第6章IR感觉系统2

1、6.3 6.3 速度传感器速度传感器 由于在机器人中主要测量机器人关节的运行速度，故这里仅介 绍角速度角速度传感器。 6.3.1 6.3.1 测速发电机测速发电机 测速发电机（Tachogenerator）是一种检测机械转速的电磁装置, 它能把机械转速变换成电压信号，其输出电压与输入的转速成正 比关系。 实际上是一种精密的微型直流发电机 ukn 式中 u-测速发电机的输出电压（V）； n-测速发电机的转速（r/min）； k-比例系数。 6.3.26.3.2增量式光电编码器增量式光电编码器 作为速度传感器可以在模拟方式和数字方式下使用。 1.1.模拟方式模拟方式 在这种方式下，必须有一个频率-

2、电压(F/V)变换器，用来把 编码器测得的脉冲频率转换成与速度成正比的模拟电压。 F/V变换器必须有良好的零输入、零输出特性和较小的温度 漂移才能满足测试要求。 2.2.数字方式数字方式 利用数学方式用计算机软件计算出速度。角速度是转角对时间 的一阶导数，如果能测得单位时间t内编码器转过的角度 ， 则编码器在该时间内的平均转速为 t 单位时间取得越小，则所求得的转速越接近瞬时转速，然 而时间太短，编码器通过的脉冲数太少，导致所得到的速 度分辨率下降。在实践中通常用以下方法来解决这一问题 （自学）。 6.3.3 6.3.3 微硅陀螺仪微硅陀螺仪 微硅陀螺仪（Micro-silicon gyros

3、cope）是 一种新型的电子式陀螺仪（角速度传感 器），可以检测移动平台绕车轴倾斜的角角 速度速度。 用微硅陀螺仪和电子倾角传感器的 组合构成姿态传感器，来检测机器 人行走过程中的运行姿态姿态，在步行 机器人、平行双轮电动车等方面得 到了广阔的应用。 车 轮 安全轮 控制器 电路 电池 传感器 电机 驱 动 器 平 台 通常只有二值输出，表明在一规定距离范围内是否有物体存 在，用于判断物体的抓取或避障 6.4 6.4 接近觉传感器接近觉传感器 p电感式 p电容式 p光电式 p霍尔效应式 p超声波式 p气压式 1.1.电感式电感式工作原理工作原理 由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体

4、在接近这 个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个 涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路 的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开 关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。 6.4.16.4.1电感式电感式与电容式接近觉传感器与电容式接近觉传感器 2.2.电容式工作原理工作原理 电容式接近开关的测量头通常是构成电容器的一个极板，而 另一个极板是物体的本身，当物体移向接近开关时，物体和 接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状 态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断。这种 接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以

5、是绝缘的 液体或粉状物体。 红外线光电开关（光电传感器）属于光电接近开关，它是利 用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而 检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的对所有能反射光线的 物体均可检测物体均可检测。 6.4.2 6.4.2 光电式传感器光电式传感器 漫反射光 电开关 被检测 物体 漫反射光 电开关 被检测 物体 专用反 射镜 （a）漫反射式（b）镜反射式 被检测 物体 发射器接收器 （c）对射式 发射器 接收器 被检测 物体 （d）槽式 被检测 物体 光纤控 制器 光纤线 光纤传 感器 （e）光纤式 行程开关 产品计数 料位的控制 物体的定位 Applica

6、tions 当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时， 薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应霍尔效应。 两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为 U=KIB/d 其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场的磁 感应强度，d是薄片的厚度。 霍尔开关的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值达到一 定的程度（如B1）时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开 关的输出电平状态也随之翻转。 6.4.46.4.4霍尔传感器霍尔传感器 人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在 20Hz20kHz范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的 称为次声波。常用的超声波频

7、率为几十kHz几十MHz。 6.4.56.4.5超声波传感器超声波传感器 超生波 发送器 超生波 接收器 被测 物体 6.4.6 6.4.6 气压接近觉传感器气压接近觉传感器 6 65 5 触觉传感器触觉传感器 触觉是人与外界环境直接接触时的重要感觉功能，研制满足要 求的触觉传感器是机器人发展中的技术关键之一。 6.5.1 6.5.1 接触觉传感器接触觉传感器 1.1.微动开关微动开关 微动开关的触点间距小、动作行程短、按动力小、通断迅速， 具有使用方便、结构简单的优点。缺点是易产生机械振荡和触 头易氧化，仅有0和1两个信号。在实际应用中，通常以微动开 关和相应的机械装置机械装置(探头、探针等

