机器人传感器教学课件PPT.pptx

,1. 机器人传感器,（1）传感器的定义：,传感器是一种以一定的精度和规律把规定的被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的器件或装置。 对于机器人来说，无论是同外部环境进行交互，还是感知自身的姿态，都需要通过传感器来或取相应的信息。 通过传感器提供的信息，机器人不仅可以对自身的姿态、速度加速度等进行控制，而且可以进行任务规划、路径规划以完成既定的工作任务和工作目标。,机器人视觉,机器人触觉,机器人力觉,1. 机器人传感器,（2）机器人传感器的分类：,a.内部传感器: 主要感知与机器人自身参数相关的内部信息，如位移、速度、加速度等。 主要有位置传感器、速度和加速度传感器、陀螺等。 b.外部传感器: 主要感知本体以外的外界物理信息，如障碍物的位置、形状、颜色、距离、接触 受力等。主要包括视觉传感器、听觉传感器、触觉传感器、力觉传感器、滑觉传 感器、陀螺传感器、接近觉传感器、距离传感器、嗅觉传感器、味觉传感器以及 生物传感器。,1. 机器人传感器,（3）机器人视觉传感器,原理：视觉传感器主要采用模拟摄像机或数码摄像机获取来环境图像信息。对摄像机 获取的二维图像进行数字化后就可利用计算机感知机器人所处的三维环境。 应用：通过对视觉传感器获取的图像信息进行处理，可以感知环境中物体的轮廓、形 状、颜色、还可以实现运动检测、深度测量、相对定位、导航、环境或特定物 体的三维建模等。 分类：光导管摄像机、数码摄像机。,1. 机器人传感器,（3）机器人视觉传感器：,1，日本东北大学大学院工学研究科生物机器人专业教授小柳光正与准教授田中彻的研 究小组，正在研究模拟生物眼睛的视觉传感器，即人工视网膜芯片。其目标是用几 十mW的极低功率实现相当于1万fps的超高速影响。 2，日本广岛大学石井教授与东京大学石川正俊教授所领导的研究小组用现有技术开发 阶段性执行的图像数据处理系统。具有高精度且超高帧速率，而且可以实时，处理 信息。 3，美国加州大学研制了一款具有“透视眼”功能的机器人，可以观察发现墙壁内部的 物体。该技术可用于寻找困陷在建筑物中的伤员，挥着监控家中的老人。,1. 机器人传感器,（4）机器人听觉传感器：,原理：声音识别是人工智能的重要研究课题，也是智能机器人的重要研究内容。机器 人听觉传感器可以感知环境中的声音、超声波、次声波等信息。 应用：机器人对声波信号的识别可以用于防治次声污染、人机语音交互、自然灾害预 测等多个领域。 分类：无噪声电声传感器、驻极体电容式传声器、动圈式传声器、带式传声器、光纤 型声音传感器。,1. 机器人传感器,（4）机器人听觉传感器：,1，将识别对象的声音从周围杂音中分离出来的音源分离技术，是听觉传感器得以普及 的关键。 2，京都大学教授奥乃博所领导研究小组建立了音源分离技术体系，同时也领导着各领 域的实际开发，改下组以开发了可以分离、识别多人同时发出的声音技术。 3，除了语音分离技术之外，在该领域较为重要的技术开发有两个方向，一个是从语音 当中提取说话人的情感及周边环境信息的技术，另一个是直接提取说话人当时的真 实环境下的声音，包括由于说话人所在位置周围的建筑物所引起的声音微妙变化等。 虽然提取的是真实环境的声音，但输出时可自由输出。,1. 机器人传感器,（5）机器人触觉传感器：,原理：触觉传感器是当机器人与环境中物体接触时给出接触信号，通过对触觉的感知 机器人可以确认是否与环境中的物体接触，了解所接触物体的形状和硬度等信 息。 应用：简单的接触传感器可以使机器人对碰撞、接触等作出反应，复杂的触觉传感器 使机器人不仅了解是否与物体接触、而且可以获取接触力的大小。 分类：简单的接触传感器、电阻式接触传感器、电容式触觉传感器、电化学触觉传感 器、光学触觉传感器。,1. 机器人传感器,（5）机器人触觉传感器：,1，触觉传感器十年前已开始实用化，而且具有非常高的性能，业界正在进行以下三大 方面的新技术开发：大面积化。使用场所及应用的多样化；研发类似人类皮肤的触 觉传感，不仅检测位置，还要同时检测力度、压力、温度、表面凸凹、有无摩擦等； 利用CMOS等工艺进行集成。 2，美国麻省理工学院视觉科学学科联合波士顿东北大学研究团队成功研制了一种触觉 传感器GelSight，比人类手指更加灵活敏感。GelSight不是以机器来辨识触觉，而 是以3D视觉实时定位物体的方位，以实现对物体的识别和传感。