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农业机器人第04章 机器人传感技术

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农业机器人第04章 机器人传感技术 课程名称 农业机器人 任课教师 李玉柱 第4章 机器人传感技术 计划学时 3 教学目的和要求: 1. 了解机器人常用传感器的分类; 2. 了解机器人内部传感器的分类和工作原理; 3. 了解机器人外部传感器的分类和工作原理; 4. 掌握几种常见机器人用传感器的原理。 重点: 1. 机器人内部传感器的分类和工作原理; 2. 机器人外部传感器的分类和工作原理; 难点: 1. 机器人外部传感器的分工作原理(力觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器...

农业机器人第04章 机器人传感技术
课程名称 农业机器人 任课教师 李玉柱 第4章 机器人传感技术 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 学时 3 教学目的和要求: 1. 了解机器人常用传感器的分类; 2. 了解机器人内部传感器的分类和工作原理; 3. 了解机器人外部传感器的分类和工作原理; 4. 掌握几种常见机器人用传感器的原理。 重点: 1. 机器人内部传感器的分类和工作原理; 2. 机器人外部传感器的分类和工作原理; 难点: 1. 机器人外部传感器的分工作原理(力觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器、滑觉传感器、视觉传感器、听觉传感器、嗅觉传感器、味觉传感器); 思考 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 : 1. 试述传感器在机器人技术中的主要作用有哪些? 2. 机器人的内部传感器和外部传感器的作用是什么? 3. 设想一个高智能类人机器人大约会用到哪些传感器技术? 第4章 机器人传感器技术 教学主要内容: 4.1 机器人常用传感器的分类 4.2 机器人传感器的要求和选择 4.3 内部传感器(位移传感器、角数字编码器) 4.4 外部传感器(力觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器、滑觉传感器、视觉传感器、听觉传感器、嗅觉传感器、味觉传感器) 本章首先介绍了机器人常用传感器的分类,要求及选择;然后分别对机器人内部传感器和外部传感器工作原理进行了详细的介绍。 4.1 机器人常用传感器的分类 机器人的控制系统相当于人类大脑,执行机构相当于人类四肢,传感器相当于人类的五官。因此,要让机器人像人一样接收和处理外界信息,机器人传感器技术是机器人智能化的重要体现。 传感器是机器人完成感觉的必要手段,通过传感器的感觉作用,将机器人自身的相关特性或相关物体的特性转化为机器人执行某项功能时所需要的信息。根据传感器在机器人上应用的目的和使用范围不同,可分为内部传感器和外部传感器。 内部传感器用于检测机器人自身状态(如手臂间角度、机器人运动工程中的位置、速度和加速度等);外部传感器用于检测机器人所处的外部环境和对象状况等,如抓取对象的形状、空间位置、有没有障碍、物体是否滑落等。 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 4-1 机器人用内、外传感器分类 传感器 检测内容 检测器件 应用 位置 位置、角度 电位器、直线感应同步器 角度式电位器、光电编码器 位置移动检测 角度变化检测 速度 速度 测速发电机、增量式码盘 速度检测 加速度 加速度 压电式加速度传感器 压阻式加速度传感器 加速度检测 触觉 接触 把握力 荷重 分布压力 多元力 力矩 滑动 限制开关 应变计、半导体感压元件 弹簧变位测量器 导电橡胶、感压高分子材料 应变计、半导体感压元件 压阻元件、马达电流计 光学旋转检测器、光纤 动作顺序控制 把握力控制 张力控制、指压控制 姿势、形状判别 