机器人感知与智能 课件 第六章 力学感知技术

机器人感知与智能第六章力学感知技术概述

OUTLINE力学感知技术广泛应用于机器人技术和航天航空工业等领域，其主要目的是为了能够准确地测量和感知物体所受的力。本章将详细介绍力的获取方式和信号转换原理。首先，探讨如何通过物理测量来获取力的信息，包括使用的设备和技术，以及如何根据这些信息来计算物体所受的力。其次，讲解信号转换的原理，即如何将物理测量转换为可以被电子设备读取和处理的电信号。01力的获取方式目录

CATALOGUE02信号转换原理03噪声的处理04应用举例01力的获取方式直接获取是一种常见的方式，它通过在机器人的关键部位安装力传感器，直接测量力的大小。这些传感器可以安装在机器人的末端执行器、机械臂关节或其他重要部位，以感知机器人与外部环境的力交互。例如，应变片传感器、压电传感器和力敏电阻传感器等，都是常用的直接获取力的传感器。应变片传感器利用应变片材料的电阻值随外部施加的力而产生变化的原理进行测量，具有高灵敏度和线性度。压电传感器则利用压电材料的特性，在压力作用下产生电荷信号。它们广泛应用于机器人末端工具的力控制和物体抓取操作，以及对精确力测量要求不高的场景。而力敏电阻传感器的电阻值会随外部施加的力而发生变化，通常用于对粗略力信号的测量，例如机器人碰撞检测和物体触碰检测[1][2]。直接获取间接获取，是利用机器人的运动特性和动力学模型等信息，通过分析机器人运动过程中的力学特征来推断力的大小。间接获取力不需要额外的传感器，只需利用机器人自身的运动数据和动力学模型即可实现力的估计。一种常见的间接获取力的方法是基于力矩的方式。通过分析机器人关节力矩与位置的关系，并结合机器人的动力学模型和控制算法，可以估计末端执行器所受力的大小。另一种间接获取力的方法是基于位移和刚度。该方法利用机器人末端的位移数据和工具的刚度来推断外部力的大小。通过分析末端执行器的位移变化以及工具的刚度参数，可以推断出作用在工具上的力[3][4]。此外，基于接触力感知的方法也是一种间接获取力的方式。对于机器人的末端执行器来说，接触力感知是获取力信息的重要来源。通过检测接触物体的变形或变化，可以推断机器人所受到的力。然而，间接获取力的精确性和准确性取决于机器人的动力学模型和观测数据的质量。间接获取02信号转换原理在工程和科研领域中，力和力矩等力学信号的精确检测和转换至关重要。这些信号是物体在外力作用下的物理响应，表现为力和力矩等物理量，但它们通常无法被计算机系统直接识别。因此，它们必须通过传感器来检测并转换。力传感器的基本工作原理是利用传感元件（如力敏电阻器）对施加的力进行感应。这些元件在受力时会发生物理变化（如变形），该变化进而转换为模拟电信号[5]。这些模拟信号之后通过信号处理系统被进一步处理，转换成数字信号，以便计算机系统能够进行准确的力测量和监测。不同类型的力传感器，无论是基于应变片、压电材料、电容变化还是其他机制，都遵循这一基本原则，但在传感膜的材料、电极的设计和信号处理的具体技术上各有差异。力学信号的本质在力传感器的材料选择方面，常见的材料包括金属、陶瓷和聚合物。金属材料：金属材料的力传感器通常具有较高的刚度和耐久性，适用于一些需要高频响应和长期使用的场景。常见的金属材料有钢、铝和合金等。陶瓷材料：陶瓷材料的力传感器具有优异的耐温性能和高线性度，适用于一些高温环境下的应用。陶瓷材料常用的有氧化铝和氮化硅等。聚合物材料：聚合物材料的力传感器相对较轻、成本较低，并且可以提供较大的测量范围。聚合物材料的常见选择有聚酰亚胺、聚四氟乙烯和聚苯乙烯等。力传感器常用材料应变片传感器应变式力传感器依据材料的应变效应工作，特别是当其内部的应变片在受到外力作用时，会发生微小的物理形变。这种形变导致应变片的电阻值按照一定的比例变化，这一变化通过精密的电路测量转化为电信号输出。为了确保这些信号能够被准确读取，通常会通过专门的放大和滤波电路进行处理，然后这些模拟信号经过模数转换器（Analog-to-DigitalConverter，ADC）转换为数字信号，并通过数据接口输出到计算机或其他智能设备进行深入分析和处理。在实际应用中，应变片通常由高弹性模量的材料制成，并精确地固定在力的作用点上。当受力物体形变时，应变片产生微小的几何尺寸变化，导致其电阻值随之变化。这种电阻变化通过惠斯通电桥这样的精密电路来测量，并转换成一个与力变化成正比的电压信号。进一步的信号处理，包括放大、滤波和可能的温度补偿，确保输出信号的稳定性和准确性。应变片传感器应变片传感器