其最大特征在于， 最快的辨识物体的视觉信号，并马上将其转化为触觉信号。,1. 机器人传感器,（6）机器人力觉传感器：,原理：力觉传感器经常装于机器人关节处，通过检测弹性体变形来间接测量所受力。 装于机器人关节处的力觉传感器常以固定的三坐标形式出现，有利于满足控制 系统的要求。目前出现的六维力觉传感器可实现全力信息的测量，因其主要安 装于腕关节处被称为腕力觉传感器。 应用：力觉传感器可用来检测机器人自身关节力和机器人与外部环境物体之间相互作 用力。 分类：,关节力传感器、腕力传感器、指力传感器。,1. 机器人传感器,（6）机器人力觉传感器：,1，多维力传感器指的是一种能够同时测量两个方向以上力及力矩分量的力传感器，在 笛卡尔坐标系中力和力矩可以各自分解为三个分量，因此，多维力最完整的形式是 六维力/力矩传感器，即能够同时测量三个力分量和三个力矩分量的传感器，目前广 泛使用的多维力传感器就是这种传感器。 2，日本信号株式会社推出了基于微机电系统(MEMS)技术的超小型六轴力觉传感器。其 采用该公司研发的电磁驱动式MEMS光扫描仪“ECO SCAN“的技术经验,主要用于机器人 和计量测量仪器领域。该六轴力觉传感器利用半导体的压电电阻效应来检测应力。,1. 机器人传感器,（7）机器人滑觉传感器：,原理：为了在抓握物体时确定一个适当的握力值，需要实时检测接触面的相对滑动， 然后判断握力，在不损伤物体的情况下逐渐增加力量，滑觉检测功能是实现机 器人柔性抓握的必备条件。通过滑觉传感器可实现识别功能，对被抓物体进行 表面粗糙度和硬度的判断。 应用：滑觉传感器可用来检测机器人与抓握对象间滑移程度的传感器。 分类：无方向性滑觉传感器、单方向性滑觉传感器、全方向性滑觉传感器（球形）。,1. 机器人传感器,（7）机器人滑觉传感器：,1，起始滑动和实际滑动是智能机器人触觉系统的重要参数，不论是装卸刚性物体还 是装卸一般不易握住的柔性材料以及易碎物品都是如此。滑觉传感器的开发对稳 定机器人装卸物尤其重要。 2，无方向型滑觉传感器：不考虑滑动的方向，只考虑滑动引起的位移和速度大小。3，单一方向型滑觉传感器：根据手指把握物体方向的限制，只在某些特定方向感知 物体滑动信息。 4，全方向型滑觉传感器：能检测在手指表面任意方向产生的滑动信息。,1. 机器人传感器,（8）机器人距离传感器：,原理：距离的测量对于机器人来说非常重要。距离传感器发出能量波至环境物体表面 并接受反射回来能量波，记录两者之间的时间差，从而可换算出机器人距该物 体的距离。 应用：可以获取外部环境的深度信息，相对距离信息，也可以用来对机器人进行定位 和避障等。 分类：超声波测距传感器、激光测距传感器、红外线测距传感器、微波测距传感器、 24GHZ雷达测距传感器。,1. 机器人传感器,（8）机器人距离传感器：,1，超声测距原理：超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固 体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生 显著反射形成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。, 2，激光测距原理：激光传感器工作时，先由激光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， 记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定 目标距离。 3，红外测距原理：红外测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度 也不同的原理，进行障碍物远近的检测。,1. 机器人传感器,（9）机器人接近离传感器：,原理：接近觉传感器是非接触检测器件，利用磁感应、涡流、光学原理、超声波、电 容和电感、霍尔效应等原理制成。 应用：主要用于探测一个物体是否与另一个物体接近，可用于机器人避障。 分类：磁感应传感器、超声波接近传感器、光学接近传感器等。,1. 机器人传感器,（9）机器人接近离传感器：,1，接触觉传感器不仅可以判断是否接触物体，而且还可以大致判断物体的形状。一 般传感器装于机器人末端执行器上。 2，除微动开关外，接触觉传感器还采用碳素纤维及聚氨基甲酸酯为基本材料构成触 觉传感器。机器人与物体接触，通过碳素纤维与金属针之间建立导通电路。 