机器人传感器教学课件PPT.ppt

2019 12 20 1 第10章机器人传感器 2019 12 20 2 学习要点 了解机器人的发展熟悉机器人的应用掌握机器人传感器的工作原理 2019 12 20 3 10 1概述10 2视觉传感器10 3听觉传感器10 4触觉传感器10 5压觉传感器10 6力觉传感器10 7接近觉传感器10 8滑觉传感器10 9感觉传感器本章小结复习思考题 主要内容 返回主目录 2019 12 20 4 机器人的进步和应用是本世纪自动控制最有说服力的成就 是当代最高意义的自动化 这是宋健院士对机器人在上个世纪所取得的成就的精辟概括 进入21世纪 人们已经目睹机器人深入产业 生活 社会的各个领域 近年来 机器人作为机械学 电子学 计算机技术 人工智能等学科的典型题材被广泛地用来作为高校的研究课题 机器人专业研究方向如雨后春笋般地出现 机器人赛事也方兴未艾 本章把机器人作为机电一体化技术的一个特例进行介绍 打破机器人的神秘化 用通俗的语言叙述机器人的分类 结构 机器人传感器 机器人的控制原理及应用 2019 12 20 5 10 1概述 1958年 美国consolidated公司制作出世界第一台工业机器人 从那时起至今 机器人正在一步步走向成熟 我国也在上世纪80年代初期生产出第一台国产工业机器人 从世界范围来说 机器人的发展和应用尚属初级阶段 原来只有几个发达国家拥有机器人 而随着科学技术的发展 目前世界许多国家拥有了机电一体化的机器人 可以展望 21世纪必将是机器人得以在各个领域广泛应用的时代 因此学习 了解 应用机器人已成为当务之急 2019 12 20 6 2019 12 20 7 2019 12 20 8 2019 12 20 9 2019 12 20 10 2019 12 20 11 2019 12 20 12 2019 12 20 13 2019 12 20 14 2019 12 20 15 2019 12 20 16 10 1 1机器人的类型 1 机器人按照用途分类 1 工业机器人用于焊接 喷漆 组装 搬运 密封等行业 2 医疗福利机器人用于护理 帮助病人和残疾人 3 教育和电子游戏机器人用于教育 研究 电子游戏等 4 特殊工作机器人用于擦窗 建筑 宇宙开发 原子能发电站的维修 检修等 5 其它机器人用于办公和家庭服务 2019 12 20 17 2 机器人按输入信息分类 1 手控机器人它具有与人的上肢相同的功能 由人操纵 依靠人的视觉进行工作 严格地讲 这是一种机械手 2 固定顺序机器人它按照预先给定的顺序和条件来依次完成各个阶段的动作 它的顺序一般不容易改变 这种类型的机器人往往用来作为某种装置的一个自动化部件而组装在该装置中 如加工中心的换刀机械手 3 可变顺序机器人它与固定顺序机器人相反 其工作顺序可以根据需要随时改变 这种类型的机器人适用于多品种 小批量的生产服务中 4 再现式机器人它的工作分为两个阶段 示教阶段 此时由操作者握着机械手或通过拨动示教板上的按钮和开关控制机械手完成各种动作 而机械手在完成各种动作的同时便记住操作者教给它的动作顺序 移动距离以及其它信息 再现阶段 机器人逐次读出在示教阶段中所记忆的各种信息 并严格完成 再现 操作者所教给它的动作 5 数字控制机器人首先以数字程序形式给出机器人的动作顺序 位置以及其它信息 然后再由阅读装置逐段读出程序 控制机器人严格地按照程序工作 6 智能机器人这种类型的机器人不仅能重复预先记忆的动作 而且还具有能按照变化随时修正和改变动作的自动功能 因此智能机器人为了能感觉环境状态并做出恰当的反应 需要有各种感觉器官 视觉 听觉 触觉等传感器 和处理复杂信息的计算机硬件与软件 2019 12 20 18 3 按照动作形态可以将机器人分为4种 1 直角坐标机器人其手主要按直角坐标移动 