式接近传感器n感应式接近觉传感器只能检测铁磁材料感应式接近觉传感器只能检测铁磁材料n电容传感能够检测所有固体和液体材料电容传感能够检测所有固体和液体材料n电容传感器工作基于检测物体表面靠近传感元件时的电容电容传感器工作基于检测物体表面靠近传感元件时的电容变化变化n敏感元件为电容器，它由传感电极和参考电极组成敏感元件为电容器，它由传感电极和参考电极组成92.2 电容式接近传感器电容式接近传感器 根据电容的变化检测接近程度的电子学方法有若干根据电容的变化检测接近程度的电子学方法有若干种：种：n将
8、将电容器作为振荡电路的一部分电容器作为振荡电路的一部分，设计成只有当传感，设计成只有当传感器的电容值超过某一预定阈值时才产生振荡。然后，器的电容值超过某一预定阈值时才产生振荡。然后，将起振转换成一输出电压，用以表示物体的出现；该将起振转换成一输出电压，用以表示物体的出现；该方法给出二值输出，其触发灵敏度取决于阈值。方法给出二值输出，其触发灵敏度取决于阈值。n另一种方法是把电容元件作为另一种方法是把电容元件作为受连续参考正弦波驱动受连续参考正弦波驱动的电路的一部分，电容的变化引起参考信号和来自电的电路的一部分，电容的变化引起参考信号和来自电容元件的信号之间的相移，相移正比于电容的变化，容元件的信
9、号之间的相移，相移正比于电容的变化，因此可用来检测接近程度。因此可用来检测接近程度。102.2 电容式接近传感器电容式接近传感器n距离超过数毫米时，灵敏距离超过数毫米时，灵敏度急剧下降；度急剧下降；n响应曲线的形状与被测物响应曲线的形状与被测物体的材料有关；体的材料有关；n通常，这种传感器以二值通常，这种传感器以二值方式工作。方式工作。n按照阈值所规定的检测界按照阈值所规定的检测界限，电容的变化大于阈值，限，电容的变化大于阈值，表明有物体出现；而当电表明有物体出现；而当电容变化低于阈值时，表示容变化低于阈值时，表示没有物体出现。没有物体出现。112.2 电容式接近传感器电容式接近传感器n右表为
10、右表为Turck公司公司的的CP40型传型传感器感器(直径直径40mm)的性的性能指标能指标122.3 超声接近觉传感器超声接近觉传感器n前面讨论的接近传感器的响前面讨论的接近传感器的响应和被测物体的材料密切相应和被测物体的材料密切相关关n使用超声接近觉传感器可进使用超声接近觉传感器可进行比较精确的距离测量，并行比较精确的距离测量，并且对材料的依赖性大为降低且对材料的依赖性大为降低n人耳能听到的声波频率在人耳能听到的声波频率在2020000Hz之间，超过之间，超过20000Hz的声波称为超声波的声波称为超声波。n超声波的特点：频率高、波长短、绕射小，方向性好、能频率高、波长短、绕射小，方向性好
11、、能成为射线而定向传播成为射线而定向传播 132.3 超声接近觉传感器超声接近觉传感器 超声波探测原理比较简单，一般是采用超声波探测原理比较简单，一般是采用时间度越法时间度越法。 = =tt2 2其中（的函数）为超声波波速，为环境摄氏温度。其中（的函数）为超声波波速，为环境摄氏温度。超声波传感器主要用途超声波传感器主要用途：（1 1）实时地检测自身所处空间的位置，用以进行自定位；实时地检测自身所处空间的位置，用以进行自定位；（2 2）实时地检测障碍物，为行动决策提供依据；）实时地检测障碍物，为行动决策提供依据；（3 3）检测目标姿态以及进行简单形体的识别；）检测目标姿态以及进行简单形体的识别；
12、（4 4）用于导航目标跟踪。）用于导航目标跟踪。142.3 超声接近传感器超声接近传感器一、结构n基本元件为电声变换器：压基本元件为电声变换器：压电陶瓷变换器或用电陶瓷变换器或用PVDF材材料制作料制作n树脂层用来保护变换器；也树脂层用来保护变换器；也起声阻抗器的作用起声阻抗器的作用n同一变换器既用于发射又用同一变换器既用于发射又用于接收，于接收，n被检测物体距离较小时，需被检测物体距离较小时，需要声能很快衰减要声能很快衰减n壳体的设计应能形成一狭窄壳体的设计应能形成一狭窄的声束，以实现有效的能量的声束，以实现有效的能量传送和信号定向传送和信号定向152.3 超声接近传感器超声接近传感器 MD
