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1、山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 六 章 機(jī) 器 人 感 知 與 智 能第 一 節(jié) 基 本 概 念 與 相 關(guān) 理 論第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 的 感 覺 與 傳 感 器第 三 節(jié) 機(jī) 器 人 信 息 識 別 、 表 達(dá) 與 融 合第 四 節(jié) 機(jī) 器 人 智 能第 五 節(jié) 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 舉 例 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 一 節(jié) 基 本 概 念 與 相 關(guān) 理 論6.1.1 機(jī) 器 人 信 息 測 量 與 分 析 方 法感 知 與 智 能 的 作 用 ： 感 知 自 身

2、 的 工 作 狀 態(tài) 和 周 邊 環(huán) 境 及 其 變 化 ，改 善 和 提 高 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 的 性 能 。 機(jī) 器 人 的 感 知 通 過 各 種 傳 感 器 實 現(xiàn) ， 分 為 ：內(nèi) 部 感 知 （ 內(nèi) 部 傳 感 器 ） 和 外 部 感 知 （ 外 部 傳 感器 ） 。 內(nèi) 部 傳 感 器 ： 檢 測 和 感 知 機(jī) 器 人 本 身 的 狀 態(tài) ，如 ： 位 置 、 速 度 、 加 速 度 、 驅(qū) 動 力 矩 等 。 對 內(nèi) 部 傳 感 器 的 要 求 ： 精 度 高 、 響 應(yīng) 速 度 快 、 測 量 范 圍 寬 、 體 積 小 、重 量 輕 、 能 耗 低 、 工 作 可 靠

3、。 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 一 節(jié) 基 本 概 念 與 相 關(guān) 理 論 外 部 傳 感 器 ： 識 別 環(huán) 境 、 工 件 情 況 或 工件 與 機(jī) 器 人 的 關(guān) 系 。 如 ： 力 覺 、 視 覺 、 距 離 、聽 覺 等 傳 感 器 。 通 常 安 裝 在 末 端 執(zhí) 行 器 上 。對 外 部 傳 感 器 的 要 求 ： 除 精 度 高 、 響 應(yīng) 速 度 快 、 測 量 范 圍 寬 外 ，盡 量 非 接 觸 測 量 ， 體 積 小 、 重 量 輕 更 加 重 要 。 另 外 ， 還 要 求 安 裝 使 用 方 便 、

4、 安 全 可 靠 、對 環(huán) 境 無 不 良 影 響 。 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 一 節(jié) 基 本 概 念 與 相 關(guān) 理 論內(nèi) 部 傳 感 器 ： 位 置 /角 度 行 程 開 關(guān) 、 電 位 器 、 碼 盤 、 旋 轉(zhuǎn) 變 壓 器 、 光 柵 尺 /盤 等 。 速 度 /加 速 度 測 速 發(fā) 電 機(jī) 、 碼 盤 、 速 度 /加 速 度 傳 感 器 。 力 /力 矩 力 傳 感 器 、 力 矩 傳 感 器 。 方 位 角 陀 螺 儀 、 方 位 儀 。 電 流 /電 壓 霍 爾 電 流 傳 感 器 、 電 壓 計 。 山

5、東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 一 節(jié) 基 本 概 念 與 相 關(guān) 理 論外 部 傳 感 器 ： 視 覺 ： 感 知 外 部 圖 像 ， 如 ： CCD、 CMOS等 。 觸 覺 /滑 覺 ： 感 知 接 觸 /滑 動 ， 接 近 /距 離 ： 感 知 距 離 ， 如 ： 接 近 開 關(guān) 、 位 置 傳 感 器 、 激 光 測 距 儀 。 熱 覺 ： 感 知 溫 度 ， 如 ： 熱 電 偶 、 紅 外 CCD。 力 覺 ： 如 ： 各 類 力 、 力 矩 傳 感 器 。 嗅 覺 ： 感 知 氣 味 ， 各 種 氣 味 傳 感 器 。 聽

6、 覺 ： 如 ： 微 型 MIC， 味 覺 ： 感 知 味 道 。 方 位 ： 如 ： 陀 螺 儀 等 。 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 一 節(jié) 基 本 概 念 與 相 關(guān) 理 論信 號 感 知 過 程 ： 信 號 提 取 信 號 分 析 與 處 理 識 別 融 合 與 應(yīng) 用 信 號 提 取 ： 各 類 傳 感 器 。 信 號 分 析 與 處 理 ： 信 號 分 析 ： 研 究 信 號 的 構(gòu) 成 與 特 征 ， 如 ： 濾 波 、 譜 分 析 。 信 號 處 理 ： 各 種 信 號 變 換 ， 如 傅 里 葉 變 換 。 信

7、號 識 別 ： 識 別 算 法 、 智 能 技 術(shù) 。 信 號 融 合 ： 多 傳 感 器 的 集 成 ， 多 信 息 的 融 合 。 信 息 的 利 用 ： 實 現(xiàn) 功 能 、 目 標(biāo) 。 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 一 節(jié) 基 本 概 念 與 相 關(guān) 理 論6.1.2 多 傳 感 器 系 統(tǒng) 與 信 息 融 合 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 包 含 各 種 傳 感 器 ， 如 何 使 它 們 協(xié)作 工 作 、 發(fā) 揮 出 更 大 的 作 用 ？ 多 傳 感 器 系 統(tǒng) 涉 及 多 種 類 型 傳 感 器 或 多 個 同類 型 傳 感

8、器 ， 還 有 多 功 能 集 成 傳 感 器 。多 傳 感 器 系 統(tǒng) 與 信 息 融 合 主 要 作 用 ： 1、 提 高 系 統(tǒng) 可 靠 性 ： 替 代 。 2、 降 低 系 統(tǒng) 的 不 確 定 性 ： 沉 余 3、 提 高 完 整 描 述 環(huán) 境 的 能 力 ： 協(xié) 同 4、 提 高 系 統(tǒng) 的 實 時 性 ： 并 行 處 理 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 一 節(jié) 基 本 概 念 與 相 關(guān) 理 論6.1.3機(jī) 器 人 與 人 工 智 能 人 工 智 能 是 指 將 人 類 所 具 有 的 智 能 的 一 部 分用 計 算

