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1、單擊此處編輯母版標題樣式,*,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,第七章 機器人的感覺,多傳感器在移動機器人中的應用,外界環(huán)境,視覺,視覺,超聲波傳感器,紅外接近覺,立體視覺,地標識別,障礙探測,目標物探測,景物識別,內部傳感器,融合,力覺,觸覺,環(huán)境模型,定位,避障,操作規(guī)劃,學習,路徑規(guī)劃,任務規(guī)劃：執(zhí)行機構控制,指令,感覺功能,視覺,20世紀50年代后期出現(xiàn)，發(fā)展十分迅速，是機器人中最重要的傳感器之一。機器視覺從20世紀60年代開始首先處理積木世界，后來發(fā)展到處理室外的現(xiàn)實世界。20世紀70年代以后，實用性的視覺系統(tǒng)出現(xiàn)了。視覺一般包括三個過程：圖像獲取、圖像處理和
2、圖像理解。相對而言，圖像理解技術還很落后。,力覺,機器人力傳感器就安裝部位來講，可以分為關節(jié)力傳感器、腕力傳感器和指力傳感器。國際上對腕力傳感器的研究是從20世紀70年代開始的，主要研究單位有美國的DRAPER實驗室、SRI研究所、IBM公司和日本的日立公司、東京大學等單位。,幾種主要的機器人傳感器簡介,觸覺,作為視覺的補充，觸覺能感知目標物體的表面性能和物理特性：柔軟性、硬度、彈性、粗糙度和導熱性等。對它的研究從20世紀80年代初開始，到20世紀90年代初已取得了大量的成果。,接近覺,研究它的目的是是使機器人在移動或操作過程中獲知目標（障礙）物的接近程度，移動機器人可以實現(xiàn)避障，操作機器人可
3、避免手爪對目標物由于接近速度過快造成的沖擊。,7.1,傳感器的分類,根據(jù)檢測對象的不同可分為,內部傳感器,和,外部傳感器,。,（1）位置傳感器,用來檢測機器人本身狀態(tài)（如手臂間角度）的傳感器。多,為檢測位置和角度的傳感器。,a.內部傳感器,b.外部傳感器,（2）角度傳感器,具體有物體識別傳感器、物體探傷傳感器、接近覺傳感器、距離傳感器、力覺傳感器，聽覺傳感器等。,用來檢測機器人所處環(huán)境（如是什么物體，離物體的距離有多遠等）及狀況（如抓取的物體是否滑落）的傳感器。,7.2,機器人的觸覺,一般認為觸覺包括接觸覺、壓覺、滑覺、力覺四種，狹義的,觸覺按字面上來看是指前三種感知接觸的感覺。,1.接觸覺傳
4、感器,開關式觸覺傳感器,特點：,外形尺寸十分大,空間分辨率低,利用陣列這一概念已開發(fā)了許多重要的傳感器。,壓阻式陣列觸覺傳感器,碳氈（CSA）,靈敏度高，具有較強的耐過載能力。缺點是有遲滯，線性差。,導電橡膠,的電阻也會隨壓力的變化而變化，因此也常用來作為觸覺傳感器的敏感材料。,碳氈（CSA）,另外還有光學式觸覺傳感器、電容式陣列觸覺傳感器等。,它利用一種具有壓電和熱釋電性的高分子材料研制而成。,2.壓覺傳感器,3.力覺傳感器,力覺傳感器使用的主要元件是,電阻應變片,。,（3）裝在機器人手爪指關節(jié)（或手指上）的力傳感器，稱為指力傳感器。,通常我們將機器人的力傳感器分為三類：,（1）裝在關節(jié)驅動
5、器上的力傳感器，稱為關節(jié)力傳感器。用于控制中的力反饋。,（2）裝在末端執(zhí)行器和機器人最后一個關節(jié)之間的力傳感器，稱為腕力傳感器。,SRI（Stanford Research Institute）研制的六維腕力傳感器，如圖所示。它由一只直徑為75mm的鋁管銑削而成，具有八個窄長的彈性梁，每個梁的頸部只傳遞力，扭矩作用很小。梁的另一頭貼有應變片。圖中從Px+到Qy-代表了8根應變梁的變形信號的輸出。,SRI傳感器,日本大和制衡株式會社林純一研制的腕力傳感器。它是一種整體輪輻式結構，傳感器在十字梁與輪緣聯(lián)結處有一個柔性環(huán)節(jié)，在四根交叉梁上共貼有32個應變片（圖中以小方塊），組成8路全橋輸出。,傳感器
6、的內圈和外圈分別固定于機器人的手臂和手爪，力沿與內圈相切的三根梁進行傳遞。每根梁上下、左右個貼一對應變片，三根梁上共有6對應變片，分別組成六組半橋，對這6組電橋信號進行解耦可得到六維力（力矩）的精確解。,4.滑覺傳感器,機械手一般采用兩種抓取方式：硬抓取和軟抓取。,硬抓取,（無感知時采用）：末端執(zhí)行器利用最大的夾緊力抓取工件。,軟抓取,（有滑覺傳感器時采用）：末端執(zhí)行器使夾緊力保持在能穩(wěn)固抓取工件的最小值，以免損傷工件。,采用壓覺傳感器實現(xiàn)滑覺感知,滾輪式滑覺傳感器,它由一個金屬球和觸針組成，金屬球表面分成許多個相間排列的導電和絕緣小格。觸針頭很細，每次只能觸及一格。當工件滑動時，金屬球也隨之
