1、6.3 6.3 速度傳感器速度傳感器由于在機(jī)器人中主要測(cè)量機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)行速度，故這里僅介紹角速度角速度傳感器。 6.3.1 6.3.1 測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)（Tachogenerator）是一種檢測(cè)機(jī)械轉(zhuǎn)速的電磁裝置,它能把機(jī)械轉(zhuǎn)速變換成電壓信號(hào)，其輸出電壓與輸入的轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。 實(shí)際上是一種精密的微型直流發(fā)電機(jī) ukn 式中u-測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓（V）；n-測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速（r/min）；k-比例系數(shù)。6.3.26.3.2增量式光電編碼器增量式光電編碼器作為速度傳感器可以在模擬方式和數(shù)字方式下使用。1.1.模擬方式模擬方式 在這種方式下，必須有一個(gè)頻率-電壓(F/V)變換器，

2、用來(lái)把編碼器測(cè)得的脈沖頻率轉(zhuǎn)換成與速度成正比的模擬電壓。F/V變換器必須有良好的零輸入、零輸出特性和較小的溫度漂移才能滿足測(cè)試要求。2.2.數(shù)字方式數(shù)字方式 利用數(shù)學(xué)方式用計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算出速度。角速度是轉(zhuǎn)角對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，如果能測(cè)得單位時(shí)間t內(nèi)編碼器轉(zhuǎn)過(guò)的角度 ，則編碼器在該時(shí)間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速為t單位時(shí)間取得越小，則所求得的轉(zhuǎn)速越接近瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，然而時(shí)間太短，編碼器通過(guò)的脈沖數(shù)太少，導(dǎo)致所得到的速度分辨率下降。在實(shí)踐中通常用以下方法來(lái)解決這一問(wèn)題（自學(xué)）。6.3.3 6.3.3 微硅陀螺儀微硅陀螺儀微硅陀螺儀（Micro-silicon gyroscope）是一種新型的電子式陀螺儀（角速度傳感器

3、），可以檢測(cè)移動(dòng)平臺(tái)繞車(chē)軸傾斜的角角速度速度。 用微硅陀螺儀和電子傾角傳感器的組合構(gòu)成姿態(tài)傳感器，來(lái)檢測(cè)機(jī)器人行走過(guò)程中的運(yùn)行姿態(tài)姿態(tài)，在步行機(jī)器人、平行雙輪電動(dòng)車(chē)等方面得到了廣闊的應(yīng)用。車(chē)輪安全輪控制器電路電池傳感器電機(jī)驅(qū)動(dòng)器平臺(tái)通常只有二值輸出，表明在一規(guī)定距離范圍內(nèi)是否有物體存在，用于判斷物體的抓取或避障6.4 6.4 接近覺(jué)傳感器接近覺(jué)傳感器p電感式p電容式p光電式p霍爾效應(yīng)式p超聲波式p氣壓式1.1.電感式電感式工作原理工作原理由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體在接近這個(gè)能產(chǎn)生電磁場(chǎng)的振蕩感應(yīng)頭時(shí)，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個(gè)渦流反作用于接近開(kāi)關(guān)，使接近開(kāi)關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)

4、部電路的參數(shù)發(fā)生變化，由此識(shí)別出有無(wú)金屬物體接近，進(jìn)而控制開(kāi)關(guān)的通或斷。這種接近開(kāi)關(guān)所能檢測(cè)的物體必須是金屬物體。6.4.16.4.1電感式電感式與電容式接近覺(jué)傳感器與電容式接近覺(jué)傳感器2.2.電容式工作原理工作原理電容式接近開(kāi)關(guān)的測(cè)量頭通常是構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，而另一個(gè)極板是物體的本身，當(dāng)物體移向接近開(kāi)關(guān)時(shí)，物體和接近開(kāi)關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，由此便可控制開(kāi)關(guān)的接通和關(guān)斷。這種接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。紅外線光電開(kāi)關(guān)（光電傳感器）屬于光電接近開(kāi)關(guān)，它是利用被檢測(cè)物體對(duì)紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測(cè)

