第3章传感器在机器人上的应用

第3章传感器在机器人上的应用3.1机器人常用传感器简介3.2机器人的要求与选择3.3常用机器人内部传感器3.4常用机器人外部传感器3.5多传感器信息融合3.1机器人常用传感器简介3.1.1机器人需要的感觉能力1、触觉能力触觉是智能机器人实现与外界环境直接作用的必需媒介，是仅次于视觉的一种重要感知形式。作为视觉的补充，触觉能感知目标物体的表面性能和物理特性：柔软性、硬度、弹性、粗糙度和导热性等。触觉能保证机器人可靠地抓住各种物体，也能使机器人获取环境信息，识别物体形状和表面的纹路，确定物体空间位置和姿态参数等。检测感知和外部直接接触而产生的接触觉、压觉、滑觉等传感器称为机器人触觉传感器。1）接触觉传感器2）压觉传感器3）滑觉传感器2、力觉能力力觉传感器是机器人最基本，最重要的一种，也是发展比较成熟的传感器。没有力传感器，机器人就不能获取它与外界环境之间的相互作用力，从而难以完成机器人在环境约束下的各种作业。3、接近觉能力接近觉传感器是机器人用来控制自身与周围物体之间的相对位置或距离的传感器。用来探测在一定距离范围内是否有物体接近、物体的接近距离和对象的表面形状及倾斜等状态。它一般都装在机器人手部，起两方面作用。接近觉一般用非接触式测量元件，如霍尔效应传感器、电磁式接近开关、光学接近传感器和超声波式。4、视觉能力视觉信息可分为图形信息、立体信息、空间信息和运动信息视觉传感器获取的信息量要比其它传感器获取的信息量多得多视觉传感器把光学图像转换为电信号视觉传感器摄取的图像经空间采样和模数转换后变成一个灰度矩阵，送入计算机存储器中，形成数字图像5、听觉能力（1）特定人的语音识别系统（2）非特定人的语音识别系统6、嗅觉能力主要采用了三种方法来实现机器人嗅觉功能：在机器人上安装单个或多个气体传感器，再配置相应处理电路来实现嗅觉功能。研究者自行研制简易的嗅觉装置采用商业的电子鼻产品，如ALoutfi用机器人进行的气味识别研究。3.1.2机器人传感器分类1、内部传感器内部传感器是用于测量机器人自身状态的功能元件。具体检测的对象有关节的线位移、角位移等几何量；速度、加速度、角速度等运动量；还要倾斜角和振动等物理量。2、外部传感器用来检测机器人所处环境及状况的传感器。一般与机器人的目标识别和作业安全等因素有关。具体有触觉传感器、视觉传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。传感器分类3.2机器人传感器的要求与选择3.2.1机器人与传感器的关系传感器处于连接外界环境与机器人的接口位置，是机器人获取信息的窗口。用传感器采集信息是机器人智能化的第一步；其次，如何采取适当的方法，将多个传感器获取的环境信息加以综合处理，控制机器人进行智能作业，则是提高机器人智能程度的重要体现。3.2.2选择机器人传感器应考虑的因素1．成本2．重量3．尺4．输出类型5．接口6．分辨率7．灵敏度8．线性度9．量程10．响应时间11．可靠性12．精度和重复精度3.3常用机器人内部传感器3.3.1机器人的位置检测传感器1）检测规定的位置，常用ON/OFF两个状态值。这种方法用于检测机器人的起始原点、终点位置或某个确定的位置。给定位置检测常用的检测元件有微型开关、光电开关等。规定的位移量或力作用在微型开关的可动部分上，开关的电气触点断开（常闭）或接通（常开）并向控制回路发出动作信号。2）测量可变位置和角度，即测量机器人关节线位移和角位移的传感器是机器人位置反馈控制中必不可少的元件。常用的有电位器、旋转变压器、编码器等。其中编码器既可以检测直线位移，又可以检测角位移。1.光电开关光电开关是由LED光源和光电二极管或光电三极管等光敏元件，相隔一定距离而构成的透光式开关。光电开关的特点是非接触检测，精度可达到0.5mm左右。（1）漫反射式光电开关（2）镜反射式光电开关（3）对射式光电开关（4）槽式光电开关（5）光纤式光电开关几种光纤式光电开关2.