装配力控制 协调控制 滑动判定、力控制 接近觉 接近 间隔 倾斜 光电开关、LED、红外、激光 光电晶体管、光电二极管 电磁线圈、超声波传感器 动作顺序控制 障碍物躲避 轨迹移动控制、探索 视觉 平面位置 距离 形状 缺陷 摄像机、位置传感器 测距仪 线图像传感器 画图像传感器 位置决定、控制 移动控制 物体识别、判别 检查,异常检测 听觉 声音 超声波 麦克风 超声波传感器 语言控制(人机接口) 导航 嗅觉 气体成分 气体传感器、射线传感器 化学成分探测 味觉 味道 离子敏感器、PH计 4.2 机器人传感器的要求和选择 机器人传感器的选择取决于机器人工作需要和应用特点,对机器人感觉系统的要求时选择传感器的基本依据。 机器人传感器的选择的一般要求: · 精度高、重复性好; · 稳定性和可靠性好; · 抗干扰能力强; · 重量轻、体积小、安装方便。 4.3 内部传感器 4.3.位移传感器 按照位移的特征,可分为线位移和角位移。 线位移是指机构沿着某一条直线运动的距离,角位移是指机构沿某一定点转动的角度。 (1)电位器式位移传感器 电位器式位移传感器由一个线绕电阻(或薄膜电阻)和一个滑动触点组成。其中滑动触点通过机械装置受被检测量的控制。当被检测的位置量发生变化时,滑动触点也发生位移,从而改变了滑动触点与电位器各端之间的电阻值和输出电压值,根据这种输出电压值的变化,可以检测出机器人各关节的位置和位移量。如图4-1所示,在载有物体的工作台下面有同电阻的触头,当工作台左右移动时,接触触头也随之左右移动,从而改变了与电阻接触的位置。检测的是以电阻中心为基准位置的移动距离。假定输入电压为E,最大移动距离为L,在可动触头从中心向左端只移动x的状态时,电阻右侧的输出电压与电阻的长度成比例,也就是 因此可移动的距离x为: (4-1) 把图中的电阻元件弯成弧形,可动触头的另一端固定在圆的中心,并向时针那压扁那个回转时,电阻值随相应的回转角变化而变化,基于上述同样的理论可以构成角度传感器。如图4-2所示这种电位计由环状的电阻器和与其一边电气接触一边旋转的电刷共同组成。当电流沿电阻器流动时,形成电压分布。如果这个电压制作成与角度成比例的形式,则从电刷上提取出的电压值,也与角度成比例。 (2)直线型感应同步器 直线感应同步器的组成结构如图4-3所示。它由定尺和滑尺组成。定尺和滑尺间保证与一定的间隙,一般为0.25mm左右。在定尺上用铜箔制成单项均匀分布的平面连续绕组,滑尺上用铜箔制成平面分段绕组。绕组和基板之间有一厚度为0.1mm的绝缘层,在绕组的外面也有一层绝缘层,为了防止静电感应,在滑尺的外边还粘贴一层铝箔。定尺固定在设备上不动,滑尺则可以再定尺表面来回移动。 感应同步器的工作原理是基于电磁感应的原理,导体运动切割磁力线会产生感应电动势,处于交变磁场中的导体也会产生感应电动势。如果将一个通有交流电的单匝线圈,与另一个单匝线圈靠的很近,后者就会产生一个感应电动势。图4-5是感应感应同步器工作原理图。从图中可知,它由定尺和动尺组成,在定尺和动尺上有印刷绕组。定尺为单相绕组,相距 ,构成正弦、余弦绕组。当在动尺的某个绕组上加一个频率为 的交流电压励磁时,定尺绕组就会产生感应电动势,感应电动势的大小与动、定绕组的相对位置有关。当动尺励磁组与定尺绕组对齐时(图中正弦绕组),定尺上感应电动势感应电动势为正向最大;动尺相对定尺移动1/4节距后,两绕组的磁通不变,感应电动势为0;再移动1/4节距,两绕组反向对齐,感应电动势为负向最大。依次类推,动尺每移动一个节距,感应电动势大小周期性地重复变化一次。由于当正弦绕组和定尺绕组对齐时,余弦绕组则错开1/4节距,因此正、余弦绕组励磁后在定尺绕组中产生的感应电动势的相位是不同的,相位相差 。 当分别给动尺两绕组加频率和幅值相同、但相位相差 的交流励磁电压,即 。同样可以证明,定尺绕组的感应电动势为: (4-2) 式中 —与动尺位移x相对应的电角度, ; —动尺、定尺绕组的耦合系数。 由此看出,根据定尺绕组感应电动势的相位 就可以测定动尺的位移。 (3)圆形感应同步器 圆形感应同步器的基本结构如图4-6所示。圆形感应同步器主要用于测量角位移。它由钉子和转子两部分组成。