【精品课件】机器人多感知技术-触觉
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机器人传感器教学课件PPT
应用：生化传感器主要用于微纳机器人和医疗机器人，并正向传统机器人领域扩展， 可以大大提高机器人对外界生化信息的感知能力。
分类：亲和型、代谢型、催化型、半导体型、生化电极传感器、光生化传感器。
•h
•19
1. 机器人传感器
（8）机器人生化传感器：
1，从1962年，Clark和Lyons最先提出生物传感器的设想距今已有40 年。生物传感器 在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深 度重视和广泛应用。
2，美国麻省理工学院视觉科学学科联合波士顿东北大学研究团队成功研制了一种触觉 传感器GelSight，比人类手指更加灵活敏感。GelSight不是以机器来辨识触觉，而 是以3D视觉实时定位物体的方位，以实现对物体的识别和传感。其最大特征在于， 最快的辨识物体的视觉信号，并马上将其转化为触觉信号。
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•8
1. 机器人传感器
（6）机器人力觉传感器：
原理：力觉传感器经常装于机器人关节处，通过检测弹性体变形来间接测量所受力。 装于机器人关节处的力觉传感器常以固定的三坐标形式出现，有利于满足控制 系统的要求。目前出现的六维力觉传感器可实现全力信息的测量，因其主要安 装于腕关节处被称为腕力觉传感器。
应用：力觉传感器可用来检测机器人自身关节力和机器人与外部环境物体之间相互作 用力。
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•11
1. 机器人传感器
（7）机器人滑觉传感器：
1，起始滑动和实际滑动是智能机器人触觉系统的重要参数，不论是装卸刚性物体还 是装卸一般不易握住的柔性材料以及易碎物品都是如此。滑觉传感器的开发对稳 定机器人装卸物尤其重要。
2，无方向型滑觉传感器：不考虑滑动的方向，只考虑滑动引起的位移和速度大小。 3，单一方向型滑觉传感器：根据手指把握物体方向的限制，只在某些特定方向感知
分类：亲和型、代谢型、催化型、半导体型、生化电极传感器、光生化传感器。
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1. 机器人传感器
（8）机器人生化传感器：
1，从1962年，Clark和Lyons最先提出生物传感器的设想距今已有40 年。生物传感器 在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深 度重视和广泛应用。
2，美国麻省理工学院视觉科学学科联合波士顿东北大学研究团队成功研制了一种触觉 传感器GelSight，比人类手指更加灵活敏感。GelSight不是以机器来辨识触觉，而 是以3D视觉实时定位物体的方位，以实现对物体的识别和传感。其最大特征在于， 最快的辨识物体的视觉信号，并马上将其转化为触觉信号。
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1. 机器人传感器
（6）机器人力觉传感器：
原理：力觉传感器经常装于机器人关节处，通过检测弹性体变形来间接测量所受力。 装于机器人关节处的力觉传感器常以固定的三坐标形式出现，有利于满足控制 系统的要求。目前出现的六维力觉传感器可实现全力信息的测量，因其主要安 装于腕关节处被称为腕力觉传感器。
应用：力觉传感器可用来检测机器人自身关节力和机器人与外部环境物体之间相互作 用力。
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1. 机器人传感器
（7）机器人滑觉传感器：
1，起始滑动和实际滑动是智能机器人触觉系统的重要参数，不论是装卸刚性物体还 是装卸一般不易握住的柔性材料以及易碎物品都是如此。滑觉传感器的开发对稳 定机器人装卸物尤其重要。
2，无方向型滑觉传感器：不考虑滑动的方向，只考虑滑动引起的位移和速度大小。 3，单一方向型滑觉传感器：根据手指把握物体方向的限制，只在某些特定方向感知
第5章机器人传感器(共61张PPT)全文编辑修改
电流变效应指液体在电场作用下,电流变流体的力学性质发生
变化甚至相变固化。这种变化是可逆的、连续无级的和可控制的。 电流变效应的这种特性使电流变流体具有广阔的工程应用前景。
培训专用
压阻阵列触觉传感器 利用压阻材料制成阵列式触觉传感器，可有效地提高阵 列数、阵列密度、灵敏度、柔顺性和强固性。
压阻阵列触觉传感器基本结构：
超声波测距误差：一是计时误差。当要求测距误差小于1mm时，若超声 波速度C=344m/s (20℃室温)，忽略声速的传播误差，时间误差 △t<(0.001/344) ≈0.000002907s ，即2.907毫秒。采用MHz级的高精度石英
晶振一般可以达到微秒量级误差。 另一个是传播速度误差。超声波传播速度受空气密度影响，空气密度越高