9、 機(jī) 來 實 現(xiàn) 以 及 與 此 相 關(guān) 的 技 術(shù) 領(lǐng) 域 。 機(jī) 器 人 是 從 事 與 人 類 相 識 動 作 的 自 動 機(jī) 械 ，代 替 人 類 行 使 某 些 智 能 動 作 ， 因 此 ， 它 也 是 人 工智 能 的 研 究 對 象 ， 從 這 個 意 義 上 說 ， 機(jī) 器 人 也 稱為 智 能 機(jī) 器 人 。 人 工 智 能 的 研 究 內(nèi) 容 包 括 ： 知 識 獲 取 、 知 識表 達(dá) 、 知 識 推 理 、 學(xué) 習(xí) 與 決 策 、 專 家 系 統(tǒng) 等 理 論 ，為 機(jī) 器 人 智 能 奠 定 了 基 礎(chǔ) 。 機(jī) 器 人 的 智 能 可 分 為 基 于 傳 感 器 的

10、感 知 智 能和 基 于 知 識 、 學(xué) 習(xí) 、 推 理 的 抽 象 智 能 。 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 一 節(jié) 基 本 概 念 與 相 關(guān) 理 論 到 20世 紀(jì) 80年 代 ， 國 際 上 基 于 知 覺 控制 的 機(jī) 器 人 已 經(jīng) 開 始 走 向 實 用 化 階 段 ， 基 于知 識 的 智 能 機(jī) 器 人 的 研 究 仍 處 于 比 較 低 級 的層 次 。 目 前 ， 智 能 機(jī) 器 人 的 研 究 重 點 在 通 過 多傳 感 器 信 息 融 合 等 技 術(shù) ， 提 高 機(jī) 器 人 的 性 能和 可 靠 性 ，

11、 擴(kuò) 大 機(jī) 器 人 的 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 。 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器6.2.1 位 置 、 轉(zhuǎn) 角 傳 感 器 當(dāng) 前 ， 常 用 的 位 置 、 轉(zhuǎn) 角 傳 感 器 有 ： 1、 光 柵 尺 ： 2、 光 電 角 編 碼 器 。 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 一 、 光 柵 尺 根 據(jù) 摩 爾 條 紋 原 理 ， 通 過 光 電 轉(zhuǎn) 換 ， 以 數(shù) 字 方式 表 示 線 性 位 移 量 的 高 精 度 位 移 傳 感 器

12、 。 具 有 檢測 范 圍 大 ， 檢 測 精 度 高 ， 響 應(yīng) 速 度 快 的 特 點 。1、 光 柵 與 莫 爾 條 紋 通 過 印 刷 技 術(shù) 在 不 透 明 的 介 質(zhì) 上 形 成 密 集 的 透明 條 紋 （ 刻 痕 ） ， 條 紋 間 的 距 離 稱 為 柵 距 （ 節(jié)距 ） ， 每 毫 米 刻 痕 的 多 少 稱 為 光 柵 常 數(shù) 。 莫 爾 條 紋 ： 當(dāng) 指 示 光 柵 上 的 線 紋 和 標(biāo) 尺 光 柵上 的 線 紋 之 間 形 成 一 個 小 角 度 ， 并 且 兩 個 光 柵 尺刻 面 相 對 平 行 放 置 時 ， 在 光 源 的 照 射 下 ， 位 于 幾乎 垂

13、 直 的 柵 紋 上 ， 形 成 明 暗 相 間 的 條 紋 。 這 種 條紋 稱 為 “ 莫 爾 條 紋 ” ； 兩 光 柵 相 互 運 動 時 間 看 到的 是 莫 爾 條 紋 運 動 。第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 嚴(yán) 格 地 說 ， 莫 爾 條 紋 排 列 的 方 向 是與 兩 片 光 柵 線 紋 夾 角 的 平 分 線 相 垂 直 。莫 爾 條 紋 中 兩 條 亮 紋 或 兩 條 暗 紋 之 間 的距 離 稱 為 莫 爾 條 紋

14、的 寬 度 ， 以 W表 示 ，設(shè) 光 柵 的 柵 距 為 d， 兩 光 柵 的 夾 角 為 ，則 ： ddW )2(sin2 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 兩 光 柵 交 點 由 柵 線序 數(shù) N、 M組 成 。K=M N第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 長 光 柵 光 閘 莫 爾 條 紋播 放 動 畫 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 莫 爾 條 紋 的 特 點 ： 1）

15、、 莫 爾 條 紋 的 變 化 規(guī) 律 兩 片 光 柵 相 對 移 過 一 個 柵 距 ， 莫 爾 條 紋 移 過一 個 條 紋 距 離 。 由 于 光 的 衍 射 與 干 涉 作 用 ， 莫 爾條 紋 的 變 化 規(guī) 律 近 似 正 (余 )弦 函 數(shù) ， 變 化 周 期 數(shù)與 光 柵 相 對 位 移 的 柵 距 數(shù) 同 步 。 2） 、 放 大 作 用 在 兩 光 柵 柵 線 夾 角 較 小 的 情 況 下 ， 莫 爾 條 紋 寬度 W和 光 柵 柵 距 d、 柵 線 角 之 間 有 下 列 關(guān) 系 ： W= d / 由 于 柵 線 角 很 小 ， Wd。第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與

16、 傳 感 器 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 3） 、 誤 差 平 均 。 莫 爾 條 紋 是 由 若 干 光 柵 條 紋 共 用 形 成 ， 這 樣?xùn)?距 之 間 的 相 鄰 誤 差 就 被 平 均 化 了 ， 消 除 了 由 于柵 距 不 均 勻 、 斷 裂 等 造 成 的 誤 差 。 2、 分 類 按 照 制 造 方 法 和 光 學(xué) 原 理 的 不 同 ， 分 為 透 射 光柵 尺 和 反 射 光 柵 尺 。 透 射 光 柵 尺 的 光 源 與 接 收 裝 置 分 別 放 置 在 光 柵尺 的 兩 側(cè) ， 通 過 接 收 光 柵

17、尺 透 過 來 的 衍 射 光 變 化來 反 應(yīng) 位 置 變 化 。 比 較 通 用 的 是 玻 璃 光 柵 。 . 反 射 光 柵 指 的 是 光 源 與 接 收 裝 置 安 裝 在 光 柵 尺的 同 一 側(cè) ， 通 過 接 收 光 柵 尺 反 射 回 來 的 衍 射 光 變化 來 反 應(yīng) 位 置 變 化 。 比 較 通 用 的 有 鋼 帶 光 柵 。第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研

