1、會計學1工學工業(yè)機器人學工學工業(yè)機器人學6.1 工業(yè)機器人傳感器概述6.2 位置和位移傳感器6.3 速度傳感器6.4 接近覺傳感器6.5 觸覺傳感器6.6 工業(yè)機器人視覺技術6.7 其他外部傳感器第1頁/共46頁 6.1 工業(yè)機器人傳感器概述工業(yè)機器人傳感器概述一、工業(yè)機器人感覺系統(tǒng)的基本組成1. 人的五大感覺：視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺。經(jīng)常說的第六感是什么？2. 沒有感覺功能的機器人，只能按預先給定的順序，重復地進行一定的動作。如果給機器人添加感覺模塊，它就能夠根據(jù)對象的變化而變更動作，感知自己執(zhí)行的工作結果的信息。3. 機器人感覺信息的方式是通過傳感器來實現(xiàn)的。，從傳感器取得了數(shù)據(jù)之后

2、，通過這這些數(shù)據(jù)的分析處理形成對客觀世界的正確認識，從而為執(zhí)行任務并正確處理突發(fā)事件（可預見性的）提供依據(jù)。4. 機器人的感覺：視覺、力覺、觸覺、接近覺等。第2頁/共46頁一、工業(yè)機器人感覺系統(tǒng)的基本組成視覺 20世紀50年代后期出現(xiàn)，發(fā)展十分迅速，是機器人中最重要的傳感器之一。 機器視覺從20世紀60年代開始首先處理積木世界，后來發(fā)展到處理室外的現(xiàn)實世界。 20世紀70年代以后，實用性的視覺系統(tǒng)出現(xiàn)了。視覺一般包括三個過程：圖像獲取、圖像處理和圖像理解。相對而言，圖像理解技術還很落后。 力覺 機器人力傳感器就安裝部位來講，可以分為關節(jié)力傳感器、腕力傳感器和指力傳感器。國際上對腕力傳感器的研究

3、是從20世紀70年代開始的，主要研究單位有美國的DRAPER實驗室、SRI研究所、IBM公司和日本的日立公司、東京大學等單位。 6.1 工業(yè)機器人傳感器概述工業(yè)機器人傳感器概述第3頁/共46頁一、工業(yè)機器人感覺系統(tǒng)的基本組成觸覺 作為視覺的補充，觸覺能感知目標物體的表面性能和物理特性：柔軟性、硬度、彈性、粗糙度和導熱性等。對它的研究從20世紀80年代初開始，到20世紀90年代初已取得了大量的成果。接近覺 研究它的目的是是使機器人在移動或操作過程中獲知目標（障礙）物的接近程度，移動機器人可以實現(xiàn)避障，操作機器人可避免手爪對目標物由于接近速度過快造成的沖擊。 6.1 工業(yè)機器人傳感器概述工業(yè)機器人

4、傳感器概述第4頁/共46頁外界環(huán)境視覺視覺超聲波傳感器紅外接近覺立體視覺地標識別障礙探測目標物探測景物識別內(nèi)部傳感器融合力覺觸覺環(huán)境模型定位避障操作規(guī)劃學習路徑規(guī)劃任務規(guī)劃：執(zhí)行機構控制指令感覺功能 6.1 工業(yè)機器人傳感器概述工業(yè)機器人傳感器概述第5頁/共46頁二、工業(yè)機器人常用傳感器分類位置傳感器 用來檢測機器人本身狀態(tài)（如手臂間角度）的傳感器。多為檢測位置和角度的傳感器。a.內(nèi)部傳感器角度傳感器 6.1 工業(yè)機器人傳感器概述工業(yè)機器人傳感器概述第6頁/共46頁二、工業(yè)機器人常用傳感器分類b.外部傳感器 具體有物體識別傳感器、物體探傷傳感器、接近覺傳感器、距離傳感器、力覺傳感器，聽覺傳感器