应变片传感器

压电传感器电容式传感器

电容式传感器电容式传感器

电容式传感器磁电式传感器

霍尔效应原理图磁电式传感器

霍尔效应原理图在将力转换为电信号后，通常所获得的原始电信号较微弱，不足以直接进行后续的数据处理。因此，信号需要经过放大器来提高其电平。然而，放大过程可能引入不希望的变化，比如温度变化引起的漂移或传感器的非线性响应。为了解决这些问题，需要对信号进行进一步的调理，包括滤波去除高频噪声，线性化处理以纠正传感器的非线性特性，温度补偿以校正温度变化的影响，以及最后的数字化步骤，将模拟信号转换为数字信号，方便计算机处理和分析。这些步骤共同确保了信号的质量和可用性，为最终的力量测量提供了准确的数据基础。信号的放大和调理03噪声的处理在力学信号转换与处理的过程中，噪声的存在不仅普遍而且在很大程度上不可避免。噪声可能来源于多种内部和外部因素，对数据的准确性和信号质量构成潜在的威胁。为了深入理解和有效应对这些噪声，本节将详细区分和识别噪声的各种类型，并对其来源进行全面分析。外部噪声：主要由传感器电路外部的干扰源产生，包括但不限于电磁干扰、温度波动和声学振动。1、电磁干扰：这种干扰是由外部电磁辐射源（如马达、变压器和其他电子设备）产生的电子噪音。这些干扰可以通过电缆传导，降低信号的完整性和可读性。2、温度波动：温度波动可能源自设备自身工作产生的热量或环境温度的变化。这些波动会影响传感器电路中的元器件参数，进而影响电路的正常运作。3、声学振动：环境中的声音振动能够通过物理介质影响传感器，可能导致信号的偏差或噪声。噪声的来源分析内部噪声：主要源自传感器件和电路元件。1、热噪声：导体中的电子由于热能而进行无规则运动，产生的高频热噪声随温度升高而增强。这种无规则电子运动在导体内部形成微小的电流波动，且温度变化可加剧这种波动。尤其当电子元件与放大电路相连时，这些波动可能被放大，成为显著的噪声源。2、散粒噪声：这是一种实验观测中的读出噪声。在电路中的电子或光学仪器中的光子数量较少时，这些粒子可能产生可观测到的统计涨落，形成散粒噪声。3、1/f噪声：又称为闪烁噪声，这种噪声在传感器内部较为常见，尽管其具体产生机理仍存在一定争议。普遍认为，它是一种源于晶体内部的体噪声，而非表面效应，可能与晶格散射相关。在晶体管的P-N结附近，电子与空穴的不规则再复合过程产生噪声，其功率分布与频率成反比，因此得名1/f噪声。噪声的来源分析噪声处理在信号分析中非常重要，其核心目标是提高信噪比（SNR），让信号尽可能真实地反映实际物理量，减少噪声干扰。1、滤波器的作用滤波器通过允许特定频率范围的信号通过，同时抑制其他频率的噪声来实现降噪。不同滤波器根据目标信号的频谱特性进行设计，以获得更好的信噪比和信号质量。2、差分放大器的抗干扰作用差分放大器通过比较两路信号的差值来工作，可以有效抑制共模噪声（同时作用于两路信号的干扰），特别适合抑制电磁干扰等外部噪声，提高信号稳定性。3、软件算法降噪在信号处理后端，还可以使用算法进一步降噪，例如卡尔曼滤波。它通过结合历史数据和系统模型，对信号状态进行预测和修正，从而减少噪声影响，常用于导航、跟踪等实时动态系统。噪声处理的目的与原理噪声处理技术是信号处理中非常重要的一部分，其中最常用的方法是使用滤波器。滤波器是一种能够保留所需信号、抑制干扰信号的选频装置，主要分为模拟滤波器和数字滤波器两类。模拟滤波器直接处理模拟信号，一般由电阻、电容、电感和运算放大器等电子元件组成，通常放置在模数转换器（ADC）之前。它的主要作用是提前滤除不需要的噪声和高频干扰。模拟滤波器具有两个明显优点：1、不会产生混叠现象由于模拟滤波器在信号数字化之前工作，不涉及采样过程，因此能够避免数字信号处理中可能出现的混叠问题，从而提高信号质量。2、对计算资源需求低模拟滤波器依靠硬件电路实现信号处理，不需要复杂的软件计算和数字处理，因此实现简单、实时性较好，也不会占用额外计算资源。因此，模拟滤波器在电子测量、传感器信号处理以及通信系统中具有重要应用。噪声处理技术数字滤波器是对数字信号进行处理的滤波方法，一般位于模数转换器（ADC）之后，通过计算机程序或数字算法实现。例如均值滤波器可以通过对多个采样值求平均，来抑制信号中的尖峰噪声。数字滤波器的主要优点包括：1、可编程性强可以通过修改算法或参数灵活调整滤波效果，适应不同应用需求。