18、 究 所 2010/09/02 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 3、 檢 測 與 數(shù) 據(jù) 處 理 隨 著 光 柵 的 移 動 ， 莫 爾 條 紋 也 隨 之 上 下 移 動 。這 樣 就 把 對 光 柵 柵 距 的 測 量 轉(zhuǎn) 換 為 對 莫 爾 條 紋 個數(shù) 的 測 量 。 在 一 個 莫 爾 條 紋 寬 度 內(nèi) ， 按 照 一 定 間 隔 放 置 4個 光 電 器 件 就 能 實 現(xiàn) 電 子 細(xì) 分 與 判 向 功 能 。 兩 路 相 位 不 同 的 光 電 信 號 ， 其 相 位 差

19、 為 /2，為 得 到 判 向 和 計 數(shù) 脈 沖 ， 需 對 這 兩 路 信 號 整 形 為方 波 。 然 后 ， 通 過 對 方 波 的 相 位 進(jìn) 行 判 別 比 較 ，就 可 以 得 到 光 柵 尺 的 移 動 方 向 。 通 過 對 方 波 脈 沖進(jìn) 行 計 數(shù) ， 可 以 得 到 光 柵 尺 的 位 移 和 速 度 。第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 4、 技 術(shù) 參 數(shù) 測 量 范 圍 ： 50mm 3000mm 測 量 精 度 ： 6um/m 10um/m 測 量 基 準(zhǔn) （

20、 柵 距 ） ： 光 柵 周 期 20m的 光 學(xué) 玻 璃尺 。 光 學(xué) 測 量 方 式 ： 透 射 式 、 反 射 式 反 應(yīng) 速 度 ： 60m/min(0.005mm) 25m/min(0.001mm) 輸 出 信 號 ： TTL/EIA-422-A 供 應(yīng) 電 壓 ： DC 5V 5% 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 二 、 光 電 編 碼 器 編 碼 器 分 為 接 觸 式 編 碼 器 和 光 電 式 編 碼 器 ，光 電 編 碼 器 是 一 種 通 過 光 電 轉(zhuǎn) 換 將 輸

21、出 軸 上 的 機(jī)械 幾 何 位 移 轉(zhuǎn) 換 成 脈 沖 或 數(shù) 字 量 的 傳 感 器 。1、 工 作 原 理 光 電 編 碼 器 由 光 柵 盤 （ 碼 盤 ） 和 光 電 檢 測 裝置 組 成 。 光 柵 盤 是 在 一 定 直 徑 的 圓 板 上 等 分 地 開通 若 干 個 長 方 形 孔 。 當(dāng) 它 與 電 動 機(jī) 軸 一 起 旋 轉(zhuǎn) 時 ，經(jīng) 發(fā) 光 二 極 管 等 電 子 元 件 組 成 的 檢 測 裝 置 輸 出 若干 脈 沖 信 號 ， 通 過 計 算 輸 出 脈 沖 的 個 數(shù) 等 信 息 ，就 能 反 映 當(dāng) 前 電 動 機(jī) 轉(zhuǎn) 過 的 角 度 或 轉(zhuǎn) 速 。 此 外

22、，為 判 斷 旋 轉(zhuǎn) 方 向 ， 還 可 提 供 相 位 相 差 90 o的 兩 路 脈沖 信 號 。 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器光 電 編 碼 器 的 工 作 原 理 輸 出 波 形 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 2、 光 電 編 碼 器 類 型 ：按 測 量 方 式 分 類 ： 旋 轉(zhuǎn) 編 碼 器 和 直 尺 編 碼 器按 編 碼 方 式 分 類 ： 絕 對 式 編 碼 器

23、增 量 式 編 碼 器 混 合 式 編 碼 器3、 光 電 式 碼 盤 的 優(yōu) 缺 點 光 電 式 編 碼 器 無 觸 點 磨 損 ， 允 許 高 轉(zhuǎn) 速 ； 每 條 縫 隙 寬 度 可 做 得 很 小 ， 所 以 精 度 和 分 辨率 很 高 ， 單 個 碼 盤 可 做 到 18位 。 其 缺 點 是 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 雜 、 價 格 昂 貴 、 光 源 壽命 短 。 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 4、 絕 對 式 編 碼 器1） 、 光 柵 盤 （ 碼 盤 ） 圖 中 為 一 個 四 位

24、碼 盤 。 涂 黑部 分 為 遮 光 區(qū) ， 輸 出 “ 0” ； 空白 部 分 為 透 光 區(qū) ， 輸 出 “ 1” 。 圖 示 碼 盤 共 有 四 圈 碼 道 ， 當(dāng)碼 盤 與 被 測 物 轉(zhuǎn) 軸 一 起 轉(zhuǎn) 動 時 ，每 個 碼 道 對 應(yīng) 的 光 電 接 受 器 將 讀出 對 應(yīng) 的 數(shù) 碼 。 若 有 n條 碼 道 ， 則 角 度 分 辨率 為 ： nQ 2360 光 柵 盤 （ 碼 盤 ） 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 絕 對 式 格 雷 碼 碼 盤 ： 將 碼 盤 分 成

25、一 系 列 具 有 相 等 角 距 角 的 角 ，對 每 個 角 用 格 雷 碼 進(jìn) 行 編 碼 ； 當(dāng) 光 信 號 掃 描與 傳 動 軸 相 聯(lián) 的 刻 有 格 雷 碼 的 碼 盤 時 ， 獲 得的 碼 盤 上 的 碼 值 確 定 被 測 物 的 絕 對 位 置 值 ，然 后 將 檢 測 到 的 格 雷 碼 數(shù) 據(jù) 轉(zhuǎn) 換 為 電 信 號 以脈 沖 的 形 式 輸 出 測 量 的 位 移 量 。第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 2） 、 絕

26、對 式 光 電 編 碼 器 工 作 原 理 ： 圖 1-8 絕 對 式 光 電 編 碼 器 原 理 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 3） 、 直 接 讀 出 角 度 坐 標(biāo) 的 絕 對 值 。 不 受 掉 電 、 關(guān) 機(jī) 的 影 響 。 沒 有 累 積 誤 差 ， 可 靠 性 高 ， 抗 干 擾 能 強 。 使 用 簡 單 ， 方 向 判 斷 較 容 易 。 范 圍 大 于 360度 時 可 采 用 多 組 碼 盤 。 每 個 碼 道 都 必 須 放 置 光 電 收 發(fā) 裝 置 。 編 碼 器 的 精 度 取 決 于 位 數(shù) 。 最 高

