1、第六章第六章 機器人傳感器機器人傳感器 6.1 .1 概述概述 6.2 6.2 內部傳感器內部傳感器 6.3 6.3 視覺傳感器視覺傳感器 6.4 6.4 測距傳感器測距傳感器 6.5 6.5 力覺傳感器力覺傳感器 6.6 6.6 觸覺傳感器觸覺傳感器No.36.1 6.1 概述概述 一、傳感器的基本概念一、傳感器的基本概念 二、智能機器人及其傳感器系統二、智能機器人及其傳感器系統 三、傳感器的分類與作用三、傳感器的分類與作用 No.41 1、傳感器的定義、傳感器的定義2 2、傳感器的組成傳感器的組成3 3、傳感器的主要指標傳感器的主要指標4 4、傳感器的應用、傳感器的應用一、傳感器的基本概念

2、一、傳感器的基本概念No.5一、傳感器的基本概念一、傳感器的基本概念No.61、傳感器的定義一、傳感器的基本概念一、傳感器的基本概念 傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉換成另一種信息的裝置。換成另一種信息的裝置。 物理量物理量電量電量 目前，傳感器轉換后的信號大多為電信號。目前，傳感器轉換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉換成電信號的裝置。號轉換成電信號的裝置。No.71、傳感器的定義 傳感器是一種按一定的精確度、規律將被測量（物理的、化學的和生物的信息）轉換成與之有確定關系的

3、、便于應用的某種物理量（通常是電量）的測量裝置。它是自動控制系統（機器人）必不可少的關鍵部分。一、傳感器的基本概念一、傳感器的基本概念No.82、傳感器的組成一、傳感器的基本概念一、傳感器的基本概念測試系統的組成測試系統的組成No.92、傳感器的組成敏感元件轉換元件基本轉換電路被測量電信號一、傳感器的基本概念一、傳感器的基本概念傳感器的組成傳感器的組成No.10 敏感器件的作用是感受被測物理量，并對信號敏感器件的作用是感受被測物理量，并對信號進行轉換輸出。輔助器件則是對敏感器件輸出的電進行轉換輸出。輔助器件則是對敏感器件輸出的電信號進行放大、阻抗匹配，以便于后續儀表接入。信號進行放大、阻抗匹配

4、，以便于后續儀表接入。 dV一、傳感器的基本概念一、傳感器的基本概念2、傳感器的組成No.113、傳感器的主要指標靈敏度靈敏度量程量程精度精度溫漂溫漂時漂時漂一、傳感器的基本概念一、傳感器的基本概念No.123、傳感器的主要指標靈敏度靈敏度 傳感器輸出的變化量與引起該變化傳感器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比，它反映了傳感器量的輸入變化量之比，它反映了傳感器對被測量的敏感程度。對被測量的敏感程度。 如果是線性傳感器，則靈敏度就是如果是線性傳感器，則靈敏度就是靜態特性曲線的斜率：靜態特性曲線的斜率：一、傳感器的基本概念一、傳感器的基本概念xyKNo.133、傳感器的主要指標靈敏度靈敏度

5、 如果是呈曲線關系，則靈敏度就是如果是呈曲線關系，則靈敏度就是該靜態特性曲線的導數：該靜態特性曲線的導數： 一、傳感器的基本概念一、傳感器的基本概念dxdySNo.143、傳感器的主要指標量程量程 量程是指傳感器適用的測量范圍。量程是指傳感器適用的測量范圍。 每個傳感器都有其測量范圍，如超每個傳感器都有其測量范圍，如超出其測量范圍將不可靠，甚至損壞傳感出其測量范圍將不可靠，甚至損壞傳感器。器。一、傳感器的基本概念一、傳感器的基本概念No.153、傳感器的主要指標精度精度 精度是指傳感器在其測量范圍內任一點的輸精度是指傳感器在其測量范圍內任一點的輸出值與其理論值的偏離程度。精度還可以通過出值與其

6、理論值的偏離程度。精度還可以通過非非線性、遲滯、重復性線性、遲滯、重復性來表示。來表示。 精度反映了傳感器測量的可靠程度，根據最精度反映了傳感器測量的可靠程度，根據最大引用誤差劃分為大引用誤差劃分為7個精確度等級：個精確度等級：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、5.0級。級。一、傳感器的基本概念一、傳感器的基本概念No.163、傳感器的主要指標精度精度非線性非線性 一、傳感器的基本概念一、傳感器的基本概念 在采用直線擬合線性化時，輸出輸入的校正曲線與其在采用直線擬合線性化時，輸出輸入的校正曲線與其擬合曲線之間的最大偏差，就稱為非線性誤差或線性度擬合曲線之間的最大偏差，就稱

7、為非線性誤差或線性度 非線性偏差的大小是以一定的擬合直線為基準直線非線性偏差的大小是以一定的擬合直線為基準直線而得出來的。擬合直線不同，非線性誤差也不同。所以，而得出來的。擬合直線不同，非線性誤差也不同。所以，選擇擬合直線的主要出發點，應是獲得最小的非線性誤選擇擬合直線的主要出發點，應是獲得最小的非線性誤差。另外，還應考慮使用是否方便，計算是否簡便。差。另外，還應考慮使用是否方便，計算是否簡便。直線擬合方法 a)理論擬合 b)過零旋轉擬合 c)端點連線擬合 d)端點連線平移擬合No.183、傳感器的主要指標精度精度遲滯遲滯 一、傳感器的基本概念一、傳感器的基本概念0yxHmaxyFS遲滯特性

8、傳感器在在標定過程中加傳感器在在標定過程中加載輸出與卸載輸出之間的不載輸出與卸載輸出之間的不重合性稱為遲滯重合性稱為遲滯。遲滯特性。遲滯特性如圖所示，它一般是由實驗如圖所示，它一般是由實驗方法測得。遲滯誤差一般以方法測得。遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分數表示滿量程輸出的百分數表示, ,即即%100/2/1maxFSHHy式中 Hmax正反行程間輸出的最大差值No.193、傳感器的主要指標精度精度重復性重復性 一、傳感器的基本概念一、傳感器的基本概念y0Rmax2Rmax1重復性是指傳感器在輸入按重復性是指傳感器在輸入按同一方向連續多次變動時所同一方向連續多次變動時所得特性曲線不一致的程度得特性