则超声波传播速度就越快，而空气密度又与温度有关。当温度0℃时超声波速 度是332m/s, 30℃时是350m/s，超声波速度变化为18m/s。若超声波在 30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离，测量误差达到5m，测量1m误差将达 到5mm。
培训专用
4. 红外线接近觉传感器 任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度）， 都能辐射红外线。 非接触式测量，红外发光管发射经调制的信号，经目 标物反射，红外光敏管接收到红外光强的调制信号。 具有灵敏度高，响应快等优点。
主要包括腕力、关节力、指力和支座力传感器，是机 器人重要的传感器之一。 关节力传感器:测量驱动器本身的输出力和力矩，用于
控制中的力反馈。 腕力传感器：测量作用在末端执行器上的各向力和力矩。 指力传感器：测量夹持物体手指的受力情况。
力觉传感器主要使用的元件是电阻应变片。
培训专用
六维腕力传感器 具有八个窄长的弹性梁，每个梁只传递力。 梁的另一头贴有应变片。图中从Px+到Qy-代表了8根应变梁的
变化甚至相变固化。这种变化是可逆的、连续无级的和可控制的。 电流变效应的这种特性使电流变流体具有广阔的工程应用前景。
培训专用
压阻阵列触觉传感器 利用压阻材料制成阵列式触觉传感器，可有效地提高阵 列数、阵列密度、灵敏度、柔顺性和强固性。
压阻阵列触觉传感器基本结构：
超声波测距误差：一是计时误差。当要求测距误差小于1mm时，若超声 波速度C=344m/s (20℃室温)，忽略声速的传播误差，时间误差 △t<(0.001/344) ≈0.000002907s ，即2.907毫秒。采用MHz级的高精度石英
晶振一般可以达到微秒量级误差。 另一个是传播速度误差。超声波传播速度受空气密度影响，空气密度越高
则超声波传播速度就越快，而空气密度又与温度有关。当温度0℃时超声波速 度是332m/s, 30℃时是350m/s，超声波速度变化为18m/s。若超声波在 30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离，测量误差达到5m，测量1m误差将达 到5mm。
培训专用
4. 红外线接近觉传感器 任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度）， 都能辐射红外线。 非接触式测量，红外发光管发射经调制的信号，经目 标物反射，红外光敏管接收到红外光强的调制信号。 具有灵敏度高，响应快等优点。
主要包括腕力、关节力、指力和支座力传感器，是机 器人重要的传感器之一。 关节力传感器:测量驱动器本身的输出力和力矩，用于
控制中的力反馈。 腕力传感器：测量作用在末端执行器上的各向力和力矩。 指力传感器：测量夹持物体手指的受力情况。
力觉传感器主要使用的元件是电阻应变片。
培训专用
六维腕力传感器 具有八个窄长的弹性梁，每个梁只传递力。 梁的另一头贴有应变片。图中从Px+到Qy-代表了8根应变梁的
《机器人传感器》PPT课件
二、机器人的发展史
1出了能歌善舞的伶人，这是我国 最早记载的机器人。
春秋后期，我国著名的木匠鲁班，在机械方面也是一位发明家，据《墨 经》记载，他曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下”，体现了我国 劳动人民的聪明智慧。
公元前2世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人──自动 机。它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的雕像，它可以自己开门，还 可以借助蒸汽唱歌。
到了1980年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为“机器人元 年”。随后，工业机器人在日本得到了巨大发展，日本也因此而赢得了“机 器人王国”的美称。
随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和 技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技 术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。
接触觉传感器实例
开关式触觉传感器
接触觉传感器实例
接触觉传感器实例
压阻式阵列触觉传感器
碳毡 （CSA）
碳毡（CSA）灵敏度高，具有较强的耐过载能力。缺点是有迟滞，线性差。 导电橡胶的电阻也会随压力的变化而变化，因此也常用来作为触觉传感器的敏 感材料。
接触觉传感器信号处理
对于非阵列接触觉传感器，信号的处理主要是为了感知物体 的有无。由于信息量较少，处理技术相对比较简单、成熟；
人们已经发展了具有感知、决策、行动和交互能力的智能 机器，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、 军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等。对不同任务和 特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。 这些机器人从外观上已远远脱离了最初仿人形机器人和工业机 器人所具有的形状，其功能和智能程度也大大增强，从而为机 器人技术开辟出更加广阔的发展空间。