如用于汽车点焊的直角坐标机器人 2 圆柱坐标机器人其手和臂按圆柱坐标移动 如用于机械加工的圆柱坐标机器人 3 极坐标机器人其手臂按极坐标转动 如用于喷漆的极坐标机器人 4 多关节机器人它的动作主要依靠转动各个关节来完成 2019 12 20 19 10 1 2机器人的特征 从 迎宾机器人 到 工业用机器人 虽然机器人的种类繁多 但都应具备以下特征 移动功能 执行机构 感觉和智能 2019 12 20 20 10 1 3机器人的进化过程 近代机器人的进化过程大概可以分为第四代 1 第一代机器人第一代工业机器人的最大特点就是能够按照教给它的动作重复进行工作 所以也叫做 重复进行工作的机器 如图10 1a所示 如汽车生产线上的 点焊机器人 机床或压力机使用的 上下料机器人 以及装饰用的 喷漆机器人 都属于第一代机器人 它虽配有电子存储装置 能记忆重复动作 然而因未采用传感器 所以没有适应外界环境变化的能力 2019 12 20 21 2 第二代机器人 与第一代机器人相比 它具有识别 选取和判断能力 可在轨道上运行 并能做装配之类的较为复杂的工作 为此 这些机器人要有相当于人的眼睛 耳朵或皮肤等一系列感觉装置 传感器 然后还要有判断功能 利用传感器输入信息对其周围环境进行判断 并根据这种判断来改变自身的行动 如 电弧焊接机器人 或 单能装配机器人 如图10 1b所示 因而传感器的采用与否已成为衡量第二代机器人的重要特征 2019 12 20 22 3 第三代机器人 第三代机器人是智能机器人 具有感觉和识别能力 声音合成功能 操作和行动功能 以及判断思考和处理问题的能力 特别适合做管理和服务部门的工作 如百货商场的机器人能照相 收款和接待 迎宾等 其特征是具有学习功能如图10 1c所示 现有的大部分工业机器人就相当于第三代机器人 电脑化 是这一代机器人的重要标志 然而电脑处理的信息 必须要通过各种传感器来获取 因而这一代机器人需要有更多的 性能更好的 功能更强的 集成度更高的传感器 第一代和第二代机器人都超过了机械本来固有的界限 而真正接近于人的机器人只有第三代机器人出现后才逐步形成 2019 12 20 23 4 第四代机器人 第四代机器人是什么样子 还没有确切的定义 也就是说 第四代机器人还没有问世 硬要下个定义的话 就是具有感情的机器人吧 人们根据自己的要求 提出第四代机器人应该具有以下特征 1 能表现自身的需求和意愿 2 机器人有一定的意志 3 机器人能成为人的 朋友 2019 12 20 24 总之 第一代到第四代机器人的进化过程即由重复进行的简单动作向高级动作方面发展 譬如通过判断周围情况来决定自己应该如何进行动作以及通过简单的学习来修正自己动作的智能机器人就是这种发展趋势的例证 机器人传感器就是机器人所用的传感器 机器人传感器可以定义为一种能将机器人目标物特性 或参量 变换为电量输出的装置 机器人通过传感器实现类似于人的知觉作用 传感器被称为机器人的 电五官 机器人传感器分为 机器人外部传感器 感觉传感器 机器人外部传感器的功能是识别工作环境 为机器人提供信息 检查 控制 操作对象物体 应付环境变化和修改程序 机器人内部传感器 内部传感器的功能是用来测量运动学及动力学参数 以使机器人按规定的位置 轨迹 速度 加速度和受力大小进行工作 下面就机器人常用的几种传感器 分别介绍它们的结构和工作原理 2019 12 20 25 2019 12 20 26 2019 12 20 27 10 2视觉传感器 1 人的视觉人的眼睛是由含有感光细胞的视网膜和作为附属结构的折光系统等部分组成 人眼的适宜刺激波长是370 740nm的电磁波 在这个可见光谱的范围内 人脑通过接收来自视网膜的传入信息 可以分辨出视网膜像的不同亮度和色泽 因而可以看清视野内发光物体或反光体的轮廓 形状 颜色 大小 远近和表面细节等情况 