第3章 机器人感觉

二、测速发电机
测速发电机是利用发电机的原理 速度传感器 角速度传感器 测速发电机 直流测速发电机 (按其构造) 交流测速发电机 按其构造) 感应式交流测速发电机
光学编码器(Optical 三、光学编码器(Optical Encoder)
增量式： 增量式： 起始点不固定， 起始点不固定，累积检测 绝对式: 绝对式: 起始点是给定的， 起始点是给定的，以编码盘固有的某图 案为起始点，检测角位移或线位移。 案为起始点，检测角位移或线位移。
2、十字形腕力传感器 十字形所形成的4个臂作为工作梁，在每个梁的4 十字形所形成的4个臂作为工作梁，在每个梁的4个表 面上选取测量敏感点， 面上选取测量敏感点，通过粘贴应变片获取电信号
力和力矩的换算： 力和力矩的换算：
Fx Fy Fz Mx My Mz
0
K21
= 0 0 0
0 0
K13
0 0 0 0
哈尔滨理工大学
机器人技术基础
电位器 滑片型：导电塑料、线绕式、混合式 滑片型：导电塑料、线绕式、 非接触型：磁阻式、 非接触型：磁阻式、光标式 导电塑料： 导电塑料：是将炭黑粉末和热硬化树脂涂在塑料的表面 并和接线端子作成一体， 上，并和接线端子作成一体，滑动部分几乎 没有磨损，寿命很长。 没有磨损，寿命很长。 磁阻效应： 磁阻效应：是在元件电流的垂直方向 上加以外磁场， 上加以外磁场，元件在电 流方向上的电 阻值发生 变化。 变化。 非接触式电位器的特点： 非接触式电位器的特点： 寿命长，分辨率高，转矩小， 寿命长，分辨率高，转矩小， xiang应速度快。 应速度快。 应速度快
(根据感知范围或距离) 根据感知范围或距离)
感知近距离物体（mm级）：磁力式(感应式)、气压式、电容式 磁力式( 感知近距离物体（mm级）：磁力式 感应式) 气压式、 感知中距离物体（30cm以内 以内） 感知中距离物体（30cm以内） ：红外光电式 感知远距离物体（30cm以外） ：超声式、激光式 感知远距离物体（30cm以外） 超声式、 以外
二、摄像器件
黑白或彩色摄像机 CCD像感器 CCD像感器 激光雷达 超声波传感器 半导体位置检测器件
1、PSD传感器 PSD传感器
PSD是光束照射到一维的线和二维的平面时，检测光照射位置的传感器。 PSD是光束照射到一维的线和二维的平面时，检测光照射位置的传感器。 是光束照射到一维的线和二维的平面时 光照射到PSD上 生成电子空穴dui，从而在P型和n 光照射到PSD上,生成电子空穴dui，从而在P型和n型电阻层上的电路中流 过电流。一维的PSD与电信计 与电信计xiang同 过电流。一维的PSD与电信计xiang同， P型电阻层的电阻在光照射位置被分割。 型电阻层的电阻在光照射位置被分割。 型电阻层上， 在P型电阻层上，电流按照从光照射位 置到两端电极的电阻层长度分流。 置到两端电极的电阻层长度分流。 x = L/(1+I1/I2) 半导体位置检测器件无法得到输入 图像的灰度信息。 图像的灰度信息。
二维PSD测量精度 位置分辨率高达0.2 二维PSD测量精度 位置分辨率高达0.2 m 位置检测误差25 位置检测误差25 m
2、CCD摄像机 CCD摄像机
CCD的基本结构是一个间隙很小的电极阵列。 CCD的基本结构是一个间隙很小的电极阵列。阵列放置 的基本结构是一个间隙很小的电极阵列 在摄像机镜头图像平面上，一幅贬低就投射到CCD阵列平 在摄像机镜头图像平面上，一幅贬低就投射到CCD阵列平 面上。由于每个光敏元件产生的电荷与其照度成正比， 面上。由于每个光敏元件产生的电荷与其照度成正比，电 荷聚集在每个光敏元件下面的电容里， 荷聚集在每个光敏元件下面的电容里，然后用两相时钟脉 冲把电荷顺序地传递到放 大器输入端，于是在放大 大器输入端， 主 器的输出端产生代表图像 受光面积：30mm 受光面积：30mm ×35mm 要 像素数(分辨率) 像素数(分辨率)：4096 × 5000 参 的电压信号。 扫描速度：500ns/像素 扫描速度：500ns/像素
数
第3章
结束
§3.3 力觉传感器(Force Sensor) 力觉传感器(Force
一、力和力矩的一般检测方法
力不是直接可测量的物理量， 力不是直接可测量的物理量，而是通过其他物理量间接测量出 的。 • 通过检测物体弹性变形测量力，如采用应变片(金属丝拉伸时 通过检测物体弹性变形测量力，如采用应变片 金属丝拉伸时 电阻变大)、弹簧的变形测量力; 电阻变大 、弹簧的变形测量力 • 通过检测物体压电效应检测力 通过检测物体压电效应检测力; • 通过检测物休压磁效应检测力 通过检测物休压磁效应检测力; • 采用电动机、液压马达驱动的设备可以通过检测电动机电流 采用电动机、 及液压马达油压等方法测量力或转矩; 及液压马达油压等方法测量力或转矩 • 装有速度、加速度传感器的设备，可以通过速度与加速度的 装有速度、加速度传感器的设备， 测量推出作用力。 测量推出作用力。
