第四章《传感器与测试技术》课件

1、传感器与测试技术第4章 机器人传感技术4.1机器人触觉传感技术4.2机器人接近觉传感技术4.3 机器人视觉传感技术4.4机器人嗅觉传感技术4.5机器人味觉传感技术4.6机器人听觉传感技术4.1 机器人触觉传感技术4.1.1 触觉传感器1接触觉传感器 接触觉传感器可以检测与外界物体是否接触，如感受是否接触地面，是否抓住物体等。图a为金属罩顶式高密度接触觉传感器。图b为高密度接触觉传感器。图c为使用导电橡胶的接触觉传感器。1橡胶；2金属罩顶；3电极；4碳纤维纸；5氨基甲酸乙酯泡沫；6衬底；7绝缘体；8导电橡胶；9海绵状橡胶2压觉传感器 压觉传感器实际是接触觉传感器的延伸，用来检测机器人手指握持面上

2、承受的压力大小及分布。（1）压阻型压觉传感器 下图所示为压阻型压觉传感器的基本结构。该传感器共有三层：上层是带有条形导电橡胶的柔性硅橡胶层；中间层是压阻材料构成的感压膜；下层是带有条形电极的印制电路板。1导电橡胶；2硅橡胶；3感压膜；4条形电极；5印制电路板（2）光电型压觉传感器下图所示为光电型阵列压觉传感器的结构示意图。1发光二极管；2光敏二极管；3触杆；4弹性触头（3）压电型压觉传感器 利用压电晶体等压电效应器件，可制成类似于人类皮肤的压电薄膜来感知外界压力。其优点是耐腐蚀、频带宽和灵敏度高等，缺点是无直流响应，不能直接检测静态信号。（4）压敏型压觉传感器 利用半导体力敏器件与信号调理电路

3、构成集成压敏传感器。其优点是体积小、成本低、便于与计算机接口，缺点是耐压负载差、不柔软。3力觉传感器 力觉传感器用于感知机器人的指、肢或关节等在工作和运动时所受力的大小和方向，进而控制如何运动、采取什么姿势，以及推测物体的重量等。 下图所示为一种铝制圆筒状的六自由度腕力传感器，外侧由八根窄长的弹性梁支撑，其中四根为水平梁，四根为垂直梁。每根梁的颈部开有小槽，使颈部只传递力，消除扭矩作用。水平梁的上下两侧、垂直梁的左右两侧贴有应变片，阻值分别为R1和R2，组成差动半桥测量电路。4滑觉传感器 滑觉传感器可以检测垂直于握持方向物体的位移、旋转、由重力引起的变形，以达到修正夹紧力，防止抓取物滑动。 下

4、图所示为滚球式滑觉传感器，主要由一个可自由滚动的金属球和触针组成。当金属球与被夹持物接触时，若物体滑动将带动金属球随之滚动，触针与金属球的导体区交替接触，从而输出一系列脉冲信号。1被夹持物；2柔软覆层；3触针 下图所示为具有温觉、触觉和压觉、滑觉的PVDF仿生皮肤的剖视图。上层PVDF获取温觉和接触觉信号，下层PVDF获取压觉和滑觉信号。 当传感器接触物体时，输出左图所示的单方向脉冲信号，即接触觉信号。当物体相对于传感器表层滑动时，输出右图所示的交变电压信号，即滑觉信号。1保护层；2上层PVDF；3电加热层；4柔性隔热层；5下层PVDF；6条状电极；7硅导电橡胶基底4.2 机器人接近觉传感技术

5、4.2.1 接近觉传感器1感应式接近觉传感器 感应式接近觉传感器主要有三种类型，分别基于电磁感应、霍尔效应和电涡流效应，一般用于近距离、小范围内的测量。（1）电磁感应接近觉传感器 当传感器远离铁磁体时，磁力线如左图所示；当传感器靠近铁磁体时，如右图所示。（2）霍尔效应接近觉传感器 霍尔效应接近觉传感器的核心为霍尔元件和永久磁铁。霍尔元件置于磁场中，若有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上会产生电势（霍尔电势）。当附近无铁磁体时，霍尔元件感受到一个强磁场，霍尔电势最大，如左图所示。当铁磁体接近传感器时，磁力线被旁路，霍尔元件感受的磁场强度减弱，引起输出霍尔电势减小，如右图所示。1永久磁铁；2霍

