1、第七章第七章 机器人的感觉机器人的感觉多多传传感感器器在在移移动动机机器器人人中中的的应应用用外界环境外界环境视觉视觉视觉视觉超声波传感器超声波传感器红外接近觉红外接近觉立体视觉立体视觉地标识别地标识别障碍探测障碍探测目标物探测目标物探测景物识别景物识别内部传内部传感器感器融合融合力觉力觉触觉触觉环境模型环境模型定位定位避障避障操作规划操作规划学习学习路径规划路径规划任务规划：执任务规划：执行机构控制行机构控制指令指令感觉感觉功能功能视觉视觉 20世纪世纪50年代后期出现，发展十分迅速，是机器人中最重年代后期出现，发展十分迅速，是机器人中最重要的传感器之一。要的传感器之一。机器视觉从机器视觉从
2、20世纪世纪60年代开始首先处理积木年代开始首先处理积木世界，后来发展到处理室外的现实世界。世界，后来发展到处理室外的现实世界。20世纪世纪70年代以后，年代以后，实用性的视觉系统出现了。视觉一般包括三个过程：图像获取、实用性的视觉系统出现了。视觉一般包括三个过程：图像获取、图像处理和图像理解。相对而言，图像理解技术还很落后。图像处理和图像理解。相对而言，图像理解技术还很落后。力觉力觉 机器人力传感器就安装部位来讲，可以分为关节力传感器、机器人力传感器就安装部位来讲，可以分为关节力传感器、腕力传感器和指力传感器。国际上对腕力传感器的研究是从腕力传感器和指力传感器。国际上对腕力传感器的研究是从2
3、0世世纪纪70年代开始的，主要研究单位有美国的年代开始的，主要研究单位有美国的DRAPER实验室、实验室、SRI研究所、研究所、IBM公司和日本的日立公司、东京大学等单位。公司和日本的日立公司、东京大学等单位。几种主要的机器人传感器简介几种主要的机器人传感器简介触觉触觉 作为视觉的补充，触觉能感知目标物体的表面性能和物理作为视觉的补充，触觉能感知目标物体的表面性能和物理特性：柔软性、硬度、弹性、粗糙度和导热性等。对它的研究从特性：柔软性、硬度、弹性、粗糙度和导热性等。对它的研究从20世纪世纪80年代初开始，到年代初开始，到20世纪世纪90年代初已取得了大量的成果。年代初已取得了大量的成果。接近
4、觉接近觉 研究它的目的是是使机器人在移动或操作过程中获知目研究它的目的是是使机器人在移动或操作过程中获知目标（障碍）物的接近程度，移动机器人可以实现避障，操作机标（障碍）物的接近程度，移动机器人可以实现避障，操作机器人可避免手爪对目标物由于接近速度过快造成的冲击。器人可避免手爪对目标物由于接近速度过快造成的冲击。7.1 传感器的分类传感器的分类 根据检测对象的不同可分为根据检测对象的不同可分为内部传感器内部传感器和和外部传感器外部传感器。（1 1）位置传感器）位置传感器 用来检测机器人本身状态（如手臂间角度）的传感器。多用来检测机器人本身状态（如手臂间角度）的传感器。多为检测位置和角度的传感器
5、。为检测位置和角度的传感器。a.a.内部传感器内部传感器（2）角度传感器）角度传感器 具体有物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、具体有物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。用来检测机器人所处环境（如是什么物体，离物体的距离有用来检测机器人所处环境（如是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。7.2 机器人的触觉机器人的触觉 一般认为触觉包括接触觉、压觉、滑觉、力觉四种，狭义的一般认为触觉包括接触觉、压觉、滑觉、力觉四种，狭
6、义的触觉按字面上来看是指前三种感知接触的感觉。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开开关关式式触触觉觉传传感感器器外形尺寸十分大外形尺寸十分大空间分辨率低空间分辨率低利用阵列这一概利用阵列这一概念已开发了许多念已开发了许多重要的传感器。重要的传感器。压阻式阵列触觉传感器压阻式阵列触觉传感器碳毡（碳毡（CSA）灵敏度高，具有较强的耐过载能力。缺点是有灵敏度高，具有较强的耐过载能力。缺点是有迟滞，线性差。迟滞，线性差。导电橡胶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。为触觉传感器的敏感材
7、料。碳毡（碳毡（CSA）另外还有光学式触觉传感器、电容式阵列触觉传感器等。另外还有光学式触觉传感器、电容式阵列触觉传感器等。它利用一种它利用一种具有压电和具有压电和热释电性的热释电性的高分子材料高分子材料研制而成。研制而成。2.压觉传感器压觉传感器3.力觉传感器力觉传感器 力觉传感器使用的主要元件是力觉传感器使用的主要元件是电阻应变片电阻应变片。（3）装在机器人手爪指关节（或手指上）的力传感器，称为）装在机器人手爪指关节（或手指上）的力传感器，称为指力传感器。指力传感器。（1）装在关节驱动器上的力传感器，称为关节力传感器。用）装在关节驱动器上的力传感器，称为关节力传感器。用于控制中的力反馈。于
