機(jī)器人傳感器第七章機(jī)器人傳感器第一節(jié)機(jī)器人傳感器功能與分類(lèi)第二節(jié)機(jī)器人視覺(jué)傳感器1、人眼與視覺(jué)2、機(jī)器人視覺(jué)方法3、機(jī)器人圖像處理技術(shù)4、機(jī)器人立體視覺(jué)第三節(jié)機(jī)器人觸覺(jué)傳感器1、接觸覺(jué)傳感器2、壓覺(jué)傳感器3、力覺(jué)傳感器4、滑覺(jué)傳感器5、仿生皮膚第四節(jié)機(jī)器人接近覺(jué)傳感器1、電磁式接近覺(jué)傳感器2、光電式接近覺(jué)傳感器3、超聲波接近覺(jué)傳感器第一節(jié)機(jī)器人傳感器分類(lèi)PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity機(jī)器人分類(lèi)機(jī)器人傳感器的特點(diǎn)傳感器的信號(hào)獲取與處理過(guò)程機(jī)器人傳感器的分類(lèi)第一節(jié)機(jī)器人傳感器功能與分類(lèi)機(jī)器人是由計(jì)算機(jī)控制的能模擬人的感覺(jué)、手工操縱和具有自動(dòng)行走能力而又足以完成有效工作的裝置。機(jī)器人分類(lèi)：第一代機(jī)器人：進(jìn)行程式化操作的機(jī)器，完成一系列預(yù)置動(dòng)作。未采用傳感器，不能適應(yīng)外界環(huán)境的變化。第二代機(jī)器人：采用傳感器，具有初步感覺(jué)和反饋控制能力，能進(jìn)行識(shí)別、選取和判斷。具有初步智能。第三代機(jī)器人：更高一級(jí)智能機(jī)器，“電腦化”是其重要標(biāo)志。Robot是捷克語(yǔ)“奴工”的意思，捷克劇作家卡魯·卡帕克1920年一部劇本中的“人物”，一種具有人類(lèi)特征的機(jī)器。傳感器的信號(hào)獲取與處理過(guò)程信號(hào)獲取→信號(hào)處理→信號(hào)提取→數(shù)據(jù)解釋等幾個(gè)層次。并非所有傳感器的信號(hào)處理都要經(jīng)過(guò)這四個(gè)全過(guò)程。如視覺(jué)和高密度壓覺(jué)傳感器一般需經(jīng)過(guò)③和④的的過(guò)程。位置、接近覺(jué)和壓覺(jué)等傳感器僅經(jīng)過(guò)②過(guò)程。接觸覺(jué)傳感器多半是經(jīng)過(guò)①過(guò)程。內(nèi)部檢測(cè)傳感器傳感器的分類(lèi)：以機(jī)器人本身的坐標(biāo)軸來(lái)確定其位置，用來(lái)感知運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。通過(guò)內(nèi)部檢測(cè)傳感器，機(jī)器人可以了解自己的工作狀態(tài)，調(diào)整和控制自己按照一定的位置、速度、加速度、壓力和軌跡等進(jìn)行工作。外部檢測(cè)傳感器用于獲取周?chē)h(huán)境或者目標(biāo)物狀態(tài)特征的信息，是機(jī)器人與周?chē)M(jìn)行交互工作的信息通道。其功能是讓機(jī)器人對(duì)環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力，很好地執(zhí)行工作。接近覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)等傳感器。機(jī)器人傳感器的分類(lèi)及應(yīng)用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity第二節(jié)機(jī)器人視覺(jué)傳感器機(jī)器人視覺(jué)方法人眼與視覺(jué)機(jī)器人圖像處理技術(shù)機(jī)器人立體視覺(jué)單眼成像5、人的雙眼從不同的方位獲取同一景物的信息，各自得到關(guān)于景物的二維圖像，這左右兩幅圖像有著微小的區(qū)別，這種區(qū)別就叫做視差。雙眼注視有限距離點(diǎn)B，B在視網(wǎng)膜上的像也落在左右眼的黃斑位置B1和Br。2、人眼的立體視覺(jué)B點(diǎn)相對(duì)于左右眼的兩視線(xiàn)的夾角O1BOr稱(chēng)作視差角，用θb表示。為了觀看物點(diǎn)B，眼睛將偏轉(zhuǎn)一定量的會(huì)聚角φ。B相對(duì)于人眼的距離Zb為：

Zb=b/tgφ A點(diǎn)的像分別為A1和Ar，設(shè)線(xiàn)視差分別為Δl、Δr。θb=2φ根據(jù)A點(diǎn)的線(xiàn)視差計(jì)算得：線(xiàn)視差是描述物點(diǎn)在空間中位置的重要參數(shù)，在機(jī)器人立體視覺(jué)中，視差也是一個(gè)十分重要的判定景物空間分布的因素之一。1、激光掃描法二、機(jī)器人視覺(jué)方法在OlenA’D中綜合上式計(jì)算得tgα=x/Lf在AOlenM’中OM=(Z+Ll)