8、)相结合构成一种触角传感 器。 2.2.柔性触觉传感器柔性触觉传感器 接触 物体 硅橡胶薄层 导电橡胶应变计 聚氨基甲酸 酯泡沫材料 刚性支撑架 （1）柔性薄层触觉传感器 （2）导电橡胶 （3）气压式触觉传感器 外力F 上端盖 波纹管 密封 腔室 下端盖 压力 传感器 放大 电路 单片机 或PC机 3.3.触觉传感器阵列触觉传感器阵列4.4.仿生皮肤仿生皮肤 橡胶包封表皮 硅导电橡胶 基底及引线 柔性隔热层 下层PVDF 上层PVDF 加热层 6.5.2 6.5.2 力觉传感器力觉传感器 电阻应变片 式6维力和 力矩传感器 时间 s 插入深度 cm插入力 kN 接近姿态调整速度调整 按规定的插

9、入 力完成装配 轴孔精密 装配作业 插入力与 插入深度 之间的关 系曲线 6.5.3 6.5.3 滑觉传感器滑觉传感器 . Robot vision system 6.6 6.6 工业机器人视觉技术工业机器人视觉技术 所谓机器视觉：就是赋予机器以人类视觉功能，突破人类自身 视觉的局限性，把计算机的快速性、可靠性、结果的可重复性， 与人类视觉的高度智能化和抽象能力相结合，由此逐渐形成了 一门新学科，在日常生活的方方面面得到了广泛的应用。 举例？ 机器视觉：机器视觉：是通过光学的装置和非接触的传感器自动地接收和 处理一个真实物体的图像物体的图像，以获得所需信息信息或用于控制控制机器人 运动的装置。

10、 6.6.1 机器视觉技术机器视觉技术 一般由光源，镜头，CCD照相机，图像处理单元（或图像捕 获卡），图像处理软件，监视器，通讯/输入输出单元等部 分。 6.6.2 机器视觉系统组成 机器视觉系统采用CCD/CMOS照相机将被摄取目标转换成图像信 号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色 等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运 算来抽取目标的特征，如：面积、长度、数量、位置等；根据 预设的容许度和其他条件输出分析结果。 工作原理：工作原理： 图像的清晰和细腻程度通常用分辨率来衡量，以像素（Pixel） 数量表示。 照相机是实际上是一个光电转换装置，即将图像传感器

11、所接收 到的光学图像，转化为计算机所能处理的电信号。光电转换器 件是构成相机的核心器件。目前，典型的光电转换器件为真空 摄像管、CCD/CMOS图像传感器等。 1.1.视觉传感器视觉传感器-照相机照相机 CCD传感器传感器：CCD(charge coupled device)是目前机器视觉最 为常用的图像传感器。它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、 信号读取于一体，是典型的固体成像器件。 典型的CCD相机的系统框图 CMOS传感器：传感器：CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）是互补性氧化金属半导体，将光敏元阵列、 图像信号放大器、信号读取电路

12、、模数转换电路、图像信 号处理器及控制器集成在一块芯片上，还具有局部象素的 编程随机访问的优点。目前，CMOS图像传感器以其良好的 集成性、低功耗、宽动态范围和输出图像几乎无拖影等特 点而得到广泛应用。 2. 图像采集处理卡 图像采集卡主要完成对模拟视频信号模拟视频信号的数字化数字化过程。视频信 号首先经低通滤波器滤波，转换为在时间上连续的模拟信号； 按照应用系统对图像分辨率的要求，用采样/保持电路对视 频信号在时间上进行间隔采样，把视频信号转换为离散的模 拟信号；然后再由A/D转换器转变为数字信号输出。而图像 采集处理卡还具有对视频图像分析、处理和对相机进行有 效控制等功能。 光源是影响机器

13、视觉系统输入的重要因素，因为它直接影响 输入数据的质量和至少30%的应用效果。 3 3光源光源 （）实现非接触测量。对观测与被观测者都不会产生任 何损伤，从而提高了系统的可靠性； （）具有较宽的光谱响应范围。机器视觉则可以利用专 用的光敏元件，可以观察到人类无法看到的世界，从而扩 展了人类的视觉范围。 （）长时间工作。人类难以长时间地对同一对象进行观 察。机器视觉系统则可以长时间地执行观测、分析与识别 任务,并可应用于恶劣的工作环境。 Advantages: 1.1.图像的增强图像的增强（Image Enhancement） 用于调整图像的对比度，突出图像中的重要细节，改善视觉质 量。通常采用

