1、第四章第四章 机器人传感器机器人传感器4.1 概述概述4.2 触觉传感器触觉传感器4.3 接近觉传感器接近觉传感器 4.4 视觉传感器视觉传感器4.5 听觉、嗅觉、味觉及其他传感器听觉、嗅觉、味觉及其他传感器4.1 概述概述机器人与传感器机器人传感器的分类4.1 概述概述机器人与传感器4.1 概述概述机器人与传感器4.1 概述概述机器人与传感器1960年由美国联合控制公司研制的世界上第一台实用机器人样机尤尼梅特（Unimate,为Universal Automation的缩写），1963年美国机床与铸造公司设计制造了另一种可编程的机器人沃莎特兰（Versatran,为Versatile Tra
2、nsfer缩写）自从它们问世以来，由于它们安全性高，结构简单及优良的机械性能，使美国工业机器人最先得到公认并打开了销路，一般公认这两种型号的机器人是工业机器人的奠基者，1967年日本丰田自动化织布机公司引进第一台沃莎特兰机器人后，川崎重工业公司和其他公司也竞相引进机器人制造技术，纷纷投入生产，通过近十年的努力，日本赶上和超过了美国。我国1972年研制出首台简易型液压机器人后，在沈阳建立了第一个机器人示范工程，列入了国家863高科技发展规划。4.1 概述概述机器人与传感器机器人按代分类可分成三代第一代机器人工业机器人：它只能以“示教再现”方式工作，由两部分组成：机械手和程控器，目前商品化、实用化
3、的机器人大多还属于第一代。第二代机器人感觉机器人：它的主要标志是自身配备有相应的感觉传感器，并采用计算机对之进行控制。也称“自适应机器人”。它开始进入实用时期，主要从事焊接、装配、搬运等作业。第三代机器人智能机器人：也称“管理控制型自律机器人”。感知环境的能力：这种机器人具有形形色色的感觉传感器：视觉、听觉、触觉、嗅觉。通过这些传感器，能识别周围环境。作用于周围环境的能力：使机器人的手、脚等各种肢体行动起来，以执行某种任务。第三代要求更完善、敏捷灵巧。思考的能力：在智能机器人中，相当发达的“大脑”是主要的，通过思考，把感知和行动联系起来，进行合乎目的的动作。4.1 概述概述机器人组成控制器内部
4、传感器外部传感器驱动器控制对象动力源（电气、液压）任务输入4.1 概述概述机器人的作用 节省劳动力：这是机器人的最主要功能。进行极限作业：在工厂的喷漆和铸造等的恶劣环境中，在精练车间、冷藏室、核电站、宇宙空间、海底等人类难以进入的场合。在农药喷洒、不停电电力检修及大厦墙面的清洗和检查等。用于医疗、福利：机器人协助手术，辅助步行，饮食等的搬送工作安全运行的智能轮椅，盲人引导，假肢等。与人协调作业：在重物场合，用机器人支撑重量，由人工进行仔细定位。协助老年人和残疾人进行体力劳动及手的准确动作等。制作宠物：向着亮光移动的机器人，象小狗样动作的宠物机器人等。4.1 概述概述机器人传感器的作用与分类当前
5、工业机器人还是以无感知能力的居多，这些机器人的操作程序都是预先制定的，并按照预定程序重复无误地完成确定任务。然而许多机器人的应用需要感知，根据感知的信息改进计算机控制。4.1 概述概述机器人传感器的作用随机安置物体的位置。允许改变物体的形状。防止发生意外事故。在错误条件下有智能功能提高控制质量 4.1 概述概述机器人传感器的分类 接触和非接触式：内部传感器和外部传感器：内部传感器：自身状态检测（如：位置、姿态、运动、力等），用到的传感器主要有：位置、角度、力、姿态、速度传感器等；外部传感器：对外部环境的感觉（如：距离、接近程度、接触状态等）。主要集中在外部传感器上，因为这是机器人升代的重要标志
