第12讲机器人感觉系统

第七章机器人感觉系统内部传感器：检测机器人自身状态外部传感器：检测外部环境信息位移传感器视觉传感器接近觉传感器接触觉传感器是否具有外部传感器是智能机器人的标志第一节机器人传感器的选择要求传感器类型的选择机器人应具备什么感觉?传感器性能指标的确定机器人传感器应达到什么样的性能要求?传感器物理特征的选择尺寸和重量、输出形式、可插接性传感器类型的选择选择什么类型的传感器得看机器人的需要简单触觉：确定工作对象是否存在复合触觉：确定工作对象是否存在以及它的尺寸和形状简单力觉：沿一个方向测量力复合力觉：测量多个方向的力接近觉：对工作对象的非接触探测视觉：识别工作对象机器人对传感器的一般要求：（1）精度高，重复性好（2）稳定性好，可靠性高（3）抗干扰能力强（4）重量轻，体积小，安装方便可靠（5）价格便宜传感器类型的选择不同的加工任务对机器人提出了不同的要求搬运机器人需要什么传感器呢：视觉：用于被拾取零件的粗定位触觉：感知零件存在、确定该零件的准确位置、确定该零件的方向，有助于机器人更可靠地拾取零件力觉：控制搬运机器人的夹持力，防止手爪损坏被拾取零件装配机器人需要什么感觉呢：视觉、触觉和力觉装配工作对工作位置的要求更高，这得依赖于上述三种传感器协调配合喷漆机器人：1、位置检测传感器（1）光电开关：检测待漆工件是否进入工作范围（2）测速码盘：检测机器人的喷漆运动速度（3）超声波测距传感器（4）气动式安全保护器2、识别待漆工件传感器（1）阵列视觉传感器（2）视觉系统焊接机器人：位置传感器速度传感器接近觉传感器视觉系统（特用于弧焊机器人）传感器类型的选择机器人的控制需要传感器内部传感器：位置传感器：位置反馈速度传感器：速度控制，动力学计算需要加速度传感器：动力学计算需要传感器类型的选择有些辅助工作需要传感器的帮助产品检验：需要视觉零件分类：需要视觉，对零件进行识别需要触觉，判断是否接触到零件需要力觉，判断零件是否放置到位传感器类型的选择“安全”需要传感器机器人自身的安全力觉：检测各连杆和构件的受力触觉：防止机器人和周围物体的碰撞接近觉：更好地避障使用者的安全安全导线安全开关防干扰传感器：电容式、光电式、超声波式等传感器性能指标的确定灵敏度：适中即可线性度：应高些测量范围：必须覆盖被测量的工作范围精度：合适就好重复性：很重要分辨率：取决于控制要求响应时间：越短越好可靠性：98%~99%传感器物理特征的选择尺寸和重量：影响机器人的运动性能，应该减小或减轻输出形式：最好是数字式电压信号，便于计算机直接进行处理可插接性：影响传感器使用的方便程度和机器人结构的复杂程度（进而影响到成本），应设计通用接口，传感器输出信号的大小和形式应能与其他外设相匹配第二节位置传感器与位移传感器电位器式位移传感器光电编码器（最简单的数字式位置/移传感器）绝对式：能给出关节的实际位置相对式：能给出关节的实际位移绝对式编码器23222120白色区域为透光区黑色区域为不透光区分辨率为360°/2n其中n为码道数目加工困难成本较高相对式编码器信号处理装置abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光欄板节距τAABBZZm+τ/4通过计算脉冲个数来得到输入轴所转过的相对角度，分辨率为360°/n相对式编码器第三节机器人的视觉传感系统人类从外界获得的80%的信息来自于眼睛第一代示教再现型机器人没有视觉系统，无法感知周围环境和工作对象的情况。智能机器人的智能离开视觉系统是无法做到的机器人的视觉与文字/图象识别的区别：但视觉传感器却只能得到二维图象，怎么解决？