8、控制中的力反馈。（2）装在末端执行器和机器人最后一个关节之间的力传感器，）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。称为腕力传感器。SRI（Stanford Research Institute）研制的六维腕力传感器，）研制的六维腕力传感器，如图所示。它由一只直径为如图所示。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。梁的另一头力，扭矩作用很小。梁的另一头贴有应变片。图中从贴有应变片。图中从Px+到到Qy-代代表了表了8根应变梁的变形信号的输出。根应变梁的变形信号
9、的输出。SRI传感器传感器 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联结处有一个柔性环节，整体轮辐式结构，传感器在十字梁与轮缘联结处有一个柔性环节，在四根交叉梁上共贴有在四根交叉梁上共贴有3232个应变片（图中以小方块），组成个应变片（图中以小方块），组成8 8路路全桥输出全桥输出 。传感器的内圈和外圈分别固定于机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、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
10、左右个贴一对应变片，三根梁上共有有6对应变片，分别组成六组半桥，对应变片，分别组成六组半桥，对这对这6组电桥信号进行解耦可得到六组电桥信号进行解耦可得到六维力（力矩）的精确解。维力（力矩）的精确解。4.滑觉传感器滑觉传感器 机械手一般采用两种抓取方式：硬抓取和软抓取。机械手一般采用两种抓取方式：硬抓取和软抓取。硬抓取硬抓取（无感知时采用）（无感知时采用）：末端执行器利用最大的夹紧力抓取工件。：末端执行器利用最大的夹紧力抓取工件。软软抓取抓取（有滑觉传感器时采用）：末端执行器使夹紧力保持在能稳（有滑觉传感器时采用）：末端执行器使夹紧力保持在能稳固抓取工件的最小值，以免损伤工件。固抓取工件的最小值
11、，以免损伤工件。采用压觉传感器实现滑觉感知采用压觉传感器实现滑觉感知滚轮式滑觉传感器滚轮式滑觉传感器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。的频率反映了滑移速度，个数对应滑移的距离。根据振动原理制成的滑觉传感器。钢球指针与被抓物体接触。根据振动原理制成的滑觉传感器。钢球
12、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。若工件滑动，则指针振动，线圈输出信号。7.3 机器人的接近觉机器人的接近觉接近觉接近觉主要感知传感器与对象物之间的接近程度。主要感知传感器与对象物之间的接近程度。b）无铁磁体时磁力线的形状无铁磁体时磁力线的形状c）铁磁体接近时磁力线的形状铁磁体接近时磁力线的形状另外还有接触觉、滑觉和接近觉三种感觉组合为一体的传感器。另外还有接触觉、滑觉和接近觉三种感觉组合为一体的传感器。其它还有光学接近觉、超声波接近觉传感器等。其它还有光学接近觉、超声波接近觉传感器等。霍尔效应指的是金属霍尔效应指的是金属或半导体片置于磁场中，或半导体片置于磁场中，当有
13、电流流过时，在垂直当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上产于电流和磁场的方向上产生电动势。霍尔传感器单生电动势。霍尔传感器单独使用时，只能检测有磁独使用时，只能检测有磁性物体。当与用磁体联合性物体。当与用磁体联合使用时，可以用来检测所使用时，可以用来检测所有的铁磁物体。传感器附有的铁磁物体。传感器附近没有铁磁物体时，霍尔近没有铁磁物体时，霍尔传感器感受一个强磁场；传感器感受一个强磁场；若有铁磁物体时，由于磁若有铁磁物体时，由于磁力线被铁磁物体旁路，传力线被铁磁物体旁路，传感器感受到的磁场将减弱。感器感受到的磁场将减弱。7.4 机器人的视觉机器人的视觉有研究结果表明，视觉获得的感知信息占人对
14、外界感知信息有研究结果表明，视觉获得的感知信息占人对外界感知信息的的 人类视觉细胞数量的数量级大约为人类视觉细胞数量的数量级大约为108，是听觉细胞的，是听觉细胞的300多多倍，是皮肤感觉细胞的倍，是皮肤感觉细胞的100多倍。多倍。1.超声波传感器超声波传感器 超声波探测原理比较简单，一般是采用时差法。超声波探测原理比较简单，一般是采用时差法。=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。从广义上讲，我们也把它算成机器人视觉中的一种。从广义上讲，我们也把它算成机器人视觉中的一种。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