27、 運 轉(zhuǎn) 速 度 比 增 量 式 光 電 編 碼 器 高 。 價 格 高 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 4） 、 技 術(shù) 參 數(shù) : 量 程 （ 單 組 或 多 組 碼 盤 ） 輸 出 代 碼 ： 格 雷 碼 , BCD碼 , 二 進(jìn) 制 碼 。 輸 出 信 號 ： 并 口 /串 口 ， 高 /低 電 平 有 效 。 分 辨 率 ： 如 ： 12位 ， 4096線 /圈 。 準(zhǔn) 確 度 ： 如 ： 0.3度 。 最 大 允 許 轉(zhuǎn) 速 ： 2400轉(zhuǎn) /分 鐘 。 工 作 電 壓 ： 1

28、0 30Vdc。 消 耗 電 流 ： 5 10 小 時 。 7. 過 載 能 力 強 、 測 量 范 圍 大 ： 0-幾 十安 培 上 萬 安 培 . 8. 體 積 小 、 重 量 輕 、 易 于 安 裝 。 由 于 霍 爾 電 流 電 壓 傳 感 器 以 上 的 優(yōu) 點 ，故 而 可 廣 泛 應(yīng) 用 與 變 頻 調(diào) 速 裝 置 、 逆 變 裝 置 、UPS 電 源 、 逆 變 焊 機(jī) 、 電 解 電 鍍 、 數(shù) 控 機(jī) 床 、微 機(jī) 監(jiān) 測 系 統(tǒng) 、 電 網(wǎng) 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 和 需 要 隔 離 檢測 電 流 電 壓 的 各 個 領(lǐng) 域 中 。 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器

29、 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 霍 爾 電 流 傳 感 器 根 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 的 不 同 ， 可分 為 ： 霍 爾 直 測 式 電 流 傳 感 器 和 霍 爾 磁 補式 電 流 傳 感 器 。1） 霍 爾 直 測 式 電 流 傳 感 器由 于 磁 感 應(yīng) 的 非 線 性 等 原 因 ， 精 度 不 高 ， 較 少 使 用 。第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器磁 芯 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 2） 霍 爾 磁 補 式 電 流 傳 感 器 原 邊 電 流 產(chǎn) 生 磁

30、 場 Hp為 軟 磁 芯 聚 集 ， 該 磁 場 又被 副 邊 線 圈 產(chǎn) 生 的 反 向 磁 場 Hs所 補 償 ， 霍 爾 器 件作 為 監(jiān) 測 補 償 度 的 元 件 使 傳 感 器 處 于 零 磁 通 ， 按 安匝 比 由 副 邊 電 流 算 出 原 邊 電 流 。 直 到 Hp Hs時 Is不再 增 加 ， 這 時 霍 爾片 就 達(dá) 到 零 磁 通 檢測 。磁 平 衡 時 ，N pIp IsNs計 算 Ip 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 霍 爾 磁 補 式 電 流 傳 感 器

31、技 術(shù) 指 標(biāo) ， 例 ： 測 量 范 圍 : （ 0 150A） 額 定 電 流 ： （ 100A） 頻 率 范 圍 ： （ 0 100kHz） 線 性 度 ： （ 0.1 ） 反 應(yīng) 時 間 ： 0.1 s 絕 緣 電 壓 ： （ 3KV） 穿 孔 尺 寸 ： ( 10mm) 匝 數(shù) 比 ： （ 1： 1000) 可 靠 性 ： 2 10 6h 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器6.2.3 力 覺 系 統(tǒng) 與 傳 感 器 力 覺 系 統(tǒng) 發(fā)

32、展 較 為 成 熟 ， 在 機(jī) 器 人 工 業(yè) 應(yīng) 用 中起 到 重 要 作 用 。 在 工 業(yè) 機(jī) 器 人 及 其 操 作 中 ， 力 覺 傳感 器 的 作 用 有 ： 1、 檢 測 關(guān) 節(jié) 的 驅(qū) 動 力 矩 。 2、 感 知 是 否 夾 起 了 工 件 或 是 否 夾 持 在 正 確 部 位 。 3、 控 制 裝 配 、 打 磨 、 研 磨 拋 光 的 質(zhì) 量 。 4、 裝 配 中 提 供 信 息 、 以 產(chǎn) 生 后 續(xù) 的 修 正 補 償 運動 來 保 證 裝 配 質(zhì) 量 和 速 度 。 5、 防 止 碰 撞 、 卡 死 和 損 壞 機(jī) 件 。 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院

33、機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器機(jī) 器 人 的 力 覺 傳 感 器 分 為 ： 1、 測 量 驅(qū) 動 器 輸 出 力 或 力 矩 的 力 傳 感 器 ： 2、 裝 在 末 端 執(zhí) 行 器 和 最 后 一 個 關(guān) 節(jié) 之 間 ， 測 量作 用 于 末 端 執(zhí) 行 器 上 的 各 向 力 和 力 矩 的 腕 力 傳 感 器 。 3、 裝 在 機(jī) 器 人 指 關(guān) 節(jié) 上 的 指 力 傳 感 器 。測 量 原 理 與 方 式 ： 根 據(jù) 測 量 原 理 的 不 同 ， 分 為 ： 應(yīng) 變 片 式 、 壓 電 式 、差 動 變 壓 器 式

34、、 電 容 位 移 式 力 傳 感 器 。 按 分 量 獲 得 的 方 式 可 分 為 直 接 測 量 和 間 接 測 量 。 所 謂 直 接 測 量 ， 各 分 量 的 值 由 直 接 測 量 得 出 。 所 謂 間 接 測 量 ， 就 是 由 測 量 數(shù) 據(jù) ， 根 據(jù) 各 分 量的 數(shù) 學(xué) 模 型 ， 計 算 出 各 分 量 的 值 。 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 關(guān) 節(jié) 力 傳 感 器 ：第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02