在转子上分布着连续绕组,绕组的导片是沿圆周的径向分布的。在定子上分布着两相扇形分段绕组。定子和转子的截面构造与直线型同步器是一样的,为了防止静电感应,在转子绕组的表面粘贴一层铝箔。 4.3.2 角数字编码器 角数字编码器又称码盘,它是测量轴角位置和位移的方法之一,它具有很高的精确度、分辨率和可靠性。根据监测方法不同,角数字编码器又可以分为光学式、磁场式和感应式。一般来说,普通型的分辨率能达到 的程度,高精度型的编码器其分辨率可以达到 的程度。 1. 光学编码器 光学编码器是一种应用广泛的角位移传感器,其分辨率完全能够满足机器人的技术要求。这种非接触传感器可分为绝对型和增量型。对绝对型编码器,只要把电源加到用这种传感器的系统中,编码器就能给出实际的线性或旋转位置。因此,用绝对型编码器装备的机器人不需要校准,只要一通电,控制器就知道关节的位置。而增量型编码器只能提供与某基准点对应的位置信息。所以用增量型编码器的机器人在获得真实位置的信息以前,必须首先完成校准程序。 2. 磁电感应式速度传感器 磁电感应式速度传感器利用导体和磁场发生相对运动而产生感应电动势,是一种磁电能量变换型传感器。不需要供电电源,电路简单,性能稳定,输出阻抗小且频率响应范围广,通常用于振动、转速、扭矩等测量。 (4)绝对速度传感器 绝对速度传感器,图4-11为国产CD-1型绝对速度传感器的结构图。途中磁钢6借铝架5固定在壳体4内,并通过壳体形成磁回路。线圈2和阻尼环3安装在芯杆2上,芯杆用弹簧1和8支承在壳体内,构成传感器的活动部分。当传感器的壳体与振动物体一起振动时,如振动的频率较高,由于芯杆组件的质量很大,故产生的惯性力也大,可以阻止芯杆随壳体一起运动。当振动频率高到一定程度时,可以认为芯杆组件基本不动,只是壳体随被测物体振动。这时,线圈以物体的振动速度切割磁力线而在线圈两端产生感应电压。并且线圈输出的电压与线圈相对可替代运动速度成正比。当振动速度高到一定程度时,线圈与壳体的相对速度就是被测振动物体的绝对速度。 (5)测速发电机 4.3.3 加速度传感器 电动式速度传感器的结构如图4-14所示,它由轭铁。永久磁铁、线圈及支承弹簧所组成。由电磁感应定律可知,穿过线圈的磁通量随时间变化时,在线圈两端将产生与磁通量中减少速率成正比的电压U,可表示为: 如果线圈沿着与磁场垂直的方向运动,在线圈中便可产生与线圈速度成正比的感应电压,通过测量电路测得其电压的大小,便可得出速度的大小。 (2)压电式加速度传感器 它也称为压电式加速度计,他是利用压电效应制成的一种加速度传感器。常见的结构形式有基于压电元件厚度变形的压缩式加速度传感器、基于压电元件剪切变形的剪切式和复合型加速度传感器。本节介绍压缩式加速度传感器,其工作原理如图4-15所示。它主要由压电元件4、质量块3.预压弹簧2、基座6及外壳1等部分组成。压电元件置于基座上用弹簧将压电块压紧。测量加速度时,由于被测物体与传感器固定在一起,所以当被测物体做加速度运动时,压电元件也就受到质量块由于加速运动而产生的与加速度成正比的惯性力F,压电元件由于压电效应的原因而产生电荷q,由牛顿第二定律知: F=ma 由于q=dijF 所以q=dijma dij—压电系数 压缩式传感器输出的电压为U=q/C 若传感器中电容C不变,则有 U= dijma/C 由上可知,输出电压U是加速度a的函数,测得输出电压U就可以知道a的大小。 4.4机器人外部传感器 4.4.1 力或力矩传感器 机器人在工作时,需要有合理的握力,握力太小或太大都不合适。 力或力矩传感器的种类很多,有电阻应变片式、压电式、电容式、电感式以及各种外力传感器。力或力矩传感器通过弹性敏感元件将被测力或力矩转换成某种位移量或变形量,然后通过各自的敏感介质把位移量或变形量转换成能够输出的电量。机器人常用的力传感器分以下三类。 i. 装在关节驱动器上的力传感器,称为关节传感器。它测量驱动器本身的输出力和力矩。用于控制中力的反馈。 ii. 装在末端执行器和机器人最有一个关节之间的力传感器,称为腕力传感器。它直接测出作用在末端执行器上的力和力矩。 iii. 装在机器人手爪指(关节)上的力传感器,称为指力传感器,它用来测量夹持物体时的受力情况。 