5、物體的有無(wú)，其物體不限于金屬，對(duì)所有能反射光線的對(duì)所有能反射光線的物體均可檢測(cè)物體均可檢測(cè)。 6.4.2 6.4.2 光電式傳感器光電式傳感器漫反射光電開(kāi)關(guān)被檢測(cè)物體漫反射光電開(kāi)關(guān)被檢測(cè)物體專用反射鏡（a）漫反射式（b）鏡反射式被檢測(cè)物體發(fā)射器接收器（c）對(duì)射式發(fā)射器接收器被檢測(cè)物體（d）槽式被檢測(cè)物體光纖控制器光纖線光纖傳感器（e）光纖式行程開(kāi)關(guān)產(chǎn)品計(jì)數(shù)料位的控制物體的定位Applications當(dāng)一塊通有電流的金屬或半導(dǎo)體薄片垂直地放在磁場(chǎng)中時(shí)，薄片的兩端就會(huì)產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)。兩端具有的電位差值稱為霍爾電勢(shì)U，其表達(dá)式為U=KIB/d其中K為霍爾系數(shù)，I為薄片中通

6、過(guò)的電流，B為外加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，d是薄片的厚度?；魻栭_(kāi)關(guān)的輸入端是以磁感應(yīng)強(qiáng)度B來(lái)表征的，當(dāng)B值達(dá)到一定的程度（如B1）時(shí)，霍爾開(kāi)關(guān)內(nèi)部的觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，霍爾開(kāi)關(guān)的輸出電平狀態(tài)也隨之翻轉(zhuǎn)。6.4.46.4.4霍爾傳感器霍爾傳感器人們能聽(tīng)到聲音是由于物體振動(dòng)產(chǎn)生的，它的頻率在20Hz20kHz范圍內(nèi)，超過(guò)20KHZ稱為超聲波，低于20HZ的稱為次聲波。常用的超聲波頻率為幾十kHz幾十MHz。6.4.56.4.5超聲波傳感器超聲波傳感器超生波發(fā)送器超生波接收器被測(cè)物體6.4.6 6.4.6 氣壓接近覺(jué)傳感器氣壓接近覺(jué)傳感器6 65 5 觸覺(jué)傳感器觸覺(jué)傳感器觸覺(jué)是人與外界環(huán)境直接接觸時(shí)的重要感覺(jué)功能

7、，研制滿足要求的觸覺(jué)傳感器是機(jī)器人發(fā)展中的技術(shù)關(guān)鍵之一。 6.5.1 6.5.1 接觸覺(jué)傳感器接觸覺(jué)傳感器1.1.微動(dòng)開(kāi)關(guān)微動(dòng)開(kāi)關(guān)微動(dòng)開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)間距小、動(dòng)作行程短、按動(dòng)力小、通斷迅速，具有使用方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是易產(chǎn)生機(jī)械振蕩和觸頭易氧化，僅有0和1兩個(gè)信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中，通常以微動(dòng)開(kāi)關(guān)和相應(yīng)的機(jī)械裝置機(jī)械裝置(探頭、探針等)相結(jié)合構(gòu)成一種觸角傳感器。2.2.柔性觸覺(jué)傳感器柔性觸覺(jué)傳感器 接觸物體硅橡膠薄層導(dǎo)電橡膠應(yīng)變計(jì)聚氨基甲酸酯泡沫材料剛性支撐架（1）柔性薄層觸覺(jué)傳感器（2）導(dǎo)電橡膠（3）氣壓式觸覺(jué)傳感器外力F上端蓋波紋管密封腔室下端蓋壓力傳感器放大電路單片機(jī)或PC機(jī)3.3.觸覺(jué)傳