第3章 机器人传感器 Sensors） （Robot Sensors）
智能机器人的传感器： 智能机器人的传感器： 视觉、听觉、触觉、嗅觉、 视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉
内部传感器： 内部传感器：
位置、速度、 位置、速度、力、力矩、温度以及异常变化的 力矩、 传感器
外部传感器
视觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器、角 视觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器、 度觉（平衡觉） 度觉（平衡觉）传感器
1、脉波回波式
先将超声波用脉冲 调制后发射， 调制后发射，根据经 被测物体反射回来的 回波延迟时间△ 回波延迟时间△t ,计 算出被测物体的距离L: L = v △t /2 v – 声速
v = 331.5 + 0.607T (T – 空气温度 空气温度)
2、FM-CW方式 FM-CW方式
采用连续波对超声波信号进行调制。 采用连续波对超声波信号进行调制。 将由被测物体反射延迟△ 将由被测物体反射延迟△t 时间 后得到的接收波信号与发射波信 相乘，仅取出其中的低频信号， 相乘，仅取出其中的低频信号， 就可以得到与距离L成 正比的差 频 fτ信号。 信号。 假设调制信号的频率为fm ,调制频率的 调制频率的 带宽为 △f ，被测物体的距离L 为：
§3.1 内部传感器 (Iner-Sensors) Iner一、电位器
直线型)= (θ/360°) ·R0 ° V=( R(θ) /R0) ·E = (θ/360°) ·E °
其输出电压与阻值无关。 其输出电压与阻值无关。 所以，温度变化对输出电 所以， 压没有影响。 压没有影响。
接触信息 广义的触觉传感器 狭小区域的压力信息 滑觉信息
点信息识别、平面信息识别、 点信息识别、平面信息识别、空间信息识别 一、接触觉传感器 1、单向微动开关
2 、接近开关 高频振荡式 磁感应式 电容感应式 超声波式 气动式 光电式 光纤式
3、触须传感器
二、触觉传感器阵列
三、滑觉传感器 检测垂直加压方向的力和位移的传感器
绝对式：通常采用格雷码(相邻两个二进制码的变化只能有一 绝对式：通常采用格雷码( 具有一定的纠错能力) 位，具有一定的纠错能力)
0 1 2 3 4
自然二进制 0000 0001 0010 0011 0100
Gray码 Gray码 0000 0001 0011 0010 0011
§3.2 触觉传感器 (Tactile Sensor)
L = fτv/(4 fm △f ) v/( fτ/ △f = △t /( ½·1/ fm ) △t = fτ/ 2· fm ·△f △ L = △t ·v/2 v/
§3.5 视觉传感器 (Vision Sensor)
一、视觉系统的组成
图像传感器：摄像机、CCD传感器、超声波传 传感器、 图像传感器：摄像机、 传感器 感器 数据传递系统： 机器人视觉系统 数据传递系统：把图像传感器获得的信号转化 为数字信号 计算机和处理系统：图像预处理、分割、描述、 计算机和处理系统：图像预处理、分割、描述、 识别、 识别、解释
压电式(压电材料的压电效应) 石英、 压电式(压电材料的压电效应)：石英、电气石等 电磁式 磁滞伸缩式 逆压电效应将高频电振动转换为高频机械振动， 逆压电效应将高频电振动转换为高频机械振动，以产生超 声波，可作为发射探头。 声波，可作为发射探头。 正压电效应将接收的超声振动转换为电信号， 正压电效应将接收的超声振动转换为电信号，可作为接收 探头。 探头。 检测方式 脉冲回波式 FM-CW(频率调制、连续波)式 FM-CW(频率调制 连续波) 频率调制、
检测力矩： 检测力矩：
二、腕力传感器
1、筒式腕力传感器 二层重叠并联结构型六轴力觉传感器 上下二层圆筒组合 上层由4 上层由4根竖直梁 下层由4 下层由4根水平梁 8根梁的相应位置上粘贴应变片 作为提取力信号敏感点
力和力矩的换算： 力和力矩的换算：
Fx = 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, , K6 是比例常数 是比例常数
增量式组成： 增量式组成： （1）光电无件 ( 如光电二 极管 ) （2）发光元件 ( 光源 ) （3）A窄缝群：相互错开 窄缝群： 1/4个节距信号为 1/4个节距信号为 90°相位差的正弦波 90° （4）B窄缝群 分辨率：设刻线为N 分辨率：设刻线为N， 则分辨率为： 则分辨率为： ω= 360°/N
0 0
0
K25
0 0
K17
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