第五章机器人感觉技术

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1.3 倾角计(Inclinometer )
倾角传感器经常用于机器人系统俯仰、横滚角度的测量。
AccuStar II/DAS 20
AngleStar
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1.4 电子罗盘
电子罗盘又称数字罗盘，原理是测量地球磁场，进行机器人在水平 面内偏转角度的测量。三轴电子罗盘可以测量机器人的俯仰、横滚和偏 转(RPY)角度。
如果在使用的环境中有除了有地球以外的磁场且这些磁场无法有效 的屏蔽时，那么电子罗盘的使用就有很大的问题，这时只能考虑使用陀 螺仪来测定航向了。
HMR3500 HoneyWell电子罗盘
数据刷新频率：25Hz
航向精度：高于1°
分辨率：0.1°
RS232接口
硬铁和软铁常规磁补偿
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加速度传感器主要指标
输出方式：模拟 vs 数字 测量轴数：2轴可以满足多数要求；Rover等移动机器人需 要3轴 量程：±2g ，可以反应机器人的动态特性； ±5g ，可以适 用于存在突然加速或者急停的情况 灵敏度：一般来说，越灵敏越好 带宽：动态性能测试需要上百Hz带宽，如振动测试
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1.5 陀螺仪(gyroscope)
根据陀螺的力学性质所制成的各种功能的陀螺装置称为陀螺仪。 陀螺仪分类：压电陀螺仪、微机械陀螺仪、光纤陀螺仪、激光陀螺仪， 都是电子式的。可以和加速度计、磁阻芯片、GPS等组合，做成惯性 导航控制系统(IMU)。
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通过检测物体弹性变形测量力，如采用应变片，弹簧的变形测量力；
通过检测物体压电效应检测力；
通过检测物体压磁效应检测力；
采用电机、液压马达驱动的设备可以通过检测电机电流及液压马达 油压等方法测量力或转矩，但精度较低；
装有速度、加速度传感器的设备，可以通过速度与加速度的测量 反求作用力。
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§5-1 概述 (2)
传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电 路等组成。
被测量 敏感元件
转换元件
电信号 基本转换电路
敏感元件：直接感受被测量，并以确定关系输出某一物 理量的原件。如：弹性敏感元件可将力转换为位移或应变。
转换元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成电量。
RS232
驱动器
Universal PMAC Turbo System
CAN总线
驱动器
激光雷达
GPS模块 数字罗盘
电机
电机
传感器子系统
电机
电机
轮足驱动控制单元
髋关节(电机、减速 传感器件 电机控制器 电机驱动模块
器、编码器)
能源模块
膝关节(电机、 减速器、编码器)
跟关节(电机、减 速器、编码器)
机器人足
全景相机
后部相机
滑转检测: 视觉里程计+电机编码器
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前部相机
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§5-2 Example 2 – El-dorado II rover, Tohoku Univ. Japan
无线信号 主控计算机
数据采 集系统
直流转向 电机×4
El-Dorado II控制与传感系统
直流转向 电机×4
光电编码器
电机驱动器
光电编码器
F/T 传 USB to CAN 感器×4
模拟量 陀螺仪
侧向 URG
WiFi 设备
避障 摄像机
无线
USB
USB
路由
TCP/IP SERIAL
车载计算机
主板
NAGAI Board
USB
USB
USB to 485
LIDAR
姿态调整 电机
远心 摄像机
1. 侧向URG 2. 控制箱 3. 顶端URG 4. 姿态调整电机 5.前向避障相机 6. 编码器 7. 转向电机 8. 减速装置 9. F/T传感器 10. 远心摄像机
输出电压为:
ua
Ea 1 Ra
Cen
1 Ra
n cn
RL
RL
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c —测速发电机输出特性的斜率 RL —负载电阻 Ra —电枢电阻
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直流测速发电机的主要性能指标:
线性误差 Δ U%： 最大线性工作转速 nm
u% um 100% uam
主控 计算机
驱动车轮
三维力传 感器
踝关节
从动车轮
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§5-2 Example 4 – Wheel-soil interaction test-bed
1
8
9
10
11
2
12
3
13
4 14
5
15
6
16
7 17 18
1. 直线轴承 2. 转向电机 3. 六维F/T传感器 4. 测试车轮 5. 刮土机构 6. 前进电机 7. 扭矩传感器 8. 直线导轨 9. 同步带 10. 传动电机 11. 控制箱 12. 工控机 13. 土壤 14. 土槽 15. 配重 16. 重力补偿机构 17. 千斤顶 18. 位移传感器
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基于CPLD的正交编码脉冲处理电路：
ref-clk是参考时钟，QEP1(A)和QEP2(B)经异或后从器件qep_encode的 QEP_IN输入，输出为QEP_CLK，完成了四倍频。器件DIR_CONFIRM为方 向检测逻辑部分，送给CPLD内部的计数器，QEP_DIR则是电机的转向信号。
在要求较高定位精度时，可以采用C相。回零操作中，当回 零开关动作，且C脉冲触发时，认为到达零点。可以减小开 关带来的机械误差，将精度提高到与单个脉冲对应的数量级
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编码器实际提供的为三对差分信号C+、C-、A+、A-、B+、B-。 利用DS公司的AM26LS32构成差分电路，该电路的功能是将输入的一 对极性相反的编码器反馈信号转化为单极性的无毛刺的方波信号C、A、B 。 各路信号经HP公司的高速光电藕合器件6N137进行光电隔离，对应的 输出信号接入控制卡。
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二、速度和加速度传感器
2.1 测速发电机 (tachogenerator)