13、ARS-E型室外保安机器人型室外保安机器人多个超声波传感器组成多个超声波传感器组成线阵或面阵形成多传感器线阵或面阵形成多传感器162.3 超声接近传感器超声接近传感器A控制发射的门信号B为输出信号及其回波信号C发射和接收信号整形后的脉冲D时间窗E为D为高电位时接收到回波的信号，A中发射脉冲的尾部E回到低电位F为二值输出，E上升沿F置1、E为0并A出现脉冲时F清0二、信号分析二、信号分析172.4 光接近觉传感器光接近觉传感器 根据光波从发射到接收的传播过程中所受到的影根据光波从发射到接收的传播过程中所受到的影响来检测物体的接近程度。响来检测物体的接近程度。特点特点：n速度快速度快n抗干扰强抗干
14、扰强n测量点小测量点小n适用范围广适用范围广测量原理测量原理：n三角测量原理三角测量原理n光强调制原理光强调制原理n相位调整原理相位调整原理182.4 光接近觉传感器光接近觉传感器1. 基于三角测量原理 基本原理是平面三角几何。基本原理是平面三角几何。 物体移动时，因像点相应移动，物体移动时，因像点相应移动，求出位移量。求出位移量。 根据光束与被测物面的夹角不同，根据光束与被测物面的夹角不同，分为斜射和直射两种方法。分为斜射和直射两种方法。 斜射法精度较高。斜射法精度较高。 直射法光斑小、光强集中、受干直射法光斑小、光强集中、受干扰引起的误差小、结构紧凑，机器扰引起的误差小、结构紧凑，机器人上
15、应用较多。人上应用较多。 德国德国E.Ersu在研究报告表明，探在研究报告表明，探测范围测范围50300mm，在，在100mm时，时，精度为精度为0.5。192.4 光接近觉传感器光接近觉传感器2. 基于光强调制原理 利用反射光量随物体表面位置而变化的利用反射光量随物体表面位置而变化的现象现象 光强调制公式光强调制公式其中其中 为发射光和接收光的调制函数为发射光和接收光的调制函数 d 为传感器与物体间距离为传感器与物体间距离s s 为取决于传感器和被测目标光度特性为取决于传感器和被测目标光度特性的参数的参数 s s 为传感器结构所决定的参数为传感器结构所决定的参数 b b 为补偿参量为补偿参量
16、传感器精度可达传感器精度可达0.02mm202.4 光接近觉传感器光接近觉传感器加拿大加拿大Toronto大学的大学的O.Partaatmadja等人在等人在Y型测距传感器的基础上，研究了机器人用光电型测距传感器的基础上，研究了机器人用光电接近觉传感器。接近觉传感器。212.4 光接近觉传感器光接近觉传感器3. 基于相位调整原理相移为相移为222.4 光接近觉传感器光接近觉传感器232.5 红外反射光强法接近觉传感器红外反射光强法接近觉传感器红外反射光强法接近觉的测量原理，由红外发光管发射经红外反射光强法接近觉的测量原理，由红外发光管发射经过调制的信号，红外光敏管接收经目标物反射的红外调调制过
17、调制的信号，红外光敏管接收经目标物反射的红外调调制信号。环境红外光干扰的消除由信号调制和专用红外滤光片信号。环境红外光干扰的消除由信号调制和专用红外滤光片保证。保证。输出光强输出光强式中式中p为工件的反射系数为工件的反射系数 与目标物表面颜色、与目标物表面颜色、 粗糙度有关。粗糙度有关。24n激光测距仪激光测距仪是一种利用激光束测定距离的仪器。n其基本原理是，向待测距的物体发射激光脉冲并开始计时，接收到反射光时停止计时。这段时间即可以转换为激光器与目标之间的距离。n激光测距仪也可以发射多次激光脉冲，通过多普勒效应来确定物体是在远离还是在接近光源。25n激光测距仪激光测距仪目镜：目镜： 广角目镜
18、广角目镜 测距方式：半导体激光测距测距方式：半导体激光测距(对人眼无害对人眼无害) 测距误差：测距误差：1m0.1% 测距显示方式：视野内测距显示方式：视野内LCD显显示示 有效物镜口径：有效物镜口径：25mm 镀膜：多层镀膜镀膜：多层镀膜 出瞳直径：出瞳直径：3.8mm 出瞳距离：出瞳距离：12mm 对焦方式：目镜调焦对焦方式：目镜调焦 望远镜倍率：望远镜倍率：6x 在在1000m之视野：之视野：134m 26产品：瑞士徕卡瑞士徕卡A6激光测距仪激光测距仪 型号：徕卡A6简介：精度：1.5mm测量范围:0.05-200M二倍变焦数码瞄准器集成蓝牙技术 DISTO传输 272.5 红外反射光强