35、豎 梁 結(jié) 構(gòu) 的 Waston腕 力 傳 感 器 ： 如 圖 ， 按 120度 周 向 分 布 著 三 個 細(xì) 梁 ， 其 上 部圓 環(huán) 通 過 螺 栓 與 手 臂 連 接 ， 下 不 圓 環(huán) 與 手 爪 相 聯(lián) ，細(xì) 梁 上 貼 有 應(yīng) 變 片 ； 該 傳 感 器 結(jié) 構(gòu) 較 簡 單 ， 靈 敏度 也 高 ； 但 六 維 力 和 力 矩 需 要 解 耦 運 算 ， 抗 過 載能 力 也 較 差 。第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 輪 輻 式 十 字 腕 力 傳 感 器 ： 采 用 橫 梁

36、 結(jié) 構(gòu) ， 四 個 主 梁 上 裝 有 應(yīng) 變 片 ，可 組 成 橋 路 ； 為 簡 化 彈 性 體 的 受 力 模 型 ， 常 在十 字 梁 與 輪 緣 連 接 處 增 加 一 個 柔 性 環(huán) 節(jié) 。第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 六 維 腕 力 傳 感 器 ： 豎 梁 結(jié) 構(gòu) ， 具 有 八 個 窄 長 的 彈 性 梁 ，每 一 個 梁 的 頸 部 開 有 一 個 小 槽 以 使 頸 部 只傳 遞 力 ， 力 矩 作 用 很 小 ， 梁 的 另 一 頭 兩 側(cè)貼 有 應(yīng) 變 片 。第

37、 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 一 節(jié) 基 本 概 念 與 相 關(guān) 理 論6.2.4 接 近 覺 與 傳 感 器 機(jī) 器 人 在 移 動 或 操 作 過 程 中 ， 獲 知 對 目標(biāo) 物 體 的 接 近 程 度 ； 實 現(xiàn) 避 障 ， 或 通 過 減 速接 觸 物 體 來 避 免 沖 擊 。 接 近 傳 感 器 一 般 根 據(jù) 波 束 碰 到 目 標(biāo) 物 體產(chǎn) 生 物 理 變 化 或 反 射 波 的 原 理 工 作 ， 根 據(jù) 波束 的 不 同 可 分 為 ： 電 磁 、 激 光 、 超

38、 聲 波 、 紅外 線 等 幾 種 。 接 近 傳 感 器 一 般 測 量 精 度 不 高 ， 作 用 距離 較 短 ， 要 求 目 標(biāo) 物 體 需 要 具 有 反 應(yīng) 波 束 的能 力 。 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 1、 電 磁 式 接 近 傳 感 器 ： 接 近 對 象 必 須 產(chǎn) 生 磁 反 應(yīng) 或 產(chǎn) 生 電 渦 流 ，通 常 為 磁 性 材 料 或 金 屬 。 當(dāng) 接 近 對 象 時 ， 引起 磁 場 改 變 或 產(chǎn) 生 渦 流 。通 過 檢 測 周 圍 電 磁 的 變化 情 況 ， 判 斷 接 近 程 度 。第 二 節(jié)

39、 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 2、 電 容 式 接 近 傳 感 器 ： 我 們 知 道 ， 電 容 的 電 容 量 與 電 極 板 之間 的 距 離 成 反 比 ； 把 接 近 對 象 和 傳 感 器 分別 看 成 電 容 的 正 負(fù) 極 ， 就 可 以 根 據(jù) 電 容 量的 變 化 情 況 ， 判 斷 接 近 程 度 。第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 6.2.4 觸 覺 與 滑 覺 傳 感

40、器 機(jī) 器 人 觸 覺 是 人 的 觸 覺 的 模 仿 。 它 是 有 關(guān) 機(jī) 器人 和 物 體 接 觸 時 感 覺 的 科 學(xué) 。 如 ： 手 指 與 被 測 物 是否 接 觸 ， 感 知 物 體 的 表 面 性 質(zhì) 和 物 理 特 征 。 若 沒 有 觸 覺 ， 就 不 能 完 好 平 穩(wěn) 地 抓 住 紙 做 的 杯子 ， 也 不 能 握 住 工 具 。觸 覺 主 要 有 兩 方 面 應(yīng) 用 ： 1 檢 測 功 能 ： 對 操 作 物 進(jìn) 行 物 理 性 質(zhì) 檢測 如 光 滑 性 、 硬 度 等 。 2 識 別 功 能 ： 識 別 對 象 物 的 形 狀 (如 識 別 接 觸到 的 表 面

41、 形 狀 )。第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 舉 例 ： 觸 覺 傳 感 器 (a)1. 結(jié) 構(gòu) ： 平 板 上 安 裝 著 多 點 通 、 斷 傳 感 器 附 著 板的 裝 置2. 原 理 ： 平 常 為 通 態(tài) ， 當(dāng) 與 物 體 接 觸 時 ， 彈 簧 收縮 ， 上 、 下 板 間 電 流 斷 開 。 它 的 功 能 相 當(dāng) 于 一開 關(guān) ， 即 輸 出 0和 1兩 種 信 號 。3. 可 用 于 控 制 機(jī) 械 手 的 運 動 方 向 和 范 圍 、 躲 避 障礙 物 等 。1.導(dǎo)

42、 電 橡 膠 ； 2.金 屬 ； 12.襯 底 ； 13.引 線 1 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 各種觸覺傳感器 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 人 工 皮 膚 觸 覺 傳 感 器1. 選 擇 更 為 合 適 的 敏 感 材 料 ， 現(xiàn) 有 的 材 料 主要 有 導(dǎo) 電 橡 膠 、 壓 電 材 料 、 光 纖 等 ；2. 將 集 成 電 路 工 藝 應(yīng) 用 到 傳 感 器 的 設(shè) 計 和 制造 中 ， 使 傳 感 器 和 處 理

43、 電 路 一 體 化 ， 得 到在 規(guī) 模 或 超 大 規(guī) 模 陣 列 式 觸 覺 傳 感 器 。PVF2陣 列式 觸 覺 傳感 器 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 一 節(jié) 基 本 概 念 與 相 關(guān) 理 論 機(jī) 器 人 觸 覺 20世 紀(jì) 八 十 年 代 開 始 出 現(xiàn) ， 早 期主 要 由 微 動 開 關(guān) 、 金 屬 觸 須 等 實 現(xiàn) ； 現(xiàn) 在 有 各 種原 理 的 觸 覺 傳 感 器 ： 壓 電 式 、 壓 阻 式 、 電 容 式 、電 磁 式 等 ， 并 延 生 了 各 種 感 覺 組 合 在 一 起 的 仿 人皮 膚