14、灰度直方图修改技术进行图像增强。 6.6.3 图像处理技术（Image Processing Technology ） 2.2.图像的平滑图像的平滑 （Image Smoothing） 图像的平滑处理技术即图像的去噪声去噪声处理，主要是为了去除 实际成像过程中，因成像设备和环境所造成的图像失真，提取 有用信息。实际获得的图像在形成、传输、接收和处理的过程 中，不可避免地存在着外部干扰和内部干扰等，均会使图像变 质。因此，去除噪声，恢复原始图像是图像处理中的一个重要 内容。 图像平滑图像平滑 的方法：的方法： p邻域平均法 p中值滤波法 p空间域低通滤波 p。等算法 3.3.边缘锐化边缘锐化 （

15、 Image Sharpening） 主要是加强图像中的轮廓边缘和细节，形成完整的物体边界， 达到将物体从图像中分离出来或将表示同一物体表面的区域检 测出来的目的。锐化的作用是要使灰度反差增强，因为边缘和 轮廓都位于灰度突变的地方，所以锐化算法的实现是基于微分 作用。 4.4.图像的分割图像的分割（Image Division） 是将图像分成若干部分，每一部分对应于某一物体表面，在 进行分割时，每一部分的灰度或纹理符合某一种均匀测度度 量。分类的依据是像素的灰度值、颜色、频谱特性、空间特素的灰度值、颜色、频谱特性、空间特 性或纹理特性性或纹理特性等。 通常有两种方法： 阈值处理法; 边缘检测法

16、。 5.5.图像的识别图像的识别（Image Recognition） 图像的识别过程实际上可以看作是一个标记过程，即利用识 别算法来辨别景物中已分割好的各个物体，给这些物体赋予 特定的标记，它是机器视觉系统必须完成的一个任务。 按照图像识别从易到难，可分为三类问题： 图像中的像素表达了某一物体的某种特定信息。如遥感 图像中的某一像素代表地面某一位置地物的一定光谱波段的反 射特性，通过它即可判别出该地物的种类。 待识别物是有形的整体，二维图像信息已经足够识别该 物体，如文字识别、某些具有稳定可视表面的三维体识别等。 由输入的二维图、要素图等，得出被测物体的三维表示。 如何将隐含的三维信息提取出

17、来的问题，是当今研究的热点。 6. 6. 图像编码与压缩（图像编码与压缩（Image Coding and Compression） 数字图像的数据量是相当庞大的，一幅512*512个像素的 数字图像的数据量为256 K字节，若假设每秒传输25帧图像， 则传输的信道速率为52.4M比特/秒。高信道速率意味着高投 资，也意味着普及难度的增加。因此，传输过程中，对图像数 据进行压缩显得非常重要。数据的压缩主要通过图像数据的数据的压缩主要通过图像数据的 编码和变换压缩完成。编码和变换压缩完成。 Applications: q IC成品检验 轴承滚动体及铆钉缺失在线检测仪 -河南科技大学 利用摄像机对

18、装配后的轴 承进行摄像，并对捕捉到 的轴承图像进行处理，通 过对图像特征的分析判断， 从而实现轴承滚动体及铆 钉缺失的检测。 机器视觉系统0.8秒/件的 检测效率高于生产线节拍 23秒/件。 第十届全国第十届全国“挑战杯挑战杯”作品作品 基于机器视觉的滚针轴承漏针检测系统 -湖北工业大学 采用图象处理技术对轴承的图片进行处理,来识别是否漏针, 然后通过专业的控制卡实现正品和次品的自动分选,用于轴承 漏针的在线自动检测,提高轴承的检测精度和检测效率。 拍照、分析时剔除动作完成时间4秒。 正品检率100%，废品检率90%。 原理： 捕捉到的图 像与示教图 像进行比较 是机器视觉和机器人控制的有机结合，是一个非线性、强耦 合的复杂系统，其内容涉及图象处理、机器人运动学和动力 学、控制理论等研究领域。 6.6.4 6.6.4 工业机器人视觉伺服系统工业机器人视觉伺服系统（Visual Servo System） 机器人视觉伺服是利用视觉传感器得到的图像作为反馈信息， 构造机器人的位置闭环反馈。 分类 （1）按照摄像机的数目的不同，可分为