图4-16所示是20世纪70年代美国斯坦福大学研制的机器人用六维力和力矩传感器。这种传感器的力和力矩敏感元件是应变片,装在铝制筒体上,筒体由8个简支梁(弹性梁)支持。由于机器人各个杆件通过关节连接在一起,运动时各杆件相互联动,所以单个杆件的受力情况非常复杂。但是根据刚体力学知道,刚体上每个点的力都可以表示为笛卡尔坐标系三个坐标轴的分力和绕坐标轴的分力矩,就能计算出合力。在图4-16所示的力和力矩传感器上,8个梁中有4个水平梁和4个垂直梁,每个梁发生的应变集中在梁的一端,把应变片贴在应变最大处就可以测出一个力。设8个弹性梁测出的应变为 机器人杆件某点的力与用力和力矩测出的8个应变关系为: F—被测点在笛卡尔坐标空间中的受力矩阵 kij—比例系数(i=1~6,j=1~8) 4.4.2 触觉传感器 人的触觉包括接触觉、压觉、力觉、冷热觉、滑动觉、痛觉等。 在机器人中,使用触觉传感器主要有三方面的作用: i. 使操作动作使用,如感知手指同对象物之间的作用力,便可判定动作是否适当,还可以用这种力作为反馈信号,通过调整,使给定的作业程序实现灵活的动作控制。这一作用是视觉无法代替的。 ii. 识别操作对象的属性,如规格、质量、硬度等,有时可以代替视觉进行一定程度的形状识别,在视觉无法使用的场合尤为重要。 iii. 用以躲避危险、障碍物等以防事故,相当于人的痛觉。 如图4-17所示,触头安装在机器人的手指上,用来判断工作中各种状况。用接近觉可感知物体在附近,手臂减慢速度接近物体;用压觉控制握力。如果物件较重,则靠滑觉来检测滑动,修正设定的握力来滑动;靠力觉控制与被测物体重量和转矩相应的力,或举起或移动物体,另外,力觉在旋紧螺母、轴与孔的嵌入等装配工作中也有广泛的应用。 图4-18所示为一些典型的触觉传感器,其中(a)所示为平板上安装着多点通断的感觉附着板装置。这一传感器平常为通态,当与物体接触时,弹簧收缩,上、下板间电流断开。它的功能相当于一开关,即输出0或1两种信号。可以用于控制机械手的运动方向和范围、躲避障碍物等。 (b)所示为采用海绵中含碳的压敏电阻传感器,每个元件呈圆筒状。上下有电极,元件周围用海绵包围。其触觉的工作原理是:元件上加压力时,电极间隔缩小,从而使电极间的电阻值发生变化。 (c)所示是使用压敏导电橡胶的触觉结构。采用压敏橡胶的触觉,与其他元件相比,其元件可以减薄。其中可按装高密度的触觉传感器。另外,因为元件本身有弹性,所以,在实用与封装方面都有许多优点。可是,由于导电橡胶有磁滞与相应延迟,接触电阻的阻差也大,因此,要想获得实际的应用,还必须做更大的努力。 (d)所示为能进行高敏度触觉封装的触觉元件。在接点与赋有导电性的石墨之间留一定间隙,加外力时,碳纤维纸与氨基甲酸乙酯泡沫产生如图所示的变形,接点与碳纤维纸之间形成导通状态,触觉的复原力是由富有弹性与绝缘性的海绵体氨基甲酸乙酯造成的。这种触觉,以极小的力工作,能进行高密度的封装。 (e)~(i)为采用斯坦福研究所研制的导电橡胶制成的触觉传感器。这种传感器与以往的传感器一样,都是利用两个电极的接触。其中图4-18(f)触觉部分,有相当于人的头发突起,一旦物体与突起接触,它就会变形,夹住绝缘体的上下金属称为导通的结构。这是以往的传感器所不具备的功能。 (j)所示的触觉传感器原理为:与手指接触进行实际操作时,触觉中除与接触面垂直的作用力外,还有平行的滑动作用力。人们以提高触觉传感器接触压力灵敏度作为研制这种传感器的主要目的。用铍青铜箔覆盖手指表面,通过它与手指间或者手指与绝缘体之间的导通来检测触觉。 4.4.3 接近觉传感器 接近觉是指机器人能感觉到距离几毫米到十几厘米远的对象物或障碍物,能检测出物体的距离、相对倾角或对象物表面的性质。这就是非接触式感觉。 (1)电磁接近式传感器 电磁接近式传感器是利用当线圈与某一金属物接近时会产生磁场的原理,这个磁场接近金属物时,会在金属物中产生感应电流,也就是涡流。涡流大小随对象物体表面和线圈距离的大小而变化,这个变化反过来又影响线圈内磁场的强度。磁场强度可用另一组线圈检测出来,也可以根据励磁线圈本身电感的变化或励磁电流的变化来检测。这种传感器精度较高,在工业中应用广泛。 (2)电容式接近觉传感器 电容式接近觉传感器的工作原理可用下式说明: (4-22) —极板面积 —极板间距离 —相对介电常数 —真空介电常数 —电极板间介质的介电常数 由式(4-22)可知电容的变化反映了极板间“距离的变化”即反应了传感器表面与对象物体表面间距离的变化。将这个电容接在电桥电路中,或者把它当做RC振荡器中的元件,都可检测出距离。 (3)超声波传感器 超声波传感器一般采用双压电陶瓷片制成。在压电陶瓷片上加有大小和方向不断变化的交流电压时,压电陶瓷晶片就会产生机械变形,这种机械变形的大小和方向与外加电压的大小和方向成正比。也就是说,在压电陶瓷片上加有频率为 的交流电压,它就会产生同频率的机械振动,这种振动推动空气等媒质就会发出声波。如果在压电陶瓷片上有超声机械波的作用,这将产生机械变形,这种机械变形是与超声机械波一致的。机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。 当所用压电材料不变时,改变压电陶瓷晶片的几何尺寸,就可非常方便地改变其固有频率,利用这一特性可制成各种频率的超声波传感器。超声波传感器的外形与结构如图4-24所示。超声波传感器由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成。其中,压电陶瓷晶片是传感器的核心,锥形辐射喇叭使发射和接收超声波的能量集中,并使传感器有一定的指向角。金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损害,同时金属网不影响发射与接收超声波。 4.4.4 滑觉传感器 机器人要抓住属性未知的物体时,必须确定自己最适当的握力目标值,因此需检测出握力不够时所产生的物体滑动。利用这一信号,在不损坏物体的情况下,牢牢抓住物体。为此目地设计的滑动检测器,叫做滑觉传感器。 检测滑动的方法有以下几种: i. 根据滑动时产生的振动检测,如图4-25(a)所示。 ii. 把滑动的位移变成转动,检测其角位移,如图4-25(b)所示。 iii. 根据滑动时手指与对象物体间动静摩擦力来检测,4-25(c)所示。 iv. 根据手指压力分布的改变来检测,4-25(d)所示。 图4-26所示是一种测振式滑觉传感器。传感器尖端用一个 的钢球接触被握物体,振动通过杠杆传向磁铁,磁铁的振动在线圈中感应电流并输出。在传感器中设有橡胶阻尼圈和油阻尼器。滑动信号能清楚地从噪声中分离出来。但其检测头需要直接与对象物接触,在握持类似于圆柱体的对象物时,就必须准确选择握持位置,否则就不能起到检测滑觉的作用;而其接触为点接触,可能因造成接触压力过大而损坏对象表面。 图4-27所示的柱型滚轮式滑觉传感器比较实用。小型滑轮安装在机器人手指上,其表面稍突出于手指表面,使物体的滑动变成滚动。滚轮表面贴有高摩擦因数的弹性物质,一般用橡胶薄膜。也弄个板型弹簧将滚轮固定,可以使滚轮与物体紧密接触,并使滚轮不产生纵向位移,滚轮内部装有发光二极管和光电三极管,通过圆盘形光栅把光信号转变为脉冲信号。 滚轮式传感器只能检测一个方向的滑动。图4-28所示为南斯拉夫贝尔格莱德大学研制的机器人专用滑觉传感器。它由一个金属球和触针组成,金属表面分成许多个相间排列的导电和绝缘小格。触针头很细,每次只能触及一格,。当工件滑动时,金属球也随之转动,在触针上输出脉冲信号。脉冲信号的频率反映了滑移速度,脉冲信号的个数对应滑移的距离。接触器触头面积小于球面上露出的导体面积,它不仅可做的很小,而且提高了检测灵敏度。球与被握物体相接触,无论滑动方向如何,只要球一转动,传感器就会产生脉冲输出。该球体在冲击力作用下不转动,因此抗干扰能力强。 4.4.5 视觉传感器 每个人都能体会到,眼睛对人来说多么重要。有研究表明,视觉获得的信息占人对外界感知信息的80%。人类视觉细胞数量的数量级大约为106,时听觉细胞的300多倍,时皮肤感觉细胞的100多倍。 人工视觉系统可以分为图像输入(获取)、图像处理、图像理解、图像存储和图像输出几个部分,如图4-31所示。实际系统可以根据需要选择其中的若干部件。 