44、。觸 覺 傳 感 器 的 工 作 重 點 ： 觸 覺 傳 感 器 的 工 作 重 點 集 中 在 陣 列 式 觸 覺 傳感 器 信 號 的 處 理 上 ， 目 的 是 辨 識 物 體 接 觸 物 體 的形 狀 。 這 種 信 號 的 處 理 涉 及 到 信 號 處 理 、 圖 像 處 理 、計 算 機(jī) 圖 形 學(xué) 、 人 工 智 能 、 模 式 識 別 等 學(xué) 科 ， 是一 門 比 較 復(fù) 雜 、 比 較 困 難 的 技 術(shù) ， 還 很 不 成 熟 ，有 等 于 進(jìn) 一 步 研 究 和 發(fā) 展 。 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 二

45、 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 滑 覺 是 物 體 在 手 爪 中 運 動 時 ， 手 爪 的 感覺 ， 它 與 觸 覺 和 力 覺 都 有 著 密 切 的 關(guān) 系 。 當(dāng) 發(fā) 現(xiàn) 物 體 在 手 中 滑 動 時 ， 我 們 會 進(jìn) 一步 地 抓 緊 物 體 ， 滑 覺 系 統(tǒng) 可 以 提 高 機(jī) 械 手 抓握 物 體 的 可 靠 性 。機(jī) 器 人 滑 覺 信 號 的 獲 取 ： 1、 通 過 對 觸 覺 信 號 的 處 理 ： 根 據(jù) 觸 覺信 號 的 動 態(tài) 變 化 。 2、 專 用 滑 覺 傳 感 器 ： 存 在 小 型 化 的 困難 。 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院

46、 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器6.2.5 視 覺 系 統(tǒng) 與 傳 感 器 視 覺 分 二 維 平 面 視 覺 和 三 維 立 體 視 覺 。 視 覺 分為 三 個 過 程 ： 視 覺 獲 取 、 圖 像 處 理 、 圖 像 理 解 。一 、 機(jī) 器 人 視 覺 系 統(tǒng) 系 統(tǒng) . 機(jī) 器 人 視 覺 系 統(tǒng) 的 硬 件 組 成 （ ） 景 物 和 距 離 傳 感 器 常 用 的 有 攝 象 機(jī) 、 CCD圖 像 傳 感 器 、 超 聲 波 傳感 器 和 結(jié) 構(gòu) 光 設(shè) 備 等 。 （ ） 視 頻 信 號 數(shù) 字 化 設(shè) 備 其

47、 任 務(wù) 是 把 視 覺 傳 感 器 輸 出 的 模 擬 信 號 轉(zhuǎn) 換成 方 便 計 算 和 分 析 的 數(shù) 字 信 號 ， 即 A/D轉(zhuǎn) 換 。 （ ） 視 頻 信 號 快 速 處 理 器 ， 視 頻 信 號 時 實 、 快速 、 并 行 運 算 的 硬 件 設(shè) 備 ： 如 DSP系 統(tǒng) 。 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 一 節(jié) 基 本 概 念 與 相 關(guān) 理 論視 覺 輸 入 裝 置 的 構(gòu) 成 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 （ ） 計 算 機(jī) 及 其 外 設(shè) 根

48、據(jù) 系 統(tǒng) 的 需 要 選 擇 不 同 的 計 算 機(jī) 及 外 設(shè) 來滿 足 機(jī) 器 人 視 覺 信 息 處 理 及 機(jī) 器 人 控 制 的 需 要 。（ ） 機(jī) 器 人 或 機(jī) 械 手 及 其 控 制 器 。 2. 機(jī) 器 人 視 覺 的 軟 件 系 統(tǒng) 組 成（ ） 計 算 機(jī) 系 統(tǒng) 軟 件 選 用 不 同 類 型 的 計 算 機(jī) ， 就 有 不 同 的 操 作 系統(tǒng) 和 它 所 支 撐 的 各 種 語 言 、 數(shù) 據(jù) 庫 等 。（ ） 機(jī) 器 人 視 覺 信 息 處 理 算 法 圖 像 預(yù) 處 理 、 分 割 、 描 述 、 識 別 和 解 釋 等 算法 。（ ） 機(jī) 器 人 控 制

49、軟 件 。第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器3、 視 覺 傳 感 器 機(jī) 器 人 視 覺 使 用 的 主 要 部 件 是 電 視 攝 象 機(jī) ， 它由 攝 象 管 或 固 態(tài) 成 像 傳 感 器 及 相 應(yīng) 的 電 子 線 路 組 成 。常 用 的 固 態(tài) 成 像 傳 感 器 有 ： 電 荷 耦 合 器 件 (CCD)、CMOS和 電 荷 注 入 器 件 (CID)。 與 具 有 攝 象 管 的 攝 象 機(jī)相 比 ， 固 態(tài) 成 像 器 件 有

50、若 干 優(yōu) 點 ， 它 體 積 小 、 壽 命長 、 功 耗 低 、 圖 像 質(zhì) 量 高 、 靈 敏 度 高 、 抗 震 動 等 優(yōu)點 。 CCD電 荷 耦 合 器 ： 特 點 ： 敏 感 度 高 、 分 辨 率 高 、噪 聲 低 ， 技 術(shù) 成 熟 ， 在 機(jī) 器 人 視 覺 中 得 到 廣 泛 應(yīng) 用 。 CMOS互 補 金 屬 氧 化 物 半 導(dǎo) 體 。 特 點 ： 成 本 低 、 功耗 低 。 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器二 、 視 頻 數(shù) 字 信 號 處 理 圖 像 信 號 一

51、 般 是 二 維 信 號 ， 一 幅 圖 像 通 常由 512*512個 像 素 組 成 ， 每 個 像 素 有 256級 灰度 ， 或 者 是 3*8bit， 紅 黃 藍(lán) 16M種 顏 色 ， 一 幅圖 像 就 有 256KB或 者 768KB個 數(shù) 據(jù) 。 為 了 完 成 視 覺 處 理 的 傳 感 、 預(yù) 處 理 、 分割 、 描 述 、 識 別 和 解 釋 ， 主 要 完 成 的 數(shù) 學(xué) 運算 可 以 歸 納 為 ： (1)點 處 理 (2)二 維 卷 積 的 運 算 (3)二 維 正 交 變 換 (4)坐 標(biāo) 變 換 (5)統(tǒng) 計 量 計 算 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院