3，与微动开关相比，碳素纤维具有更高的触电安装密度、更好的柔性、可以安装于 机械手的曲面手掌上。,1. 机器人传感器,（10）机器人陀螺传感器：,原理：陀螺是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或 二个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的 也称陀螺仪。 应用：陀螺仪是用来测量运动体角度、角速度和角加速度的传感器。利用陀螺可以测 量机器人连杆的姿态角（航向、俯仰、横滚），精确测量连杆角运动。 分类：机械陀螺、压电陀螺、光学陀螺、微机械电子陀螺。,1. 机器人传感器,（7）机器人陀螺传感器：,1，机械陀螺仪：价格贵，有转动部分，精度较高，不易受电磁干扰。 2，电子陀螺仪：价格便宜，无转动部分，易受电磁干扰，使用场合受限制。 3，光学陀螺仪：只有很少的移动部件或没有移动部件，与机械陀螺相比易于维护、不 受重力影响。 4，微机械电子陀螺：是利用半导体制造技术将微型机械结构、信号采集放大与处理电 路等集成在一起的陀螺系统，结构精巧，灵敏度高。,1. 机器人传感器,（8）机器人生化传感器：,原理：生化传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透 成长起来的高新技术。因其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、 在复杂的体系中进行在线连续监测，特别是它的高度自动化、微型化与集成化 的特点，使其在近几十年获得蓬勃而迅速的发展。 应用：生化传感器主要用于微纳机器人和医疗机器人，并正向传统机器人领域扩展， 可以大大提高机器人对外界生化信息的感知能力。 分类：亲和型、代谢型、催化型、半导体型、生化电极传感器、光生化传感器。,1. 机器人传感器,（8）机器人生化传感器：,1，从1962年，Clark和Lyons最先提出生物传感器的设想距今已有40 年。生物传感器 在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深 度重视和广泛应用。 2，微纳机器人所配备的生物传感器可特异性识别癌细胞和病毒细胞，为机器人微创 手术与靶向治疗奠定了良好的基础。 3，机器人嗅觉与味觉的实现必定需要多种生物与化学传感器相互配合。 4，目前生化传感器不仅应用于生物工程、化学工程、医疗诊治等直接相关领域，也 正在加速向机械装备、电子产品等非直接相关领域领域扩展。,1. 机器人传感器,（8）机器人嗅觉传感器：,原理：机器嗅觉是一种模拟生物嗅觉工作原理的新颖仿生检测技术，机器嗅觉系统通 常由交叉敏感的化学传感器阵列和适当的计算机模式识别算法组成，阵列中的 气体传感器各自对特定气体具有较高的敏感性，由一些不同敏感对象的传感器 构成的阵列可以测得被测样品挥发性成分的整体信息，与人的鼻子一样，闻到 的是样品的总体气味。 应用：嗅觉传感器可以感知空气中的特殊气味，可用于检测、分析和鉴别各种气味。 分类：气体嗅觉传感器、仿生嗅觉传感器。,1. 机器人传感器,（8）机器人嗅觉传感器：,1，东京工业大学准教授中本高道所领导的研究小组研发了再现气味技术，可将发送方 嗅觉传感器所检测到的气味数值化，然后在此基础上对32种主要气味成分进行调配， 从而人工再现气味。 2，瑞士巴塞尔大学的研究小组开发了将悬臂用于气体传感器的技术，悬臂是用MEMS技 术制作而成，其中使用了原子力显微镜。悬臂的一侧是高分子膜，可对气体做出反 应，当高分子上吸附特定气体时会发生变形，借此就可以检测高分子膜的变形，从 而换算成气体的浓度和气味的浓度。 3，最近，嗅觉传感器在医疗领域的应用引起了人们关注，其原理就是当人类生病时会 发出各种气味，不同疾病的气味不同，通过对气味的检测，便可检测出病人所患何 种疾病。 4，由于气体传感器在各行各业中已经开始应用，所以嗅觉传感器比较容易进入实用化。 5，如果使用生物传感器，就可以通过检测结果气味的对应关系再现人的感觉。,1. 机器人传感器,（8）机器人味觉传感器：,原理：人类舌头表面感觉问道的器官被称为味蕾，味蕾上存在可感觉甜味、咸味、酸 味、苦味、鲜味五中基本味道的各种味蕾细胞。味觉传感器也可以分别区分这 五种基本味道的浓淡程度，并将味道数值化再进行评价。 应用：味觉传感器可以使机器人具有识别味道的功能，可用于制造机器人美食家，评 判美味的优劣。 分类：化学传