6、。感觉类型：视觉、听觉、接触觉、嗅觉、味觉。4.1 概述概述机器人传感器的分类 第三代机器人要求传感器也有一定的智能，对于智能传感器系统的高级形式为传感器发展的最高形式。它除具有初级和中级智能系统的功能外，通常还具有多维检测，包括图像显示、图像识别、自学习以及思维判断等能力。高级智能形式的传感器将达到或超过人类“五官”对环境的感测能力，部分代替人的认识活动，能够高效地从复杂对象中提取有效信息。目前，在传感器的整体水平上还未达到上述的高级智能程度，但已有一些传感器具备了部分高级智能的特征，比如多维检测，图像显示及识别等。4.1 概述概述机器人传感器的分类 4.2 触觉传感器触觉传感器触觉分类和要
7、求 接触觉压觉 力（矩）觉 滑觉 4.2 触觉传感器触觉传感器触觉分类接触觉：手指与被测物是否接触，接触图形的检测。压觉：垂直于机器人和对象物接触面上的力感觉。力觉：机器人动作时各自由度的力感觉。滑觉：物体向着垂直于手指把握面的方向移动或变形。热觉：对象物的温度及其分布。材质感觉：目前还难以实现。4.2 触觉传感器触觉传感器触觉传感器的要求 空间分辨率为12mm，这种分辨率接近人指尖可区别皮肤上用作分离刺激的两点；阵列尺寸是每个指尖有5101020个点（人的指尖有约1015个接触敏感点）；一个力敏元件的阈值灵敏度约0.510G；传感器的稳定性、线性度和重复度好，无滞后；取样频率100Hz1kH
8、z；传感器结实、价廉，类似皮肤。4.2 触觉传感器触觉传感器接触觉当表面作用有超过阈值的压力时传感器输出一个电信号，可用来确定在手指间是否有零件。它的功能相当于一个开关，输出的是“0”和“1”两种信号。有各种类型的传感器，包括电触点开关、光机械开关、磁开关等。采用与压觉传感器合并，用同一种传感器，既可得到有无物体，又可得到对物体所施加的压力或物体对机器人的作用力。传感器阵列：采用高密度的传感器阵列，可得到物体的形状及压力分布等信息。接触觉4.2 触觉传感器触觉传感器按钮式海绵压敏电阻式导电橡胶压敏电阻式碳纤维纸式导电橡胶式导电橡胶式（有突起）导电橡胶式导电橡胶式导电橡胶式铍青铜箔式4.2 触觉
9、传感器触觉传感器压觉：用来检测机器人的握持面单位面积承受的压力大小和分布。对于易碎、易变形的物体，必须使用压觉传感器来对把持力进行控制。采用的传感器主要有压阻、压电、半导体应变、光学、磁、超声波、电容等。根据它的表面柔性，可分为非柔性和柔性传感器两种柔性好的传感器可以用于表面弯曲的物体的形状检测，还能起到缓冲作用，但会使得物体相对于抓爪的位置不精确。一般尽量采用压觉传感器阵列，如带有CMOS调理电路的高分辨率压力图像传感器，它是为精确检测二维压力分布而设计制造的。4.2 触觉传感器触觉传感器压觉：4.2 触觉传感器触觉传感器力（矩）觉：用于感知夹持物体的状态；校正由于手臂变形引起的运动误差；保
10、护机器人及零件不会损坏。它们对装配机器人具有重要意义。主要包括关节力传感器、腕力传感器、机座传感器等。关节传感器：电流检测，液压系统的背压检测和应力式关节力传感器等。腕力传感器：可以采用应变式、电容式、压电式等，主要采用应变式。如筒式六维力和力矩传感器、十字轮六维力和力矩传感器等。机座力传感器：4.2 触觉传感器触觉传感器力（矩）觉：筒式六自由度挠性十字轴式圆环式4.2 触觉传感器触觉传感器力（矩）觉：4.2 触觉传感器触觉传感器滑觉：机器人要抓住属性未知的物体时必须确定自己最适当的握力目标值，在不损坏被抓物体情况下，牢牢抓住物体。所以必须检测物体相对于手爪的滑动，即滑动传感器。应用的主要有：
