《机器人感知与智能》ppt课件.ppt

山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,第六章 机器人感知与智能,第一节 基本概念与相关理论 第二节 机器人的感觉与传感器 第三节 机器人信息识别、表达与融合 第四节 机器人智能 第五节 应用系统举例,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,第一节 基本概念与相关理论,6.1.1 机器人信息测量与分析方法 感知与智能的作用： 感知自身的工作状态和周边环境及其变化，改善和提高机器人系统的性能 机器人的感知通过各种传感器实现，分为：内部感知（内部传感器）和外部感知（外部传感器） 内部传感器：检测和感知机器人本身的状态，如：位置、速度、加速度、驱动力矩等 对内部传感器的要求： 精度高、响应速度快、测量范围宽、体积小、重量轻、能耗低、工作可靠山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,第一节 基本概念与相关理论,外部传感器：识别环境、工件情况或工件与机器人的关系如：力觉、视觉、距离、听觉等传感器 通常安装在末端执行器上 对外部传感器的要求： 除精度高、响应速度快、测量范围宽外，尽量非接触测量，体积小、重量轻更加重要 另外，还要求安装使用方便、安全可靠、对环境无不良影响。

山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,第一节 基本概念与相关理论,内部传感器： 位置/角度 行程开关、电位器、码盘、 旋转变压器、光栅尺/盘等 速度/加速度 测速发电机、码盘、速度/加 速度传感器 力/力矩 力传感器、力矩传感器 方位角 陀螺仪、方位仪 电流/电压 霍尔电流传感器、电压计山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,第一节 基本概念与相关理论,外部传感器： 视觉：感知外部图像，如：CCD、 CMOS等 触觉/滑觉：感知接触/滑动， 接近/距离：感知距离，如：接近开关、位置传 感器、激光测距仪 热觉：感知温度，如：热电偶、红外CCD 力觉：如：各类力、力矩传感器 嗅觉：感知气味，各种气味传感器 听觉：如：微型MIC， 味觉：感知味道 方位：如：陀螺仪等山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,第一节 基本概念与相关理论,信号感知过程： 信号提取 信号分析与处理 识别 融合与应用 信号提取：各类传感器 信号分析与处理： 信号分析：研究信号的构成与特征，如：滤 波、谱分析 信号处理：各种信号变换，如傅里叶变换。

信号识别：识别算法、智能技术 信号融合：多传感器的集成，多信息的融合 信息的利用：实现功能、目标山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,第一节 基本概念与相关理论,6.1.2 多传感器系统与信息融合 机器人系统包含各种传感器，如何使它们协作工作、发挥出更大的作用？ 多传感器系统涉及多种类型传感器或多个同类型传感器，还有多功能集成传感器 多传感器系统与信息融合主要作用： 1、提高系统可靠性：替代 2、降低系统的不确定性：沉余 3、提高完整描述环境的能力：协同 4、提高系统的实时性：并行处理,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,第一节 基本概念与相关理论,6.1.3机器人与人工智能 人工智能是指将人类所具有的智能的一部分用计算机来实现以及与此相关的技术领域 机器人是从事与人类相识动作的自动机械，代替人类行使某些智能动作，因此，它也是人工智能的研究对象，从这个意义上说，机器人也称为智能机器人 人工智能的研究内容包括：知识获取、知识表达、知识推理、学习与决策、专家系统等理论，为机器人智能奠定了基础 机器人的智能可分为基于传感器的感知智能和基于知识、学习、推理的抽象智能。

山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,第一节 基本概念与相关理论,到20世纪80年代，国际上基于知觉控制的机器人已经开始走向实用化阶段，基于知识的智能机器人的研究仍处于比较低级的层次 目前，智能机器人的研究重点在通过多传感器信息融合等技术，提高机器人的性能和可靠性，扩大机器人的应用领域山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,第二节 机器人知觉与传感器,6.2.1 位置、转角传感器 当前，常用的位置、转角传感器有： 1、光栅尺： 2、光电角编码器山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,一、光栅尺 根据摩尔条纹原理，通过光电转换，以数字方式表示线性位移量的高精度位移传感器具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点 1、光栅与莫尔条纹 通过印刷技术在不透明的介质上形成密集的透明条纹（刻痕），条纹间的距离称为栅距（节距），每毫米刻痕的多少称为光栅常数 莫尔条纹：当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形成一个小角度θ，并且两个光栅尺刻面相对平行放置时，在光源的照射下，位于几乎垂直的栅纹上，形成明暗相间的条纹这种条纹称为“莫尔条纹”；两光栅相互运动时间看到的是莫尔条纹运动。

第二节 机器人知觉与传感器,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,第二节 机器人知觉与传感器,严格地说，莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度，以W表示，设光栅的栅距为d，两光栅的夹角为θ，则：,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,两光栅交点由栅线序数N、M组成 K=M－N,第二节 机器人知觉与传感器,,,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,长光栅光闸莫尔条纹,,播放动画,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,莫尔条纹的特点： 1）、莫尔条纹的变化规律 两片光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹距离由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正(余)弦函数，变化周期数与光栅相对位移的栅距数同步 2）、放大作用 在两光栅栅线夹角较小的情况下，莫尔条纹宽度W和光栅栅距d、栅线角θ之间有下列关系： W= d /θ 由于栅线角θ很小，Wd第二节 机器人知觉与传感器,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,3）、误差平均 莫尔条纹是由若干光栅条纹共用形成，这样栅距之间的相邻误差就被平均化了，消除了由于栅距不均匀、断裂等造成的误差。