自然界形形色色的物体以及文字 图片等 通过视觉系统在人脑中的反映 视网膜上有两种感光细胞 视锥细胞主要感受白天的景象 视杆细胞感受夜间的景象 人的视锥细胞大约有700多万个 是听觉细胞的3000多万倍 因此在各种感官获取的信息中 视觉约80 同样对机器人来说 视觉传感器也是最重要的传感器 2019 12 20 28 2 机器人视觉 机器人的视觉系统通常是利用光电传感器构成的 多数是用电视摄象机和计算机技术来实现的 故又称计算机视觉 视觉传感器的工作过程可分为检测 分析 描绘和识别四个主要步骤 客观世界中三维实物经由传感器 如摄像机 成为平面的二维图像 再经处理部件给出景象的描述 应该指出 实际的三维物体形态和特征是相当复杂的 特别是由于识别的背景千差万别 而机器人上视觉传感器的视角又在时刻变化 引起图像时刻发生变化 所以机器人视觉在技术上难度是较大的 机器人的视觉作用的过程 2019 12 20 29 10 3听觉传感器 人的听觉人的听觉的外周感受器官是耳 耳的适宜刺激是一定频率范围内的声波振动 耳由外耳 中耳和内耳迷路中的耳蜗部分组成 由声源振动引起空气产生的疏密波 通过外耳道 鼓膜和听骨链的传递 引起耳蜗中淋巴液和基底膜的振动 使耳蜗科蒂器官中的毛细胞产生兴奋 科蒂器官和其中所含的毛细胞 是真正的声音感受装置 外耳和中耳等结构只是辅助振动波到达耳蜗的传音装置 听神经纤维就分布在毛细胞下方的基底膜中 振动波的机械能在这里转变为听神经纤维上的神经冲动 并以神经冲动的不同频率和组合形式对声音信息进行编码 传送到大脑皮层的中枢 产生听觉 2019 12 20 30 机器人的听觉 听觉也是机器人的重要感觉器官之一 由于计算机技术语音学的发展 现在已经实现用机器人代替人耳 通过语音处理及识别技术识别讲话人 还能正确理解一些简单的语句 然而 由于人类的语言是非常非常复杂的 无论哪个民族 其语言的词汇量都非常大 即使是同一个人 他的发音也随着环境及身体状况有所变化 因此 使机器人的听觉具有接近耳的功能还相差甚远 机器人由听觉传感器实现 人 机 对话 一台高级的机器人不仅能听懂人讲的话 而且能讲出人能听懂的语言 赋予机器人这些智慧与技术统称语言处理技术 前者为语言识别技术 后者为语音合成技术 具有语音识别功能 能检测出声音或声波的传感器称为听觉传感器 通常用话筒等振动检测器作为检测元件 机器人听觉系统中的听觉传感器的基本形态与传声器相同 所以在声音的输入端方面问题较少 其工作原理多为利用压电效应 磁电效应等 2019 12 20 31 识别声音功能 1 注册讲话人的识别方式 声音识别分为 特定讲话者 特定语音识别是预先提取特定讲话者发音的单词或音节的各种特征参数并记录在存储器中 要识别的声音与之相比较 从而确定讲话者的信息 该项技术目前已进入了实用阶段 非特定讲话者 自然语音识别 这种语音识别比特定人语音识别要困难得多 自然语音识别技术尚在研究阶段 2019 12 20 32 实现这一技术的声音识别大规模集成电路已经商品化了 其代表型号有 tms320c25fnl tms320c25gbl tms320c30gbl和tms320c50pq等 采用这些芯片构成的传感器控制系统如图10 2所示 这样的听觉传感器 可以有效地用于告诉机器人如何进行操作 从而构成声音控制型机器人 而且现在正在研制可确认声音合成系统的指令以及可与操作员对话的机器人 图10 2听觉传感器系统框图 2019 12 20 33 2 任意 未注册 讲话者的识别方式 由于讲话人的声音没有预先注册 所以首先应对讲话人的声音特征进行提取 即提取声音信号中能表征讲话者声音有代表性的信息 用这种有代表性的信息可以区分不同的讲话人 且对同一讲话人的变化保持相对稳定 这种方法其实是利用讲话人的习惯风格 情感状态 遣词造句的特点来进行识别 但是到目前为止 