52、機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 (1)點 處 理 常 用 的 有 對 比 度 增 強 、 密 度 非 線 性 校 正 、閾 值 處 理 、 偽 彩 色 處 理 等 。 例 如 對 數(shù) 變 換 可以 實 現(xiàn) 暗 區(qū) 對 比 度 擴(kuò) 張 。 (2)二 維 卷 積 的 運 算 常 用 于 圖 像 平 滑 、 尖 銳 化 、 輪 廓 增 強 、空 間 濾 波 、 標(biāo) 準(zhǔn) 模 塊 匹 配 計 算 等 。 (3)二 維 正 交 變 換 常 用 的 二 維 正 交 變 換 有 FFT、 Walsh、Haar和 K-L變 換 等 ， 常 用 于

53、 圖 像 增 強 、 復(fù) 原 、二 維 濾 波 、 數(shù) 據(jù) 壓 縮 等 。 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 (4)坐 標(biāo) 變 換 常 用 于 圖 像 的 放 大 縮 小 、 旋 轉(zhuǎn) 、 移 動 、配 準(zhǔn) 、 幾 何 校 正 和 由 投 影 值 重 建 圖 像 等 。 (5)統(tǒng) 計 量 計 算 如 計 算 密 度 直 方 圖 分 布 、 平 均 值 和 協(xié) 方差 矩 陣 等 。 在 進(jìn) 行 直 方 圖 均 衡 化 、 面 積 計 算 、分 類 時 ， 常 常 要 進(jìn) 行 這 些 計 量 計

54、算 。 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器3D視 覺 中 的 三 角 測 量 方 法 ： 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器6.2.6 聽 覺 系 統(tǒng) 與 聽 覺 傳 感 器 機(jī) 器 人 聽 覺 傳 感 器 可 分 為 語 音 感 覺 和 聲 音 感 覺兩 種 傳 感 器 。 常 用 的 聽 覺 傳 感 器 是 語 音 傳 感 器 ； 聲 音 傳 感 器是 利 用 聲 波 或 超 聲 波 進(jìn)

55、行 測 量 的 一 類 傳 感 器 。 聽 覺 系 統(tǒng) 可 以 實 現(xiàn) 操 作 人 員 通 過 語 言 直 接 控 制機(jī) 器 人 ， 涉 及 語 音 合 成 和 語 音 識 別 技 術(shù) 。 話 筒 是 典 型 的 聲 覺 傳 感 器 ， 有 電 動 式 、 壓 電 式 、電 容 式 等 多 種 類 型 。1、 電 動 式 聲 覺 傳 感 器 也 稱 動 圈 式 ， 它 利 用 線 圈 在 磁 場 中 ， 切 割 磁 感線 ， 將 聲 音 信 號 轉(zhuǎn) 化 為 電 信 號 。 一 般 來 說 效 果 比 較好 ， 較 貴 。 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 20

56、10/09/02 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 我 們 生 活 中 常 見 的 話 筒 大 部 分 都 是 動 圈 式 話 筒 ，其 結(jié) 構(gòu) 如 圖 （ 下 ） ： 它 在 一 個 膜 片 的 后 面 粘 貼 著 一個 由 漆 包 線 繞 成 的 線 圈 ， 也 叫 音 圈 。 在 有 膜 片 的 后面 還 安 裝 了 一 個 環(huán) 形 的 永 磁 體 ， 并 將 線 圈 套 在 永 磁體 的 一 個 極 上 ， 線 圈 的 兩 端 用 引 線 引 出 。 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺

57、與 傳 感 器2、 壓 電 式 聲 覺 傳 感 器 根 據(jù) 壓 電 效 應(yīng) 原 理 ， 將 聲 壓 轉(zhuǎn) 變 成 電 信 號 的 設(shè)備 。3、 電 阻 變 換 型 聲 敏 傳 感 器 原 理 ： 音 頻 振 動 電 阻 值 變 化 。 接 觸 阻 抗 型 ： 振 動 使 得 接 觸 電 阻 發(fā) 生 變 化 。 阻 抗 變 換 型 ： 振 動 使 膜 片 變 形 應(yīng) 變 片 將 應(yīng)變 轉(zhuǎn) 化 為 電 阻 值 變 化 。4、 電 容 式 聲 覺 傳 感 器 利 用 音 頻 振 動 ， 使 膜 片 變 形 ， 引 起 電 容 大 小 的變 化 ， 將 聲 音 信 號 轉(zhuǎn) 化 為 電 信 號 ， 也 叫

58、 做 駐 極 體 話筒 。 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 二 節(jié) 機(jī) 器 人 知 覺 與 傳 感 器 語 音 系 統(tǒng) 在 服 務(wù) 、 娛 樂 型 機(jī) 器 人 中 應(yīng) 用 較 多 ；目 前 ， 由 于 可 靠 性 方 面 的 不 足 ， 在 工 業(yè) 中 應(yīng) 用 還較 少 。 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 三 節(jié) 機(jī) 器 人 信 息 識 別 、 表 達(dá) 與 融 合 1、 閾 值 法 ： 給 定 一 個 閾 值 為 界 。 2、 邊 界 測 量 法 ： 根 據(jù) 邊 界 的

59、形 狀 。 3、 特 征 法 ： 使 用 對 象 特 征 。 4、 平 均 值 法 ： 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 四 節(jié) 機(jī) 器 人 智 能6.4.1 環(huán) 境 模 型 的 描 述 基 于 實 體 模 型6.4.2 基 于 傳 感 信 息 的 規(guī) 劃 問 題 基 于 視 覺 的 路 徑 規(guī) 劃6.4.3 學(xué) 習(xí) 與 推 理 記 憶 學(xué) 習(xí) 、 示 教 學(xué) 習(xí) 、 類 推 學(xué) 習(xí)6.4.4 人 機(jī) 交 互 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 五 節(jié) 感 知 與 智 能 應(yīng)