7、轉動，在觸針上輸出脈沖信號，脈沖信號的頻率反映了滑移速度，個數(shù)對應滑移的距離。,根據(jù)振動原理制成的滑覺傳感器。鋼球指針與被抓物體接觸。若工件滑動，則指針振動，線圈輸出信號。,7.3,機器人的接近覺,接近覺,主要感知傳感器與對象物之間的接近程度。,b）,無鐵磁體時磁力線的形狀,c）,鐵磁體接近時磁力線的形狀,另外還有接觸覺、滑覺和接近覺三種感覺組合為一體的傳感器。,其它還有光學接近覺、超聲波接近覺傳感器等。,霍爾效應指的是金屬或半導體片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上產生電動勢?；魻杺鞲衅鲉为毷褂脮r，只能檢測有磁性物體。當與用磁體聯(lián)合使用時，可以用來檢測所有的鐵磁物體。傳感
8、器附近沒有鐵磁物體時，霍爾傳感器感受一個強磁場；若有鐵磁物體時，由于磁力線被鐵磁物體旁路，傳感器感受到的磁場將減弱。,7.4,機器人的視覺,有研究結果表明，視覺獲得的感知信息占人對外界感知信息的,80,%,。,人類視覺細胞數(shù)量的數(shù)量級大約為10,8,，是聽覺細胞的300多倍，是皮膚感覺細胞的100多倍。,1.超聲波傳感器,超聲波探測原理比較簡單，一般是采用時差法。,=t2,其中（的函數(shù)）為超聲波波速，為環(huán)境攝氏溫度。,從廣義上講，我們也把它算成機器人視覺中的一種。,超聲波傳感器主要用途：,（1）實時地檢測自身所處空間的位置，用以進行自定位；,（2）實時地檢測障礙物，為行動決策提供依據(jù)；,（3）
9、檢測目標姿態(tài)以及進行簡單形體的識別；,（4）用于導航目標跟蹤。,MDARS-E型室外保安機器人,多個超聲波傳感器組成線陣或面陣形成多傳感器,2.CCD（電荷耦合器件：charge coupled devices）,CCD（電荷耦合器件）的基本結構是一個間隙很小的光敏電極陣列，即無數(shù)個CCD單元組成，也稱為像素點（如448380）。它可以是一維的線陣，也可以是二維的面陣。,優(yōu)點：,體積小、質量輕、壽命長、抗沖擊、耗電極少，一般只需幾十毫瓦就可以啟動。,（1）基本原理,共256級灰度，從圖（a）到（f）分辨率依次為512512，256256，128128，6464，3232，1616。,（2）圖像
10、處理,a)分辨率變化對圖像的影響,從圖（a）到（f）分辨率依次為512512，灰度級依次為256，64，16，8，4，2。,b)灰度變化對圖像的影響,從圖（a）到（f）依次為：256256，128級灰度；181 181，64級灰度；128 128，32級灰度；90 90，16級灰度；64 64，8級灰度；45 45，4級灰度。,c)分辨率和灰度同時變化對圖像的影響,7.機器人的聽覺,特定人的語音識別系統(tǒng),聽覺系統(tǒng)的粗略框圖,特定人語音識別方法是將事先指定的人的聲音中的每一個字音的特征矩陣存儲起來，形成一個標準模板（或叫模板），然后再進行匹配。它首先要記憶一個或幾個語音特征，而且被指定人講話的內
11、容也必須是事先規(guī)定好的有限的幾句話。特定人語音識別系統(tǒng)可以識別講話的人是否是事先指定的人，講的是哪一句話。,非特定人的語音識別方法則需要對一組有代表性的人的語音進行訓練，找出同一詞音的共性，這種訓練往往是開放式的，能對系統(tǒng)進行不斷的修正。在系統(tǒng)工作時，將接收到的聲音信號用同樣的辦法求出它們的特征矩陣，再與標準模式相比較。看它與哪個模板相同或相近，從而識別該信號的含義。,非特定人的語音識別系統(tǒng)大致可以分為,語言識別系統(tǒng)，單詞識別系統(tǒng)，及數(shù)字音（09）識別系統(tǒng)。,非特定人的語音識別系統(tǒng),7.,多傳感器信息融合,多傳感器信息融合技術,是通過對這些傳感器及其觀測信息的合理支配和使用，把多個傳感器在時間和空間上的冗余或互補信息依據(jù)某種準則進行組合，以獲取被觀測對象的一致性解釋或描述。,多傳感器融合系統(tǒng),主要特點是：,（1）,提供了冗余、互補信息。（2）信息分層的結構特性。（3）實時性。（4）低代價性。,多傳感與單傳感的比較：,多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)可更大程度獲取被探測目標和環(huán)境的信息量。單傳感器信號處理或低層次的數(shù)據(jù)處理方式只是對人腦信息處理的一種低水平模仿。,多傳感器融合常用的方法有：加權平均法、貝葉斯估計、卡爾曼濾波、DS證據(jù)推理、模糊邏輯、產生式規(guī)則、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等方法。,三種結構形式：串聯(lián)、并聯(lián)和混合融合形式。,Class is over.Bye-bye!,
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