9、曲線不一致的程度。重復性誤差可用正反行程的最重復性誤差可用正反行程的最大偏差表示，即大偏差表示，即%100/maxFSRRyRmax1正行程的最大重復性偏差， Rmax2反行程的最大重復性偏差。No.203、傳感器的主要指標溫漂溫漂 溫漂指溫度變化對傳感器輸出所產生的溫漂指溫度變化對傳感器輸出所產生的影響，它是由影響，它是由溫度零漂溫度零漂和和靈敏度溫漂靈敏度溫漂兩項兩項指標來表示的。指標來表示的。一、傳感器的基本概念一、傳感器的基本概念No.213、傳感器的主要指標時漂時漂 時漂是指衡量傳感器長期穩定性的指標，時漂是指衡量傳感器長期穩定性的指標，一般是測量時間內傳感器零點輸出變化的一般是測量

10、時間內傳感器零點輸出變化的最大值，然后計算出單位時間內與滿量程最大值，然后計算出單位時間內與滿量程輸出相比的百分比。輸出相比的百分比。一、傳感器的基本概念一、傳感器的基本概念No.224、傳感器的應用一、傳感器的基本概念一、傳感器的基本概念倉儲模型倉儲模型機械手機械手No.23a)機械手、機器人中的傳感器機械手、機器人中的傳感器 轉動轉動/移動位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽移動位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。嗅覺傳感器。 密歇根大學的機械手裝配模型密歇根大學的機械手裝配模型

11、廣州中鳴數碼的機器狗廣州中鳴數碼的機器狗4、傳感器的應用、傳感器的應用No.24b) AGV自動送貨車自動送貨車 超聲波測距傳感器、判斷超聲波測距傳感器、判斷建筑物內人和物所在位置；建筑物內人和物所在位置；紅外線色彩傳感器運動軌跡和紅外線色彩傳感器運動軌跡和AGV小車位置小車位置識別；條形識別；條形碼傳感器，碼傳感器，貨品識別。貨品識別。香港理工香港理工AGV模型模型4、傳感器的應用、傳感器的應用No.25c）、樓宇控制與安全防護）、樓宇控制與安全防護 為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工作環境，并能保證系統運行的經濟性和管理的智能化。在

12、作環境，并能保證系統運行的經濟性和管理的智能化。在樓宇中應用了多種傳感器，進行如闖入監測、空氣監測、樓宇中應用了多種傳感器，進行如闖入監測、空氣監測、溫度監測、電梯運行狀況等相關測試。溫度監測、電梯運行狀況等相關測試。 圖示為某公司樓宇自動化系圖示為某公司樓宇自動化系統。該系統分為：電源管理、統。該系統分為：電源管理、安全監測、照明控制、空調安全監測、照明控制、空調控制、停車管理、水控制、停車管理、水/廢水管廢水管理和電梯監控。理和電梯監控。煙霧傳感器亮度傳感器紅外人體探測器4、傳感器的應用、傳感器的應用No.26d）、家庭與辦公自動化）、家庭與辦公自動化 在家電產品和辦公自動化產品設計中，人

13、們大量的應用在家電產品和辦公自動化產品設計中，人們大量的應用了傳感器來提高產品性能和質量。了傳感器來提高產品性能和質量。全自動洗衣機中的傳感器：全自動洗衣機中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質傳衣物重量傳感器，衣質傳感器，水溫傳感器，水質感器，水溫傳感器，水質傳感器，透光率光傳感器傳感器，透光率光傳感器(洗凈度洗凈度)， 液位傳感器，液位傳感器，電阻傳感器電阻傳感器(衣物烘干檢衣物烘干檢測測)。指紋傳感器指紋傳感器透光率傳感器透光率傳感器溫濕度傳感器溫濕度傳感器溫度傳感器溫度傳感器4、傳感器的應用、傳感器的應用No.27鼠標鼠標:光電位移傳感器光電位移傳感器攝象頭攝象頭:CCD傳感器傳感器聲位筆聲

14、位筆:超聲波傳感器超聲波傳感器軟驅軟驅:速度速度,位置伺服位置伺服e）、）、PC機中的傳感器應用機中的傳感器應用4、傳感器的應用、傳感器的應用No.28f）、其他應用）、其他應用航天航天農業農業交通交通醫學醫學4、傳感器的應用、傳感器的應用No.29g）、傳感器的發展趨勢方面）、傳感器的發展趨勢方面 1) 利用新發現的材料和新發現的生物、物理、化學利用新發現的材料和新發現的生物、物理、化學效應開發出的新型傳感器效應開發出的新型傳感器光纖流速傳感器光纖流速傳感器熒光材熒光材料制作料制作的電子的電子鼻傳感鼻傳感器器生物酶血樣分析傳感器生物酶血樣分析傳感器熱熱/光光電量電量4、傳感器的應用、傳感器的

15、應用No.302) 傳感器傳感器+嵌入式計算機嵌入式計算機 智能傳感器智能傳感器 振動網絡傳感器振動網絡傳感器嵌入式計算機嵌入式計算機智能壓力網絡智能壓力網絡傳感器傳感器智能智能傾角傾角RS232RS232傳感器傳感器IC總線數字溫度總線數字溫度傳感器傳感器4、傳感器的應用、傳感器的應用g）、傳感器的發展趨勢方面）、傳感器的發展趨勢方面 No.31 二、智能機器人及其傳感器系統機器人的運動和傳感器系統的作用機器人的運動和傳感器系統的作用No.32三、 傳感器的分類與作用 內內部部傳傳感感器器用途用途機器人的精確控制。機器人的精確控制。檢測的信息檢測的信息位置、角度、速度、加速度、姿態、方向、傾