还没有好的方法将其定量化或找到它们与声音信号特征参数之间的关系 所以目前这一应用还不成熟 2019 12 20 34 10 4触觉传感器 人的触觉是通过四肢和皮肤对外界物体的一种物性感知 触觉传感器能感知被接触物体的特征以及传感器接触外界物体后的自身状况 如是否握牢对象物体或对象物体在传感器的什么位置 常使用的触觉传感器有机械式 如微动开关 针式差动变压器 含碳海绵及导电橡胶等几种 当接触力作用时 这些传感器以通断方式输出高低电平 实现传感器对被接触物体的感知 2019 12 20 35 如图10 3所示 是针式差动变压器矩阵式触觉传感器 它由若干个触针式触觉传感器构成矩阵形状 每个触针传感器由钢针 塑料套筒以及使针杆复位的磷青铜弹簧等构成 并在每个触针上绕着激励线圈与检测线圈 用以将感知的信息转换成电信号 再由计算机判定接触程度和接触位置等 当针杆与物体接触而产生位移时 其根部的磁极体将随之运动 从而增强了两个线圈 激励线圈与检测线圈间的耦合系数 检测线圈上的感应电压随针杆的位移增加而增大 通过扫描电路轮流读出各列检测线圈上的感应电压 代表针杆的位移量 经计算机运算判断 即可知道被接触物体的特征或传感器自身的感知特性 图10 3针式差动变压器矩阵式触觉传感器 2019 12 20 36 10 5压觉传感器 压觉传感器实际上也是一种触觉传感器 只是它专门对压觉有感知作用 目前压觉传感器主要有如下几种 1 压阻效应式压觉传感器利用某些材料的内阻随压力变化而变化的压阻效应 制成的压阻器件 将它们密集配置成阵列 即可检测压力的分布 如压敏导电橡胶或塑料等 2 压电效应式压觉传感器利用某些材料在压力的作用下 其相应表面上会产生电荷的压电效应制成压电器件 如压电晶体等 将它们制成类似人类的皮肤的压电薄膜 感知外界的压力 其优点是耐腐蚀 频带宽和灵敏度高等 但缺点是无直流响应 不能直接检测静态信号 3 集成压敏压觉传感器利用半导体力敏器件与信号电路构成集成压敏传感器 常用的有三种 压电型 如zno si ic 电阻型sir 硅集成 和电容型sic 其优点是体积小 成本低 便于与计算机连用 缺点是耐压负载小 不柔软 4 利用压磁传感器 扫描电路和针式差动变压器式触觉传感器构成的压觉传感器 压磁器件具有较强的过载能力 但体积较大 2019 12 20 37 如图10 4所示是利用半导体技术制成的高密度智能压觉传感器 它是一种很有发展前途的压觉传感器 其中传感元件以压阻式与电容式为最多 虽然压阻式器件比电容式器件的线性好 封装也简单 但是其灵敏度要比电容式器件小一个数量级 温度灵敏度比电容式器件大一个数量级 因此电容式压觉传感器 特别是硅电容式压觉传感器得到了广泛的应用 图10 4半导体高密度智能压觉传感器 2019 12 20 38 10 6力觉传感器 力觉传感器是用来检测机器人的手臂和手腕所产生的力或其所受反力的传感器 手臂部分和手腕部分的力觉传感器 可用于控制机器人手所产生的力 在进行费力的工作中以及限制性作业 协调作业等方面是有效的 特别是在镶嵌类的装配工作中 它是一种特别重要的传感器 力觉传感器的元件大多使用半导体应变片 将这种传感器件安装于弹性结构的被检测处 就可以直接地或通过计算机检测具有多维的力和力矩 使全部的检测部件都相互垂直 并且如能将应变片粘贴于与部件中心线准确对称的位置上 则各个方向的力的干扰就可降低至1 以下 这样就可以简化信息处理 也便于进行控制 2019 12 20 39 手指部分的握力控制 最简单的形式就是采用将应变片直接粘贴于手指根部的检测方法 关于握力传感器的信息处理 为了保证其稳定性 消除接触时的冲击力 或实现微小的握力 在两个手指式的钳形机构中 通常是利用pid运算反馈 pid是通过比例 积分和微分参数的适当给定 从而实现软接触 软掌握 反射接触 零掌握等动作 图10 5脉冲电动机的指力传感器 