機(jī)器人傳感器課件

1、12.1 概述機(jī)器人與機(jī)器人傳感器12.2 觸覺(jué)傳感器12.3 接近覺(jué)傳感器12.4 視覺(jué)傳感器12.5 聽(tīng)覺(jué)傳感器第12章 機(jī)器人傳感器The greatest pride in life is exploration and dedication 12.1 概述機(jī)器人與機(jī)器人傳感器一、機(jī)器人的定義在科技界，科學(xué)家會(huì)給每一個(gè)科技術(shù)語(yǔ)一個(gè)明確的定義，機(jī)器人問(wèn)世已有幾十年，但對(duì)機(jī)器人的定義仍然沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的意見(jiàn)，主要是因?yàn)闄C(jī)器人涉及到了人的概念，成為一個(gè)難以回答的哲學(xué)問(wèn)題。其實(shí)并不是人們不想給機(jī)器人一個(gè)完整的定義，自機(jī)器人誕生之日起人們就不斷地嘗試著說(shuō)明到底什么是機(jī)器人。而隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)

2、展和信息時(shí)代的到來(lái)，機(jī)器人所涵蓋的內(nèi)容越來(lái)越豐富，機(jī)器人的定義也不斷充實(shí)和創(chuàng)新。 1920年捷克作家卡雷爾卡佩克發(fā)表了科幻劇本羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人。在劇本中，卡佩克把捷克語(yǔ)“Robota”寫(xiě)成了“Robot”，“Robota”是奴隸的意思。該劇預(yù)告了機(jī)器人的發(fā)展對(duì)人類社會(huì)的悲劇性影響，引起了大家的廣泛關(guān)注，被當(dāng)成了機(jī)器人一詞的起源。 在該劇中，機(jī)器人按照其主人的命令默默地工作；沒(méi)有感覺(jué)和感情，以呆板的方式從事繁重的勞動(dòng)。后來(lái)，羅薩姆公司取得了成功，使機(jī)器人具有了感情，機(jī)器人發(fā)覺(jué)人類十分自私和不公正，終于造反了，機(jī)器人的體能和智能都非常優(yōu)異，因此消滅了人類。）但是機(jī)器人不知道如何制造它們自己，認(rèn)為

3、它們自己很快就會(huì)滅絕，所以它們開(kāi)始尋找人類的幸存者，但沒(méi)有結(jié)果。最后，一對(duì)感知能力優(yōu)于其他機(jī)器人的男女機(jī)器人相愛(ài)了。這時(shí)機(jī)器人進(jìn)化為人類，世界又起死回生了?？ㄅ蹇颂岢龅氖菣C(jī)器人的安全、感知和自我繁殖問(wèn)題。科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步很可能引發(fā)人類不希望出現(xiàn)的問(wèn)題。雖然科幻世界只是一種想像，但人類社會(huì)將可能面臨這種現(xiàn)實(shí)。 為了防止機(jī)器人傷害人類，科幻作家阿西莫夫1950年在我是機(jī)器人一書(shū)中提出了“機(jī)器人三原則”：1機(jī)器人不應(yīng)傷害人類；2機(jī)器人應(yīng)遵守人類的命令，與第一條違背的命令除外；3機(jī)器人應(yīng)能保護(hù)自己，與第一條相抵觸者除外。這是給機(jī)器人賦予的倫理性綱領(lǐng)。機(jī)器人學(xué)術(shù)界一直將這三原則作為機(jī)器人開(kāi)發(fā)的準(zhǔn)則。 我國(guó)

4、科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器?！?聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來(lái)搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動(dòng)作的專門(mén)系統(tǒng)?！?人們已經(jīng)發(fā)展了具有感知、決策、行動(dòng)和交互能力的智能機(jī)器，如移動(dòng)機(jī)器人、微機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、空中空間機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人等。對(duì)不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性，也是機(jī)器人與一般自動(dòng)化裝備的重要區(qū)別。這些機(jī)器人從外觀上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離