机器人传感器及机器人应用PPT课件
机器人传感器 及机器人应用
可编辑
1
引言：
给机器人装备什么样的传感器，对 这些传感器有什么要求，这是设计 机器人感觉系统时遇到的首要问题。 选择机器人传感器应当完全取决于 机器人的工作需要和应用特点。
可编辑
2
一、机器人需要的感觉能力（1）
触觉能力：
主要指确定工作对象是否存在，以及它的尺寸大小 和形状等。
可编辑
4
二、传感器的分类
可编辑
5
1．内传感器：
内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、角速度、加速度等运动量； 倾斜角、方位角、振动等物理量。
内传感器常用于控制系统中，用作反馈 元件，检测机器人自身的状态参数。
可编辑
40
9、“爱宝” 机器狗：
可编辑
41
2019/9/19
42
可编辑
23
接触觉传感器图例：
可编辑
24
2．压觉传感器：
压觉传感器检测传感器面上受到的作用 力，它由弹性体及检测弹性位移的敏感 元件构成。用弹簧支承的平板作为机械 手的物体夹持面。在平板上加负载时， 平板发生位移，该位移量由电位器检测。 如果已知弹簧的刚性系数，则可根据位 移计的输出求出力的大小。
接近觉：
主要用于探测机器人自身与周围物体之间相对位置 或距离的传感器。接近觉界于触觉与视觉之间。
视觉：
孔、边、拐角的检测及工作对象形状的检测等。
可编辑
3
一、机器人需要的感觉能力（2）
压觉：
主要用于检测机器人与作业对象之间接 触面的法向压力值的大小。
滑觉：
可编辑
1
引言：
给机器人装备什么样的传感器，对 这些传感器有什么要求，这是设计 机器人感觉系统时遇到的首要问题。 选择机器人传感器应当完全取决于 机器人的工作需要和应用特点。
可编辑
2
一、机器人需要的感觉能力（1）
触觉能力：
主要指确定工作对象是否存在，以及它的尺寸大小 和形状等。
可编辑
4
二、传感器的分类
可编辑
5
1．内传感器：
内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、角速度、加速度等运动量； 倾斜角、方位角、振动等物理量。
内传感器常用于控制系统中，用作反馈 元件，检测机器人自身的状态参数。
可编辑
40
9、“爱宝” 机器狗：
可编辑
41
2019/9/19
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可编辑
23
接触觉传感器图例：
可编辑
24
2．压觉传感器：
压觉传感器检测传感器面上受到的作用 力，它由弹性体及检测弹性位移的敏感 元件构成。用弹簧支承的平板作为机械 手的物体夹持面。在平板上加负载时， 平板发生位移，该位移量由电位器检测。 如果已知弹簧的刚性系数，则可根据位 移计的输出求出力的大小。
接近觉：
主要用于探测机器人自身与周围物体之间相对位置 或距离的传感器。接近觉界于触觉与视觉之间。
视觉：
孔、边、拐角的检测及工作对象形状的检测等。
可编辑
3
一、机器人需要的感觉能力（2）
压觉：
主要用于检测机器人与作业对象之间接 触面的法向压力值的大小。
滑觉：
工业机器人技术基础6.6触觉传感器ppt课件
接触物体
保护罩 物体
4
柔软的电极
二、接触觉传感器
柔软的电极
柔软的绝缘体 电极
柔软的绝缘体 电极板
电极
5
三、压觉传感器
电容式压感阵列
6
三、压觉传感器
压阻式压感阵列
棒形导电橡胶
单向导电橡胶
印刷电路板 夹板
压力
电源
扫描控制信号
7
三、压觉传感器
微机电压感阵列
顶层
硅传
l2
感器
l1
底层
柔性 电路
线圈
探针
工业机器人传感器 ——触觉传感器
1
一、触觉传感器
接触 力 简单的几何信息 物体的主要几何特性 滑动状况
2
二、接触觉传感器
1）操作 a)操作
2）探测
b)探测
c3)响）应响应
3
二、接触觉传感器
橡胶层 金属薄片 增压流体
电极
弹性薄层
橡接胶触层物体 金属薄片 增压流体
保护罩 电极
物体
弹性薄层
挡光杆
光电开关
温度觉与热觉 向下接近觉
B向
指Π
B面
11
光 光电检测器
光顶发层射器霍尔器件
硅传
l2
感器
磁铁
弹性体
8
四、滑觉传感器
圆柱滚轮测头 弹簧板支撑
工手 件爪
滚轮
滑动
磁铁
磁头
（俯视图）
（前视图）
9
四、滑觉传感器
滑移 物体
软表面
绝缘体 触针
+输 出
钢球
油阻尼器
线圈 磁铁
橡胶阻尼器
输出
工业机器人-智能传感与感知ppt课件
SRI腕力传感器应变片连接方式
外部传感器
（3）距离传感器
距离传感器可用于机器人导航和回避障碍物，也可用于机器人空间内的物体进行定 位及确定其一般形状特征。
1) 超声波测距法
超声波是频间隔推算 出距离。缺点:波束较宽，其分辨力受到严重的限制，主要用于导航和回避障碍物。
定义
种类
• 移动机器（AGV） • 点焊机器人 • 弧焊机器人 • 激光加工机器人 • 真空机器人-真空中使用（半导体工业） • 洁净机器人-洁净环境使用