×tgα=x×(Z+Ll)/Lf在AOlaserM中MOlaser=Z×ctgβOM+MOlaser=b另外A點(diǎn)的另外兩個(gè)坐標(biāo)值Z=(bLf–xLl)/(x+Lftgβ)X=x(btgβ+Ll)/(xtgβ+Lf)Y=y(btgβ+Ll)/(xtgβ+Lf)機(jī)械掃描裝置把激光光束投向景物空間，按照一定的順序?qū)拔锟臻g進(jìn)行二維掃描，即可得到景物空間各點(diǎn)的距離信息。如果用扇形光束代替點(diǎn)光束，只需進(jìn)行一維掃瞄，就能快速測(cè)定CCD圖像畫(huà)面內(nèi)全部點(diǎn)的距離信息。2、立體攝影法物點(diǎn)A和B兩視線(xiàn)的夾角O1AO2稱(chēng)作視差角：點(diǎn)A和B視差角的差值Δθab稱(chēng)作立體視差：Δθab=θa-θbθa=2b/Za 2b——CCD攝像機(jī)光軸間的距離視差角的大小表征了物點(diǎn)的遠(yuǎn)近，圖中：θa>θb，物點(diǎn)A較B近。立體視差Δθab的正負(fù)也能表征物點(diǎn)的遠(yuǎn)近。在CCD成像面上，物體的角視差實(shí)際上是以線(xiàn)視差來(lái)表現(xiàn)的。A、B兩點(diǎn)的線(xiàn)視差ΔXa、ΔXb物點(diǎn)A和物點(diǎn)B之間的相對(duì)線(xiàn)視差ΔXab為由二維圖像中的線(xiàn)視差和相對(duì)線(xiàn)視差，可以推算出空間物點(diǎn)的三維信息。三、機(jī)器人圖像處理技術(shù)機(jī)器人圖像第一步是初級(jí)處理，內(nèi)容主要有：從灰度圖中尋找圖像邊緣和分割圖像通過(guò)圖像的分割，機(jī)器人可以區(qū)分出所關(guān)心的特定的對(duì)象（即整個(gè)畫(huà)面中的一部分圖像）。為了識(shí)別特征物體，常用具有標(biāo)準(zhǔn)姿勢(shì)的物體圖像與所拍攝的物體圖像相比較。同樣出于對(duì)姿態(tài)調(diào)整的考慮，需要計(jì)算圖像兩個(gè)垂直的主慣性軸的方向。簡(jiǎn)單的圖像分割方法有閾值處理和邊緣檢測(cè)兩種。求取圖像重心位置提取圖像的兩個(gè)垂直的主慣性軸視覺(jué)獲取的任意姿態(tài)物體圖像，需要進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，其第一步就是計(jì)算出物體的重心點(diǎn)坐標(biāo)。1、圖像的分割算法根據(jù)適當(dāng)?shù)幕叶乳撝祎h將圖像的轉(zhuǎn)變成二值化圖像，便于圖像分割。1）閾值處理法閾值的獲得途徑：二維圖像函數(shù)f（x，y），假設(shè)其二值化之后的圖像函數(shù)為：ft（x，y），則：1）由圖像灰度分布概率，用最小二乘法準(zhǔn)確計(jì)算2）實(shí)驗(yàn)法雙峰值特性的圖像物體背景1(1)2(2)——期望值——協(xié)方差假定其灰度分布服從正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)聯(lián)合概率密度：P1、P2為兩個(gè)峰下面的面積，且：P1+P2

=1若P1=P2，則最佳閾值

t為：將p2(t)

和p1(t)

代入上式，得：Ath

2

+Bth+C=0A=σ12+σ22B=2(μ1σ22-μ2σ12)C=μ22σ12

-μ12σ22

+2σ12σ22

ln(σ2P1/σ1P2)如果σ12

=σ22

=σ2

，則：th2）微分邊緣檢測(cè)法：2）微分邊緣檢測(cè)法：設(shè)圖像f（x，y）原坐標(biāo)（x，y）旋轉(zhuǎn)θ角，新坐標(biāo)為（x’，y’）兩者的關(guān)系：

x=x'cosθ–y'sinθy=x'sinθ–y'cosθ圖像函數(shù)f（x，y）沿x、y和x’、y’方向的灰度變化率為：上式對(duì)θ微分，并令其為0梯度的大小灰度變化最陡的方向在數(shù)字圖像中，用差分代替微分圖像的梯度矢量的大?。簣D像的梯度矢量的方向：例如Sobel算子x方向y方向2、重心點(diǎn)及慣性矩計(jì)算圖像灰度函數(shù)f(i，j)的重心坐標(biāo)xc、ycm——象素最大列數(shù)n——象素最大行數(shù)圖像灰度值總和x(i)y(j)xc、ycf(i，j)圖像的慣性矩Ix、Iy、Ixy圖像的主慣性矩I’x、I’y、I’xy偏角φ：原坐標(biāo)系和新坐標(biāo)系的變換關(guān)系x2=[(x0