16、斜、力等。位置、角度、速度、加速度、姿態、方向、傾斜、力等。所用的傳感器所用的傳感器微動開關、光電開關、差動變壓器、編碼器微動開關、光電開關、差動變壓器、編碼器(直線和旋轉式直線和旋轉式)、電、電位計、旋轉變壓器、測速發電機、加速度計，陀螺、傾角傳感位計、旋轉變壓器、測速發電機、加速度計，陀螺、傾角傳感器、力傳感器器、力傳感器(力和力矩力和力矩)等。等。外外部部傳傳感感器器用途用途了解工件、環境或機器人在環境中的狀態。了解工件、環境或機器人在環境中的狀態。檢測的信息檢測的信息工件和環境工件和環境(形狀、位置、范圍、重量、姿態、運動、速度等形狀、位置、范圍、重量、姿態、運動、速度等)，機器人與環

17、境機器人與環境(位置、速度、加速度、姿態等位置、速度、加速度、姿態等)。所用的傳感器所用的傳感器視覺傳感器、圖象傳感器視覺傳感器、圖象傳感器(CCD、攝像管等、攝像管等)、光學測距傳感器、光學測距傳感器、超聲測距傳感器、觸覺傳感器等。超聲測距傳感器、觸覺傳感器等。末末端端執執行行器器傳傳感感器器用途用途對工件的靈活、有效的操作。對工件的靈活、有效的操作。檢測的信息檢測的信息非接觸非接觸(間隔、位置、姿態等間隔、位置、姿態等)、接觸、接觸(接觸、障礙檢測碰撞檢測接觸、障礙檢測碰撞檢測等等)、觸覺、觸覺(接觸覺、壓覺、滑覺接觸覺、壓覺、滑覺)、夾持力等。、夾持力等。所用的傳感器所用的傳感器光學測距

18、傳感器、超聲測距傳感器、電容傳感器、電磁感應傳光學測距傳感器、超聲測距傳感器、電容傳感器、電磁感應傳感器、限位傳感器、壓敏導電橡膠、彈性體加應變片等。感器、限位傳感器、壓敏導電橡膠、彈性體加應變片等。No.33三、 傳感器的分類與作用 內部傳感器內部傳感器速度、角速速度、角速度傳感器度傳感器加速度加速度傳感器傳感器位置、角位置、角度傳感器度傳感器力力/力矩力矩傳感器傳感器其他其他光光電電開開關關霍霍爾爾傳傳感感器器電電位位計計光光電電碼碼盤盤磁磁柵柵傳傳感感器器旋旋轉轉變變壓壓器器加加速速度度計計其其他他增增量量編編碼碼器器脈脈沖沖發發電電機機 測測速速發發電電機機 角角加加速速度度計計其其他

19、他彈彈性性梁梁應應變變片片其其他他姿姿態態傳傳感感器器慣慣性性傳傳感感器器其其他他限限位位開開關關No.34三、 傳感器的分類與作用 外部傳感器外部傳感器視視覺覺傳傳感感器器力力覺覺傳傳感感器器觸觸覺覺傳傳感感器器測測距距傳傳感感器器其其它它No.35三、 傳感器的分類與作用 末端執行器傳末端執行器傳感器感器接近覺接近覺(測距測距)傳傳感器感器觸覺觸覺傳感器傳感器其其 它它No.366.2 6.2 內部傳感器內部傳感器 一、電位器一、電位器 二、測速發電機二、測速發電機 三、光學編碼器三、光學編碼器No.37電位器（1）6.2 6.2 內部傳感器內部傳感器No.38多圈電位器多圈電位器直線滑動

20、式電位器直線滑動式電位器6.2 6.2 內部傳感器內部傳感器優點：優點：可變的函數關系；可變的函數關系；輸出信號范圍大；輸出信號范圍大；失電信號不變；失電信號不變；性能穩定性能穩定薄膜電位傳感器薄膜電位傳感器No.39電位器（1）旋轉型電位器的基本結構旋轉型電位器的基本結構 00360360RRRVEER6.2 6.2 內部傳感器內部傳感器No.40按制作方式：按制作方式：線繞電位器線繞電位器導電塑料電位器導電塑料電位器普通塑料基底普通塑料基底導電導電材料粉材料粉6.2 6.2 內部傳感器內部傳感器No.41變阻器式傳感器產品變阻器式傳感器產品6.2 6.2 內部傳感器內部傳感器No.42電位

21、器（2）磁阻式電位器結構6.2 6.2 內部傳感器內部傳感器優點：優點：壽命長；壽命長；分辨率高；分辨率高；轉矩小；轉矩小；響應速度快響應速度快No.43測速發電機直流測速發電機的結構圖直流測速發電機的結構圖6.2 6.2 內部傳感器內部傳感器ddEt No.44測速發電機6.2 6.2 內部傳感器內部傳感器No.45光電鼠標就是利用光電鼠標就是利用LEDLED與光敏晶體管組合來測量位移。與光敏晶體管組合來測量位移。光學編碼器（1）6.2 6.2 內部傳感器內部傳感器No.46光學編碼器（1）6.2 6.2 內部傳感器內部傳感器No.47光學編碼器（1）6.2 6.2 內部傳感器內部傳感器 輸

22、出量與光柵盤轉角的函數關系為：輸出量與光柵盤轉角的函數關系為：12cos2mpVVVn 由輸出的變化次數來測量轉角：由輸出的變化次數來測量轉角：No.48光學編碼器（2）增量式光電編碼器增量式光電編碼器6.2 6.2 內部傳感器內部傳感器No.49光學編碼器（2）增量式光電編碼器增量式光電編碼器6.2 6.2 內部傳感器內部傳感器No.50光學編碼器（2）增量式光電編碼器增量式光電編碼器6.2 6.2 內部傳感器內部傳感器No.51光學編碼器（3）絕對編碼器6.2 6.2 內部傳感器內部傳感器No.52光學編碼器（2）增量式光電編碼器增量式光電編碼器6.2 6.2 內部傳感器內部傳感器No.5