种类
• 移动机器（AGV）-自动移载
KUKA
种类
• 移动机器（AGV）-自动移载
平移、自转-子母轮
种类
解决方案
四大家族
ABB
KUKA
FANUC
工业机器人
人机协作
感知能力
工业机器人
人机协作
ABB-YuMi人机协作机器人
YuMi是全球首款名副其 实的人机协作机器人， 既能与人类并肩执行相 同的作业任务，又可确 保其周边区域安全无虞。 无论是手表、平板电脑 还是其他各类产品,YuMi 都能轻松处理，甚至连 穿针引线也不在话下， YuMi将彻底改变我们对 装配自动化的固有思维。
2) 滑觉传感器有滚动式和球式，还有一种通过振动检测滑觉的 传感器。物体在传感器表面上滑动时，和滚轮或环相接触， 把滑动变成转动。
外部传感器
例如振动式滑觉传感器，表面伸出的触针能和物体接触，物 体滚动时，触针与物体接触而产生振动，这个振动由压电传感器 或磁场线圈结构的微小位移计检测。
外部传感器
（2）力觉传感器
原理：三角测量法、立体视觉法等等。
多传感器数据融合
多传感器数据融合算法简介
触觉感应——【可编程积木机器人课件PPT】
悟课堂机器人教育
3、原理检验 15min 按钮帽外观的表示意(2)
紧急式按钮装有突出的、较大面积并带有标志色为橘红色的蘑菇型按钮帽，以便 于紧急操作。该按钮按动后将自锁为按动后的工作状态。
“坑妈熊孩子”按紧急按钮8次关停自动扶梯 让推着婴儿车的妈妈走楼梯_高清.mp4
悟课堂机器人教育
3、原理检验 15min 按钮帽外观的表示意(3)
悟课堂机器人教育
3、原理检验 15min 按钮帽外观的表示意义(1)
悟课堂机器人教育
为了标明各个 按钮的作用，
避免误操作， 通常将按钮帽
做成不同颜色 以示区分。
3、原理检验 15min 数控机床上的按钮站
一般用:红色表示停止和急停;绿色表示起动;黑色表示点动;蓝色表示复位;另外还有黄、白 等颜色，供不同场合使用。
指示灯式按钮则是在可透明的按钮帽的内部装有指示灯，用作按动该按钮后的工 作状态以及控制信号是否发出或者接收状态的指示。钥匙式按钮则是依据重要或 者安全的要求，在按钮帽上装有必须用特制钥匙方可打开或者接通装置的按钮。
悟课堂机器人教育
4、科学实现 25min
国际通用SOS紧急求助
国际通用SOS紧急求助：三短（红色），三长（绿色），三短（红色），一分钟后继 续重复。这里方便大家看效果，三长灯效用绿颜色，三短灯效用红颜色，一分钟用一 秒代替。
根据三原色定理，进行设置LED灯颜色。 按键的接口C,检测按键是否按下，按下的时 候是返回true，没有按下则返回一个false。
4、科学实现 25min
要点1 条件判断积木
的使用逻辑
在生活中，人们需要根据不同的条件进行不同的选择或执行不同的任务，比如天热穿
短袖，天冷穿棉衣，在这里，气温是条件，穿短袖还是棉衣是根据气温判断后的执行
3、原理检验 15min 按钮帽外观的表示意(2)
紧急式按钮装有突出的、较大面积并带有标志色为橘红色的蘑菇型按钮帽，以便 于紧急操作。该按钮按动后将自锁为按动后的工作状态。
“坑妈熊孩子”按紧急按钮8次关停自动扶梯 让推着婴儿车的妈妈走楼梯_高清.mp4
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3、原理检验 15min 按钮帽外观的表示意(3)
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3、原理检验 15min 按钮帽外观的表示意义(1)
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为了标明各个 按钮的作用，
避免误操作， 通常将按钮帽
做成不同颜色 以示区分。
3、原理检验 15min 数控机床上的按钮站
一般用:红色表示停止和急停;绿色表示起动;黑色表示点动;蓝色表示复位;另外还有黄、白 等颜色，供不同场合使用。
指示灯式按钮则是在可透明的按钮帽的内部装有指示灯，用作按动该按钮后的工 作状态以及控制信号是否发出或者接收状态的指示。钥匙式按钮则是依据重要或 者安全的要求，在按钮帽上装有必须用特制钥匙方可打开或者接通装置的按钮。
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4、科学实现 25min
国际通用SOS紧急求助
国际通用SOS紧急求助：三短（红色），三长（绿色），三短（红色），一分钟后继 续重复。这里方便大家看效果，三长灯效用绿颜色，三短灯效用红颜色，一分钟用一 秒代替。
根据三原色定理，进行设置LED灯颜色。 按键的接口C,检测按键是否按下，按下的时 候是返回true，没有按下则返回一个false。
4、科学实现 25min
要点1 条件判断积木
的使用逻辑
在生活中，人们需要根据不同的条件进行不同的选择或执行不同的任务，比如天热穿
短袖，天冷穿棉衣，在这里，气温是条件，穿短袖还是棉衣是根据气温判断后的执行
机器人传感器PPT课件
1.导电橡胶；2.金属； 12.衬底； 13.引线
05:20
第11页/共30页
人工皮肤触觉传感器的研究重点
1. 选择更为合适的敏感材料，现有的材料主要有 导电橡胶、压电材料、光纤等；