11、编码器型滑觉传感器（如光学旋转编码器，磁滚轮型滑觉传感器等）；贝尔格莱德手滑觉传感器（如压花滚轮式、球形滑觉传感器等）；与压力传感器合用分析压力分布的滑觉检测等。4.2 触觉传感器触觉传感器滑觉4.3 接近觉传感器接近觉传感器接近觉传感器：是指机器人与其它物体接触前检测出它们的存在，感知的范围在几毫米到几十厘米内，通常接近觉传感器的任务仅仅是感知敏感范围内是否存在物体，只有二值输出，也有的可测量机器人与它们之间的精确距离，但一般后者属于距离传感器的范围。接近觉传感器可以是接触式的也可以是非接触式的，因此它是介于触觉和视觉之间的感觉。也有的把它归为触觉范围内。4.3 接近觉传感器接近觉传感器工程
12、触须：简易触须、气压式触须传感器、关节式触须探针。电磁式：霍尔效应式、电涡流式、感应式等。电容式：平板式气动式：喷嘴喷射气流超声波、红外线式、光电式：超声波可以检测较大较远的物体，一般用于移动机器人的路径探测和躲避障碍物；红外线式：可以探测到人类或其他热源；光电式：可采用开关式或测距方式。4.3 接近觉传感器接近觉传感器4.3 接近觉传感器接近觉传感器超声波测距4.4 视觉传感器视觉传感器机器人的视觉 视觉传感器 三维实物（立体）二维实物（平面）景像描述传感器图像处理4.4 视觉传感器视觉传感器机器人的视觉 人的视觉所获得的信息在各种感官获得的信息中约占80%，同样对于机器人来说，视觉传感器也
13、是最重要的传感器。三维实物经图像传感器获得数字图像，进行图像的预处理后，提取数字图像所代表的物体的特征，最后进行图像识别。一般当前多以示教的方式进行，在识别物体前，需要把各种待识别的物体的形状事先储存在计算机内，它的方法是把要识别的各种物体的样品逐个放在摄像机前面，让摄像机从不同的角度观察一下样品的形状，然后视觉系统就能自行提取出它的形状特征并储存起来，即“示教训练”。识别时，视觉系统提取出对象物的特征，并与事先取得的样品特征逐个进行比较，就能找出对象物是哪种物体了。通过视觉传感器可以获得对象物的距离信息。通过视觉传感器可以获得周围的环境信息。对视觉传感器的要求：实时性可靠性柔性化，能适应物体
14、和环境的变化。价格适中，一般占整个机器人的10%20%。4.4 视觉传感器视觉传感器视觉传感器：一般采用固体摄像机进行图像的摄制，以CCD为多。提高传感器的集成度如：三维集成固体图像传感器：光电变换部分、传送部分、存储部分、运算部分、电源和驱动部分，它们全集成在一个片子上。第一层为光电转换面阵，由第一层输出的信号并行进入第二层电流型MOS模拟信号调理电路，由第二层经电路调理输出的模拟信号进入第三层转换成二进制数并存储在存储器中，与第三层相连的是信号读出单元。4.5 听觉、嗅觉、味觉及其他传感器听觉、嗅觉、味觉及其他传感器听觉：主要用于语音识别，实现人机交流。它的传感器采用麦克风，这方面基本上没什么问题，主要需解决的问题是语音识别。嗅觉：用于在一些特殊场合中的检测，如放射线、高温煤烟、可燃性气体和有毒气体等的检测。味觉及其他：对液体的化学成分进行分析。而嗅觉一般用于气体的化学成分的检测。其它还有一些纯工程学的传感器，如磁传感器、电波传感器、各种异常检测用的安全检测传感器等。