60、用 系 統(tǒng) 實 例仿 人 機(jī) 器 人 智 能 行 走 系 統(tǒng)一 、 ZMP理 論 與 計 算 ZMP(零 矩 點 )控 制 是 目 前 應(yīng) 用 比 較 成 功 的 雙 足 機(jī)器 人 平 衡 理 論 ， 它 要 求 ZMP點 必 須 位 于 支 撐 面 內(nèi) 。 根 據(jù) 任 務(wù) 要 求 設(shè) 計 雙 足 機(jī) 器 人 結(jié) 構(gòu) ， 得 到 重 力 的大 小 ； 再 由 運 動 軌 跡 規(guī) 劃 確 定 重 力 的 位 置 和 慣 性 力 ， ；計 算 出 期 望 ZMP位 置 ， 并 進(jìn) 行 穩(wěn) 定 性 分 析 和 驗 證 ， 保證 期 望 ZMP落 入 支 撐 面 內(nèi) 。 在 建 模 和 計 算 誤 差

61、 ， 實 際 ZMP與 期 望 ZMP會 存 在一 定 誤 差 ， 可 能 會 造 成 雙 足 機(jī) 器 人 的 失 穩(wěn) 。 因 此 ， 必須 實 時 監(jiān) 控 期 望 ZMP與 實 際 ZMP的 偏 差 ， 并 進(jìn) 行 相 應(yīng)的 補 償 。 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 五 節(jié) 感 知 與 智 能 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 實 例 ZMP位 置 檢 測 需 要 六 維 力 傳 感 器 獲 取 地面 反 力 信 息 ； 另 外 ， 擺 動 腿 著 地 時 與 地 面 間的 沖 擊 力 ， 對 于 運 動 過 程 的 穩(wěn) 定 性 同 樣 起 到至

62、 關(guān) 重 要 的 作 用 。 仿 人 機(jī) 器 人 行 走 系 統(tǒng) 采 用 六 維 力 /力 矩 傳感 器 IFS-105M50A220-I63構(gòu) 成 實 際 ZMP檢測 系 統(tǒng) ， 控 制 軟 件 包 括 ： 1、 采 集 地 面 反 力 數(shù) 據(jù) 和 對 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 處理 。 2、 計 算 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 的 實 際 ZMP位 置 。 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 五 節(jié) 感 知 與 智 能 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 實 例 右 圖 為 ZMP行 走 模 型 ， 重 力 和 慣 性 力 構(gòu) 成 機(jī) 器人 的 廣 義 力 ， 廣 義

63、力 的 延 長 線 落 在 地 面 上 的 點 ， 即為 期 望 的 ZMP， 對 該 點 的 廣 義 力 矩 為 零 。 如 果 作 用 在 機(jī) 器 人 腳 底的 實 際 地 面 反 力 （ 包 括 垂 直反 力 和 摩 擦 力 ） 中 心 與 期 望的 ZMP重 合 ， 并 落 在 支 撐 面上 ， 則 對 于 機(jī) 器 人 無 翻 轉(zhuǎn) 力矩 ， 從 而 使 機(jī) 器 人 處 于 穩(wěn) 定行 走 狀 態(tài) 。 如 果 不 重 合 ， 則 存 在 翻轉(zhuǎn) 力 矩 。 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 五 節(jié) 感 知 與 智 能 應(yīng) 用 系 統(tǒng)

64、 實 例 期 望 ZMP的 位 置 可 通 過 實 際 結(jié) 構(gòu) 的 尺 寸 、質(zhì) 量 、 步 態(tài) 規(guī) 劃 進(jìn) 行 計 算 。 六 維 力 /力 矩 傳 感 器 的 最 佳 位 置 應(yīng)在 踝 關(guān) 節(jié) 以 下 ， 越 接 近 地 面 越 好 。 根 據(jù) 測 量 得 到 的 力 和 力 矩 值 ， 由 傳感 器 數(shù) 學(xué) 模 型 （ 右 圖 ） ， 可 以 計 算 出 實 際 的ZMP值 ： 0Ma)(g p mPAMFPS 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 五 節(jié) 感 知 與 智 能 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 實 例 期 望 ZMP與 實 際 ZMP

65、不 重 合 產(chǎn) 生 的 附 加 翻 轉(zhuǎn)力 矩 的 計 算 公 式 為 ： 向 廣 義 力（ 向 廣 義 力（ 向 廣 義 力（ 向 廣 義 力（ 實 際期 望 實 際期 望旋 轉(zhuǎn) 實 際期 望側(cè) 向 實 際期 望前 向 X)- Y)- Z)- Z)- ZMPZMP ZMPZMP ZMPZMP ZMPZMP YY XXT YYT XXT 參 考 上 述 公 式 ， 為 了 消 除 翻 轉(zhuǎn) 力 矩 ， 必 須 消 除期 望 ZMP與 實 際 ZMP的 偏 差 ； 因 此 ， 平 衡 策 略 為 ： 1、 改 變 機(jī) 器 人 行 走 步 態(tài) ， 改 變 實 際 ZMP的 位 置 。 2、 改 變 慣

66、 性 力 的 大 小 ， 改 變 期 望 ZMP的 位 置 。 山 東 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 機(jī) 電 工 程 研 究 所 2010/09/02 第 五 節(jié) 感 知 與 智 能 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 實 例二 、 基 于 傳 感 器 的 機(jī) 器 人 智 能 行 走 基 于 ZMP理 論 的 步 態(tài) 規(guī) 劃 在 線 調(diào) 整 可 以 有 ： 1、 根 據(jù) 傳 感 器 測 得 的 地 面 反 力 數(shù) 據(jù) ， 調(diào) 整 機(jī) 器人 行 走 步 態(tài) ， 使 ZMP期 望 值 達(dá) 到 恰 當(dāng) 的 位 置 ， 與 實際 ZMP重 合 ， 保 證 穩(wěn) 定 行 走 。 2、 根 據(jù) 傳 感 器 數(shù) 據(jù) ， 調(diào) 整 支 撐 腳 步 態(tài) ， 從 而 改變 實 際 地 面 反 力 中 心 ， 使 實 際 ZMP達(dá) 到 恰 當(dāng) 的 位 置 ，與 期 望 ZMP重 合 。 3、 根 據(jù) 傳 感 器 數(shù) 據(jù) ， 調(diào) 整 各 關(guān) 節(jié) 的 驅(qū) 動 力 矩 從而 改 變 各 桿 件 的 加 速 度 和 機(jī) 器 人 慣 性 力 的 大 小 ， 使期 望 ZMP與 實 際 ZMP重 合 ， 實 現(xiàn) 穩(wěn) 定 行 走 。