2. 将集成电路工艺应用到传感器的设计和制造中， 使传感器和处理电路一体化，得到大规模或超 大规模阵列式触觉传感器。
05:20
第28页/共30页
小结
• 概念:机器人传感器 • 问题1:简要说明机器人传感器研究历史
05:20
第29页/共30页
谢谢您的观看！
05:20
第30页/共30页
目录
• 概述 • 触觉传感器 • 接近觉传感器 • 视觉传感器 • 听觉、嗅觉、味觉及其他传感器 小结
05:20
第1页/共30页
概述
• 机器人与传感器 • 机器人传感器分类
05:20
第2页/共30页
机器人与传感器
• 机器人及机器人传感器的定义 • 机器人的发展历史
05:20
第3页/共30页
机器人及机器人传感器的定义
图像处理
景像描述
05:听觉:具有接近人耳的功能还相差很远； • 嗅觉：主要检测空气中的化学成分、浓度、等功能，主要采用气体传感器及射线传感器等。 • 味觉：对液体进行化学成分的分析。衫的味觉方法有pH计、化学分析器等。 • 其他传感器：如纯工程学的传感器，象磁传感器、安全用传感器和电波传感器等
PVF2 阵 列 式触觉传 感器
05:20
第12页/共30页
触觉传感器的工作重点
• 触觉传感器的工作重点集中在阵列式触觉传感器信号的处理上，目的是辨识接触 物体的形状。
• 这种信号的处理涉及到信号处理、图像处理、计算机图形学、人工智能、模式识 别等学科，是一门比较复杂、比较困难的技术，还很不成熟，有等于进一步研究 和发展。
机器人多感知技术-触觉0ppt课件
2019/12/22
河北工业大学机械学院
9
1.1 触觉传感器的一般要求
触觉传感器按传感原理基本上可以分为 开关式 压阻式 压电式 光电式 电容式 电磁式 其它
2019/12/22
河北工业大学机械学院
10
1.2 触觉传感器开关
开关是用于检测物体是否存在的一种最简单的 触觉制动器件。
工业上利用小型开关阵列形成一种价廉的触觉 传感器，外形大，空间分辨率低。
二值阵列触觉传感器，严重地限制触觉传感器 可提供的信息量。
2019/12/22
河北工业大学机械学院
11
1.2 触觉传感器开关
气动式触觉传感阵列
2019/12/22
河北工业大学机械学院
12
1.2 触觉传感器开关
光电开关式触觉传感阵列
2019/12/22
河北工业大学机械学院
15
1.3 压阻式阵列触觉传感器
二、压阻材料
在压阻式阵列触觉传感器中，最关键的构件是敏感材料 和电极。
理想的敏感材料应该是有高的压力动态范围，能承受较 大的过载，有柔性，重复性好，最好线性，滞后小，耐疲劳。
该领域的专家一方面探索开发新的敏感材料，另一方面在 信号处理上下功夫，取得了一些有一定实用价值的成果。
河北工业大学机械学院
27
1.5 其它类型的触觉传感器
二、电容式触觉传感器
右图安装在Utah-MIT机器 人手上的触觉传感器。
外力加到传感器表面时蜂 窝状电介质被压缩。外部导 电的弹性薄层既起保护电容 器作用，又起屏蔽作用。上 面的列电极用板固定在聚酯 薄膜片上，在弹性介质的下 方是由印刷电路板制成的行 电极。这样在上下电极的行 与列的交叉点间即可形成一 个电容。
第八章 机器人感觉技术和传感器课件
2019/9/4
15
第八章 机器人感觉技术与传感器
应变片与荷重传感器
线型电阻应变计的结构
2019/9/4
线型电阻式荷重传感器
16
2019/9/4
第八章 机器人感觉技术与传感器
静力测量
平行梁式测力计
电桥回路
17
第八章 机器人感觉技术与传感器
物性型传感器
概念：利用物质本身的某种客观性质制作 的传感器。
2019/9/4
11
第八章 机器人感觉技术与传感器
结构型传感器举例
由两个平行板组成的电容器的 电容量为：
C= εA / d 式中ε——电容极板间介质的相对 介电系数，相对于真空，ε=1； A——两平行板所覆盖的面积； d——两平行板之间的距离； C——电容量。
极板
d
电容式传感器
如果保持其中的两个参数不变而仅改变另一个参数， 就可把该参数的变化转换为电容的变化。因此，电容量 的变化的大小与被测参数的大小成比例。
《机器人原理与应用》
第八章 机器人感觉技术 与传感器
东北大学人工智能与机器人研究所
2019/9/4
1
第八章 机器人感觉技术与传感器
主要内容
8.1 感知器的相关概念 8.2 机器感觉原理、方式与过程 8.3 机器人传感器分类与选择 8.4 位移、速度与加速度传感器 8.5 触觉技术 8.6 测距技术 8.7 传感器融合
2019/9/4
14
第八章 机器人感觉技术与传感器
结构型传感器举例
光电式码盘是一种非接触性光 电传感器。
它具有测量准确度高、响应速 度快、结构简单、可靠性高和使用 寿命长等优点。
典型的光码盘有ＴＬＰ50 7Ａ， ＴＬＰ80 0等类型。
工业机器人的触觉PPT教案
第15页/共116页
图 4.6 日立自主控制机器人工作示意图
第16页/共116页
从功能上看,这种机器人具有图形识别功 能和决 策规划 功能, 前者可以识别一定的目标(如宏指 令)、装 配图纸 、多面 体等; 后者可以确定操作序列, 包括装配顺序、手部轨迹、抓取位置 等。这 样,只 要对机 器人发 出类似 于人的 表达形 式的宏 指令, 机器人则会自动考虑执行这些指令 的具体 工作细 节。该 机器人 已成功 地进行 了印刷 板检查 和晶体 管、电 动机等 装配工 作。