5、了最初仿人形機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人所具有的形狀，其功能和智能程度也大大增強(qiáng)，從而為機(jī)器人技術(shù)開(kāi)辟出更加廣闊的發(fā)展空間。 西周時(shí)期，我國(guó)的能工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人，這是我國(guó)最早記載的機(jī)器人。 春秋后期，我國(guó)著名的木匠魯班，在機(jī)械方面也是一位發(fā)明家，據(jù)墨經(jīng)記載，他曾制造過(guò)一只木鳥(niǎo)，能在空中飛行“三日不下”，體現(xiàn)了我國(guó)勞動(dòng)人民的聰明智慧。 公元前2世紀(jì)，亞歷山大時(shí)代的古希臘人發(fā)明了最原始的機(jī)器人自動(dòng)機(jī)。它是以水、空氣和蒸汽壓力為動(dòng)力的會(huì)動(dòng)的雕像，它可以自己開(kāi)門(mén)，還可以借助蒸汽唱歌。 1800年前的漢代，大科學(xué)家張衡不僅發(fā)明了地動(dòng)儀，而且發(fā)明了計(jì)里鼓車。計(jì)里鼓車每行一里，車上木人擊鼓一下，每行

6、十里擊鐘一下。 后漢三國(guó)時(shí)期，蜀國(guó)丞相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬”，并用其運(yùn)送軍糧，支援前方戰(zhàn)爭(zhēng)。 1662年，日本的竹田近江利用鐘表技術(shù)發(fā)明了自動(dòng)機(jī)器玩偶，并在大阪的道頓堀演出。1. 古代機(jī)器人二、機(jī)器人的發(fā)展史 1738年，法國(guó)天才技師杰克戴瓦克遜發(fā)明了一只機(jī)器鴨，它會(huì)嘎嘎叫，會(huì)游泳和喝水，還會(huì)進(jìn)食和排泄。瓦克遜的本意是想把生物的功能加以機(jī)械化而進(jìn)行醫(yī)學(xué)上的分析。 現(xiàn)在保留下來(lái)的最早的機(jī)器人是瑞士努薩蒂爾歷史博物館里的少女玩偶，它制作于二百年前，兩只手的十個(gè)手指可以按動(dòng)風(fēng)琴的琴鍵而彈奏音樂(lè)，現(xiàn)在還定期演奏供參觀者欣賞，展示了古代人的智慧。 19世紀(jì)中葉自動(dòng)玩偶分為2個(gè)流派，即科學(xué)幻想派

7、和機(jī)械制作派，并各自在文學(xué)藝術(shù)和近代技術(shù)中找到了自己的位置。1831年歌德發(fā)表了浮士德，塑造了人造人“荷蒙克魯斯”；1870年霍夫曼出版了以自動(dòng)玩偶為主角的作品葛蓓莉婭；1883年科洛迪的木偶奇遇記問(wèn)世；1886年未來(lái)的夏娃問(wèn)世。在機(jī)械實(shí)物制造方面，1893年摩爾制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驅(qū)動(dòng)雙腿沿圓周走動(dòng)。 進(jìn)入20世紀(jì)后，機(jī)器人的研究與開(kāi)發(fā)得到了更多人的關(guān)心與支持，一些實(shí)用化的機(jī)器人相繼問(wèn)世，1927年美國(guó)西屋公司工程師溫茲利制造了第一個(gè)機(jī)器人“電報(bào)箱”，并在紐約舉行的世界博覽會(huì)上展出。它是一個(gè)電動(dòng)機(jī)器人，裝有無(wú)線電發(fā)報(bào)機(jī)，可以回答一些問(wèn)題，但該機(jī)器人不能走動(dòng)。 現(xiàn)代機(jī)器人的研究始