检测指力的方法 一般是从螺旋弹簧的应变量推算出来的 在图10 5所示的结构中 由脉冲电动机通过螺旋弹簧去驱动机器人的手指 所检测出的螺旋弹簧的转角与脉冲电动机转角之差即为变形量 从而也就可以知道手指所产生的力 对这种手指可以控制它 令其完成搬运之类的工作 手指部分的应变片 是一种控制力量大小的器件 2019 12 20 40 对于以精密镶嵌为代表的装配操作 就必须检测出手腕部分的力并进行反馈 以控制手臂和手腕 图10 6是这种用途的手腕部分与力传感器的结构示意图 这种手腕是具有弹性的 通过应变片而构成力觉传感器 从这些传感器的信号 就可以推算出力的大小和方向 图10 6装配机器人腕力传感器 2019 12 20 41 10 7接近觉传感器 接近是机器人能感知相距几毫米到几十厘米内对象物或障碍物的距离 对象物的表面性质等的传感器 其目的是在接触对象前得到必要的信息 以便后续动作 这种感觉是非接触的 实质上可以认为是介于触觉之间的感觉 这种传感器 是有检测全部信息的视觉和力学信息的触觉的综合功能的传感器 它对于实用的机器人控制方面 具有非常重要的作用 接近觉传感器的检测有如下几种方法 接近觉传感器有电磁式 光电式 电容式 气动式 超声波式和红外式等类型 2019 12 20 42 接近觉传感器的检测方法 1 触针法检测出安装于机器人手前端的触针位移 2 电磁感应法根据金属对象物体表面上的涡流效应 检测出阻抗的变化 进而测出线圈电压的变化 3 光学法通过光的照射 检测出反射光的变化 反射时间等 4 气压法根据喷嘴与对象物体表面之间间隙的变化 检测出压力的变化 5 超声波 微波法检测出反射波的滞后时间 相位偏移 这些方法的选择 可根据对象物体的性质以及操作内容来选择 触针式在上述触觉传感器中已作了说明 下面只介绍几种非接触式接近觉传感器 2019 12 20 43 非接触式接近觉传感器 以金属表面为对象的焊接机器人大多采用电磁感应法 如图10 7所示为利用涡流原理的接近觉传感器的原理图 在激磁线圈中有高频电流通过 用连接成差动的测量线圈和就可测出由涡流引起的磁通变化 这种传感器具有优良的温度特性 抗干扰能力强等特点 当温度在200 以下时 其测量范围为0 8mm 精度为4 以下 图10 7电感式接近觉传感器 2019 12 20 44 反射光接近觉传感器 在处理一般物体的情况下 当有必要将敏感头小型化时 可采用光学法 如图10 8所示 它是利用光电二极管的接近觉传感器将发光元件和感光元件的光轴相交而构成的传感器 反射光量 接受信号的强弱 表示了某一距离的点 光轴的交点 的峰值特性 利用这种特性的线性部分来测定距离 测出峰值点就可确定物体的位置 图10 8反射光接近觉传感器 2019 12 20 45 10 8滑觉传感器 滑觉传感器是用来检测在垂直于握持方向物体的位移 旋转和由重力引起的变形 以达到修正受力值 防止滑动 进行多层次作业及测量物体重量和表面特性等目的 实际上 滑觉传感器是用于检测物体接触面之间相对运动大小和方向的传感器 也就是用于检测物体的滑动 例如 利用滑觉传感器判断机械手是否握住物体 以及应该使用多大的力等 当手指夹住物体 做把它举起的动作 把它交给对方的动作和加速或减速运动的动作时 物体有可能在垂直于所加握力方向的平面内移动 即物体在机器人手中产生滑动 为了能安全正确地工作 滑动的检测和握力的控制就显得十分重要 2019 12 20 46 滑动检测方法 1 将滑动转换成滚珠或滚柱的旋转 2 用压敏元件和触针 检测滑动时的微小振动 3 检测出即将发生滑动时 手爪部分的变形和压力通过手爪载荷检测器 检测手爪的压力变化 从而推断出滑动的大小等 2019 12 20 47 滚珠式滑动传感器 如图10 9所示是滚珠式滑动传感器 图中的滚球表面是导体和绝缘体配置成的网眼 从物体的接触点可以获取断续的脉冲信号 