23、36.6.3 3 視覺視覺傳感器傳感器No.546.6.3 3 視覺視覺傳感器傳感器手持轎車風擋玻璃的機器人涂膠(激光視覺裝配)系統手持轎車風擋玻璃的機器人涂膠(激光視覺裝配)系統No.556.6.3 3 視覺視覺傳感器傳感器 一、視覺傳感器系統的硬件組成一、視覺傳感器系統的硬件組成 二、數字圖象處理方法二、數字圖象處理方法 三、視覺傳感器的應用三、視覺傳感器的應用 四、計算機視覺中的距離信息獲四、計算機視覺中的距離信息獲 取技術簡述取技術簡述No.566.6.3 3 視覺視覺傳感器傳感器美國機器人工業協會對美國機器人工業協會對機器視覺下的定義為：機器視覺下的定義為：“機器視覺是通過光學機器視

24、覺是通過光學的裝置和非接觸的傳感的裝置和非接觸的傳感器自動地接收和處理一器自動地接收和處理一個真實物體的圖像，以個真實物體的圖像，以獲得所需信息或用于控獲得所需信息或用于控制機器人運動的裝置制機器人運動的裝置”。 No.576.6.3 3 視覺視覺傳感器傳感器攝象頭攝象頭:CCD傳感器傳感器美國DVT公司推出新一代Machine Vision在線全自動檢測系統Smartlmage Sensor（智能成像傳感器）。該產品將CCD攝像頭、微處理器、存貯器、數字I/O集為一體，具有全自動在線檢測產品表面質量（缺損和瑕疵）、在線非接觸測量（距離、角度、坐標）、圖樣識別、讀取條碼等功能。 識別型陪伴型機

25、器人在愛知萬博會上亮相識別型陪伴型機器人在愛知萬博會上亮相No.586.6.3 3 視覺視覺傳感器傳感器omron視覺傳感器視覺傳感器f210 omron高性能視覺傳感器高性能視覺傳感器f250 banner視覺傳感器視覺傳感器p4 ce01.3 omron視覺識別裝置視覺識別裝置f231 omron視覺傳感器視覺傳感器f270 No.59一、視覺傳感器系統的硬件組成一、視覺傳感器系統的硬件組成No.60一、視覺傳感器系統的硬件組成一、視覺傳感器系統的硬件組成No.61 CCD自自1970年問世以后，由于它的年問世以后，由于它的低噪聲等特點，低噪聲等特點，CCD圖象傳感器廣泛圖象傳感器廣泛的被

26、應用在微光電視攝像、信息存儲和的被應用在微光電視攝像、信息存儲和信息處理等方面。信息處理等方面。 固體視覺圖象傳感器由固體視覺圖象傳感器由光敏元件陣光敏元件陣列列和和電荷轉移器件電荷轉移器件集合而成。它的核心集合而成。它的核心是是電荷轉移器件電荷轉移器件CTD(Charge Transfer Device),最常用的是最常用的是電荷耦合器件電荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)。 一、視覺傳感器系統的硬件組成一、視覺傳感器系統的硬件組成No.62 CCD是由若干個電荷耦合單元組成，該單元的結是由若干個電荷耦合單元組成，該單元的結構如圖所示。構如圖所示。CCD的最小單元

27、是在的最小單元是在P型（或型（或N型）硅型）硅襯底上生長一層厚度約為襯底上生長一層厚度約為120nm的的SiO2，再在，再在SiO2層層上依次沉積鋁電極而構成上依次沉積鋁電極而構成MOS的電容式轉移器。將的電容式轉移器。將MOS陣列加上輸入、輸出端，便構成了陣列加上輸入、輸出端，便構成了CCD。 CCD CCD固態視覺圖像傳感器固態視覺圖像傳感器No.63 在半導體硅片上按線陣或面陣排列在半導體硅片上按線陣或面陣排列MOSMOS單元，單元，如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，則這些光敏元上就會感生出一幅與光照強度像，則這些光敏元上就會感生出一

28、幅與光照強度相對應的光生電荷圖像。相對應的光生電荷圖像。 CCD CCD固態視覺圖像傳感器固態視覺圖像傳感器No.6401111100光敏管光敏管陣列陣列并聯串聯轉換器運算電路顯示電路結束信號驅動脈沖CCD CCD CCD固態視覺圖像傳感器固態視覺圖像傳感器No.65 特點特點:(1) 非接觸檢測非接觸檢測;(2) 響應快響應快;(3) 可靠性高可靠性高,為修簡便為修簡便;(4) 測量精度高測量精度高;(5) 體積小體積小,重量輕重量輕; 容易與計算機連接容易與計算機連接(6) 對被測物體需要強光照射對被測物體需要強光照射;(7) 受被測物體以外的光的影響受被測物體以外的光的影響. 應用:(1

29、) 寬度測量; (2) 外徑測量; (3) 主軸徑向跳動測量. 條形碼掃描器條形碼掃描器 CCD CCD固態視覺圖像傳感器固態視覺圖像傳感器No.66數碼相機數碼相機 CCD CCD固態視覺圖像傳感器固態視覺圖像傳感器No.67一、視覺傳感器系統的硬件組成一、視覺傳感器系統的硬件組成自動對焦自動對焦自調光圈自調光圈自調視野自調視野No.68一、視覺傳感器系統的硬件組成一、視覺傳感器系統的硬件組成圖象處理機舉例 No.69二、數字圖象處理方法二、數字圖象處理方法 1、圖像的輸入、圖像的輸入 對于對于CCDCCD攝像機，圖象的輸入是通過攝像機，圖象的輸入是通過外加驅動脈沖，依次將各像元的耦合電荷外