5、等。 用來檢測機器人所處環(huán)境（如是什么物體，離物體的距離有多遠等）及狀況（如抓取的物體是否滑落）的傳感器。 6.1 工業(yè)機器人傳感器概述工業(yè)機器人傳感器概述第7頁/共46頁三、工業(yè)機器人傳感器的性能指標在傳感器的輸出信號達到穩(wěn)定時，輸出信號變化與輸入信號變化的比值。 6.1 工業(yè)機器人傳感器概述工業(yè)機器人傳感器概述ysx式中： 為傳感器的靈敏度； 為傳感器輸出信號的增量； 為傳感器輸入信號的增量。靈敏度的數(shù)學表達：yxs探討： 一般來說，傳感器的靈敏度越大越好，這樣傳感器的輸出信號精確度就更高；但是過高的靈敏度會導致傳感器的輸出穩(wěn)定性下降。第8頁/共46頁三、工業(yè)機器人傳感器的性能指標線性度反

6、映傳感器輸出信號與輸入信號之間的線性程度。 6.1 工業(yè)機器人傳感器概述工業(yè)機器人傳感器概述ybx如果式中： 為常數(shù)或者近似常數(shù)，則說明傳感器的線性度較高；如果 是一個變化較大的量，則說明傳感器的線性度較差。 設傳感器輸出信號為y，輸入信號為x，則y與x的關系可表示為： b探討： 一般的傳感器的輸出和輸入經(jīng)常呈現(xiàn)非線性關系，常用的線性化方法有：割線法、最小二乘法、最小誤差法等。b第9頁/共46頁三、工業(yè)機器人傳感器的性能指標指被測量的最大允許值和最小允許值之差（量程）。 6.1 工業(yè)機器人傳感器概述工業(yè)機器人傳感器概述指傳感器的測量輸出值與實際被測量值之間的誤差。指傳感器在對輸入信號按同一方式

7、進行全量程對此測量時，相應測試結果的變化程度。指傳感器在在整個測量范圍內(nèi)所能辨別的被測量的最小變化量。指傳感器的輸入信號變化后，其輸出信號隨之變化并達到一個穩(wěn)定值所需要的時間。統(tǒng)計指標，單位時間內(nèi)發(fā)生故障的概率。第10頁/共46頁6.1 工業(yè)機器人傳感器概述6.2 位置和位移傳感器6.3 速度傳感器6.4 接近覺傳感器6.5 觸覺傳感器6.6 工業(yè)機器人視覺技術6.7 其他外部傳感器第11頁/共46頁一、位置傳感器 位置傳感器包括位置和角度檢測傳感器；n 模擬型位置傳感器：旋轉(zhuǎn)變壓器、感應同步器、電位器等。n 數(shù)字型位置傳感器：光電盤、編碼盤、光柵等。1. 旋轉(zhuǎn)變壓器：是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)角變化

8、的檢測裝置，用來測量角位移。檢測精度高。 6.2 位置和位移傳感器位置和位移傳感器sinsmVVtcoscmVVt輸入：角位移輸出：感應電動勢0sin()mVKVt第12頁/共46頁一、位置傳感器2. 感應同步器：工作原理與旋轉(zhuǎn)變壓器相似，是一種高精度位置檢測元器件，可制成直線式和旋轉(zhuǎn)式兩個結構形式，分別用來檢測直線位移和轉(zhuǎn)角。3. 電位器式位置傳感器：滑動點受被檢測量控制，根據(jù)輸出阻值的變化，可以檢測出機器人各關節(jié)的位置和位移量。 6.2 位置和位移傳感器位置和位移傳感器第13頁/共46頁一、位置傳感器4. 光電盤：工作原理與旋轉(zhuǎn)變壓器相似，是一種高精度位置檢測元器件，可制成直線式和旋轉(zhuǎn)式兩

9、個結構形式，分別用來檢測直線位移和轉(zhuǎn)角。 6.2 位置和位移傳感器位置和位移傳感器第14頁/共46頁一、位置傳感器5. 編碼盤：滑動點受被檢測量控制，根據(jù)輸出阻值的變化，可以檢測出機器人各關節(jié)的位置和位移量。 6.2 位置和位移傳感器位置和位移傳感器第15頁/共46頁6.1 工業(yè)機器人傳感器概述6.2 位置和位移傳感器6.3 速度傳感器6.4 接近覺傳感器6.5 觸覺傳感器6.6 工業(yè)機器人視覺技術6.7 其他外部傳感器第16頁/共46頁二、速度傳感器：用來確定關節(jié)的運動速度1. 測速發(fā)電機：是一種模擬式速度傳感器，它實際上是一種小型永磁式直流發(fā)電機。測速原理：當勵磁磁通恒定時，其輸出電壓和轉(zhuǎn)