4.4.5.1 图像的获取 图像的获取实际上是将被测物体的可视化图像和内在特征转换成能被计算机处理的一系列数据、它主要由照明、图像聚焦成像、图像处理形成输出信号三部分组成。 ① 照明 是影响机器视觉系统输入的主重要因素,因为它直接影响输入数据的质量和至少30%的应用效果。由于没有通用的机器视觉照明设备,所有选择相应的照明装置,以达到最佳效果。 ② 图像成像聚焦 被测物的图像通过一个透镜聚焦在敏感元件上,机器视觉系统使用传感器来捕捉图像,传感器可将可视化图像转化为电信号,便于计算机处理。 ③ 图像处理形成输出信号 机器视觉系统实际上是一个光电转换装置,即将传感器所收到的透镜成像,转化为计算机能处理的电信号。近年来开发了CCD(电荷耦合器件)和MOS(金属氧化物半导体器件)等组成的固体视觉传感器。 4.4.5.2 图像处理技术 机器视觉系统中,视觉信息的处理技术主要依赖于图像处理方法,它包括图像增强、数据编码和传输、平滑、边缘锐化、分割、特征抽取、图像识别与理解等内容。经过这些处理后,输出图像的质量得到相当程度的改善,既改善了图像的数据效果,又便于计算机对图像进行分析、处理和识别。 ① 图像的增强 图像的增强用于调整图像的对比度,突出图像中的重要细节,改善视觉质量。通常采用灰度直方图修改技术进行图像增强。 ② 图像的平滑 图像的平滑处理技术即图像的去噪声处理,主要是为了去除实际成像过程中,因成像设备和环境所造成的图像失真,提取有用信息。 ③ 图像的数据编码和传输 图像的信息量巨大,因此图像在传输过程中,对图像数据的压缩显得十分重要,数据的压缩主要通过图像数据的编码和变换压缩完成。图像的编码一般用预测公式表示,如果知道了某一像素的前面各相邻像素值之后,可以用公式预测该像素值。采用预测码,一般只需传输图像数据的起始值和预测误差,因此可将8bit/像素压缩到2bit/像素。 ④ 边缘锐化 图像边缘锐化处理主要是加强图像中的轮廓边缘和细节,形成完整的物体边界,达到将物体从图像中分离出来或将表示同一物体表面的区域检测出来的目的。 ⑤ 图像的分割 图像分割时将图像分成若干份,每一部分对应于某一物体的表面。在进行分割时,每一部分的灰度或纹理符合某一种均匀测度度量。其本质是将像素分类。分类的依据是像素的灰度值、颜色、频谱特性、空间特性或纹理特征等。 4.4.5.3 图像的识别 图像的识别过程实际上可以看做是一个标记过程,即利用识别算法来辨别景物中已分割好的各个物体,给这些物体赋予特定的标记,它是机器视觉系统必须完成的一个任务。按照图像识别从易到难,可分为三类问题。第一类识别问题中,图形中的像素表达来某一物体的某种特定信息。如遥感图像中的某一像素代表地面某一位置第五的一定光谱波段的反射特性,通过它即可判别该地物的种类。第二类问题中,待识别物体是有形的整体,二维图像信息已经足够识别该物体,如文字识别、某些具有稳定可视表面的三维物体识别等。第三类问题是由输入的二维图、要素图等,得出被测物体的三维表示。 4.4.4.5 固体电荷耦合成像器件(CCD) 4.4.6 听觉传感器 智能机器人在为人类服务的时候,需要能听懂主人的吩咐,需要给机器人安装耳朵,首先分析人耳的构造。 声音是由不同频率的机械振动波组成,外界声音使外耳鼓产生振动,中耳将这种振动放大、压缩和限幅、并抑制噪声。经过处理的声音传送到中耳的听小骨,再通过卵圆窗传到内耳耳蜗,由柯蒂氏器、神经纤维进入大脑。内耳耳蜗充满液体,其中有30000各长度不同的纤维组成的基底膜,它是一个共鸣器。长度不同的纤维能听到不同频率的声音,因此内耳相当于一个声音分析器。智能机器人的耳朵首先要具有接受声音信号的器官,其次还需要语音识别系统。 在机器人中常用的声音传感器主要有动圈式传感器和光纤声传感器 ① 动圈式传感器 原理:线圈贴于振膜上并悬于两磁极之间,声波通过空气使振膜振动,从而导致线圈在两极间运动,产生磁力线,产生微弱的感应电流,该电流信号与声波的频率相同。 ② 光纤声传感器 光纤声传感器有两种类型,一种是利用光纤传输光的相位变化和利用传输光的传输损耗等特性制成的传感器,另一种是将光纤只作为传输手段的声传感器。光纤声听器是典型的光纤声传感器。 双光纤传感器原理如图4-37所示。传感器由两根单模 光纤组成,分光器将激光器发出的光束分为两束光,分别作为信号光和参考光。