它能检测全方位的滑动 图10 9滚珠式滑动传感器 2019 12 20 48 滚柱式滑动传感器 滚柱式滑动传感器是经常使用的一种滑觉传感器 图10 10是它的结构原理图 由图可知 当手爪中的物体滑动时 将使滚柱旋转 滚柱带动安装在其中的光电传感器和缝隙圆板而产生脉冲信号 这些信号通过计数电路和d a转换器转换成模拟电压信号 通过反馈系统 构成闭环控制 不断修正握力 达到消除滑动的目的 图10 10柱式滑动传感器 2019 12 20 49 10 9感觉传感器 感觉传感器的功能是部分或全部地再现人的视觉 触觉 听觉 冷热觉 病觉 异觉 嗅觉 味觉等感觉 这类传感器的基本原理是建立在前面各种传感器的基本原理基础上的 但也有其特殊性 1 冷热觉传感器用来检测对象物体的温度或导热率以确定对象物体的温度特性 2 味觉和嗅觉传感器味觉和嗅觉传感器通称化学感觉传感器 它的功能是确定对象物体的酸 甜 苦 咸及芳香的程度 以确定对象物体的化学特性 所以这类传感器均以前面的传感器为基础 在工艺和结构上做适当改进而制成的 2019 12 20 50 人的嗅觉 人的嗅觉感受器是位于上鼻道及鼻中隔后上部的嗅上皮 两侧总面积约5 由于它们所处的位置较高 平静呼吸时 气流不易到达 因此在嗅一些不太浓的气味时 要用力吸气 使气流上冲 才能到达嗅上皮 嗅上皮含有三种细胞 即主细胞 支持细胞和基底细胞 主细胞也叫嗅细胞 呈圆瓶状 细胞顶端有 条短的纤毛 细胞底端有长突 它们组成嗅丝 穿过筛骨直接进入嗅球 嗅细胞的纤毛受到悬浮于空气中的物质分子或溶于水及脂质的物质刺激时 有神经冲动传向嗅球 进而传向更高级的嗅觉中枢 引起嗅觉 2019 12 20 51 有人分析了 种有气味的组合所引起的物质 提出至少存在 种基本气味 其他众多的气味则可能由这些基本气体的组合所引起的 这 种气味是樟脑味 麝香味 花卉味 薄荷味 乙醚味 辛辣味和腐腥味 大多数具有同样气味的物质 具有共同的分子结构 但也有例外 有些分子结构不同的物质 可能具有相同的气味 实验发现 每个嗅细胞只对一种或两种特殊的气味有反应 还证明嗅球中不同部位的细胞只对某种特殊的气味有反应 这样看来 一个气体传感器就相当于一个嗅细胞 对于人的鼻子来说 不同性质的气味刺激有其相对专用的感受位点和传输线路 非基本的气味则由它们在不同线路上引起的不同数量冲动的组合 在中枢引起特有的主观嗅觉感受 2019 12 20 52 机器人的嗅觉 嗅觉传感器主要的是采用气体传感器 射线传感器等 多用于检测空气中的化学成分 浓度等 在放射线 高温煤气 可燃性气体以及其他有毒气体的恶劣环境下 开发检测放射线 可燃气体及有毒气体的传感器是很重要的 这对于我们了解环境污染 预防火灾和毒气泄漏报警具有重大的意义 2019 12 20 53 人的味觉 人的味觉感受器是味蕾 主要分布在舌背部表面和舌缘 口腔和咽部粘膜表面 每一味蕾由味觉细胞和支持细胞组成 味觉细胞顶端有纤毛 称味毛 由味蕾表面的孔伸出 是味觉感受器的关键部位 人和动物的味觉系统可以感受和区分出多种味道 很早以前就知道 众多味道是由4种基本味觉组合而成 这就是甜 酸 苦和咸 不同物质的味道与它们的分子结构的形式有关 第五种味道 辛 2019 12 20 54 机器人的味觉 通过人的味觉研究可以看出 在发展离子传感器与生物传感器的基础上 配合微型计算机进行信息的组合来识别各种味道 通常味觉是对液体进行化学成分的分析 实用的味觉方法有ph计 化学分析器等 一般味觉可探测溶于水中的物质 嗅觉探测气体状的物质 而且在一般情况下 当探测化学物质时嗅觉比味觉更敏感 2019 12 20 55 本章小结 机器人的进步和应用是本世纪自动控制最有说服力的成就 是当代最高意义的自动化 机器人按照用途分类 1 工业机器人用于焊接 喷漆 组装 搬运 密封等行业