30、加驅動脈沖，依次將各像元的耦合電荷移出，經放大和移出，經放大和A/DA/D轉換，轉換為轉換，轉換為4 48 8位位的數字信息并輸入到圖象處理機或計算機。的數字信息并輸入到圖象處理機或計算機。 No.70二、數字圖象處理方法二、數字圖象處理方法 1、圖像的輸入、圖像的輸入 2、圖象校正處理、圖象校正處理 電視攝像機的白色圖象噪聲，可以用連續攝電視攝像機的白色圖象噪聲，可以用連續攝影的數幅圖象作加法平均來減輕。影的數幅圖象作加法平均來減輕。 如果圖象的對比度有些偏差、反差不夠，靠如果圖象的對比度有些偏差、反差不夠，靠對比度變換處理能把圖象擴展到適當的對比度范圍。對比度變換處理能把圖象擴展到適當的對

31、比度范圍。 對光學系統的失真可以用映射變換等方法將對光學系統的失真可以用映射變換等方法將圖象進行重構，這個變換可如下表示：圖象進行重構，這個變換可如下表示：xyababXYccNo.71二、數字圖象處理方法二、數字圖象處理方法 1、圖像的輸入、圖像的輸入 2、圖象校正處理、圖象校正處理 3 3、濾波、濾波 濾波處理既是指圖象上某個空間的濾波處理既是指圖象上某個空間的運算處理。運算處理。 線性濾波器線性濾波器g x ya f xiyjijimjn( , )(,) 1111No.72二、數字圖象處理方法二、數字圖象處理方法 1、圖像的輸入、圖像的輸入 2、圖象校正處理、圖象校正處理 3 3、濾波、

32、濾波 如果強調對象物體的棱線、輪廓作成如果強調對象物體的棱線、輪廓作成線條抽出，有如下兩種方法：線條抽出，有如下兩種方法： No.73二、數字圖象處理方法二、數字圖象處理方法 1、圖像的輸入、圖像的輸入 2、圖象校正處理、圖象校正處理 3 3、濾波、濾波 4 4、特征化、特征化 根據狀況變更坐標掃描的場所和順序的根據狀況變更坐標掃描的場所和順序的處理方法，叫做處理方法，叫做圖像的特征化方法圖像的特征化方法。 從圖象處理到識別處理稱為從圖象處理到識別處理稱為模式識別模式識別。No.74三、視覺傳感器的應用三、視覺傳感器的應用 1.圖象目視檢查圖象目視檢查No.75三、視覺傳感器的應用三、視覺傳感

33、器的應用 1.圖象目視檢查圖象目視檢查 2. 2.視覺定位視覺定位座椅裝配系統煙箱立體倉煙箱立體倉庫碼垛庫碼垛/拆垛拆垛生產線生產線No.76三、視覺傳感器的應用三、視覺傳感器的應用 1.圖象目視檢查圖象目視檢查 2. 2.視覺定位視覺定位 3. 3.零件識別零件識別 No.77三、視覺傳感器的應用三、視覺傳感器的應用 1.圖象目視檢查圖象目視檢查 2. 2.視覺定位視覺定位 3. 3.零件識別零件識別 4. 4.視覺伺服視覺伺服汽車加工業中機器人汽車加工業中機器人 焊縫跟蹤焊縫跟蹤 No.78三、視覺傳感器的應用三、視覺傳感器的應用 1.圖象目視檢查圖象目視檢查 2. 2.視覺定位視覺定位

34、3. 3.零件識別零件識別 4. 4.視覺伺服視覺伺服 5. 5.移動機器人的導航移動機器人的導航利用圖像識別，跟隨預先登利用圖像識別，跟隨預先登記者的記者的“ApriAttenda” No.79四、計算機視覺中的距離信息獲四、計算機視覺中的距離信息獲 取技術簡述取技術簡述 1.直接法和間接法直接法和間接法 2. 2.主動法和被動法主動法和被動法 3. 3.單目法和多目法單目法和多目法1.立體視差法；移動攝象機法立體視差法；移動攝象機法(間接、被動、三角法間接、被動、三角法)2.幾何光學聚焦；紋理梯度法幾何光學聚焦；紋理梯度法 (間接、主動、三角法間接、主動、三角法)3.結構光法結構光法 (間

35、接、主動、三角法間接、主動、三角法)4.光強法光強法 (間接、主動、單目法間接、主動、單目法)5.簡單三角測距簡單三角測距 (直接、主動、三角法直接、主動、三角法)6.超聲測距，渡越時間法激光超聲測距，渡越時間法激光測距測距 (直接、主動、單目直接、主動、單目)No.806 6. .4 4 測距測距傳感器傳感器 一、機器人測距傳感器的一、機器人測距傳感器的作用作用 二、機器人測距傳感器的二、機器人測距傳感器的原理原理 與應用與應用No.81一、機器人測距傳感器的作用一、機器人測距傳感器的作用 1.1.發現前方障礙物，限制機器人發現前方障礙物，限制機器人的運動范圍，以避免與障礙物發生的運動范圍，

36、以避免與障礙物發生碰撞；碰撞；2.2.在接觸對象物前得到必要的信在接觸對象物前得到必要的信息，如與物體的相對距離，相對傾息，如與物體的相對距離，相對傾角，以便為后續動作做準備角，以便為后續動作做準備; ;3.3.獲取對象物表面各點間的距離，獲取對象物表面各點間的距離，從而得到有關對象物表面形狀的信從而得到有關對象物表面形狀的信息。息。 No.82一、機器人測距傳感器的作用一、機器人測距傳感器的作用VoyagerII“旅行家”智能地面移動機器人教學研究競賽平臺 No.83二、機器人測距傳感器的原理與應用二、機器人測距傳感器的原理與應用 1.1.接觸式傳感器接觸式傳感器 2. 2.感應式測距傳感器

37、感應式測距傳感器 3. 3.電容式測距傳感器電容式測距傳感器 4. 4.超聲測距傳感器超聲測距傳感器 5. 5.光電式測距傳感器光電式測距傳感器 6. 6.氣壓式測距傳感器氣壓式測距傳感器 7. 7.微波和無線電波測距傳感器微波和無線電波測距傳感器No.841.1.接觸式傳感器接觸式傳感器觸須傳感器的結構及應用觸須傳感器的結構及應用No.851.1.接觸式傳感器接觸式傳感器接觸棒式傳感器接觸棒式傳感器No.862.2.感應式測距傳感器感應式測距傳感器 (1)(1)電磁感應測距傳感器電磁感應測距傳感器電磁感應測距傳感器永久磁鐵磁力線的變化電磁感應測距傳感器永久磁鐵磁力線的變化 No.872.2.