测速发电机是一种检测机械转速的电磁装置。它能利用发电机原理， 把机械转速变换成电压信号，其输出电压与输入的转速成正比关系。
根据直流电机理论，在磁极磁通量Φn为常数时，电枢感应电动势为:
Ea Cenn
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§5-3 内部传感器 (Proprioceptive Sensors)
一、位置和姿态传感器
1.1 电位器（Potentiometer）
电位器是一种典型的位置传感器，可分为直线型（测量位移） 和旋转型（测量角度）。电位器由环形或棒状电阻丝和滑片（或称 为电刷）组成。
1.2 光电编码器 (Optical encoder)
光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换 成脉冲或数字量的传感器。
光电编码器是一种在伺服控制系统中应用非常广泛的高精度的位移 传感器。通常分为增量式和绝对式两种。
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增量式光电编码器由光栅盘和光电检测装置组成。 光栅盘在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。电机旋转时， 光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检 测输出若干脉冲信号。通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反 映当前电动机的转速。
机器人技术及空间应用
第五章 机器人感觉技术简介
授课对象： 课程类型： 主 讲 人： 日 期：
本科生 学位课 丁 亮 副教授 2014年10月29日
本章内容概要
§5-1 概述 §5-2 机器人感知系统实例 §5-3 内部传感器 §5-4 外部传感器 §5-5 机器人感觉技术研究热点 §5-6 思考题
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扭矩传感器
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§5-2 Example 3 - Legged mobile robot
视觉模块
三维力传 感器
. . .
数据采集模块
PC104—USB 转换模块
USB总线
主控计算机
无线 通信 模块
RS232
外部通信子系统
无限通讯总机
PC104总线
遥控操作子系统
高速高精度多轴 运动控制器
输出电压V：
V R( ) E E
R0
360
电位器可分为导电塑料、线绕式、混 合式等滑片型和磁阻式、光标式等非接触型。
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电位器的主要性能指标：
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§5-4 外部传感器 (Exteroceptive Sensors)
一、力/力矩传感器 (Force/torque sensor)
力和力矩传感器以用来检测设备内部力或与外界环境相互作用力 和力矩为目的。力不是直接可测量的物理量，而是通过其他物理量间 接测量出来的。其测试方法包括：
基本转换电路：将由转换元件产生的电量转换成便于测 量的电信号，如电压、电流、频率、数字量等。
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§5-1 概述 (3)
传感器的常见分类方法: (1)内部传感器和外部传感器：
内部传感器是用于检测内部状态信息的传感器，包括位 置、速度、力/力矩传感器等；
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§5-1 概述
机器人通过各种传感器组成感知(Perception)系统，向 机器人提供感觉(视觉、力觉、触觉、听觉、嗅觉、味觉 等)。
操作者
人机接口
机器人系统
计算机硬件及软件
（任务规划，轨迹规划）
控制器
内部传感器 驱动器
外部传感器
执行器
环境
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顶端URG(一种激光测距传感器)和一个用于调整其姿态的伺服电机 组nge)用于反馈周围地形信息并生成 DEM数字高程图。
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§5-2 Examples - El-dorado II rover, Tohoku Univ. Japan
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qep_encode
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绝对编码器是直接输出数字量的传感器，当码盘处于不同位置时，各光 敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码 器的特点是不要计数器，利用自然二进制或格雷码（Gray码）方式进行光 电转换的，在转轴的任意位置都可 读出一个固定的与位置相对应的数字码。
外部传感器是用于检测外部对象和外部环境状态的传感 器，允许机器人相对其环境定位，包括视觉传感器、触觉、 听觉等传感器。
(2) 接触式传感器和非接触式传感器
具有多种外部传感器是先进机器人的重要标志！
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§5-2 Example 1 – MER (Mars Exploration Rovers)
最小负载电阻 RL 不灵敏区 Δn
纹波系数 Ku
应用注意事项：转速不应超过最大线性工作转速；所接 负载电阻不应小于最小负载电阻。
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2.2 加速度传感器 (Acceleration sensor)
加速度传感器用于测量机器人的动态控制信号。
加速度传感器的测量原理包括：
此外，增量式编码器是直接利用光电 转换原理输出三组信号A、B 和 C 相。A、 B 两组脉冲相位差90º，从而可方便地判断 出旋转方向；而C相为每转一个脉冲，用于 基准点定位。
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(a) 全亮 (b)半亮 (c)全暗 (d)半亮 (e)全亮
提示： 控制器或者电机驱动器(如松下伺服电机)提供A、B 相极性 设置功能，极性设置不当，会引起正反馈而导致飞车。调试 时，可以通过限制电机极限速度降低危险。
(1) 由速度测量进行推演 由于信噪比的下降，此方法难以获得满意的
测量结果。
(2) 惯性原理 基于应变仪等的加速度传感器。
(3) 物理效应 压电效应、压阻效应，电容效应，热气泡效应，光效
应等 。
压电加速度 微型IC
传感器
放大器
内装IC加速度传感器
外部信号调理器
Lance LC01内装IC压电加速度传感器原理图