10、子的轉(zhuǎn)速成正比，即：Ukn其中：U 為測速發(fā)電機的輸出電壓； n 為測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)速； k 為比例系數(shù)； 6.3 速度傳感器速度傳感器第17頁/共46頁二、速度傳感器：用來確定關節(jié)的運動速度2. 微硅陀螺儀：是一種新型的電子式陀螺儀（角速度傳感器），它可產(chǎn)生一正比于旋轉(zhuǎn)速度的精確模擬直流電壓輸出。 由微硅陀螺儀和電子傾角傳感器組合構成的姿態(tài)傳感器，可以用于檢測機器人行走過程中的運行姿態(tài)。 6.3 速度傳感器速度傳感器第18頁/共46頁6.1 工業(yè)機器人傳感器概述6.2 位置和位移傳感器6.3 速度傳感器6.4 接近覺傳感器6.5 觸覺傳感器6.6 工業(yè)機器人視覺技術6.7 其他外部傳感器第19

11、頁/共46頁 接近覺傳感器是機器人用以檢測自身與周圍物體之間相對位置或距離的傳感器，感覺的距離一般在幾毫米到十幾厘米之間。接近覺可認為是介于觸覺和視覺之間的感覺，但遠比視覺簡單。三、接近覺傳感器 由于接近覺傳感器是非接觸的，應用它對機器人工作過程中進行避障以及防止發(fā)生事故是十分有意義的。 6.4 接近覺傳感器接近覺傳感器第20頁/共46頁三、接近覺傳感器b）無鐵磁體時磁力線的形狀c）鐵磁體接近時磁力線的形狀 6.4 接近覺傳感器接近覺傳感器第21頁/共46頁三、接近覺傳感器超聲波傳感器 超聲波探測原理比較簡單，一般是采用時差法。超聲波傳感器主要用途：（1）實時地檢測自身所處空間的位置，用以進行

12、自定位；（2）實時地檢測障礙物，為行動決策提供依據(jù)；（3）檢測目標姿態(tài)以及進行簡單形體的識別；（4）用于導航目標跟蹤。 6.4 接近覺傳感器接近覺傳感器第22頁/共46頁6.1 工業(yè)機器人傳感器概述6.2 位置和位移傳感器6.3 速度傳感器6.4 接近覺傳感器6.5 觸覺傳感器6.6 工業(yè)機器人視覺技術6.7 其他外部傳感器第23頁/共46頁四、接觸覺傳感器 接觸覺傳感器是指裝于機器人手爪上，以判斷是否接觸物體為基本特征的測量傳感器；n 感受對象物；n 感受手爪與對象物之間的相對位置和姿態(tài), 并修正手爪操作狀態(tài)；n 采用分布式密度較高的接觸覺傳感器，還可以判斷對象物的大致幾何形狀等。 接觸覺傳

13、感器的輸出是開關式的二值量信息； 6.5 觸覺傳感器觸覺傳感器第24頁/共46頁開關式觸覺傳感器外形尺寸十分大空間分辨率低利用陣列這一概念已開發(fā)了許多重要的傳感器。第25頁/共46頁四、壓覺傳感器 壓覺傳感器是以檢測機器人與作業(yè)對象之間接觸面法向壓力值大小的傳感器，通常裝在手爪的內(nèi)側；n 輸出為連續(xù)信號，經(jīng)放大后送到計算機處理，測定所抓取對象的軟硬質(zhì)地；n分布式壓覺傳感器可以判別對象物的幾何形狀。 6.5 觸覺傳感器觸覺傳感器第26頁/共46頁五、滑覺傳感器 機器人手爪在抓起物體時，由于被抓物的自重或者由于物體在外力的作用下相對手爪有滑移，對該量的測量就必須用滑覺傳感器來測量；n 根據(jù)滑移時產(chǎn)