38、感應式測距傳感器感應式測距傳感器 (1)(1)電磁感應測距傳感器電磁感應測距傳感器（a）電磁感應測距傳感器輸出與相對運動速度的關系）電磁感應測距傳感器輸出與相對運動速度的關系（b）傳感器輸出與傳感器和外界物體距離的關系）傳感器輸出與傳感器和外界物體距離的關系No.88電感式接近傳感器（金屬）電感式接近傳感器（金屬）No.89原理原理: :渦流效應渦流效應 (2)(2)電渦流測距傳感器電渦流測距傳感器No.902.2.感應式測距傳感器感應式測距傳感器 (2)(2)電渦流測距傳感器電渦流測距傳感器No.912.2.感應式測距傳感器感應式測距傳感器 (2)(2)電渦流測距傳感器電渦流測距傳感器弧焊機

39、器人弧焊機器人No.922.2.感應式測距傳感器感應式測距傳感器 (3)(3)霍爾效應測距傳感器霍爾效應測距傳感器No.933.3.電容式測距傳感器電容式測距傳感器 前面所述感應式測距傳感器僅能檢前面所述感應式測距傳感器僅能檢測導體或鐵磁性材料，電容式測距傳感測導體或鐵磁性材料，電容式測距傳感器能夠檢測任何固體和液體材料。器能夠檢測任何固體和液體材料。 這類傳感器通過檢測外界物體靠近這類傳感器通過檢測外界物體靠近傳感器所引起的電容變化來反映距離信傳感器所引起的電容變化來反映距離信息。電容式傳感器最基本的元件是由一息。電容式傳感器最基本的元件是由一個參考電極和敏感電極所組成的電容，個參考電極和敏

40、感電極所組成的電容，外界物體靠近傳感器時，引起這個電容外界物體靠近傳感器時，引起這個電容的變化。的變化。No.94電容式接近開關電容式接近開關振蕩電路振蕩電路被測物體被測物體 感應電極感應電極被測電容被測電容測量頭構成電容器的一個極板，測量頭構成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當物體另一個極板是物體本身，當物體移向接近開關時，物體和接近開移向接近開關時，物體和接近開關的介電常數發生變化，使得和關的介電常數發生變化，使得和測量頭相連的電路狀態也隨之發測量頭相連的電路狀態也隨之發生變化生變化. .接近開關的檢測物體，接近開關的檢測物體，并不限于金屬導體，也可以是絕并不限于金屬導體，也可以是

41、絕緣的液體或粉狀物體。緣的液體或粉狀物體。3.3.電容式測距傳感器電容式測距傳感器No.95超聲波傳感器對超聲波傳感器對4.4.超聲測距傳感器超聲測距傳感器No.964.4.超聲測距傳感器超聲測距傳感器(1)(1)測量原理測量原理 超聲測距傳感器的測量原理基超聲測距傳感器的測量原理基于測量于測量渡越時間渡越時間(Time of Flight)(Time of Flight)，即測量從發射換能器發出的超聲波，即測量從發射換能器發出的超聲波，經目標反射后沿原路返回接收換能器經目標反射后沿原路返回接收換能器所需的時間。由渡越時間和介質中的所需的時間。由渡越時間和介質中的聲速即可求得目標與傳感器的距離

42、。聲速即可求得目標與傳感器的距離。渡越時間的測量有渡越時間的測量有脈沖回波法、調頻脈沖回波法、調頻法、相位法、頻差法法、相位法、頻差法等。等。No.974.4.超聲測距傳感器超聲測距傳感器(1)(1)測量原理測量原理脈沖回波法脈沖回波法 RT START 計計 數數 STOP 驅動電路驅動電路放大濾波放大濾波檢波或鑒檢波或鑒別別脈沖發生脈沖發生脈沖回波法測距系統功能框圖 No.984.4.超聲測距傳感器超聲測距傳感器(1)(1)測量原理測量原理相位法相位法 RT發振器發振器相位檢測相位檢測運算器運算器輸出輸出相位法測距系統功能框圖相位法測距系統功能框圖 Lcff()412121212212No

43、.994.4.超聲測距傳感器超聲測距傳感器(1)(1)測量原理測量原理頻差法頻差法 超聲波頻差法測距原理超聲波頻差法測距原理 tLc2tTfB22Lc TfB2No.1004.4.超聲測距傳感器超聲測距傳感器(2)(2)環境因素對超聲波測距傳感器的影響環境因素對超聲波測距傳感器的影響 環境中溫度、濕度、氣壓對聲速均會環境中溫度、濕度、氣壓對聲速均會 產生影響。產生影響。 聲強隨傳播距離增加而按指數規律衰聲強隨傳播距離增加而按指數規律衰 減，以及空氣流的擾動、熱對流的存減，以及空氣流的擾動、熱對流的存 在、工業環境中噪聲、被測物體表面在、工業環境中噪聲、被測物體表面 的傾斜等因素都會對超聲波測距

44、傳感的傾斜等因素都會對超聲波測距傳感 器產生影響。器產生影響。No.101超聲波探傷超聲波探傷/測距測距/測物測物4.4.超聲測距傳感器超聲測距傳感器( (3 3) ) 超聲波測距傳感器研制和應用情況超聲波測距傳感器研制和應用情況No.102輸油管檢測檢測機器人4.4.超聲測距傳感器超聲測距傳感器( (3 3) ) 超聲波測距傳感器研制和應用情況超聲波測距傳感器研制和應用情況No.103倒車雷達倒車雷達 4.4.超聲測距傳感器超聲測距傳感器( (3 3) ) 超聲波測距傳感器研制和應用情況超聲波測距傳感器研制和應用情況No.104 魚群探測器魚群探測器 4.4.超聲測距傳感器超聲測距傳感器(