8、感器陣列觸覺(jué)傳感器陣列4.4.仿生皮膚仿生皮膚橡膠包封表皮 硅導(dǎo)電橡膠 基底及引線柔性隔熱層下層PVDF上層PVDF加熱層6.5.2 6.5.2 力覺(jué)傳感器力覺(jué)傳感器電阻應(yīng)變片式6維力和力矩傳感器 時(shí)間 s插入深度 cm插入力 kN接近姿態(tài)調(diào)整速度調(diào)整按規(guī)定的插入力完成裝配軸孔精密裝配作業(yè)插入力與插入深度之間的關(guān)系曲線 6.5.3 6.5.3 滑覺(jué)傳感器滑覺(jué)傳感器 .Robot vision system6.6 6.6 工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)技術(shù)工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)技術(shù)所謂機(jī)器視覺(jué)：就是賦予機(jī)器以人類視覺(jué)功能，突破人類自身視覺(jué)的局限性，把計(jì)算機(jī)的快速性、可靠性、結(jié)果的可重復(fù)性，與人類視覺(jué)的高度智能化和抽象能

9、力相結(jié)合，由此逐漸形成了一門(mén)新學(xué)科，在日常生活的方方面面得到了廣泛的應(yīng)用。 舉例？ 機(jī)器視覺(jué)：機(jī)器視覺(jué)：是通過(guò)光學(xué)的裝置和非接觸的傳感器自動(dòng)地接收和處理一個(gè)真實(shí)物體的圖像物體的圖像，以獲得所需信息信息或用于控制控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的裝置。 6.6.1 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)一般由光源，鏡頭，CCD照相機(jī)，圖像處理單元（或圖像捕獲卡），圖像處理軟件，監(jiān)視器，通訊/輸入輸出單元等部分。 6.6.2 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)組成機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)采用CCD/CMOS照相機(jī)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)；圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，

10、如：面積、長(zhǎng)度、數(shù)量、位置等；根據(jù)預(yù)設(shè)的容許度和其他條件輸出分析結(jié)果。工作原理：工作原理：圖像的清晰和細(xì)膩程度通常用分辨率來(lái)衡量，以像素（Pixel）數(shù)量表示。 照相機(jī)是實(shí)際上是一個(gè)光電轉(zhuǎn)換裝置，即將圖像傳感器所接收到的光學(xué)圖像，轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)所能處理的電信號(hào)。光電轉(zhuǎn)換器件是構(gòu)成相機(jī)的核心器件。目前，典型的光電轉(zhuǎn)換器件為真空攝像管、CCD/CMOS圖像傳感器等。 1.1.視覺(jué)傳感器視覺(jué)傳感器-照相機(jī)照相機(jī)CCD傳感器傳感器：CCD(charge coupled device)是目前機(jī)器視覺(jué)最為常用的圖像傳感器。它集光電轉(zhuǎn)換及電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移、信號(hào)讀取于一體，是典型的固體成像器件。典型的CCD相

11、機(jī)的系統(tǒng)框圖CMOS傳感器：傳感器：CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）是互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體，將光敏元陣列、圖像信號(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號(hào)處理器及控制器集成在一塊芯片上，還具有局部象素的編程隨機(jī)訪問(wèn)的優(yōu)點(diǎn)。目前，CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、寬動(dòng)態(tài)范圍和輸出圖像幾乎無(wú)拖影等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。2. 圖像采集處理卡圖像采集卡主要完成對(duì)模擬視頻信號(hào)模擬視頻信號(hào)的數(shù)字化數(shù)字化過(guò)程。視頻信號(hào)首先經(jīng)低通濾波器濾波，轉(zhuǎn)換為在時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)；按照應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)圖像分辨率的要求，用采樣/保持電路對(duì)視頻信號(hào)在時(shí)間上進(jìn)行