第3页/共116页
由视觉传感器得到的电信号, 经过A／D转换成数字信号, 称为数字图像。一般地,一个画面可以 分成25 6×256 像素、 512×512像素或1024×1024像素,像素的 灰度可 以用4 位或8位 二进制 数来表 示。一 般情况 下, 这么大的信息量对机器人系统来说是 足够的 。要求 比较高 的场合 ,还可 以通过 彩色摄 像系统 或在黑 白摄像 管前面 加上红 、绿、 蓝等滤 光器得 到颜色 信息和 较好的 反差。 如果能在传感器的信息中加入景物各点 与摄像 管之间 的距离 信息,显 然是很 有用的 。每个 像素都 含有距 离信息 的图像 , 称之为距离图像。目前,有人正在研究 获得距 离信息 的各种 办法, 但至今还没有一种简单实用的装置。
第27页/共116页
图 4.11 用接触觉阵列传感器引导随机搜索
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每一步搜索过程由三部分组成: ① 接触觉信息的获取、 量化和对象表面形心位置的估算; ② 对象边缘特征的提取和姿势估算; ③ 运动计算及执行运动。 要判定搜索结果是否满足形心对中、姿 势符合 要求,则 还可设 置一个 目标函 数, 要求目标函数在某一尺度下最优, 用这样的方法可判定对象的存在和位 姿情况 。
图 4.6 日立自主控制机器人工作示意图
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从功能上看,这种机器人具有图形识别功 能和决 策规划 功能, 前者可以识别一定的目标(如宏指 令)、装 配图纸 、多面 体等; 后者可以确定操作序列, 包括装配顺序、手部轨迹、抓取位置 等。这 样,只 要对机 器人发 出类似 于人的 表达形 式的宏 指令, 机器人则会自动考虑执行这些指令 的具体 工作细 节。该 机器人 已成功 地进行 了印刷 板检查 和晶体 管、电 动机等 装配工 作。
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由视觉传感器得到的电信号, 经过A／D转换成数字信号, 称为数字图像。一般地,一个画面可以 分成25 6×256 像素、 512×512像素或1024×1024像素,像素的 灰度可 以用4 位或8位 二进制 数来表 示。一 般情况 下, 这么大的信息量对机器人系统来说是 足够的 。要求 比较高 的场合 ,还可 以通过 彩色摄 像系统 或在黑 白摄像 管前面 加上红 、绿、 蓝等滤 光器得 到颜色 信息和 较好的 反差。 如果能在传感器的信息中加入景物各点 与摄像 管之间 的距离 信息,显 然是很 有用的 。每个 像素都 含有距 离信息 的图像 , 称之为距离图像。目前,有人正在研究 获得距 离信息 的各种 办法, 但至今还没有一种简单实用的装置。
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图 4.11 用接触觉阵列传感器引导随机搜索
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每一步搜索过程由三部分组成: ① 接触觉信息的获取、 量化和对象表面形心位置的估算; ② 对象边缘特征的提取和姿势估算; ③ 运动计算及执行运动。 要判定搜索结果是否满足形心对中、姿 势符合 要求,则 还可设 置一个 目标函 数, 要求目标函数在某一尺度下最优, 用这样的方法可判定对象的存在和位 姿情况 。
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皮肤能直接响 应接触压力、 温度和疼痛。
1.1 触觉传感器的一般要求
除了疼痛信号外，当一个稳定刺激的强度随时间减小时， 所有的神经末梢呈现出适应性。
适应性的精确率影响每种感应器的频率响应。在冷水中浸 泡几分钟后，就不会感觉到水象开始时那样冷，这是因为 发出信号的神经末梢对温度已适应。温度由两类传感器传 递，一类对“冷”起反应，另一类则对“温暖”产生反应。
机器人触觉的原型是模仿人的触觉功能，通过触觉传感器 与被识物体相接触或相互作用来完成对物体表面特征和物 理性能的感知。
第一章 触觉、滑觉传感器及人工皮肤触觉
触觉传感器采用的原理： 用弹性机械触点和压阻硅橡胶制成的触觉传感器是最
早的触觉模型， 利用受压变形的介质引起两端电极电容变化的原理； 利用可视弹性膜与物体接触引起成像的原理； 各种压电材料(PVDF、PZT等)受压后引起电荷变化的
1.1 触觉传感器的一般要求
触觉传感器按传感原理基本上可以分为 开关式 压阻式 压电式 光电式 电容式 电磁式 其它
1.2 触觉传感器开关
开关是用于检测物体是否存在的一种最简单的 触觉制动器件。
工业上利用小型开关阵列形成一种价廉的触觉 传感器，外形大，空间分辨率低。
二值阵列触觉传感器，严重地限制触觉传感器 可提供的信息量。
第一章 触觉、滑觉传感器及人工皮肤触觉