信号光射入绕成螺旋状的作为敏感臂的光纤中。在声波的作用下,敏感臂中的激光束的相位发生变化,而与另一路作为参考臂光纤的传出的激光束产生相位干涉,光检测器将这种干涉转换成与声压成比例的电信号。作为敏感臂的光纤绕成螺旋状,其目的是增大光与声波的作用距离。 4.4.7 嗅觉传感器 气体传感器在防灾报警、环境保护、汽车工业等方面得到广泛的应用。但是,单个气敏传感器虽然能有效地利用于某些场合,但是它们存在选择性、稳定性、一致性等方面的问题,尤其在环境的适应性方面远逊于某些生物的嗅觉系统。 ① 生物嗅觉系统 嗅觉是一种化学感觉,是生物的嗅觉系统对散布于空气中的物质产生的一种生理反应。图4-38给出了嗅觉膜的结构和嗅觉的信号传入中枢系统的通路。嗅细胞受到刺激后产生感受器电位并导致嗅神经的轴突进入一个嗅小球,与25个左右的僧帽细胞的树突相连。仅仅从数字上看,也可以看出这种神经结构对基本的神经做了高度整合,从而提供巨大的计算能力和很强的容错能力。然后僧帽细胞通过嗅觉把处理后的信号直接或间接的传到脑的有关区域,在那儿进行进一步的整合,产生嗅觉的基本反应和更复杂的条件反射。值得一提的是,从嗅小球到大脑皮层,嗅觉系统的敏感度提高了3个数量级以上。正是生物嗅觉系统的这种复杂的结构保证了其灵敏性、选择性、适应性和条件反射等更高层次上的反应。 ② 人工嗅觉系统 常见的人工嗅觉系统一般由气敏传感器阵列和分析处理器构成。如图4-39所示。从功能上讲,气敏传感器阵列相当于生物嗅觉系统中彼此重叠的嗅细胞,数据处理器和智能解释器相当于生物的大脑,分析处理器相当于生物的脑细胞,其余部分相当于嗅神经信号传递系统,嗅觉模拟系统在以下几个方面模拟了生物的嗅觉功能。 阵列检测:将性能彼此重叠的多个气敏传感器组成阵列,模拟人鼻中的大量嗅感受器细胞,通过精密测试电路,得到对气味的瞬时敏感。 数据处理:气敏传感器的响应经滤波、A/D转换器后,将对研究对象而言的有用成分和无用成分加以分离,得到多维有用的响应信号。 ③ 嗅觉传感器阵列 气敏传感器按敏感材料类型主要有化学电阻型和质量型两大类。前者包括金属氧化物半导体(MOS)和有机聚合物膜(Ploymer),后者主要石英晶振(QMB)与声表面波(SAW)。 金属氧化物半导体传感器阵列装置 如图4-40所示,常用的金属氧化物有 等,其中大多数都被Pt,Au,Rh,Pd等稀有金属掺杂成为某些气体有选择性敏感响应的金属氧化物半导体,即所谓选择性气体敏感膜材料。例如,SnO2半导体传感器的表面敏感层与空气接触时,空气中的氧分子靠电子亲和力捕获敏感层表面上的自由电子而吸附在SnO2表面上,从而在晶界上形成一个壁垒,限制了电子流动,导致器件的电阻增加,使SnO2表面带负电。当传感器被加热到一定温度并与CO和H2等还原性气体接触时,还原性气体与SnO2表面的吸附氧发生化学反应,降低了势垒高度,使电子容易流动,从而降低了器件阻值。SnO2半导体传感器就是根据输出的电压变化来检测特定气体的。 电子鼻 由气体传感器阵列、信号处理电路、模式识别系统和输出设备组成。从功能上讲,气体传感器阵列相当于生物嗅觉系统中的大量嗅感受器细胞,智能解释器相当于生物的大脑,其余部分则相当于嗅神经信号传递系统,电子鼻系统至少在以下方面模拟了人的嗅觉功能。 将性能彼此重叠的多个气体传感器组成阵列,模拟人鼻内的大量嗅感受器细胞,借助于精密测试电路,得到对气味瞬时的敏感的阵列检测器。 气体传感器的响应经滤波、A/D转换后,将对研究对象而言的有用成分和无用成分加以分离,得到多维有哦那个响应信号的数据处理器。 利用多元数据统计分析方法、神经网络方法和模糊方法,将多维响应信号转换为感官评定指标值或组成成分的浓度值,得到被测气味定性分析结果的智能解释器。图4-41是电子鼻原理图。 电子比重常用的模式识别方法是统计模式识别的方法和人工智能的方法,前者常用的是主成分分析和聚类分析,后者常用的是人工神经网络方法。 4.4.8 味觉传感器 味觉是指酸、咸、甜、苦、鲜等人类味觉器官的感觉。酸味是由氢离子引起的。比如盐酸、氨基酸、柠檬酸;咸味主要是由NaCl引起的;甜味主要由蔗糖、葡萄糖等引起的,苦味是由奎宁、咖啡因等引起的;鲜味是由海藻中的谷氨酸钠、鱼和肉中的肌酐酸二钠、蘑菇中的鸟苷酸二钠等引起的。 