–xc

)cosφ-(

y0–yc

)sinφ]+xcy2

=[(x0

–xc

)sinφ-(

y0–yc

)cosφ]+yc比對(duì)圖像原始圖像圖像調(diào)整StereovisionofMarsRoverStereoGraphicsdevelopedthespecial3-DglassescalledCrystalEyes

PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity第三節(jié)機(jī)器人觸覺(jué)傳感器接觸覺(jué)傳感器壓覺(jué)傳感器力覺(jué)傳感器滑覺(jué)傳感器仿生皮膚一、接觸覺(jué)傳感器第三節(jié)機(jī)器人觸覺(jué)傳感器機(jī)械人觸覺(jué)可分為：接觸覺(jué)、壓覺(jué)、力覺(jué)、滑覺(jué)等幾種。用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人的某些部位與外界物體接觸與否，例如感受是否抓住零件，是否接觸地面等。模擬開(kāi)關(guān)A/D轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)_+_+_+_+陣列掃描電路二、壓覺(jué)傳感器用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人手指的握持面上承受的壓力大小和分布。特點(diǎn)：小型輕便、響應(yīng)快、陣列密度高、在線(xiàn)性好、可靠性高等。常用的敏感材料：導(dǎo)電橡膠或塑料、偏聚二氟乙烯薄膜（PVF2）、應(yīng)變片陣列、磁彈性式壓磁傳感器陣列（如針式差動(dòng)變壓器、霍爾元件）、光電傳感器陣列等。Vo=Vp

[(Cx-CR)/CF]=Vp(ΔC/CF)

三、力覺(jué)傳感器腕力傳感器發(fā)展趨勢(shì)：用于感知機(jī)器人的指、肢和關(guān)節(jié)等在工作和運(yùn)動(dòng)中所受力的大小和方向，從而決定如何運(yùn)動(dòng)、采用什么姿勢(shì)、以及推測(cè)對(duì)象物體的重量等。特點(diǎn)是感知多維的作用力。間接輸出型腕力傳感器將傳感器本身設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單化，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的計(jì)算求出傳遞矩陣，使用時(shí)要經(jīng)過(guò)矩陣運(yùn)算才能提取出六個(gè)力分量。直接輸出型腕力傳感器傳感器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，簡(jiǎn)單的計(jì)算就能提取六個(gè)分量，甚至可以直接得到六個(gè)分量。材料：鋁筒式六自由度腕力傳感器X、Y、Z方向：力——Fx、Fy、Fz轉(zhuǎn)矩——Mx、My、MzFx=K1（Py++Py-

）Fy=K2（Px++Px-）Fz=K3（Qx++Qx-+Qy++Qy-） Mx=K4（Qy+-Qy-）My=K5（-Qx++Qx-）Mz=K6（Px+-Px--Py++Py-）K1、K2、K3、K4、K5、K6為比例系數(shù)，與各根梁所貼應(yīng)變片的應(yīng)變靈敏度有關(guān)。XYZ材料：鋁撓性件十字梁式腕力傳感器梁側(cè)面貼應(yīng)變片手臂尼龍球（易于伸縮）相對(duì)面上的兩片應(yīng)變片構(gòu)成一組半橋，共8只應(yīng)變計(jì)，輸出參數(shù)fx1、fx3、fy1、fy2、fy3、fy4、fz2、fz4X、Y、Z的力：Fx、Fy、Fz力矩：Mx、My、Mz： Fx=-fx1