机器人触觉在机器人感觉系统中占有非常重要 的地位，它具有视觉等其他感觉无法实现的功 能。视觉借助光的作用完成，当光照受限制时， 仅靠触觉也能完成一些简单的识别功能。
更为重要的是，触觉还能感知物体的表面特征 和物理性能，如柔软性、硬度、弹性、粗糙度、 材质等，因此触觉传感器是机器人感觉系统中 最重要的研究课题之一。
覆盖皮肤表面的人体 毛发，除能保持人体 热量外，还有接近传 感器的功能：
毛发的触觉极敏感， 通过它可检测位移的 微小变化，借助毛发 腺胞周围的神经末梢 网络还可传递信号。
1.1 触觉传感器的一般要求
1.1.2 机器人触觉传感器应具备如下基本特征：
1) 传感器有很好的顺应件，并且耐磨。 2) 空间分辨率为1~2mm，这种分辨率接近人指的分辨率 (指人皮肤敏感分离两点的距离为1mm)。 3) 每个指尖有50~200个触觉单元(即5×10，10×20阵列 单元数)。 4) 触元的力灵敏度小于0.05N，最好能达到0. 01N左右。 5) 输出动态范围最好能达到1000：1。 6) 传感器的稳定性、重复性好，无滞后。 7) 输出信号单值，线性度良好。 8) 输出频响100Hz~1kHz。
新材料：各向异性的压阻材料如CSA、FSR等使得压 阻型触觉传感器的研究出现了勃勃生机。
注： CSA－碳毡
技术：微电子技术的发展，制造了高速的触觉采样与 控制电路，
1.1.1 人体触 觉敏感
人的手有易抓 住物体、操纵物 体和确定物体的 许多物理特性。
使用柔软的压阻敏感材料制作阵列触觉传感器是一个较好 的途径。
1.3 压阻式阵列触觉传感器
一、传感器结构
压阻式阵列触觉传感 器的基本结构是由相互 平行的电极构成触觉单 元的外接引线，上(行) 电极与下(列)电极相互 垂直，压阻材料放在中 间，行列电极的交叉点 定义为阵列触觉的一个 触觉单元
1.3 压阻式阵列触觉传感器
1.2 触觉传感器开关
气动式触觉传感阵列
1.2 触觉传感器开关
光电开关式触觉传感阵列
1.3 压阻式阵列触觉传感器
对于阵列触觉传感器．人们最关心的是阵列数、阵列密 度、灵敏度、柔软性、强固性等技术指标。
对于开关式触觉传感器，阵列密度难以提高。阵列数增加 时外接引线也是一个很大的问题。
利用敏感材料和硅工艺制作的阵列触觉可使阵列数及阵列 密度得到很大提高，并可减少外接引线，但缺乏应有的柔性， 很难安装到不同形状的通用应用载体(如手指)上。
使特定神经纤维活化的激励源是围绕神经未梢的隔膜，神 经未梢的形类似自由神经末梢的裸神经。如Merkel圆盘具 有扩张尖端的未梢，或如Pacinian细胞之类的压缩末梢— —影响感受器响应机械激励源的动态范围。影响机械感受 器响应的另一因素是神经末梢接触周围组织结构的方式。
1.1 触觉传感器的一般要求
(1)内体感觉系统。该系统检测诸如手足关节角、肌肉打张 和肌肉拉紧等内部参量。机器人通过这些参量间接地与外 部物体接触；
(2)外体感觉系统。该系统出于皮肤表面温度和形状的改 变而产生反应，这些参量是直接接触外部物体的结果。
1.1 触觉传感器的一般要求
外体感觉传感 器系统的神经 末梢封闭在真 皮和表皮层之 间，它由许多 特种神经末梢 构成。
这些功能都是 通过感觉特别是 触觉获得的信息 来实现的。
1.1 触觉传感器的一般要求
在机器人触觉敏感中，我们试图仿效人体触觉敏 感系统的某些功能。为此．要求掌握人体触觉敏感及 其功能的知识，但是，不可能短期内重现生物传感器 的功能。
生物系统的存在和人自身的触觉经验有助于发展 机器人触觉敏感。
人体有两种感觉系统能与外部物体接触而产生反 应：
原理；
注： PVDF－poly(vinylidene fluoride)聚偏二氟乙烯 PZT－ piezoecectric是压电的，压电陶瓷：锆钛酸铅(PbZrTiO3)
在有噪声激励的膜片上放置感压膜，当物体作用于感 压膜表面时，声阻抗发生变化的原理等。
第一章 触觉、滑觉传感器及人工皮肤触觉
触觉发展的基础：
在制作工艺上也有很大的改进：利用半导体集成工艺， 采样电路ASIC化、感压源信号直接与制作在底板上的 MOSFET（场效应晶体管）相联以获得高的输人阻抗 和较强的抗干扰能力，ASIC化采样电路使外接引线大 大减少。
注：ASIC－ (Application Specific Intergrated Circuits)专用集成电路
二、压阻材料
在压阻式阵列触觉传感器中，最关键的构件是敏感材料 和电极。
理想的敏感材料应该是有高的压力动态范围，能承受较 大的过载，有柔性，重复性好，最好线性，滞后小，耐疲劳。
1.1 触觉传感器的一般要求
除了疼痛信号外，当一个稳定刺激的强度随时间减小时， 所有的神经末梢呈现出适应性。
适应性的精确率影响每种感应器的频率响应。在冷水中浸 泡几分钟后，就不会感觉到水象开始时那样冷，这是因为 发出信号的神经末梢对温度已适应。温度由两类传感器传 递，一类对“冷”起反应，另一类则对“温暖”产生反应。
机器人触觉的原型是模仿人的触觉功能，通过触觉传感器 与被识物体相接触或相互作用来完成对物体表面特征和物 理性能的感知。
第一章 触觉、滑觉传感器及人工皮肤触觉
触觉传感器采用的原理： 用弹性机械触点和压阻硅橡胶制成的触觉传感器是最