在人类的味觉系统中,舌头表面味蕾上的味觉细胞的生物膜可以感受味觉。味觉物质被转换为电信号,经神经纤维传至大脑。味觉传感器与传统的、只检测某种特殊的化学物质的化学传感器不同。目前某些传感器可以实现对味觉的敏感,如PH计可以用于酸度检测、导电计可用于碱度检测、比重计或屈光度计可用于甜度检测等。但这些传感器智能检测味觉溶液的某些物理、化学特性,并不能模拟实际的生物味觉敏感功能,测量的物理值要受到非味觉物质的影响。此外,这些物理特性还不能反应各味觉之间的关系,如抑制效应等。 实现味觉传感器的一种有效方法是使用类似于生物系统的材料做传感器的敏感膜,电子舌是用类脂膜作为味觉传感器,能够以类似人的味觉感受方式检测味觉物质。从不同的机理看,味觉传感器大致分为多通道类脂膜技术、基于表面等离子体共振技术、表面光伏电压技术等,味觉模式识别是由最初神经网络模式发展到混沌识别。混沌是一种遵循一定非线性规律的随机运动,它对初始条件敏感,混沌识别具有很高的灵敏度,因此应用越来越广。目前较典型的电子舌系统有新型味觉传感器芯片和SH—SAW味觉传感器。 2 新型味觉感觉芯片 美国Texas大学研制的新型传感器芯片能对溶液中多种成分做到并行、实时检测,兵并且可对检测结果进行量化。传感器的结构是将化学传感器固定在一个微机械加工平台上,图4-44所示为Texas味觉传感器阵列框图。基于荧光信号变化的蓝色发光二极管在比色系统中采用白光作为高能激发源,荧光检测时用滤光片滤掉激发光源波长;位于微机械平台下的CCD用来采集数据。在硅片表面用微机械加工刻槽,敏感球固定在槽中,控制蚀刻过程使得槽底部呈透光性。调整光通过敏感球和底部后投射到CCD探测器上,光信号的变化分析可有CCD探测器和计算机完成。合成敏感球的直径50~100 ,当微环境发生变化时尺寸也变化。为了分析这种变化,采用体和平面微机械技术装配“微型测试管”可以很好的固定敏感球。用传统微机械工艺在硅表面形成金字塔形状的蚀刻槽,放入出境敏感球,用透明盖子固定在上面。在槽的顶部加光照,在底部用CCD光探测器接收。通过CCD光探测器和识别程序判断光的变化,敏感味觉物质。 ② SH—SAW味觉传感器 这种传感器由8种和味觉相对应的液膜能够把味道的强弱转变成一个电动势信号,并且用单一输出信号方式来响应不同气味含量。 但是薄膜不能有选择性的对每种味觉进行相应,所以只能通过多通道传感器来感知基本味道。 思考题: 1. 试述传感器在机器人技术中的主要作用有哪些? 2. 机器人的内部传感器和外部传感器的作用是什么? 3. 设想一个高智能类人机器人大约会用到哪些传感器技术? 20 6 _1311611316.unknown _1312600720.unknown _1312642252.unknown _1312642325.unknown _1312650819.unknown _1312788975.unknown _1312805572.unknown _1312658060.unknown _1312642400.unknown _1312642275.unknown _1312641891.unknown _1312642132.unknown _1312609779.unknown _1311612340.unknown _1312545972.unknown _1311612339.unknown _1311608103.unknown _1311611120.unknown _1311611313.unknown _1311611314.unknown _1311611315.unknown _1311611134.unknown _1311611105.unknown _1311581597.unknown _1311606945.unknown _1311581579.unknown
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分类:工学
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