8、于20世紀(jì)中期，其技術(shù)背景是計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化的發(fā)展，以及原子能的開(kāi)發(fā)利用。 1954年美國(guó)戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念：借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作示教，機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器人。現(xiàn)有的機(jī)器人差不多都采用這種控制方式。作為機(jī)器人產(chǎn)品最早的實(shí)用機(jī)型（示教再現(xiàn)）是1962年美國(guó)AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業(yè)機(jī)器人的控制方式與數(shù)控機(jī)床大致相似，但外形特征迥異，主要由類似人的手和臂組成。 1965年，MIT的Roborts演示了第一個(gè)具有視覺(jué)傳感器的、能識(shí)別與定位簡(jiǎn)單積木的機(jī)器人

9、系統(tǒng)。 2. 現(xiàn)代機(jī)器人 1967年日本成立了人工手研究會(huì)（現(xiàn)改名為仿生機(jī)構(gòu)研究會(huì)），同年召開(kāi)了日本首屆機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)。1970年在美國(guó)召開(kāi)了第一屆國(guó)際工業(yè)機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)議。1970年以后，機(jī)器人的研究得到迅速?gòu)V泛的普及。 1973年，辛辛那提米拉克隆公司的理查德豪恩制造了第一臺(tái)由小型計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人，它是液壓驅(qū)動(dòng)的，能提升的有效負(fù)載達(dá)45公斤。到了1980年，工業(yè)機(jī)器人才真正在日本普及，故稱該年為“機(jī)器人元年”。隨后，工業(yè)機(jī)器人在日本得到了巨大發(fā)展，日本也因此而贏得了“機(jī)器人王國(guó)”的美稱。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，使機(jī)器人在功能和技術(shù)層次上有了很大的提高，移動(dòng)機(jī)器人和機(jī)器人

10、的視覺(jué)和觸覺(jué)等技術(shù)就是典型的代表。由于這些技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了機(jī)器人概念的延伸。 80年代，將具有感覺(jué)、思考、決策和動(dòng)作能力的系統(tǒng)稱為智能機(jī)器人，這是一個(gè)概括的、含義廣泛的概念。這一概念不但指導(dǎo)了機(jī)器人技術(shù)的研究和應(yīng)用，而且又賦予了機(jī)器人技術(shù)向深廣發(fā)展的巨大空間，水下機(jī)器人、空間機(jī)器人、空中機(jī)機(jī)器人、地面機(jī)器人、微小型機(jī)器人等各種用途的機(jī)器人相繼問(wèn)世，許多夢(mèng)想成為了現(xiàn)實(shí)。將機(jī)器人的技術(shù)（如傳感技術(shù)、智能技術(shù)、控制技術(shù)等）擴(kuò)散和滲透到各個(gè)領(lǐng)域形成了各式各樣的新機(jī)器機(jī)器人化機(jī)器。當(dāng)前與信息技術(shù)的交互和融合又產(chǎn)生了“軟件機(jī)器人”、“網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人”的名稱，這也說(shuō)明了機(jī)器人所具有的創(chuàng)新活力。三、現(xiàn)代機(jī)器人的

11、分代1. 第一代機(jī)器人 英格伯格和德沃爾制造的工業(yè)機(jī)器人是第一代機(jī)器人，屬于示教再現(xiàn)型，即人手把著機(jī)械手，把應(yīng)當(dāng)完成的任務(wù)做一遍，或者人用“示教控制盒”發(fā)出指令，讓機(jī)器人的機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)，一步步完成它應(yīng)當(dāng)完成的各個(gè)動(dòng)作。 因未采用傳感器，第一代機(jī)器人不具有感知和反饋能力。 第二代機(jī)器人是有感覺(jué)的機(jī)器人：它們對(duì)外界環(huán)境有一定感知能力，即具有聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)等功能。機(jī)器人工作時(shí)，根據(jù)感覺(jué)器官傳感器獲得的信息，靈活調(diào)整自己的工作狀態(tài)，保證在適應(yīng)環(huán)境的情況下完成工作。如：有觸覺(jué)的機(jī)械手可輕松自如地抓取雞蛋，具有嗅覺(jué)的機(jī)器人能分辨出不同飲料和酒類。2. 第二代機(jī)器人 第三代機(jī)器人是智能機(jī)器人，它不僅具有感