早的触觉模型， 利用受压变形的介质引起两端电极电容变化的原理； 利用可视弹性膜与物体接触引起成像的原理； 各种压电材料(PVDF、PZT等)受压后引起电荷变化的
1.1 触觉传感器的一般要求
触觉传感器按传感原理基本上可以分为 开关式 压阻式 压电式 光电式 电容式 电磁式 其它
1.2 触觉传感器开关
开关是用于检测物体是否存在的一种最简单的 触觉制动器件。
工业上利用小型开关阵列形成一种价廉的触觉 传感器，外形大，空间分辨率低。
二值阵列触觉传感器，严重地限制触觉传感器 可提供的信息量。
第一章 触觉、滑觉传感器及人工皮肤触觉
机器人触觉在机器人感觉系统中占有非常重要 的地位，它具有视觉等其他感觉无法实现的功 能。视觉借助光的作用完成，当光照受限制时， 仅靠触觉也能完成一些简单的识别功能。
更为重要的是，触觉还能感知物体的表面特征 和物理性能，如柔软性、硬度、弹性、粗糙度、 材质等，因此触觉传感器是机器人感觉系统中 最重要的研究课题之一。
覆盖皮肤表面的人体 毛发，除能保持人体 热量外，还有接近传 感器的功能：
毛发的触觉极敏感， 通过它可检测位移的 微小变化，借助毛发 腺胞周围的神经末梢 网络还可传递信号。
1.1 触觉传感器的一般要求
1.1.2 机器人触觉传感器应具备如下基本特征：
1) 传感器有很好的顺应件，并且耐磨。 2) 空间分辨率为1~2mm，这种分辨率接近人指的分辨率 (指人皮肤敏感分离两点的距离为1mm)。 3) 每个指尖有50~200个触觉单元(即5×10，10×20阵列 单元数)。 4) 触元的力灵敏度小于0.05N，最好能达到0. 01N左右。 5) 输出动态范围最好能达到1000：1。 6) 传感器的稳定性、重复性好，无滞后。 7) 输出信号单值，线性度良好。 8) 输出频响100Hz~1kHz。
新材料：各向异性的压阻材料如CSA、FSR等使得压 阻型触觉传感器的研究出现了勃勃生机。
注： CSA－碳毡
技术：微电子技术的发展，制造了高速的触觉采样与 控制电路，
1.1.1 人体触 觉敏感
人的手有易抓 住物体、操纵物 体和确定物体的 许多物理特性。
使用柔软的压阻敏感材料制作阵列触觉传感器是一个较好 的途径。
1.3 压阻式阵列触觉传感器
一、传感器结构
压阻式阵列触觉传感 器的基本结构是由相互 平行的电极构成触觉单 元的外接引线，上(行) 电极与下(列)电极相互 垂直，压阻材料放在中 间，行列电极的交叉点 定义为阵列触觉的一个 触觉单元
1.3 压阻式阵列触觉传感器
1.2 触觉传感器开关
气动式触觉传感阵列
1.2 触觉传感器开关
光电开关式触觉传感阵列
1.3 压阻式阵列触觉传感器
对于阵列触觉传感器．人们最关心的是阵列数、阵列密 度、灵敏度、柔软性、强固性等技术指标。
对于开关式触觉传感器，阵列密度难以提高。阵列数增加 时外接引线也是一个很大的问题。
利用敏感材料和硅工艺制作的阵列触觉可使阵列数及阵列 密度得到很大提高，并可减少外接引线，但缺乏应有的柔性， 很难安装到不同形状的通用应用载体(如手指)上。
使特定神经纤维活化的激励源是围绕神经未梢的隔膜，神 经未梢的形类似自由神经末梢的裸神经。如Merkel圆盘具 有扩张尖端的未梢，或如Pacinian细胞之类的压缩末梢— —影响感受器响应机械激励源的动态范围。影响机械感受 器响应的另一因素是神经末梢接触周围组织结构的方式。
1.1 触觉传感器的一般要求
(1)内体感觉系统。该系统检测诸如手足关节角、肌肉打张 和肌肉拉紧等内部参量。机器人通过这些参量间接地与外 部物体接触；
(2)外体感觉系统。该系统出于皮肤表面温度和形状的改 变而产生反应，这些参量是直接接触外部物体的结果。
1.1 触觉传感器的一般要求
外体感觉传感 器系统的神经 末梢封闭在真 皮和表皮层之 间，它由许多 特种神经末梢 构成。
这些功能都是 通过感觉特别是 触觉获得的信息 来实现的。
1.1 触觉传感器的一般要求
在机器人触觉敏感中，我们试图仿效人体触觉敏 感系统的某些功能。为此．要求掌握人体触觉敏感及 其功能的知识，但是，不可能短期内重现生物传感器 的功能。
生物系统的存在和人自身的触觉经验有助于发展 机器人触觉敏感。
人体有两种感觉系统能与外部物体接触而产生反 应：
原理；
注： PVDF－poly(vinylidene fluoride)聚偏二氟乙烯 PZT－ piezoecectric是压电的，压电陶瓷：锆钛酸铅(PbZrTiO3)
在有噪声激励的膜片上放置感压膜，当物体作用于感 压膜表面时，声阻抗发生变化的原理等。
第一章 触觉、滑觉传感器及人工皮肤触觉
触觉发展的基础：
在制作工艺上也有很大的改进：利用半导体集成工艺， 采样电路ASIC化、感压源信号直接与制作在底板上的 MOSFET（场效应晶体管）相联以获得高的输人阻抗 和较强的抗干扰能力，ASIC化采样电路使外接引线大 大减少。
注：ASIC－ (Application Specific Intergrated Circuits)专用集成电路
二、压阻材料
在压阻式阵列触觉传感器中，最关键的构件是敏感材料 和电极。
理想的敏感材料应该是有高的压力动态范围，能承受较 大的过载，有柔性，重复性好，最好线性，滞后小，耐疲劳。