12、間隔采樣，把視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的模擬信號(hào)；然后再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出。而圖像采集處理卡還具有對(duì)視頻圖像分析、處理和對(duì)相機(jī)進(jìn)行有效控制等功能。 光源是影響機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)輸入的重要因素，因?yàn)樗苯佑绊戄斎霐?shù)據(jù)的質(zhì)量和至少30%的應(yīng)用效果。 3 3光源光源（）實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。對(duì)觀測(cè)與被觀測(cè)者都不會(huì)產(chǎn)生任何損傷，從而提高了系統(tǒng)的可靠性；（）具有較寬的光譜響應(yīng)范圍。機(jī)器視覺(jué)則可以利用專用的光敏元件，可以觀察到人類無(wú)法看到的世界，從而擴(kuò)展了人類的視覺(jué)范圍。（）長(zhǎng)時(shí)間工作。人類難以長(zhǎng)時(shí)間地對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行觀察。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)則可以長(zhǎng)時(shí)間地執(zhí)行觀測(cè)、分析與識(shí)別任務(wù),并可應(yīng)用于惡劣的工作環(huán)境。 Advan

13、tages:1.1.圖像的增強(qiáng)圖像的增強(qiáng)（Image Enhancement） 用于調(diào)整圖像的對(duì)比度，突出圖像中的重要細(xì)節(jié)，改善視覺(jué)質(zhì)量。通常采用灰度直方圖修改技術(shù)進(jìn)行圖像增強(qiáng)。 6.6.3 圖像處理技術(shù)（Image Processing Technology ）2.2.圖像的平滑圖像的平滑 （Image Smoothing） 圖像的平滑處理技術(shù)即圖像的去噪聲去噪聲處理，主要是為了去除實(shí)際成像過(guò)程中，因成像設(shè)備和環(huán)境所造成的圖像失真，提取有用信息。實(shí)際獲得的圖像在形成、傳輸、接收和處理的過(guò)程中，不可避免地存在著外部干擾和內(nèi)部干擾等，均會(huì)使圖像變質(zhì)。因此，去除噪聲，恢復(fù)原始圖像是圖像處理中的一個(gè)

14、重要內(nèi)容。圖像平滑圖像平滑 的方法：的方法：p鄰域平均法p中值濾波法p空間域低通濾波p。等算法3.3.邊緣銳化邊緣銳化 （ Image Sharpening） 主要是加強(qiáng)圖像中的輪廓邊緣和細(xì)節(jié)，形成完整的物體邊界，達(dá)到將物體從圖像中分離出來(lái)或?qū)⒈硎就晃矬w表面的區(qū)域檢測(cè)出來(lái)的目的。銳化的作用是要使灰度反差增強(qiáng)，因?yàn)檫吘壓洼喞嘉挥诨叶韧蛔兊牡胤?，所以銳化算法的實(shí)現(xiàn)是基于微分作用。 4.4.圖像的分割圖像的分割（Image Division） 是將圖像分成若干部分，每一部分對(duì)應(yīng)于某一物體表面，在進(jìn)行分割時(shí)，每一部分的灰度或紋理符合某一種均勻測(cè)度度量。分類的依據(jù)是像素的灰度值、顏色、頻譜特性、空間

15、特素的灰度值、顏色、頻譜特性、空間特性或紋理特性性或紋理特性等。通常有兩種方法： 閾值處理法; 邊緣檢測(cè)法。 5.5.圖像的識(shí)別圖像的識(shí)別（Image Recognition） 圖像的識(shí)別過(guò)程實(shí)際上可以看作是一個(gè)標(biāo)記過(guò)程，即利用識(shí)別算法來(lái)辨別景物中已分割好的各個(gè)物體，給這些物體賦予特定的標(biāo)記，它是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)必須完成的一個(gè)任務(wù)。按照?qǐng)D像識(shí)別從易到難，可分為三類問(wèn)題： 圖像中的像素表達(dá)了某一物體的某種特定信息。如遙感圖像中的某一像素代表地面某一位置地物的一定光譜波段的反射特性，通過(guò)它即可判別出該地物的種類。 待識(shí)別物是有形的整體，二維圖像信息已經(jīng)足夠識(shí)別該物體，如文字識(shí)別、某些具有穩(wěn)定可視表面的

