中科大新型传感器原理及应用课件07机器人传感器

第七章机器人传感器是机器人技术发展的重要基础。传感器很多,分内部检测和外部检测。本章介绍:视觉、触觉和接近觉传感器。第一节功能和分类机器人发展分三代：程式化操作、初步智能和智能化机器人。内部检测：以自身坐标轴感知运动学参数。如：位置、速度、加速度等外部测量：认知外部工作环境。如：触觉、视觉、接近觉、听觉、味觉和嗅觉等。机器人传感器的特点:1)获取信息和处理信息相结合.2)检测的信息可以直接用于控制机器人动作.3)随环境大幅度变化检测信息,信息收集能力强.4)对传感器材料的柔性和功能有特定要求.传感器信号一般经过如下处理过程:1)信息获取2)信息处理3)信号提取4)数据解释例如:视觉获得圆形物体图像二值化图像处理边缘数据信号提取信号解释为篮球第二节机器人视觉传感器一、人眼与视觉物体水晶体视网膜成像送到大脑二、机器人视觉方法物体光学系统CCD传感器送入计算机距离信息获得的方法：1）激光扫描法通过机械扫描装置，把激光光束投向景物空间，按照一定的顺序对景物空间进行二维扫描。2）立体摄影法模拟人眼，用两台CCD摄像机从不同的方位纪录景物的图像。三、机器人图像处理技术初级处理：对视觉数据进行第一步加工。1）寻找图像边缘和分割图像。2）求取图像重心位置。3）提取图像的两个垂直的主惯性轴。中期处理：将多个相互独立的视觉模块相互协同而完成。1.图像的分割方法关心图像中的某一部分.阈值处理法根据适当的灰度阈值th将图像的灰度等级减少,使其成为二值化图像.

1f(x,y)≥th

ft(x,y)=(7-15)0f(x,y)≤th

二值化的阈值很重要,如何确定?

根据图像的灰度分布概率参数确定.th=(µ1+µ2)/2(2)微分边缘检测法利用坐标变换方法,根据计算的得到的数字梯度矢量的大小和方向,判断是否为图像边界.2.重心点和惯性矩计算在物体的特征识别过程中,要将标准布置形态的物体图像与所拍摄的物体图像相比较,应进行坐标变换.四、机器人立体视觉景物中同一物体分别在左、右摄像机中各产生了一个像点，这一对像点成为共轭图像对，一旦知道这一对共轭对及其视差值，就可以确定景物空间中物点的空间位置。由图像处理算法实现。

说明：机器人视觉技术是一门专门技术，这里只是简介。第三节机器人触觉传感器是对人类的触觉的模仿，分两类：1）简单的接触传感器，探测是否与周围物体接触，如开关型传感器。2）复杂的触觉传感器，除了能探测周围物体的存在，而且还能感知物体外部的轮廓。机器人触觉包括：

接触觉，压觉，力觉，滑觉等。一、接触觉传感器检测机器人的某些部位与外界物体接触与否。常见的有4种1）金属圆顶式高密度接触觉传感器。2）碳纤维纸式高密度接触觉传感器。3）导电橡胶式接触觉传感器。4）导电橡胶丝式接触觉传感器。见下图7-8。正在研究更完善、优化的传感器，如人工皮肤，其实质就是接触觉传感器阵列。接触觉信息处理分两个阶段：

1）预处理：对原始信息“加工”。

2）再加工：进一步对信息进行处理。涉及数字信号处理、图像处理、计算机图形学、人工智能、模式识别等知识。二、压觉传感器用来检测机器人手指的握持面上承受的压力大小和分布（分布式压觉传感器）。特点：小型轻便、响应快、阵列密度高、在线性好、可靠性高。硅电容式压觉传感器：读出电路及波形（类似前面压敏传感器）三、力觉传感器用于感知机器人的指、肢和关节在工作和运动中所受力的大小和方向。特点：检测多维作用力。主要部件：应变片、压电传感器、电容式传感器、光电式传感器和电磁式力传感器。按位置分为三种形式：关节力传感器、腕力传感器、支座传感器。两种腕力传感器：四、滑觉传感器机器人抓住某物体时，必须对物体施以最佳大小的把握力，以保证既能抓住，又不至于抓坏。为此，应检测手指与物体接触面之间相对运动（滑动）的大小和方向。常见的两种：1）光电式。2）环形。五、仿生皮肤具有接触觉、压觉、滑觉和热觉等多种传感功能，象人的皮肤一样。常用材料：高分子材料PVDF（聚偏二氟乙烯）。特点：几十µ

m，具有压电、热释电效应。柔性好、机械强度高、频响宽、工作温度宽、体电阻高、重量轻。当机器人的手抓物体时的波形：其他PVDF：第四节机器人接近觉传感器接近觉介于触觉和视觉之间的感觉，距离一般为几mm~几十mm。种类：电磁式、光电式、电容式等多种。一、电磁式接近觉传感器电涡流式，基本原理是：当今属块置于交变的磁场中时，金属体内产生涡流，大小随激励线圈与对象表面距离的变化有关。缺点:不能感知非金属材料的物体.二、光电式接近觉传感器θ↑→距离近；θ↓→距离远。缺点：不能测距离；物体折射率影响灵敏度。三、超声波接近传感器通过超声波换能器实现，发射的超声波经过物体反射后接收，通过时间和相位检测出距离。可以使用两个换能器（一发，一收）或一个换能器（兼发、收）。两种距离探测方法：1）脉冲延时法2）相位调制法L=vt/2L=λ（n+△φ/2π）/2作业:1