12、覺(jué)能力，而且還具有獨(dú)立判斷和行動(dòng)的能力，并具有記憶、推理和決策的能力，因而能夠完成更加復(fù)雜的動(dòng)作。中央電腦控制手臂和行走裝置，使機(jī)器人的手完成作業(yè)，腳完成移動(dòng)，機(jī)器人能夠用自然語(yǔ)言與人對(duì)話。 智能機(jī)器人的“智能”特征就在于它具有與外部世界對(duì)象、環(huán)境和人相適應(yīng)、相協(xié)調(diào)的工作機(jī)能。從控制方式看，智能機(jī)器人不同于工業(yè)機(jī)器人的“示教、再現(xiàn)”，不同于遙控機(jī)器人的“主從操縱”，而是以一種“認(rèn)知適應(yīng)”的方式自律地進(jìn)行操作。智能機(jī)器人在發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)自我診斷裝置能自我診斷出故障部位，并能自我修復(fù)。3. 第三代機(jī)器人探路者機(jī)遇號(hào)四、機(jī)器人傳感器傳感器使得機(jī)器人初步具有類似于人的感知能力，不同類型的傳感器組合構(gòu)

13、成了機(jī)器人的感覺(jué)系統(tǒng)。 機(jī)器人傳感器主要可以分為視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)和接近覺(jué)五大類。不過(guò)從人類生理學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，人的感覺(jué)可分為內(nèi)部感覺(jué)和外部感覺(jué)，類似的，機(jī)器人傳感器也可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。1. 內(nèi)部傳感器機(jī)器人內(nèi)部傳感器的功能是測(cè)量運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)參數(shù)，使機(jī)器人能夠按照規(guī)定的位置、軌跡和速度等參數(shù)進(jìn)行工作，感知自己的狀態(tài)并加以調(diào)整和控制。內(nèi)部傳感器通常由位置傳感器、角度傳感器、速度傳感器、加速度傳感器等組成。角度傳感器2. 外部傳感器 廣義來(lái)看，機(jī)器人外部傳感器就是具有人類五官的感知能力的傳感器。 外部傳感器主要用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境及目標(biāo)狀況，如是什么物體，離物體的距離有多遠(yuǎn)，抓取的物

14、體是否滑落等。從而使得機(jī)器人能夠與環(huán)境發(fā)生交互作用并對(duì)環(huán)境具有自我校正和適應(yīng)能力。12.2 機(jī)器人的觸覺(jué) 一般認(rèn)為觸覺(jué)包括接觸覺(jué)、壓覺(jué)、滑覺(jué)、力覺(jué)四種，狹義的觸覺(jué)按字面上來(lái)看是指前三種感知接觸的感覺(jué)。1. 接觸覺(jué)傳感器 接觸覺(jué)傳感器實(shí)例 高密度智能壓覺(jué)傳感器 P266 圖14-6 硅電容壓覺(jué)傳感器陣列 P266 圖14-7開(kāi)關(guān)式觸覺(jué)傳感器接觸覺(jué)傳感器實(shí)例接觸覺(jué)傳感器實(shí)例壓阻式陣列觸覺(jué)傳感器碳?xì)郑–SA）靈敏度高，具有較強(qiáng)的耐過(guò)載能力。缺點(diǎn)是有遲滯，線性差。 導(dǎo)電橡膠的電阻也會(huì)隨壓力的變化而變化，因此也常用來(lái)作為觸覺(jué)傳感器的敏感材料。碳?xì)郑–SA）接觸覺(jué)傳感器實(shí)例對(duì)于非陣列接觸覺(jué)傳感器，信號(hào)的處