45、(3 3) ) 超聲波測距傳感器研制和應用情況超聲波測距傳感器研制和應用情況No.105 光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉化成電信號的器件。線光的光能量，并能將光能轉化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質的光電效應。其工作原理是基于一些物質的光電效應。 內光電效應內光電效應 半導體材料受到光照時會產生電子半導體材料受到光照時會產生電子- -空穴對空穴對, ,使其導電性能增強使其導電性能增強, ,光線愈強，阻值愈低，這種光線愈強，阻值愈低，這種光照后電阻率發生變化的現象光照后電阻率發生變化的現象, ,稱為稱為內光電效應

46、內光電效應 。光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管5.5.光電式測距傳感器光電式測距傳感器No.1065.5.光電式測距傳感器光電式測距傳感器No.107照相機自動測光照相機自動測光光控燈光控燈工業控制工業控制5.5.光電式測距傳感器光電式測距傳感器No.108相機測距反射式光電傳感器相機測距反射式光電傳感器5.5.光電式測距傳感器光電式測距傳感器No.1095.5.光電式測距傳感器光電式測距傳感器 (1)(1)光強法光強法No.1105.5.光電式測距傳感器光電式測距傳感器 (1)(1)光強法光強法 為了避免外界環境中其它光源以及為了避免外界環境中其它光源以及日光

47、的干擾，獲得信噪比高、真實的輸日光的干擾，獲得信噪比高、真實的輸出信號，可以采用以下兩種方法：同步出信號，可以采用以下兩種方法：同步調制法調制法和和強脈沖法強脈沖法。 當被測目標為平面時，若當被測目標為平面時，若發射元件和接收元件軸線近發射元件和接收元件軸線近似平行，且相距很近時，接似平行，且相距很近時，接收元件的輸出近似為：收元件的輸出近似為：yk d2No.1115.5.光電式測距傳感器光電式測距傳感器 (1)(1)光強法光強法采用光纖的光強法測距傳感器采用光纖的光強法測距傳感器 No.1125.5.光電式測距傳感器光電式測距傳感器 (2)(2)相位法相位法相移法檢測距離相移法檢測距離 N

48、o.1135.5.光電式測距傳感器光電式測距傳感器 (2)(2)相位法相位法表面傾斜角度的測量表面傾斜角度的測量No.1145.5.光電式測距傳感器光電式測距傳感器 (3)(3)光學三角法光學三角法No.1156.6.氣壓式測距傳感器氣壓式測距傳感器No.1167.7.微波和無線電波測距傳感器微波和無線電波測距傳感器 這類傳感器的基本原這類傳感器的基本原理是通過天線向外發射理是通過天線向外發射電磁波信號，測量被目電磁波信號，測量被目標物體反射回來的信號標物體反射回來的信號與發射信號的時間間隔。與發射信號的時間間隔。通常，這種傳感器只適通常，這種傳感器只適合于測量較大距離，一合于測量較大距離，一

49、般用在室外移動機器人，般用在室外移動機器人，做避障和導航用。做避障和導航用。智能汽車智能汽車No.117各類測距傳感器的比較各類測距傳感器的比較傳感器傳感器比較項目比較項目接觸式接觸式( (微動開關微動開關) )感應式感應式( (電渦流電渦流) )電容式電容式超聲式超聲式光強法光強法光學光學相位法相位法光學光學三角法三角法氣壓式氣壓式微波微波/ /無線電無線電實際測量實際測量范圍范圍幾厘米幾厘米幾厘米幾厘米幾毫米幾毫米幾厘米幾厘米幾米幾米幾毫米幾毫米幾十幾十厘厘米米幾毫米幾毫米1 1米米幾毫米幾毫米幾十幾十厘厘米米幾毫米幾毫米幾厘幾厘幾幾公公里里外形尺寸外形尺寸小小中等中等中等中等中等中等很小

50、很小小小中等中等小小大大距離信息距離信息不測量不測量測量測量不測量不測量測量測量測量測量測量測量測量測量不測量不測量測量測量精精 度度/ /好好/ /一般一般好好一般一般中等中等/ /不定不定響應時間響應時間短短很短很短很短很短長長很短很短很短很短很短很短中等中等不定不定受被測物體受被測物體影響影響無無有有有有無無有有很短很短很短很短無無有有受被測物體幾何受被測物體幾何尺寸及位置尺寸及位置影響影響無無有有有有有有有有有有稍有稍有有有有有機械強度機械強度一般一般非常好非常好好好一般一般中等中等中等中等中等中等一般一般中等中等受外界噪音受外界噪音干擾的影響干擾的影響無無無無無無有有稍有稍有稍有稍有

51、稍有稍有無無有些有些影響影響使用的難易使用的難易程度程度不定不定很容易很容易不定不定中等中等容易容易困難困難中等中等易易很難很難數據處理代價數據處理代價低低低低低低低低低中低中很低很低很低很低低低很低很低No.118各類測距傳感器的特點各類測距傳感器的特點特點特點種類種類主動主動/被動被動二值信息二值信息/非二值信非二值信息息輸出信號的性質輸出信號的性質接觸式接觸式(微動開關微動開關)被動被動二值二值外界物體是否存在外界物體是否存在(接觸接觸)感應式感應式主動主動非二值非二值f (距離，被測物體磁性距離，被測物體磁性)電容式電容式主動主動二值二值(通常情況通常情況)外界物體是否存在外界物體是否

52、存在(非接觸非接觸)超聲式超聲式主動主動非二值非二值距離距離(渡越時間法渡越時間法)光強式光強式主動主動非二值非二值f (距離，反射率，表面位距離，反射率，表面位置置)光學相位法光學相位法主動主動非二值非二值距離距離(相移相移)光學三角法光學三角法主動主動非二值非二值距離距離(有時受表面傾斜影響有時受表面傾斜影響)氣壓式氣壓式主動主動二值（通常情況）二值（通常情況）外界物體是否存在外界物體是否存在(非接觸非接觸)微波微波/無線電波無線電波主動主動非二值非二值距離距離(渡越時間法渡越時間法)No.1196 6. .5 5 力覺力覺傳感器傳感器 力和力矩的一般檢測方法：力和力矩的一般檢測方法：1.