2、稳定性和一致性好由于由程序控制，其性能不会受到温度、时间等外界因素影响，结果更加稳定可靠。数字滤波器主要分为FIR（有限脉冲响应）和IIR（无限脉冲响应）两类。其中FIR滤波器具有重要特点：不同频率的信号具有相同延迟，因此不会产生相位失真，在对信号完整性要求较高的场合非常常用。相比之下，FIR滤波器虽然计算量可能较大，但在保持信号波形和相位一致性方面具有明显优势，因此在许多高精度信号处理系统中被广泛使用。噪声处理技术1）静电屏蔽静电屏蔽是利用导电性能良好的金属材料（如铜、铝）制成封闭结构，并接地来防止外部电场干扰内部电路，同时减少内部电场对外界的影响。虽然很多现代仪器外壳采用ABS工程塑料，但内部通常会加一层接地金属薄膜，以实现屏蔽作用。2）低频磁屏蔽低频磁屏蔽主要用于减弱低频磁场对电路的干扰。通常采用高导磁材料作为屏蔽层，使磁场优先沿磁阻较小的材料传播，从而减少磁场进入内部电路。例如，金属外壳既能起到磁屏蔽作用，接地后还能增强静电屏蔽效果。3）电磁屏蔽电磁屏蔽主要用于抵御高频电磁干扰。它利用导电金属材料制作屏蔽罩，当高频磁场作用于金属表面时，会产生电涡流来消耗和抵消干扰能量。如果屏蔽层接地，还能同时实现静电屏蔽和电磁屏蔽。常见的屏蔽电缆就是这种原理。屏蔽和接地接地技术是电子系统中保证设备安全和提高抗干扰能力的重要措施，包括安全接地、信号接地和负载接地等方式。合理接地可以减少电容、电感和电阻耦合带来的干扰，提高电路工作的稳定性。在传感器和仪表组成的检测系统中，接地设计尤其重要。由于传感器与仪表之间距离较远，信号线较长，容易受到电磁和静电等干扰，从而影响测量精度。为减小干扰，通常采用“一点接地”原则，即整个系统只选择一个接地点。这样可以避免多点接地形成电位差，减少干扰电流对电路的影响。如果无法做到完全一点接地，可以通过加宽接地线等方法降低电位差。此外，合理的屏蔽与接地设计能够有效保护传感器性能，保证控制系统稳定运行。在实际设计中，还需要结合现场环境和相关安全规范进行综合考虑。屏蔽和接地隔离措施是一种关键的技术手段，用于切断干扰途径和耦合通道，以此达到抑制电气干扰的目的。这种措施包括变压器隔离和光电耦合器隔离等方法，它们在不同的应用领域和场合中发挥着重要作用。变压器隔离：变压器隔离通常用于处理交流信号的传输通道。它利用变压器的原理，在传输过程中对信号进行电气隔离，从而有效地防止高电压或电流冲击及电气噪声从一个电路部分传到另一部分。这种隔离方法不仅提高了信号的安全性，还能改善信号的质量。光电耦合器隔离：在数字接口电路中，光电耦合器隔离的应用日益普遍，以提高系统的抗共模干扰能力。其是一种电光电转换器件，它能够将输入的电流信号转换为光信号，然后再将光信号转换回电流信号。这种转换过程实现了输入和输出之间的电气隔离。光电耦合器的主要优点包括高绝缘电阻、高耐压（通常超过1千伏）和单向光传输的特性，这意味着输出信号不会反馈到输入端，确保了输入和输出之间的绝对电气隔离。屏蔽和接地差分信号技术是一种抗干扰能力很强的信号传输方式。与传统单端信号（1根信号线+1根地线）不同，差分信号使用两根线同时传输大小相同、方向相反的信号。接收端通过比较两根线的电压差来恢复信号，因此能够有效抵消外部噪声，提高传输稳定性和信号质量。差分放大电路设计时需要注意以下几点：走线长度一致两根差分线长度应尽量相同，保证信号同时到达接收端，避免时序偏差。两线尽量靠近差分线之间应紧密布线，增强耦合，提高抗干扰能力。保持间距恒定整条走线中，两线之间的距离应保持一致，以保证阻抗稳定，减少信号反射。不同差分对保持距离不同差分信号之间应留出足够间距，减少串扰，保证信号完整性。屏蔽和接地卡尔曼滤波卡尔曼滤波是一个高效的递归算法，用于估计动态系统的状态，即使在测量数据中含有噪声，如图所示。该算法依赖于系统噪声和观测噪声的统计特性，通过结合时间更新（预测系统下一状态）和观测更新（根据实际测量调整估计），卡尔曼滤波器能够提供对系统状态的最佳估计。最初应用于航空航天领域，卡尔曼滤波现广泛应用于多个领域，包括经济学、控制理论、机器人技术等。其多种变体，如扩展卡尔曼滤波和无迹卡尔曼滤波等，使其适用于处理非线性和非高斯问题。霍尔效应原理图小波去噪是基于小波变换的多分辨率分析的算法。它利用信号和噪声在不同频带上的小波分解系数的