15、理主要是為了感知物體的有無(wú)。由于信息量較少，處理技術(shù)相對(duì)比較簡(jiǎn)單、成熟； 對(duì)于陣列式接觸覺(jué)傳感器，其目的是辨識(shí)物體接觸面的輪廓。這種信號(hào)的處理將涉及到圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、模式識(shí)別等學(xué)科，目前還不成熟，有待進(jìn)一步研究。接觸覺(jué)傳感器信號(hào)處理2. 壓覺(jué)傳感器 壓覺(jué)用于握力控制與手的支撐力檢測(cè)，實(shí)際是接觸覺(jué)的延伸。現(xiàn)有壓覺(jué)傳感器一般有以下幾種： 1. 利用某些材料的壓阻效應(yīng)制成壓阻器件，將它們密集配置成陣列，即可檢測(cè)壓力的分布； 2. 利用壓電晶體的壓電效應(yīng)檢測(cè)外界壓力； 3.利用半導(dǎo)體壓敏器件與信號(hào)電路構(gòu)成集成壓敏傳感器； 4.利用壓磁傳感器和掃描電路與針式接觸覺(jué)傳感器構(gòu)成壓覺(jué)傳感器。

16、壓覺(jué)傳感器原理 這種傳感器是對(duì)小型線性調(diào)整器的改進(jìn)。在調(diào)整器的軸上安裝了線性彈簧。一個(gè)傳感器有l(wèi)0mm的有效行程。在此范圍內(nèi)，將力的變化轉(zhuǎn)換為遵從虎克定律的長(zhǎng)度位移，以便進(jìn)行儉測(cè)。在一側(cè)手指上，每個(gè)6mm8mm的面積分布一個(gè)傳感器來(lái)計(jì)算，共排列了28個(gè)(四行七排)傳感器。左右兩側(cè)總共有56個(gè)傳感器輸出。用四路A/D轉(zhuǎn)換器，高速多路調(diào)制器對(duì)這些輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換后進(jìn)入計(jì)算機(jī)。 下圖a為手指抓住物體的狀態(tài)；b為手指從a狀態(tài)稍微握緊的狀態(tài)。壓覺(jué)傳感器實(shí)例高密度智能壓覺(jué)傳感器 （壓阻式）壓覺(jué)傳感器實(shí)例硅電容壓覺(jué)傳感器陣列 （電容式）3. 力覺(jué)傳感器 力覺(jué)傳感器使用的主要元件是電阻應(yīng)變片。 通常我們將機(jī)器人的

17、力傳感器分為三類： （1）關(guān)節(jié)力傳感器 裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器上的力傳感器，稱為關(guān)節(jié)力傳感器，用于控制運(yùn)動(dòng)中的力反饋。應(yīng)變式關(guān)節(jié)力傳感器結(jié)構(gòu) （2）腕力傳感器 裝在末端執(zhí)行器和機(jī)器人最后一個(gè)關(guān)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(gè)窄長(zhǎng)的彈性梁，每個(gè)梁的頸部只傳遞力，扭矩作用很小。梁的另一頭貼有應(yīng)變片。圖中從Px+到Qy-代表了8根應(yīng)變梁的變形信號(hào)的輸出。SRI六維腕力傳感器 日本大和制衡株式會(huì)社林純一研制的腕力傳感器。它是一種整體輪輻式結(jié)構(gòu)，傳感器在十字梁與輪緣

