工業(yè)機(jī)器人技術(shù)第五章工業(yè)機(jī)器人感知系統(tǒng)目錄5.1工業(yè)機(jī)器人傳感器概述5.2機(jī)器人內(nèi)部傳感器5.3機(jī)器人外部傳感器5.4工業(yè)機(jī)器人視覺技術(shù)5.1工業(yè)機(jī)器人傳感器概述5.1.1工業(yè)機(jī)器人傳感器的分類 5.1.2多傳感器信息融合技術(shù)的發(fā)展5.1.1工業(yè)機(jī)器人傳感器的分類分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器內(nèi)部傳感器是用來確定機(jī)器人在其自身坐標(biāo)系內(nèi)的姿態(tài)位置，如用來測量位移、速度、加速度和應(yīng)力的通用型傳感器。而外部傳感器則用于機(jī)器人本身相對其周圍環(huán)境的定位。外部傳感機(jī)構(gòu)的使用使機(jī)器人能以柔性方式與其環(huán)境互相作用。負(fù)責(zé)檢驗(yàn)諸如距離、接近程度和接觸程度之類的變量，便于機(jī)器人的引導(dǎo)及物體的識別和處理。機(jī)器視覺從三維環(huán)境的圖像中提取、顯示和說明信息的過程。機(jī)器視覺被用在：帶有中間檢測的加工工程、有適應(yīng)能力的材料裝卸、弧焊和復(fù)雜的裝配作業(yè)等場合。已經(jīng)出現(xiàn)了一個由機(jī)器人視覺公司組成的新型產(chǎn)業(yè)。5.1.1工業(yè)機(jī)器人傳感器的分類分為非接觸傳感器和非接觸傳感器內(nèi)部傳感器是用來確定機(jī)器人在其自身坐標(biāo)系內(nèi)的姿態(tài)位置，如用來測量位移、速度、加速度和應(yīng)力的通用型傳感器。而外部傳感器則用于機(jī)器人本身相對其周圍環(huán)境的定位。外部傳感機(jī)構(gòu)的使用使機(jī)器人能以柔性方式與其環(huán)境互相作用。負(fù)責(zé)檢驗(yàn)諸如距離、接近程度和接觸程度之類的變量，便于機(jī)器人的引導(dǎo)及物體的識別和處理。5.1.2多傳感器信息融合技術(shù)的發(fā)展

多傳感器信息融合系統(tǒng)在機(jī)器人領(lǐng)域內(nèi)主要有以下幾方面的應(yīng)用：移動機(jī)器人傳感器與集成控制5.2機(jī)器人內(nèi)部傳感器5.2.1位置傳感器1.電位計(jì)2.編碼器3.分相器5.2.2姿態(tài)傳感器1.陀螺儀2.加速度計(jì)電位計(jì)它由一個線繞電阻（或薄膜電阻）和一個滑動觸點(diǎn)組成?；瑒佑|點(diǎn)通過機(jī)械裝置受被檢測量的控制。圖5-1線性電位計(jì)電位計(jì)當(dāng)被檢測的位置量發(fā)生變化時，滑動觸點(diǎn)也發(fā)生位移，改變了滑動觸點(diǎn)與電位器各端之間的電阻值和輸出電壓值，根據(jù)這種輸出電壓值的變化，可以檢測出機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置和位移量。圖5-2角度式電位計(jì)光電位置傳感器事先求出光源（LED）和感光部分（光敏晶體管）之間的距離同感光量的關(guān)系（如圖5-3b）），就能從測量的感光量計(jì)算出位移x。圖5-3光電位置傳感器編碼器應(yīng)用最多的旋轉(zhuǎn)角度傳感器是旋轉(zhuǎn)編碼器；把連續(xù)輸入的軸的旋轉(zhuǎn)角度同時進(jìn)行離散化和量化處理后予以輸出；把旋轉(zhuǎn)角度的現(xiàn)有值，用二進(jìn)制碼表示進(jìn)行輸出，這種型式的編碼器稱為絕對值型；還有一種型式，是每旋轉(zhuǎn)一定角度，就有1位的脈沖（1和0交替取值）被輸出，這種型式的編碼器稱為相對值型（增量型）；相對值型用計(jì)數(shù)器對脈沖進(jìn)行累積計(jì)算，從而可以得知初始角旋轉(zhuǎn)的角度；編碼器根據(jù)監(jiān)測方法的不同，可以分為光學(xué)式、磁場式和感應(yīng)式；一般來說，普及型的分辨率能達(dá)到2?12的程度，對于高精度型的編碼器其分辨率可以達(dá)到2?20的程度。光學(xué)編碼器這種非接觸型傳感器可分為絕對型和增量型；對絕對型編碼器，只要把電源加到用這種傳感器的機(jī)電系統(tǒng)中，編碼器就能給出實(shí)際的線性或旋轉(zhuǎn)位置；而增量型編碼器只能提供與某基準(zhǔn)點(diǎn)對應(yīng)的位置信息；圖5-4光學(xué)式絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器