编码器编码器可分为光电式、磁场式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。其中光电式编码器最常用。光电编码器分为绝对式和增量式两种类型。增量式光电编码器：结构简单、体积小、价格低、精度高、响应速度快、性能稳定等优点,应用更为广泛，特别是在高分辨率和大量程角速率/位移测量系统中，增量式光电编码器更具优越性光电式增量编码器结构图光电编码器的输出波形图3.旋转变压器旋转变压器有铁芯、两个定子线圈和两个转子线圈组成，是测量旋转角度的传感器。旋转变压器同样也是变压器，它的初级线圈与旋转轴相连，并经滑环通有交变电流（如图所示）。旋转变压器具有两个次级线圈，相互成90度放置。随着转子的旋转，有转子所产生的磁通量跟随一起旋转，当初级线圈与两个次级线圈中的一个平行时，该线圈中的感应电压最大，而在另一个垂直于初级线圈的次级线圈中没有任何感应电压。随着转子的转动，最终第一个次级线圈中的电压达到零，而第二个次级线圈中的电压达到最大值。对于其他角度两个次级线圈产生与初级线圈夹角正、余弦成正比的电压。虽然旋转变压器的输出是模拟量，但却等同于角度的正弦、余弦值，这就避免了以后计算这些值的必要性。旋转变压器可靠、稳定且准确。旋转变压器原理图3.3.2机器人速度、角速度传感器1．编码器如果用编码器测量位移，那么就没有必要再单独使用速度传感器。对任意给定的角位移，编码器将产生确定数量的脉冲信号，通过统计指定时间(dt)内脉冲信号的数量，就能计算出相应的角速度。Dt越短，得到的速度值就越准确，越接近实际的瞬时速度。但是，如果编码器的转动很缓慢，则测得的速度可能会变的不准确。通过对控制器的编程，将指定时间内脉冲信号的个数转化为速度信息就可以计算出速度。2.测速发电机测速发电机是一种把输入的转速信号转换成输出的电压信号的机电式信号元件，它可以作为测速、校正和解算元件，广泛应用于机器人的关节速度测量中。机器人对测速发电机的性能要求：1）输出电压与转速之间有严格的正比关系。2）输出电压的脉动要尽可能小。3）温度变化对输出电压的影响要小。4）在一定转速时所产生的电动势及电压应尽可能大。5）正反转时输出电压应对称。测速发电机主要可分为直流测速发电机和交流测速发电机（1）直流测速发电机有永磁式和电磁式两种。其结构与直流发电机相近。永磁式采用高性能永久磁钢励磁，受温度变化的影响较小,输出变化小，斜率高,线性误差小。这种电机在80年代因新型永磁材料的出现而发展较快。电磁式采用他励式，不仅复杂且因励磁受电源、环境等因素的影响，输出电压变化较大，用得不多。如图为直流测速发电机基本结构图。a)电磁式b)永磁式（2）交流测速发电机交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机。根据转子的结构型式，异步测速发电机又可分为笼型转子异步测速发电机和杯型转子异步测速发电机，前者结构简单，输出特性斜率大，但特性差，误差大，转子惯量大，一般仅用于精度要求不高的系统中；后者转子采用非磁性空心杯，转子惯量小，精度高，是目前应用最广泛的一种交流测速发电机。1—杯型结构2—外定子3—内定子4—机壳5—端盖杯型转子异步测速发电机基本结构3.4常用机器人外部传感器3.4.1机器人接触觉传感器机器人接触觉传感器用来判断机器人是否接触物体的测量传感器。传感器输出信号常为0或1，最经济适用的形式是各种微动开关。常用的微动开关由滑柱、弹簧、基板和引线构成，具有性能可靠、成本低、使用方便等特点。简单的接触式传感器以阵列形式排列组合成触觉传感器，它以特定次序向控制器发送接触和形状信息。如图所示如右图所示。当有力作用在聚合物上时，力就会被传给周围的一些传感器，这些传感器会产生与所受力成正比的信号。对于分辨率要求较低的场合，使用这些传感器会产生令人满意的效果。接触觉传感器可以提供的物体的信息如下图所示。当触觉传感器与物体接触时，依据物体的形状和尺寸，不同的接触传感器将以不同的次序对接触做出不同的反应。