18、聯(lián)結(jié)處有一個(gè)柔性環(huán)節(jié)，在四根交叉梁上共貼有32個(gè)應(yīng)變片（圖中以小方塊），組成8路全橋輸出 。十字梁腕力傳感器 傳感器的內(nèi)圈和外圈分別固定于機(jī)器人的手臂和手爪，力沿與內(nèi)圈相切的三根梁進(jìn)行傳遞。每根梁上下、左右個(gè)貼一對(duì)應(yīng)變片，三根梁上共有6對(duì)應(yīng)變片，分別組成六組半橋，對(duì)這6組電橋信號(hào)進(jìn)行解耦可得到六維力（力矩）的精確解。三梁腕力傳感器 （3）基座力傳感器 傳感器裝在基座上，機(jī)械手裝配時(shí)用來(lái)測(cè)量安裝在工作臺(tái)上的工件所受的力。4. 滑覺(jué)傳感器 一般可將機(jī)械手抓取物體的方式分為兩種：硬抓取和軟抓取。 硬抓?。o(wú)感知時(shí)采用）：末端執(zhí)行器利用最大的夾緊力抓取工件。 軟抓?。ㄓ谢X(jué)傳感器時(shí)采用）：末端執(zhí)行器使

19、夾緊力保持在能穩(wěn)固抓取工件的最小值，以免損傷工件。此時(shí)機(jī)器人要抓住物體，必須確定最適當(dāng)?shù)奈樟Υ笮?。因此需檢測(cè)出握力不夠時(shí)物體的滑動(dòng)，利用這一信號(hào)，在不損壞物體的情況下牢牢抓住物體。 滑覺(jué)傳感器工作原理采用壓覺(jué)傳感器實(shí)現(xiàn)滑覺(jué)感知它由一個(gè)金屬球和觸針組成，金屬球表面分成許多個(gè)相間排列的導(dǎo)電和絕緣小格。觸針頭很細(xì)，每次只能觸及一格。當(dāng)工件滑動(dòng)時(shí)，金屬球也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，在觸針上輸出脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的頻率反映了滑移速度，個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)滑移的距離。滾筒式滑覺(jué)傳感器鋼球指針與被抓物體接觸。若工件滑動(dòng)，則指針振動(dòng)，線圈輸出信號(hào)。通過(guò)檢測(cè)滑動(dòng)時(shí)的微小振動(dòng)來(lái)檢測(cè)滑動(dòng)基于振動(dòng)的機(jī)器人專用滑覺(jué)傳感器利用光纖傳感器檢測(cè)形變光纖

20、式滑覺(jué)傳感器 當(dāng)有力作用時(shí)，通過(guò)彈性元件的變形使發(fā)射和接收光纖的端面與發(fā)射面之間的距離發(fā)生變化，接收光纖所接收到的光強(qiáng)也隨之變化。如果得出位移和轉(zhuǎn)角的確定關(guān)系，便可得出傳感器的輸入輸出轉(zhuǎn)換關(guān)系。光纖式滑覺(jué)傳感器工作原理12.3 機(jī)器人的接近覺(jué)接近覺(jué)主要感知傳感器與對(duì)象物之間的接近程度，即需要檢測(cè)對(duì)象物體與傳感器之間的距離。接近覺(jué)傳感器有電磁感應(yīng)式、光電式、電容式、氣壓式、超聲波式、紅外式以及微波式等多種類型。一、電磁感應(yīng)式接近覺(jué)傳感器 變化的磁場(chǎng)將在金屬體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種電流的流線在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱為渦旋電流（簡(jiǎn)稱渦流），而渦流的大小隨金屬體表面與線圈的距離大小而變化。當(dāng)電感線圈內(nèi)

21、通以高頻電流時(shí)，金屬體表面的渦流電流反作用于線圈L，改變L內(nèi)的電感大小。通過(guò)檢測(cè)電感便可獲得線圈與金屬體表面的距離信息。二、電容式接近覺(jué)傳感器 利用平板電容器的電容C與極板距離d成反比的關(guān)系。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)物體的顏色、構(gòu)造和表面都不敏感且實(shí)時(shí)性好；其缺點(diǎn)是必須將傳感器本身作為一個(gè)極板，被接近物作為另一個(gè)極板。這就要求被測(cè)物體是導(dǎo)體且必須接地，大大降低了其實(shí)用性。三、超聲波接近覺(jué)傳感器 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能