14、生的振動；n 把滑移量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動量；n 根據(jù)滑移時手爪與對象物間的動、靜摩擦力的變化；n 根據(jù)手爪力分布的改變； 測量原理：間接測量，依據(jù)檢測原理，可分為以下幾種： 6.5 觸覺傳感器觸覺傳感器第27頁/共46頁五、滑覺傳感器 6.5 觸覺傳感器觸覺傳感器第28頁/共46頁六、力傳感器測量原理：機械變形使應變片的電阻發(fā)生變化，電阻的變化量跟施加力的大小成比例。gLRA1. 應變計力敏傳感器： 應變片的電阻計算公式： 6.5 觸覺傳感器觸覺傳感器其中： 為導電材料的電導率； A 為導電材料的截面積； L 為應變片的長度；第29頁/共46頁六、力傳感器1. 應變計力敏傳感器： 6.5 觸覺傳感器觸

15、覺傳感器第30頁/共46頁六、力傳感器測量原理：該傳感器設置在傳動裝置和負載體之間，由彈性軸和兩個齒輪組成，軸旋轉(zhuǎn)過程中磁通量交替地通過磁線圈，在線圈中產(chǎn)生的電動勢變化頻率和轉(zhuǎn)速成正比。軸未加轉(zhuǎn)矩時，兩個齒輪同步通過磁體。加轉(zhuǎn)矩時，兩齒輪間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)移動，電動勢之間產(chǎn)生與轉(zhuǎn)矩成正比的相移，該相移與轉(zhuǎn)速無關。2. 電感式轉(zhuǎn)矩傳感器： 6.5 觸覺傳感器觸覺傳感器第31頁/共46頁 力覺一般是多維力的感覺，因此力覺傳感器必須具有能使多個敏感元件合理地安排于不同位置的結構，以便能檢測多維力的分量。六、力覺傳感器 6.5 觸覺傳感器觸覺傳感器第32頁/共46頁6.1 工業(yè)機器人傳感器概述6.2 位置和位

16、移傳感器6.3 速度傳感器6.4 接近覺傳感器6.5 觸覺傳感器6.6 工業(yè)機器人視覺技術6.7 其他外部傳感器第33頁/共46頁七、視覺傳感器有研究結果表明，視覺獲得的感知信息占人對外界感知信息的 人類視覺細胞數(shù)量的數(shù)量級大約為108，是聽覺細胞的300多倍，是皮膚感覺細胞的100多倍。 從技術上說，機器視覺應用范圍主要包括兩大類：其一是目標測量，包括目標的幾何尺寸、特征、缺陷等的檢測和測量；其二是定位，引導制造和裝配及其他加工過程中目標在運動過程中實時進行位姿調(diào)整，使之與特定的加工、裝配要求進行匹配。 6.6 工業(yè)機器人視覺技術工業(yè)機器人視覺技術第34頁/共46頁 CCD （電荷耦合器件）

17、的基本結構是一個間隙很小的光敏電極陣列，即無數(shù)個CCD單元組成，也稱為像素點（如448380）。它可以是一維的線陣，也可以是二維的面陣。 優(yōu)點：體積小、質(zhì)量輕、壽命長、抗沖擊、耗電極少，一般只需幾十毫瓦就可以啟動。（1）基本原理一、視覺傳感器第35頁/共46頁共256級灰度，從圖（a）到（f）分辨率依次為512512， 256256，128128，6464，3232，1616。（2）圖像處理a)分辨率變化對圖像的影響第36頁/共46頁 從圖（a）到（f）分辨率依次為512512，灰度級依次為256 ，64，16，8，4，2。b) 灰度變化對圖像的影響第37頁/共46頁從圖（a）到（f）依次為：256256，128級灰度；181 181，64級灰度；128 128，32級灰度；90 90，16級灰度；64 64，8級灰度；45 45，4級灰度。c)分辨率和灰度同時變化對圖像的影響第38頁/共46頁1.CCD及光學器件，2.LED光源，3.零件傳感器，4.圖像采集卡，5.微機平臺，6.視覺軟件，7.數(shù)字I/O 第39頁/共46頁第40頁/共46頁機械零件外觀缺陷檢測、尺寸測量第41頁/共46頁其他檢測 （包括各類標簽、汽車牌號、發(fā)動機銘牌、玻璃（瓶）缺陷、電路板缺陷、燈絲焊接缺陷、輸電配線、零件尺寸、符號位置、產(chǎn)品計數(shù)、產(chǎn)品分揀、焊接質(zhì)量等的檢測）第42頁/共46頁加工、裝配