圖5-5光學(xué)式增量型旋轉(zhuǎn)編碼器光學(xué)編碼器線性或旋轉(zhuǎn)編碼器都有絕對型和增量型兩類，旋轉(zhuǎn)型器件在機(jī)器人中的應(yīng)用特別多，因?yàn)闄C(jī)器人的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于棱柱形關(guān)節(jié)；直線編碼器成本高，甚至以線性方式移動的關(guān)節(jié)，如球坐標(biāo)機(jī)器人都用旋轉(zhuǎn)編碼器。圖5-6增量型旋轉(zhuǎn)編碼器輸出波形激光編碼器具有代表性的產(chǎn)品是激光干涉式編碼器；這種編碼器是一種每轉(zhuǎn)能輸出225,000個正弦波的設(shè)備；因?yàn)檫@種正弦波的形狀非常精確，所以可以利用電氣方法進(jìn)行精細(xì)地分割；例如，一個正弦波被分割成80份時，則可以獲得每轉(zhuǎn)具有1,800萬個脈沖輸出的產(chǎn)品。分相器分相器是一種用來檢測旋轉(zhuǎn)角度的旋轉(zhuǎn)型感應(yīng)電動機(jī)，輸出的正弦波相位伴隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度的變化作相應(yīng)地變化。根據(jù)這種相位變化，可以檢測出旋轉(zhuǎn)角度。圖5-7分相器工作原理5.2.2姿態(tài)傳感器姿態(tài)傳感器是用來檢測機(jī)器人與地面相對關(guān)系的傳感器；當(dāng)機(jī)器人被限制在工廠的地面時，沒有必要安裝這種傳感器，如對大部分工業(yè)機(jī)器人；移動機(jī)器人安裝姿態(tài)傳感器就成為必要的了；典型的姿態(tài)傳感器陀有螺儀、加速度計(jì)。陀螺儀主要用于測量對象的角旋轉(zhuǎn)速率；由于光電技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是激光的發(fā)明和低損耗光纖的出現(xiàn)，使陀螺儀的工作原理、制造工藝和應(yīng)用狀態(tài)發(fā)生了根本性的變化；閉環(huán)光纖陀螺儀的工作原理是基于薩格納克（Sagnac）效應(yīng)；閉環(huán)光纖陀螺儀可分為：全光纖型和集成光學(xué)型。加速度計(jì)加速度計(jì)測量的則是外部作用于傳感器上的力（包括重力），通過力來獲取機(jī)器人的姿態(tài)變化加速度；通過加速度測量值的一次積分或二次積分可分別求出角度或位置參量；傾角儀實(shí)質(zhì)是加速度計(jì)的集成，用于測量三維環(huán)境中機(jī)器人的俯仰或橫滾角度；機(jī)械加速度計(jì)本質(zhì)上是一種彈簧質(zhì)量阻尼器系統(tǒng)，由質(zhì)量檢測塊、支承、電位器、彈簧、阻尼器和殼體組成。加速度計(jì)機(jī)械加速度計(jì)質(zhì)量檢測塊受支承的約束只能沿一條軸線移動，這個軸為輸入軸或敏感軸。當(dāng)施加某種力時，力作用于質(zhì)量檢測塊使彈簧發(fā)生位移；外力大小與彈簧位移成比例，根據(jù)位移和阻尼大小從而計(jì)算出外力；機(jī)械加速度計(jì)的問題是對振動特別敏感；另外，還有一種壓電加速度計(jì)，不是依靠直接的機(jī)械測量外力，而是基于某些晶體在壓力下產(chǎn)生電壓的特性。通過測量電壓變化來計(jì)算外力。5.3機(jī)器人外部傳感器5.3.1觸覺傳感器1.接觸覺傳感器2.壓覺傳感器3.滑覺傳感器4.力覺傳感器5.3.2距離傳感器1.超聲波距離傳感器2.激光距離傳感器3.接近覺傳感器接觸覺傳感器機(jī)器人在探測是否接觸到物體時有時用開關(guān)傳感器，傳感器接受由于接觸產(chǎn)生的柔量；機(jī)械式的接觸傳感器有微動開關(guān)、限位開關(guān)等；微動開關(guān)是按下開關(guān)就能進(jìn)入電信號的簡單機(jī)構(gòu)；接觸覺傳感器即使用很小的力也能動作，多采用杠桿原理。限定機(jī)器人動作范圍的限位開關(guān)等也可使用；圖5-8接觸覺傳感器示例壓覺傳感器機(jī)器人的壓覺傳感器就是裝在其手上面，可以在把持物體時檢測到物體同手間產(chǎn)生的壓力和力以及其分布情況的傳感器；檢測這些量要用許多壓電元件。壓電元件照字面上看，是指某種物質(zhì)上施加壓力就會產(chǎn)生電信號，即產(chǎn)生壓電現(xiàn)象的元件。對于機(jī)械式檢測，可以使用彈簧。圖5-9壓覺傳感器滑覺傳感器滑覺傳感器是檢測垂直加壓方向的力和位移的傳感器；如圖5-10所示，當(dāng)用手抓取處于水平位置的物體時，手對物體施加水平壓力，垂直方向作用的重力會克服這一壓力使物體下滑。圖5-10滑覺傳感器