22、達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。超聲波測(cè)距原理 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。 從以上公式可知超聲波測(cè)距的誤差來(lái)源有兩個(gè)：一是計(jì)時(shí)誤差。如當(dāng)要求測(cè)距誤差小于1mm時(shí)，假設(shè)已知超聲波速度C=344m/s (20室溫)，忽略聲速的傳播誤差，時(shí)間誤差t(0.001/344) 0.000002907s ，即

23、2.907毫秒。采用MHz級(jí)的高精度石英晶振一般可以達(dá)到微秒量級(jí)的誤差。 另一個(gè)是傳播速度誤差。超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系。當(dāng)溫度0時(shí)超聲波速度是332m/s, 30時(shí)是350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30的環(huán)境下以0的聲速測(cè)量100m距離所引起的測(cè)量誤差將達(dá)到5m，測(cè)量1m誤差將達(dá)到5mm。四、光纖接近覺(jué)傳感器五、光電式接近覺(jué)傳感器12.4 機(jī)器人的視覺(jué)視覺(jué)傳感器是組成智能機(jī)器人最重要的傳感器之一。目前機(jī)器人視覺(jué)多數(shù)是用電視攝像機(jī)和對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的運(yùn)算裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于其主體

24、是計(jì)算機(jī)，所以又稱為計(jì)算機(jī)視覺(jué)。 機(jī)器人視覺(jué)傳感器的工作過(guò)程可分為四個(gè)步驟：檢測(cè)、分析、繪制和識(shí)別。一、視覺(jué)檢測(cè)視覺(jué)信息一般通過(guò)光電檢測(cè)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。常用的光電檢測(cè)器有攝像管和固態(tài)圖像傳感器。 在處理三維空間問(wèn)題時(shí)，位置信息必不可少。獲得距離信息的方法有光投影法、立體視法。光投影法光投影法是向被測(cè)物體投射特殊形狀的光束并檢測(cè)其反射光，即可獲得位置信息。目前常用的是采用激光掃描法。立體視法立體視法(Stereoscopy)就是指同一物體的兩張具有輕微角度差別的照片放在一起（分別用左右雙眼）觀看，得到一種深度的感覺(jué)，從而產(chǎn)生常規(guī)立體視覺(jué)的方法。那么（最基本的）立體攝影就是（模擬雙眼的位置）從左右兩

25、個(gè)具有輕微角度差異的觀察點(diǎn)分別拍攝同一個(gè)物體，然后將這兩幅照片以同樣的方式展示出來(lái)，讓左右攝像機(jī)分別采集左視覺(jué)和右視覺(jué)的照片，通過(guò)計(jì)算機(jī)的合成處理，我們就獲得了與人眼直接觀看被攝物體完全一致的、有立體深度的立體畫(huà)面。 人類的眼睛就像是一套功能完整的攝影系統(tǒng)，具有變焦鏡頭、可變光圈以及能將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成大腦可以識(shí)別的電信號(hào)。 在二維圖像中（如一張普通的平面照片），利用物體提供的有關(guān)尺寸和重疊等視覺(jué)線索，我們可以“判斷出”位于背景前這些物體的前后排列次序，但是卻無(wú)法知道它們之間究竟距離多遠(yuǎn)。幸好我們?nèi)祟悡碛辛藘芍谎劬?，并且都長(zhǎng)在前面的臉部，呈左右排列，間隔約為65mm。在我們觀察物體時(shí)，由于兩只眼睛所處的角度有略微不同，兩只眼睛看到的圖像還是有略微差別的，我們的大腦將這兩幅畫(huà)面綜合在一起，形成一種有深度的視覺(jué)畫(huà)面。這個(gè)綜合處理的過(guò)程十分迅