15、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；（4 4）用于导航目标跟踪。）用于导航目标跟踪。MDARS-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线阵或面阵形成多传感器多个超声波传感器组成线阵或面阵形成多传感器2.CCD（电荷耦合器件：（电荷耦合器件：charge coupled devices）CCD（电荷耦合器件）的基本结构是一个间隙很小的光敏电（电荷耦合器件）的基本
16、结构是一个间隙很小的光敏电极阵列，即无数个极阵列，即无数个CCD单元组成，也称为像素点（如单元组成，也称为像素点（如448380）。）。它可以是一维的线阵，也可以是二维的面阵。它可以是一维的线阵，也可以是二维的面阵。优点：优点：体积小、质量轻、寿命长、抗冲击、耗电极少，一般体积小、质量轻、寿命长、抗冲击、耗电极少，一般只需几十毫瓦就可以启动。只需几十毫瓦就可以启动。（1）基本原理）基本原理共共256级灰度，从图（级灰度，从图（a）到（）到（f）分辨率依次为）分辨率依次为512512，256256，128128，6464，3232，1616。（2）图像处理）图像处理 从图（从图（a）到（）到（f
17、）分辨率依次为）分辨率依次为512512，灰度级依次为，灰度级依次为256，64，16，8，4，2。b)灰度变化对图像的影响灰度变化对图像的影响从图（从图（a）到（）到（f）依次为：）依次为：256256，128级灰度；级灰度；181 181，64级灰度；级灰度；128 128，32级灰度；级灰度；90 90，16级灰度；级灰度；64 64，8级灰度；级灰度；45 45，4级灰度。级灰度。c)分辨率和灰度同时变化对图像的影响分辨率和灰度同时变化对图像的影响7.机器人的听觉机器人的听觉特定人的语音识别系统特定人的语音识别系统听觉系统的粗略框图听觉系统的粗略框图特定人语音识别方法是将事先指定的人的
18、声音中的每一个字音特定人语音识别方法是将事先指定的人的声音中的每一个字音的特征矩阵存储起来，形成一个标准模板（或叫模板），然后再进的特征矩阵存储起来，形成一个标准模板（或叫模板），然后再进行匹配。它首先要记忆一个或几个语音特征，而且被指定人讲话的行匹配。它首先要记忆一个或几个语音特征，而且被指定人讲话的内容也必须是事先规定好的有限的几句话。特定人语音识别系统可内容也必须是事先规定好的有限的几句话。特定人语音识别系统可以识别讲话的人是否是事先指定的人，讲的是哪一句话。以识别讲话的人是否是事先指定的人，讲的是哪一句话。非特定人的语音识别方法则需要对一组有代表性的人的语音非特定人的语音识别方法则需要
19、对一组有代表性的人的语音进行训练，找出同一词音的共性，这种训练往往是开放式的，能进行训练，找出同一词音的共性，这种训练往往是开放式的，能对系统进行不断的修正。在系统工作时，将接收到的声音信号用对系统进行不断的修正。在系统工作时，将接收到的声音信号用同样的办法求出它们的特征矩阵，再与标准模式相比较。看它与同样的办法求出它们的特征矩阵，再与标准模式相比较。看它与哪个模板相同或相近，从而识别该信号的含义。哪个模板相同或相近，从而识别该信号的含义。非特定人的语音识别系统大致可以分为非特定人的语音识别系统大致可以分为语言识别系统，单词语言识别系统，单词识别系统，及数字音（识别系统，及数字音（09）识别系
20、统。）识别系统。非特定人的语音识别系统非特定人的语音识别系统7.多传感器信息融合多传感器信息融合 多传感器信息融合技术多传感器信息融合技术是通过对这些传感器及其观测信息的是通过对这些传感器及其观测信息的合理支配和使用，把多个传感器在时间和空间上的冗余或互补信合理支配和使用，把多个传感器在时间和空间上的冗余或互补信息依据某种准则进行组合，以获取被观测对象的一致性解释或描息依据某种准则进行组合，以获取被观测对象的一致性解释或描述。述。多传感器融合系统多传感器融合系统主要特点是：主要特点是：（1）提供了冗余、互补信息。提供了冗余、互补信息。（2）信息分层的结构特性。（）信息分层的结构特性。（3）实时
21、性。（）实时性。（4）低代价性。）低代价性。多传感与单传感的比较：多传感与单传感的比较：多传感器数据融合系统可更大程度多传感器数据融合系统可更大程度获取被探测目标和环境的信息量。单传感器信号处理或低层次的获取被探测目标和环境的信息量。单传感器信号处理或低层次的数据处理方式只是对人脑信息处理的一种低水平模仿。数据处理方式只是对人脑信息处理的一种低水平模仿。多传感器融合常用的方法有：加权平均法、贝叶斯估计、卡多传感器融合常用的方法有：加权平均法、贝叶斯估计、卡尔曼滤波、尔曼滤波、DS证据推理、模糊逻辑、产生式规则、人工神经网络证据推理、模糊逻辑、产生式规则、人工神经网络等方法。等方法。三种结构形式：串联、并联和混合融合形式。三种结构形式：串联、并联和混合融合形式。Class is Class is over.over.Bye-bye!Bye-bye!