53、1.通過檢測物體彈性變形測量力；通過檢測物體彈性變形測量力；2.2.通過檢測物體壓電效應檢測力；通過檢測物體壓電效應檢測力；3.3.通過檢測物體壓磁效應檢測力；通過檢測物體壓磁效應檢測力；4.4.采用電動機、液壓馬達驅動的設備可以通過采用電動機、液壓馬達驅動的設備可以通過檢測電動機電流及液壓馬達油壓等方法測量檢測電動機電流及液壓馬達油壓等方法測量力或力矩；力或力矩；5.5.裝有速度、加速度傳感器的設備，可以通過裝有速度、加速度傳感器的設備，可以通過速度與加速度的測量推出作用力。速度與加速度的測量推出作用力。No.1206 6. .5 5 力覺力覺傳感器傳感器 力覺傳感器的原理與應用：力覺傳感器

54、的原理與應用：機器人手腕用力矩傳感器原理機器人手腕用力矩傳感器原理No.1216 6. .5 5 力覺力覺傳感器傳感器 力覺傳感器的原理與應用：力覺傳感器的原理與應用：無觸點力矩檢測原理無觸點力矩檢測原理No.1226 6. .5 5 力覺力覺傳感器傳感器 力覺傳感器的原理與應用：力覺傳感器的原理與應用： 力覺傳感器主要使用的元件是力覺傳感器主要使用的元件是電阻應變片。電阻應變片利用了電阻應變片。電阻應變片利用了金屬絲拉伸時電阻變大的現象，金屬絲拉伸時電阻變大的現象，它被貼在加力的方向上。電阻應它被貼在加力的方向上。電阻應變片用導線接到外部電路上可測變片用導線接到外部電路上可測量輸出電壓，得出

55、電阻值的變化。量輸出電壓，得出電阻值的變化。No.123力覺傳感器的原理與應用：力覺傳感器的原理與應用： 電阻應變片工作原理是基于金屬導體的應變效電阻應變片工作原理是基于金屬導體的應變效應，即金屬導體在外力作用下發生機械變形時，其應，即金屬導體在外力作用下發生機械變形時，其電阻值隨著所受機械變形電阻值隨著所受機械變形( (伸長或縮短伸長或縮短) )的變化而發的變化而發生變化象。生變化象。 6 6. .5 5 力覺力覺傳感器傳感器No.124應變計金屬應變計金屬應變計No.125應變片測量電路應變片測量電路VER1R2R3R4ERRRRRRRRV)(32413142No.126ERRRRRRRR

56、V)(32413142令：令：RR 1dRRR4RRR32ERRdRRRRRdRRRV)()(RdRE4)21(RdR金屬絲應變片：金屬絲應變片：V V與應變成線形關系，可以用電橋測量電壓測量應變與應變成線形關系，可以用電橋測量電壓測量應變No.127電阻應變式傳感器的應用：測力電阻應變式傳感器的應用：測力No.128標準產品標準產品No.129橋梁固有頻率測量橋梁固有頻率測量No.130電子稱電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉化結構變形再通過應變片轉化為電量輸出。No.131沖床生產記數沖床生產記數 和生產過程監測和生產過程監測No.132機器人握力測量機器人握力測量No.133鏈鋸的磨鏈鋸的

57、磨削機器人削機器人力控力控制可以讓制可以讓機器人進機器人進行精加工行精加工操作操作No.1346 6. .5 5 力覺力覺傳感器傳感器 大多數力傳感器采用應變片作為敏感元大多數力傳感器采用應變片作為敏感元件，一般情況下，機械手有三種部位可以安件，一般情況下，機械手有三種部位可以安裝這些敏感元件：裝這些敏感元件：1.1.在關節驅動器上安裝；在關節驅動器上安裝；2.2.在手爪與機械手的最后一個關節之間安裝，在手爪與機械手的最后一個關節之間安裝，即構成所謂的即構成所謂的“腕部力傳感器腕部力傳感器”；3.3.在手爪指尖上安裝。在手爪指尖上安裝。 No.1356 6. .5 5 力覺力覺傳感器傳感器夾持

58、力計算：夾持力計算：采用應變片對手指夾持力的測量采用應變片對手指夾持力的測量 fk SSxx() ()1221No.1366 6. .5 5 力覺力覺傳感器傳感器PUMA562機械手六維力傳感器No.1376 6. .5 5 力覺力覺傳感器傳感器腕力傳感器腕力傳感器1.筒式腕力傳感器123456xyyyxxzxxyyxyyyxxzxxyyFKPPFKPPFKQQQQMKQQMKQQMKPPPPNo.1386 6. .5 5 力覺力覺傳感器傳感器腕力傳感器腕力傳感器1.輪輻式腕力傳感器No.1396 6. .5 5 力覺力覺傳感器傳感器腕力傳感器腕力傳感器1.輪輻式腕力傳感器No.1406 6.

59、 .5 5 力覺力覺傳感器傳感器腕力傳感器腕力傳感器2. 腕力傳感器的性能要求 腕力傳感器是將作用在手上的力和力矩轉換為可測量的腕部的撓取和位移，力傳感器所引起的腕部運動不應影響機械手的定位精度，對這類傳感器的性能要求可歸納如下：剛性高結構緊湊線性減小滯后和內摩擦No.1416 6. .5 5 力覺力覺傳感器傳感器腕力傳感器腕力傳感器3.力和力矩的還原（輪輻式腕力傳感器）F= RW F=力、力矩T=Fx,Fy, Fz, Mx, My, MzTW=原始數據T=W1, W2, W3, W4, W5, W6, W7, W8T RRRRRRRRRR111218212228616268No.1426 6. .5 5 力覺力覺傳感器傳感器腕力傳感器腕力傳感器3.力和力矩的還原（筒式腕力傳感器）FFFTTTaaaaaaa