19、法接近觉传感器红外反射光强法接近觉传感器当工件为同类目标物时，距离和反射输出光强一一对应。当工件为同类目标物时，距离和反射输出光强一一对应。典型的响应为非线性曲线，可根据实验数据插值得到。典型的响应为非线性曲线，可根据实验数据插值得到。282.6 接近觉、接触觉、滑觉组合传感器接近觉、接触觉、滑觉组合传感器n本节所讲的触觉、滑觉由同一信号源中分离出来，它与由本节所讲的触觉、滑觉由同一信号源中分离出来，它与由阵列触觉通过触觉图像的信号处理获得的滑觉信息有所不阵列触觉通过触觉图像的信号处理获得的滑觉信息有所不同，触觉是单点触觉。同，触觉是单点触觉。n分离触觉和滑觉信号的关键取决于它们有无各自明显的
20、特分离触觉和滑觉信号的关键取决于它们有无各自明显的特征。征。n选用选用PVDF做敏感材料的传感器的包封表皮既能传递接触做敏感材料的传感器的包封表皮既能传递接触力，又能使滑动引发表皮的诱导微振动。力，又能使滑动引发表皮的诱导微振动。292.6 接近觉、接触觉、滑觉组合传感器接近觉、接触觉、滑觉组合传感器302.6 接近觉、接触觉、滑觉组合传感器接近觉、接触觉、滑觉组合传感器312.6 接近觉、接触觉、滑觉组合传感器接近觉、接触觉、滑觉组合传感器n三感觉组合传感器三感觉组合传感器n触觉、滑觉信号调理电路框图触觉、滑觉信号调理电路框图322.7 组合传感器的信号处理组合传感器的信号处理n接近觉采用普
21、通的阈值处接近觉采用普通的阈值处理。理。 当接近觉输出当接近觉输出VoutF时，判时，判断为有目标接近。断为有目标接近。n触觉和滑觉信号调整有明触觉和滑觉信号调整有明显区别。显区别。n目标物与传感器的接触力目标物与传感器的接触力与与PVDF输出电压峰值呈线输出电压峰值呈线性关系，而且响应较快。性关系，而且响应较快。n手爪的操作是一个动态过程：开始加紧轻微接触过度接触nPVDF的静态性能很差，低速抓握时，输出信号因衰减而变得较小。332.7 组合传感器的信号处理组合传感器的信号处理n接触信号接触信号： 信号采集时加同样长度的矩形窗，若采用均值水平信号采集时加同样长度的矩形窗，若采用均值水平 作为
22、接触的特征值，应考虑加紧速度对其影响。作为接触的特征值，应考虑加紧速度对其影响。342.7 组合传感器的信号处理组合传感器的信号处理n滑觉信号 可用交变信号离散数据的特征可用交变信号离散数据的特征值值方差作为滑觉信号的方差作为滑觉信号的标志。标志。存在的问题：存在的问题：1.接触觉和滑觉信号的方差无接触觉和滑觉信号的方差无太大差别；太大差别；2.滑移在操作中需严格控制，滑移在操作中需严格控制，不允许长时间滑动以产生交不允许长时间滑动以产生交变信号变信号352.7 组合传感器的信号处理组合传感器的信号处理解决的途径1.接触和滑动有逻辑上的先接触和滑动有逻辑上的先后关系，滑动中不会有第后关系，滑动
23、中不会有第二个接触信号；二个接触信号；n该法可实现无滑移抓取。该法可实现无滑移抓取。2.适当选择采样周期，使滑适当选择采样周期，使滑动信号中有一系列峰值点；动信号中有一系列峰值点；n峰值点是由表皮有诱导振峰值点是由表皮有诱导振动时产生，此时一定有工动时产生，此时一定有工件与手指间的相对滑动。件与手指间的相对滑动。362.7 组合传感器的信号处理组合传感器的信号处理方差作为滑动的特征时的处理方法 设设xi，i1，2，256是采集到的接触觉、滑觉信号是采集到的接触觉、滑觉信号离散值。离散值。则接触的特征值为则接触的特征值为方差作为滑觉特征值，表达式为方差作为滑觉特征值，表达式为 采样信号达到采样信
24、号达到256256个时开始计算均值和方差，以后每采个时开始计算均值和方差，以后每采集一个新数据即更新结果。集一个新数据即更新结果。 接触、滑动标志的产生一样采用阈值法接触、滑动标志的产生一样采用阈值法。372.8 由接近觉、接触觉、滑觉组成的三感觉机械手由接近觉、接触觉、滑觉组成的三感觉机械手1.自适应抓取控制策略 实际作业中，抓取的目标物可能实际作业中，抓取的目标物可能是变化的。是变化的。 触觉触觉使手爪自适应调节加紧开度；使手爪自适应调节加紧开度； 接近觉接近觉控制轻轻接触物品；控制轻轻接触物品； 滑觉滑觉实现最小力加紧。实现最小力加紧。 三种感觉组合，实现对目标物的三种感觉组合，实现对目标物的自适应抓取。自适应抓取。382.8 由接近觉、接触觉、滑觉组成的三感觉机械手由接近觉、接触觉、滑觉组成的三感觉机械手2.智能抓取实验39