圖5-11滑覺傳感器應(yīng)用力覺傳感器通常將機(jī)器人的力覺傳感器分為以下三類：(1)裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動器上的力覺傳感器，稱為關(guān)節(jié)力傳感器，它測量驅(qū)動器本身的輸出力和力矩，用于控制中的力反饋。(2)裝在末端執(zhí)行器和機(jī)器人最后一個關(guān)節(jié)之間的力覺傳感器，稱為腕力傳感器。腕力傳感器能直接測出作用在末端執(zhí)行器上的各向力和力矩。(3)裝在機(jī)器人手指關(guān)節(jié)上（或指上）的力覺傳感器，稱為指力傳感器。用來測量夾持物體時的受力情況。5.3機(jī)器人外部傳感器力覺傳感器主要使用的元件是電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片是利用了金屬絲拉伸時電阻變大的現(xiàn)象，如將它粘貼在加力的方向上，如圖5-12所示，對電阻應(yīng)變片在左右方向上加力，電阻應(yīng)變片用導(dǎo)線接到外部電路上，可測定輸出電壓，算出電阻值的變化。圖5-12力覺傳感器電橋電路

圖5-13力覺傳感器測量時的狀態(tài)5.3機(jī)器人外部傳感器圖5-14DraperWaston六維腕力傳感器

圖5-15SRI六維腕力傳感器圖5-16SBI腕力傳感器應(yīng)變片連接方式

圖5-17林純一六維腕力傳感器圖5-18非徑向中心對稱超聲波距離傳感器超聲波距離傳感器是由發(fā)射器和接收器構(gòu)成的，幾乎所有超聲波距離傳感器的發(fā)射器和接收器都是利用壓電效應(yīng)制成的。圖5-19超聲波發(fā)射接收器結(jié)構(gòu)圖超聲波距離傳感器的檢測方式有脈沖回波式和FW-CW（頻率調(diào)劑、連續(xù)波）式兩種。激光距離傳感器激光雷達(dá)大部分都是靠一個旋轉(zhuǎn)的反射鏡將激光發(fā)射出去并通過測量發(fā)射光和從物體表面反射回來的反射光之間的時間差來進(jìn)行測距。a)

實(shí)物圖b)