2、分类 按照制造方法和光学原理的不同，分为透射光栅尺和反射光栅尺 透射光栅尺的光源与接收装置分别放置在光栅尺的两侧，通过接收光栅尺透过来的衍射光变化来反应位置变化比较通用的是玻璃光栅 反射光栅指的是光源与接收装置安装在光栅尺的同一侧，通过接收光栅尺反射回来的衍射光变化来反应位置变化比较通用的有钢带光栅第二节 机器人知觉与传感器,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,透射式光栅,第二节 机器人知觉与传感器,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,反射式光栅,第二节 机器人知觉与传感器,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,3、检测与数据处理 随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量 在一个莫尔条纹宽度内，按照一定间隔放置4个光电器件就能实现电子细分与判向功能 两路相位不同的光电信号，其相位差为π/2，为得到判向和计数脉冲，需对这两路信号整形为方波然后，通过对方波的相位进行判别比较，就可以得到光栅尺的移动方向通过对方波脉冲进行计数，可以得到光栅尺的位移和速度第二节 机器人知觉与传感器,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,4、技术参数 ● 测量范围：50mm～3000mm ●测量精度：±6um/m～±10um/m ●测量基准（栅距）：光栅周期20µm的光学玻璃尺。

●光学测量方式：透射式、反射式 ●反应速度： 60m/min(0.005mm) 25m/min(0.001mm) ●输出信号：TTL/EIA-422-A ●供应电压：DC 5V±5%,第二节 机器人知觉与传感器,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,二、光电编码器 编码器分为接触式编码器和光电式编码器，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转换成脉冲或数字量的传感器 1、工作原理 光电编码器由光栅盘（码盘）和光电检测装置组成光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔当它与电动机轴一起旋转时，经发光二极管等电子元件组成的检测装置输出若干脉冲信号，通过计算输出脉冲的个数等信息，就能反映当前电动机转过的角度或转速此外，为判断旋转方向，还可提供相位相差90o的两路脉冲信号第二节 机器人知觉与传感器,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,第二节 机器人知觉与传感器,光电编码器的工作原理,输出波形,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,2、光电编码器类型： 按测量方式分类：旋转编码器和直尺编码器 按编码方式分类：绝对式编码器 增量式编码器 混合式编码器 3、光电式码盘的优缺点 光电式编码器无触点磨损， 允许高转速； 每条缝隙宽度可做得很小， 所以精度和分辨率很高， 单个码盘可做到18位。

其缺点是结构复杂、 价格昂贵、 光源寿命短第二节 机器人知觉与传感器,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,4、绝对式编码器 1）、光栅盘（码盘） 图中为一个四位码盘 涂黑部分为遮光区， 输出“0”；空白部分为透光区，输出“1” 图示码盘共有四圈码道，当码盘与被测物转轴一起转动时，每个码道对应的光电接受器将读出对应的数码 若有n条码道， 则角度分辨率为：,光栅盘（码盘）,第二节 机器人知觉与传感器,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,绝对式格雷码码盘： 将码盘分成一系列具有相等角距角的角，对每个角用格雷码进行编码；当光信号扫描与传动轴相联的刻有格雷码的码盘时，获得的码盘上的码值确定被测物的绝对位置值，然后将检测到的格雷码数据转换为电信号以脉冲的形式输出测量的位移量第二节 机器人知觉与传感器,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,第二节 机器人知觉与传感器,2）、绝对式光电编码器工作原理：,图1-8 绝对式光电编码器原理,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,3）、直接读出角度坐标的绝对值 不受掉电、关机的影响 没有累积误差，可靠性高，抗干扰能强 。

使用简单，方向判断较容易 范围大于360度时可采用多组码盘 每个码道都必须放置光电收发装置 编码器的精度取决于位数 最高运转速度比增量式光电编码器高 价格高,第二节 机器人知觉与传感器,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,4）、技术参数: 量程（单组或多组码盘） 输出代码： 格雷码, BCD码, 二进制码 输出信号： 并口/串口，高/低电平有效 分辨率：如：12位，4096线/圈 准确度：如：0.3度 最大允许转速：2400转/分钟 工作电压：10—30Vdc 消耗电流：100mA 工作温度：-20---60°C 连接方式：键、轴套、法兰等 外形尺寸：,第二节 机器人知觉与传感器,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,5、增量式光电编码器 由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，如图所示第二节 机器人知觉与传感器,,光敏元件,光栏板及辨向用的A、B狭缝,零位标志,,,,,转轴,盘码及狭缝 也称光栅盘,LED,,A,B,C,,A,B,,C,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,第二节 机器人知觉与传感器,1）、工作原理 当光栅盘随被测工作轴一起转动时，每转过一个缝隙，光电管就会感受到一次光线的明暗变化，并转变成电信号的强弱变化，这个电信号近似于正弦波，经过整形和放大等处理，变换成脉冲信号。

通过计数器计量脉冲的。