6、尔元件（3）电涡流接近觉传感器 电涡流接近觉传感器由激励线圈和检测线圈组成，如图所示。1激励线圈；2检测线圈；3金属物体2电容式接近觉传感器 电容式接近觉传感器可以检测任何固体和液体材料。当外界物体靠近传感器时，将引起电容量变化，由此来反映距离信息。下图所示为双极板电容式接近觉传感器的原理图。3光电式接近觉传感器 下图所示为光电式接近觉传感器的原理图。光源发出的光束经发射透镜射到物体，经物体反射并由接收透镜汇聚到光电器件。若物体不在感知范围，光电器件无输出。1光电器件；2接收透镜；3物体；4发射透镜；5光源4超声波接近觉传感器 超声波接近觉传感器适用于较远距离和较大物体的测量，下图所示为超声波

7、接近觉传感器的示意图，其核心器件是超声波换能器，材料通常为压电晶体、压电陶瓷或高分子压电材料。1树脂；2换能器；3吸声材料；4壳体；5电缆 以脉冲延时法和相位调制法为例对超声波接近觉传感器进行介绍。 脉冲延时法电路简单，但不适于近距离测量。其原理是测量渡越时间，即测量超声波从介质中发射出去开始，到物体反射后沿原路返回之间所需要的时间。由渡越时间和介质中的声速即可获知物体与传感器的距离，左图所示为该方法的工作波形。 相位调制法电路复杂，但可以根据需要选择适当的调制波长，实现高精度测量，右图所示为相位调制法的工作波形。4.2.2 接近觉传感器的应用 接近觉传感器在机器人的自动寻轨、避障，以及机械手

8、的软抓取等方面都有应用。右图所示为具有自动寻轨和避障功能的机器人的接近觉传感系统。 红外传感器利用反射光强法感知距离信息，其测量原理如下图所示。（a）电路原理图 （b）响应曲线4.3 机器人视觉传感技术4.3.1 视觉传感系统1视觉系统的组成 机器人视觉系统由图像输入、图像处理、图像理解、图像存储和图像输出等几部分组成。图像输入部分通常由CCD固体摄像机、镜头和光源组成。除某些大规模视觉系统外，图像处理、图像理解、图像存储和图像输出部分通常在微型计算机内进行，对于算法不复杂的应用场合，也可采用数字信号处理器（DSP）来完成。2机器人立体视觉原理 机器人视觉系统要处理三维图像，就必须获取物体的大

9、小、形状及其空间位置关系等信息。其中距离信息和明暗信息是判断物体位置和形状的主要依据，明暗信息由CCD固体摄像机和光源获得，距离信息可借助于立体摄像法、结构光法等获取。（1）立体摄像法 在立体视觉系统中，为了测定距离，需要设定几个坐标系，如工作坐标系（目标物体的空间坐标系）、摄像机坐标系（以固定摄像机的机座为坐标原点）等。右图所示为摄像机坐标系。（2）结构光法 选择合适的光源和投光方法也可获得物体的三维信息，这种方法称为结构光法。投光方法也有很多，可以将条状光或其他结构的光相隔一定距离组成光栅投在物体上，得到线条或其他图案组成的图像，再根据图像分析物体的形状，如下图所示。4.3.2 图像处理技

10、术1图像分割图像分割常用阈值处理和边缘检测两种方法。（1）阈值处理 选择合适的算法计算出一个灰度阈值t，根据每个像素点与阈值关系可将图像的灰度级减少，使其成为二值图像。如图所示，经过二值化后的图像更加突出轴承的轮廓。（2）边缘检测 利用灰度值的不连续性，找出物体与背景的分界线，这种方法称为边缘检测。2图像理解 为了分析图像，必须对图像中目标的特征及结构关系进行识别，以获取其特性描述，抽取其特征参数。常用特征参数为面积、周长、形状、不变矩等。（1）面积A = ana每个像素代表的面积；n分割区域中像素的个数。（2）周长Ci第i个链码的长度；n链码的数量。（3）形状（4）不变矩分割区域的（p+q）

11、阶惯性矩定义为（p+q）阶中心矩定义为4.3.3 视觉传感系统的应用1焊接机器人的视觉系统 焊接机器人的视觉系统大多采用主动视觉技术，主动视觉是基于三角测距原理的视觉方法，其光源为单光面或多光面的激光或扫描激光束，将视觉传感器放在焊枪的前面以避免弧光、烟雾的干扰。由于光源是可控制的，因此可以滤除环境对图像的干扰，真实性好。下图所示为采用激光扫描和CCD器件接收的视觉传感系统结构原理图。1扫描转镜；2角度传感器；3扫描电机；4、7聚焦透镜；5激光器；6线阵CCD；8检测转镜；9工件2管内作业机器人的视觉系统 管内作业机器人是一种可沿管道内壁行走的机构，可携带多种传感器及操作装置，实现管道焊接、防