-fx3 Fy=-fy1-fy2

-fy3-fy4 Fz=-fz2-fz4 Mx=afz2+afz4

+bfy1-bfy3 My=-bfx1+bfz4

+bfz2–bfz4 Mx=-afx1–afx3

–bfy2+bfy4

四、滑覺(jué)傳感器用于機(jī)器人感知手指與物體接觸面之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)（滑動(dòng)）的大小和方向，從而確定最佳大小的把握力，以保證既能握住物體不產(chǎn)生滑動(dòng)，又不至于因用力過(guò)大而使物體發(fā)生變形或被損壞。四、仿生皮膚聚偏二氟乙烯（PVDF）觸覺(jué)傳感器PVDF薄膜與物體有相對(duì)滑移時(shí)，指紋或凸點(diǎn)變形，引起誘導(dǎo)振動(dòng)，發(fā)生應(yīng)力變化，產(chǎn)生電荷。表皮信號(hào)輸出PVDF（厚幾十微米）橡膠基底外殼觸、滑、溫覺(jué)傳感器上層為兩面鍍銀的整塊PVDF，兩面引出電極，可以獲取溫覺(jué)、觸覺(jué)信號(hào)。橡膠基底下層PVDF隔熱層加熱層上層PVDF橡膠表層下層PVDF鍍有條狀電極，引線(xiàn)由導(dǎo)電膠粘接后引出，可以獲取壓覺(jué)和滑覺(jué)信號(hào)。上下兩層PVDF之間，有電加熱層和柔性隔熱層，隔離成兩個(gè)不同的物理測(cè)量空間。手爪表面開(kāi)始接觸物體時(shí)，接觸階躍性應(yīng)力使PVDF產(chǎn)生電荷，呈現(xiàn)單方向脈沖信號(hào)特征。觸覺(jué)VtVt物體相對(duì)于表層滑動(dòng)時(shí)，摩擦力變化引起傳感器表層的誘導(dǎo)振動(dòng)，使PVDF產(chǎn)生交變信號(hào)?；X(jué)溫覺(jué)：將上層PVDF保持在55℃左右，當(dāng)與物體接觸時(shí)，物體與表皮的溫差形成熱能傳遞，使PVDF極化面產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量的電荷輸出。Vt55℃壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷是x、y、z三方向的軸向應(yīng)力和切向應(yīng)力產(chǎn)生電荷的總和，所以它能感覺(jué)出三維應(yīng)力，從而判斷觸覺(jué)、滑覺(jué)的大小及應(yīng)力區(qū)域。PVDF纖維絲(幾十微米)高分子充水薄膜微球由于PVDF薄膜絲纖維束有強(qiáng)的熱釋電效應(yīng)，環(huán)境溫度的變化使極間產(chǎn)生電荷，從而產(chǎn)生了溫覺(jué)。信號(hào)的檢出與重構(gòu)——PVDF微單元~放大器RiQ(t)漏電流i控制電路數(shù)據(jù)采集電路計(jì)算機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器上層PVDF下層PVDFMOSFET輸入型高阻抗、低失調(diào)、低漂移高精度放大器云母電容復(fù)位開(kāi)關(guān)使每次讀值從同一起點(diǎn)開(kāi)始PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity第四節(jié)機(jī)器人接近覺(jué)傳感器電磁式接近覺(jué)傳感器光電式接近覺(jué)傳感器超聲波接近覺(jué)傳感器

第四節(jié)機(jī)器人接近覺(jué)傳感器機(jī)械人接近覺(jué)是介于觸覺(jué)和視覺(jué)之間的感覺(jué)，感應(yīng)的距離范圍一般為幾毫米至幾十毫米，用于感知一定距離內(nèi)場(chǎng)景的狀況。常見(jiàn)的接近覺(jué)傳感器有電磁式、光電式、電容式、氣動(dòng)式、超聲式、紅外線(xiàn)、微波式等多種類(lèi)型。一、電磁式接近覺(jué)傳感器精度比較高、響應(yīng)速度快、受環(huán)境影響小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可以在高溫下工作。物體（金屬）檢測(cè)線(xiàn)圈激勵(lì)線(xiàn)圈檢測(cè)線(xiàn)圈物體內(nèi)產(chǎn)生流線(xiàn)閉合的感應(yīng)電流（即渦流）。渦流大小與對(duì)象物的距離等有關(guān)。焊接機(jī)器人多半使用渦流傳感器來(lái)跟蹤焊接縫，在200℃下工作，距離0~8mm時(shí)，誤差小于4%。渦流式用永久磁鐵和緊貼磁鐵的圓柱形線(xiàn)圈構(gòu)成線(xiàn)圈永久磁鐵外殼樹(shù)脂磁鐵式在遠(yuǎn)離物體時(shí)，永久磁鐵的磁力線(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布有導(dǎo)磁金屬（鋼或鐵等）接近時(shí)，磁力線(xiàn)分布發(fā)生變化。用霍爾元件或集成磁敏傳感器代替線(xiàn)圈，可感知近距離的靜止物體的接近情況。這種接近覺(jué)傳感器所能感知的距離很近，對(duì)于小于幾分之一毫米的近距離運(yùn)動(dòng)物體十分靈敏。電流輸出急劇變化呈非線(xiàn)性關(guān)系只能感知金屬物體，無(wú)法感知非金屬物體。二、光電式接近覺(jué)傳感器物體表面特性特別是表面反射率等對(duì)靈敏度有較大影響Ipθ發(fā)射透鏡接收透鏡靈敏區(qū)域光敏二極管發(fā)光二極管不同物體的光反射率不同，無(wú)法測(cè)量物體遠(yuǎn)近，只感知有無(wú)物體接近θ越小，敏感距離越遠(yuǎn)264837+5V+12V+12V+-+-+-+-Vout