掃描角度

圖5-20激光雷達(dá)LMS291接近覺傳感器接近覺傳感器主要感知傳感器與物體之間的接近程度。它與精確的測距系統(tǒng)雖然不同，但又有相似之處?？梢哉f接近覺是一種粗略的距離傳感器。接近覺傳感器在機(jī)器人中主要有兩個用途：避障和防止沖擊。圖5-21接近覺傳感器示例圖5-22電容式接近開關(guān)檢測原理5.4工業(yè)機(jī)器人視覺技術(shù)5.4.1機(jī)器視覺概述5.4.2工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)5.4.3CCD原理5.4.4機(jī)器視覺幾何5.4.5視覺信號處理5.4.1機(jī)器視覺概述人類從外界獲得的信息，大多數(shù)都是由眼睛得到的。人類視覺細(xì)胞的數(shù)量大約在108數(shù)量級，是聽覺細(xì)胞的3000多倍，是皮膚感覺細(xì)胞的100多倍。機(jī)器人的視覺與文字識別或圖像識別是有區(qū)別的，它們的區(qū)別在于機(jī)器人視覺系統(tǒng)需要處理三維圖像，不僅需要了解物體的大小、形狀，還要知道物體之間的關(guān)系。5.4.2工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)機(jī)器視覺的主要應(yīng)用機(jī)器視覺系統(tǒng)的硬件組成機(jī)器視覺系統(tǒng)的軟件組成機(jī)器視覺的主要應(yīng)用（1）用視覺進(jìn)行產(chǎn)品檢驗(yàn)，代替人的目檢。（2）在機(jī)器人進(jìn)行裝配、搬運(yùn)等工作時，用視覺系統(tǒng)對一組需裝配的零、部件逐個進(jìn)行識別，并確定它在空間的位置和方向，引導(dǎo)機(jī)器人的手準(zhǔn)確地抓取所需的零件，并放到指定位置，完成分類、搬運(yùn)和裝配任務(wù)。（3）為移動機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)航。工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)的硬件組成（1）景物和距離傳感器（2）視頻信號數(shù)字化設(shè)備（3）視頻信號快速處理器（4）計(jì)算機(jī)及其外設(shè)（5）機(jī)器人或機(jī)械手及其控制器機(jī)器視覺系統(tǒng)的軟件組成（1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件

選用不同類型的計(jì)算機(jī)，就有不同的操作系統(tǒng)和它所支撐的各種語言、數(shù)據(jù)庫等。（2）機(jī)器人視覺信息處理算法

圖像預(yù)處理、分割、描述、識別和解釋等算法。（3）機(jī)器人控制軟件5.4.3CCD原理視覺信息通過視覺傳感器轉(zhuǎn)換成電信號。在空間采樣和幅值化后，這些信號就形成了一幅數(shù)字圖像。機(jī)器人視覺使用的主要部件是電視攝像機(jī)，它由攝像管或固態(tài)成像傳感器及相應(yīng)的電子線路組成。圖5-23光導(dǎo)攝像管工作原理行掃描傳感器行掃描CCD傳感器的基本元件是一行硅成像元素，稱為光檢測器。光子通過透明的多晶硅門由硅晶體吸收，產(chǎn)生電子?空穴對，產(chǎn)生的光電子集中在光檢測器中，匯集在每個光檢測器中電荷的數(shù)量正比于那個位置的照明度。CCD行掃描傳感器面陣傳感器電荷耦合面陣傳感器與行掃描傳感器相似，不同之處在于面陣傳感器酌光檢測是按矩陣形式排列的，且在兩列光檢測器之間有一個邏輯門與移位寄存器組合。奇數(shù)光檢測器的數(shù)據(jù)依次通過門進(jìn)人垂直移位寄存器，然后再送人水平移位寄存器。水平移位寄存器的內(nèi)容加到放大器上，放大器的輸出即為一行視頻信號。對于各偶數(shù)行重復(fù)上述過程，便可獲得一幀電視圖像的第二個隔行場。這種掃描方式的重復(fù)頻率是每秒30幀。CCD面陣傳感器5.4.4機(jī)器視覺幾何機(jī)器視覺中攝像機(jī)模型是光學(xué)成像幾何關(guān)系的簡化，最簡單的模型為小孔模型，成像方式為透視投影。對于小孔攝像機(jī)，它的圖像信息的幾何處理過程主要取決于透射投影中心和視網(wǎng)膜平面（即投影平面）。場景中任一點(diǎn)的投影可由通過該點(diǎn)及投影中心（即光心）的直線和投影平面的交點(diǎn)獲得。大部分?jǐn)z像機(jī)均可由該模型很好地描述，但在某些情況下，一些其它因素，如光線的畸變等，要考慮其影響。圖5-25小孔攝像機(jī)透射投影5.4.5視覺信號處理圖像信號一般是二維信號，一幅圖像通常由512×512個像素組成，每個像素有256級灰度，或者是3