16、三維體識(shí)別等。 由輸入的二維圖、要素圖等，得出被測(cè)物體的三維表示。如何將隱含的三維信息提取出來(lái)的問(wèn)題，是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。6. 6. 圖像編碼與壓縮（圖像編碼與壓縮（Image Coding and Compression）數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量是相當(dāng)龐大的，一幅512*512個(gè)像素的數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量為256 K字節(jié)，若假設(shè)每秒傳輸25幀圖像，則傳輸?shù)男诺浪俾蕿?2.4M比特/秒。高信道速率意味著高投資，也意味著普及難度的增加。因此，傳輸過(guò)程中，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮顯得非常重要。數(shù)據(jù)的壓縮主要通過(guò)圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)的壓縮主要通過(guò)圖像數(shù)據(jù)的編碼和變換壓縮完成。編碼和變換壓縮完成。Applications: q

17、 IC成品檢驗(yàn)軸承滾動(dòng)體及鉚釘缺失在線檢測(cè)儀 -河南科技大學(xué)利用攝像機(jī)對(duì)裝配后的軸承進(jìn)行攝像，并對(duì)捕捉到的軸承圖像進(jìn)行處理，通過(guò)對(duì)圖像特征的分析判斷，從而實(shí)現(xiàn)軸承滾動(dòng)體及鉚釘缺失的檢測(cè)。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)0.8秒/件的檢測(cè)效率高于生產(chǎn)線節(jié)拍23秒/件。 第十屆全國(guó)第十屆全國(guó)“挑戰(zhàn)杯挑戰(zhàn)杯”作品作品基于機(jī)器視覺(jué)的滾針軸承漏針檢測(cè)系統(tǒng) -湖北工業(yè)大學(xué)采用圖象處理技術(shù)對(duì)軸承的圖片進(jìn)行處理,來(lái)識(shí)別是否漏針,然后通過(guò)專業(yè)的控制卡實(shí)現(xiàn)正品和次品的自動(dòng)分選,用于軸承漏針的在線自動(dòng)檢測(cè),提高軸承的檢測(cè)精度和檢測(cè)效率。 拍照、分析時(shí)剔除動(dòng)作完成時(shí)間4秒。 正品檢率100%，廢品檢率90%。 原理：捕捉到的圖像與示教圖

18、像進(jìn)行比較是機(jī)器視覺(jué)和機(jī)器人控制的有機(jī)結(jié)合，是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，其內(nèi)容涉及圖象處理、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)、控制理論等研究領(lǐng)域。 6.6.4 6.6.4 工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)伺服系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)伺服系統(tǒng)（Visual Servo System）機(jī)器人視覺(jué)伺服是利用視覺(jué)傳感器得到的圖像作為反饋信息，構(gòu)造機(jī)器人的位置閉環(huán)反饋。 分類 （1）按照攝像機(jī)的數(shù)目的不同，可分為單目單目視覺(jué)伺服系統(tǒng)和雙目雙目視覺(jué)伺服系統(tǒng)。 （2）按照攝像機(jī)放置位置的不同，可以分為手眼系統(tǒng)手眼系統(tǒng)（Eye in Hand）和固定攝像機(jī)系統(tǒng)固定攝像機(jī)系統(tǒng)（Eye to Hand）。在理論上手眼系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制，但對(duì)系統(tǒng)的標(biāo)定誤差和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)誤差敏感；固定攝像機(jī)系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差不敏感，但同等情況下得到的目標(biāo)位姿信息的精度不如手眼系統(tǒng)，所以控制精度相對(duì)也低。（3）按照機(jī)器人的空間位置或圖像特征，視覺(jué)伺服系統(tǒng)分為基于位置位置的視覺(jué)伺服系統(tǒng)和基于圖像圖像的視覺(jué)伺服系統(tǒng)?；谖恢每刂频膭?dòng)態(tài)Look and Move系統(tǒng) 采用機(jī)器人關(guān)節(jié)反饋內(nèi)環(huán)穩(wěn)定機(jī)械臂，由圖像處理模塊計(jì)算出攝像機(jī)應(yīng)具有的速度或位置