12、腐喷涂、壁厚测量、管道的无损检测、获取管道的内部状况及定位等功能。下图所示为管内X射线探伤机器人的结构示意图。1支撑及调整装置；2X射线机；3焊缝；4光源及面阵CCD；5感光胶片；6控制及驱动装置；7电缆；8管壁4.4 机器人嗅觉传感技术4.4.1 气敏传感器 机器人嗅觉传感系统一般是由具备部分专一性的气敏传感器组成阵列，利用一定的识别算法辨识传感器阵列的输出，从而区分简单或复杂的气味。1金属氧化物半导体（MOS）型气敏传感器2电化学型气敏传感器3声表面波（SAW）型气敏传感器4石英谐振（QCM）型气敏传感器5LB膜气敏传感器4.4.2 电子鼻 电子鼻是对生物嗅觉系统功能的模拟，由气敏传感器阵

13、列、信息处理系统和模式识别系统等功能器件组成，如下图所示。1气敏传感器阵列 气敏传感器阵列是电子鼻的核心，它由多个具有不同选择性的气敏传感器组成。利用其对多种气体的交叉敏感性，将不同气味分子在其表面的作用转化为方便计算且与时间相关的可测物理信号组，可实现混合气体分析。2信息处理系统 信息处理系统相当于二级嗅觉神经元，将气敏传感器阵列的响应经滤波、放大和A/D转换后，实现预加工处理，完成特征信号的提取，并将提取后的数字信号输入计算机。3模式识别系统 模式识别系统相当于人类的大脑，利用一定的算法（对嗅觉信号进行处理判断的分析软件）完成对气味、气体的定性或定量辨识。4.5 机器人味觉传感技术4.5.

14、1 气敏传感器 电子舌是20世纪80年代中期发展起来的一种分析、识别液体“味道”的新型检测手段。电子舌与电子鼻的功能结构、分析方法等都非常相似，主要由味觉传感器阵列、信号处理系统和模式识别系统组成。1基于电位分析的味觉传感器2基于伏安分析的味觉传感器3基于表面光伏电压的味觉传感器4.5.2 味觉传感器的模式识别 模式识别方法主要有主元分析法（PCA）、人工神经网络法（ANN）、模糊识别法（FR）和混沌识别法（CR）等。 主元分析是模式识别中最基本的内容，有一个主元的提取和多个主元的提取，后者是许多自适应处理领域所必须的。 人工神经网络能够通过学习和训练获得用数据表达的知识，除了可以记忆已知的信

15、息外，还具有较强的概括能力和联想记忆能力，在特征提取、表示、推理和识别等方面都具有优势和发展潜力。 模糊识别是以模糊推理来处理常规方法难以解决的问题，能对复杂事物进行识别，其显著特点是适用于直接的或高级的信息表达，具有较强的逻辑功能。然而它没有本质的获取信息的能力，模糊规则的确定也比较困难。 混沌识别是一个新的发展方向，混沌是一种遵循一定非线性规律的随机运动，对初始条件敏感，具有很高的灵敏度。4.6 机器人听觉传感技术4.6.1 听觉传感器 机器人听觉传感器是将声源通过空气振动产生的声波转换为电信号的换能设备，相当于机器人的“耳朵”。获取声音信息后，还必须借助于语音处理和辨识技术对其进行正确理解。1动圈式传声器2电容式传声器3光纤式传声器1动圈式传声器 下图所示为动圈式传声器的结构，振膜轻而薄，可随声音振动。动圈与振膜粘附在一起，随振膜的振动而运动，动圈位于磁钢形成的磁场中，当动圈在磁场中运动时，会产生感应电势。感应电势与振膜振动的振幅和频率相对应，因此动圈输出的电信号与声音的强弱、频率相对应，即将声音转换为音频信号。1振膜；2动圈；3磁钢2电容式传声器 下图所示为电容式传声器的结构，由固定电极和振膜构成电容器，电源电压U经过固定电阻R加至电容器的固定电极。当声音传入时，振膜可随声音振动，则振膜与固定电极间的电容量也随声音而变化，从而引起电容器的容抗发生变化。