控制器就利用这些信息来确定物体的大小和形状。图中给出了三个简单的例子：接触立方体、圆柱体和不规则形状的物体。每个物体都会使触觉传感器产生一组唯一的特征信号，由此可确定接触的物体。类皮肤触觉传感器接触觉传感器可提供的物体信息3.4.2接近觉传感器1．电磁式接近传感器如图所示为电磁式接近传感器。加有高频信号is的励磁线圈L产生的高频电磁场作用于金属板，在其中产生涡流，该涡流反作用于线圈。通过检测线圈的输出可反映出传感器与被接近金属间的距离。2．光学接近传感器光学接近觉传感器由用做发射器的光源和接收器两部分组成，光源可在内部，也可在外部，接收器能够感知光线的有无。发射器及接受器的配置准则是：发射器发出的光只有在物体接近时才能被接收器接收。除非能反射光的物体处在传感器作用范围内，否则接收器就接受不到光线，也就不能产生信号。3．超声波接近觉传感器超声波传感器有两种工作模式，即对置模式和回波模式。下图为超声波接近觉传感器原理图。4．感应式接近觉传感器感应式接近觉传感器用于检测金属表面。这种传感器其实就是一个带有铁养体磁心、振荡器—检测器和固态开关的线圈。5．电容式接近觉传感器利用电容量的变化产生接近觉。电容接近觉传感器如图所示。其本身作为一个极板，被接近物作为另一个极板。将该电容接入电桥电路或RC振荡电路，利用电容极板距离的变化产生电容的变化，可检测出与被接近物的距离。电容式接近觉传感器具有对物体的颜色、构造和表面都不敏感且实时性好的优点。6.涡流接近觉传感器涡流传感器具有两个线圈第一个线圈产生作为参考用的变化磁通，在有导电材料接近时，其中将会感应出涡流，感应出的涡流又会产生与第一个线圈反向的磁通使总的磁通减少。总磁通的变化与导电材料的接近程度成正比，它可由第二组线圈检测出来。涡流传感器不仅能检测是否有导电材料，而且能够对材料的空隙、裂缝、厚度等进行非破坏性检测。7.霍尔式传感器当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体3.4.3测距仪测距仪用于测量较长的距离，它可以探测障碍物和物体表面的形状，并且用于向系统提供早期信息。测距仪一般是基于光（可见光、红外光或激光）和超声波的。常用的测量方法是三角法和测量传输时间法。1.三角法用单束光线照射物体，会在物体上形成一个光斑，形成的一个光斑，形成的光斑用摄像机或光敏三极管等接收器接受。距离或深度可根据接收器，光源及物体上的光斑所形成的三角形计算出来，如图所示从图a可以清楚地看出：物体、光源和接收器之间的布局只在某一瞬间能使接收器接收到光斑，此时距离d可依下式计算，式中L和β已知，如果能测出α，那么就可以计算出d2.测量传输时间法信号传输的距离包括从发射器到物体和被物体反射到接收器两部分。传感器与物体之间的距离是信号行进距离的一半，知道了传播速度，通过测量信号的往返时间即可算出距离。3.4.4超声波测距仪1、优点超声波系统结构坚固、简单、廉价并且能耗低，可以很容易地用于摄像机调焦、运动探测报警、机器人导航和测距。2、缺点分辨率和最大工作距离受到限制，分辨率的限制是来自声波的波长、传输介质中的温度和传播速度的不一致。最大距离的限制来自于介质对超声波能量的吸收。3、工作原理绝大部分的超声波测距设备采用测量时间的方法进行测距。工作原理是，发射器发射高频超声波脉冲，它在介质中型近一段距离，遇到障碍物后返回，由接收器接收，发射器和物体之间的距离等于超声波行进距离的一半，行进距离则等于传输时间与声速的乘积。4、测量精度测量精度不仅与信号的波长有关，还与时间测量精度和声速精度有关。超声波在介质中的传播速度与声波的频率、介质密度及介质温度有关。3.4.5红外测距仪1、定义红外线是介于可见光和微波之间的一种电磁波，因此，它不仅具有可见光直线传播、反射、折射等特性，还具有微波的某些特性，如较强的穿透能力和能贯穿某些不透明物质等。红外传感器包括红外发射器件和红外接收器件。自然界的所有物体只要温度高于绝对零度都