机器人要处理三维图象“双目视觉”文字/图象识别处理的是二维图象视觉系统的组成图像输入：光信号电信号数字信号，由视觉传感器完成图像处理：对信息进行提取和处理图像存储：保存数据图像输出：显示信息并将信息传送给主控系统计算机图像输入（视觉传感器）一般采用固体摄像机进行图像的摄制，以CCD为多。图像处理数字图像的编码选用适当的编码来压缩图像数据，用尽可能少的内存保存数字图像识别目标物体的某些特征图像的分离使图像的轮廓更加突出把景物从图像中提取出来数字图像的编码轮廓编码：用轮廓线来描述图形的特征。10000303333221212121一小段轮廓线可以用一个有方向的短线段来近似,每个短线段对应一个码，称链式编码。22210075765443数字图像的编码扫描编码：将一个画面按一定的间距进行扫描，在每条扫描线上找出浓度相同区域的起点和长度。图像的分离图像的边缘检测：使图像的轮廓更加突出的处理方法。差分边缘检测法梯度算子阈值化：对图像进行分割差分边缘检测法图像边缘的像素强度会发生突变，是图像识别中重要的图像特征之一，在数学上可以用导数运算来判断边缘点。图像水平线的剖视图一阶导数二阶导数判断边界存在判断边界的明暗导数运算简单可行，但只能检测某个方向的边缘，与这个方向垂直的边缘无法检测。因此更多时候，采用梯度运算来检测边缘。梯度算子强/灰度图像在位置处的梯度，定义为二维矢量：),(yxf),(yxxfxfGGyxfGyx),(矢量的幅值，通常称为梯度：21222122),(yfxfGGyxfGyx梯度算子Sobel算子（用于快速计算梯度）-1-2-1000121),(yx-101-202-101abcdeghi点的3×3邻域),(yx计算Gx计算Gy经过梯度计算后，原来的强度图像就成了一幅梯度图像，梯度突变的点就是边缘点。),(yxg阈值化从图像中把景物提取出来的处理过程称为图像分割，适当选择阈值即可对图像进行分割。阈值法的基本思想是基于假设图像中每个区域都是由许多灰度级近似的像素所组成的，物体和背景以及不同的物体之间的灰度级有明显的差别。从背景中提取物体的一种直观方法是选择一个阈值T将强度分开，然后将所有灰度大于T的点称为物体点（值为1），其他点则称为背景点（值为0）。这样就成了二值图像。(a)若一幅图像只包含物体和背景两部分，取T为阈值，可将物体和背景很好的分割开来。(b)若一幅图像包含多个物体和背景，取多个阈值，可将物体和背景很好的分割开来。第四节机器人的接近觉传感器接近觉是一种粗略的距离感觉，大多只要求给出简单的阈值判断：接近与否。用于日常生活中：电子卫兵（猫、狗）、自动感应门等。在机器人中的用途：避障和防止冲击感应式、光反射式、超声波式感应式接近觉传感器（不常用）光学接近觉传感器由于光的反射受到诸如物体形状、表面光洁度和颜色等许多因素的影响，所以更一般地采用目标物对发光二极管散射光的反射光强度进行测量的方法。超声波接近觉传感器不适合探测橡胶和泡沫材料的物体其他接近觉传感器第五节机器人的其他感觉接触觉力觉压觉滑觉一、接触觉传感器接触觉传感器可以使机器人在运动中接触到障碍物时向控制器发出信号。接触觉传感器开关压阻式阵列接触觉传感器光学式接触觉传感器1、接触觉传感器开关2、压阻式阵列接触觉传感器3、光学式接触觉传感器二、力觉传感器压电晶体、力敏电阻（FSR）、应变片关节力传感器装在关节驱动器上，测量驱动器本身的输出力和力矩，用于控制中的力反馈。腕力传感器装在末端执行器和机器人最后一个关节之间，直接测出作用在末端执行器上的各向力和力矩。指力传感器装在手爪指关节上，用来测量夹持物体时的受力情况。1、腕力传感器之一2、腕力传感器三、滑觉传感器滑觉信息可从触觉图像的动态变化中获取机器人专用滑觉传感器（南斯拉夫贝格莱德大学研制）1、接触觉传感器用于滑觉检测2、断续型滑觉传感器3、机器人专用滑觉传感器