第五章-机器人的感官.ppt

机器人技术概论机器人技术概论Introduction to Robotic Technology1.01 机器人的机器人的“刺激刺激-反应反应”02 机器人的眼睛和视觉机器人的眼睛和视觉03 机器人的耳朵和听觉机器人的耳朵和听觉04 机器人的鼻子和嗅觉机器人的鼻子和嗅觉05 机器人的舌头和味觉机器人的舌头和味觉06 机器人的身和触觉机器人的身和触觉07 机器人的内部传感器机器人的内部传感器08 GPS与机器人的绝对坐标位置与机器人的绝对坐标位置第四章第四章 机器人的感官机器人的感官(Robotic Sensory Organs)2.机机器器人人或或机机器器生生命命，是是NilssonNilsson所所说说的的“刺刺激激反反应应”体体，而而“刺刺激激反反应应”源源于于感官。感官。3.01 关于机器人的感官1.1 回顾：回顾：“刺激刺激-反应反应”与反射弧与反射弧“刺激-反应”，是生命体活性的基本特征，是生命体最基本的感知活动。在生物系统“刺激-反应”的过程中，最为基本的神经活动是反射（Reflex）。反射活动形成于一种被称为反射弧的结构4.01 关于机器人的感官1.1 回顾：回顾：“刺激刺激-反应反应”与反射弧与反射弧反射弧（Reflex Arc）是最基本的和最小的“刺激-反应”体，包含五个组成部分：感受器：感受刺激的感觉器官传入神经：传送感觉信号的神经线路神经中枢：调节特定机能的神经结构传出神经：传送效应信号的神经线路效应器：表现反应的运动器官其中，感受器即感官（感觉器官）。感官（感觉器官）对于生命体的重要性在于：没用感官，就感受不到刺激，反射弧就不可能形成反射，生命体就不会有“刺激-反应”的行为，生命体因而就不会有活性。5.01 关于机器人的感官机器人，是一种机器生命，是对自然生命的模拟（模仿），需要表现类似人和动物的“刺激-反应”行为和“感知-行动”机能，因而，也有自己的感官（感觉器官）。1.2 回顾：机器人的反射弧回顾：机器人的反射弧实际上，机器人也是一种“刺激-反应”体，并且，也具有形成“刺激-反应”过程的“反射弧”，当然，是机电式反射弧。机器人的机电式反射弧6.01 关于机器人的感官1.2 回顾：机器人的反射弧回顾：机器人的反射弧机电式反射弧是机器生命的反射弧，是自治移动式机器人的反射弧。机电式反射弧也包含着五个组成部分：感受器：感受刺激的传感器传入神经：传送传感信号的电子输入线路神经中枢：计算机或电脑传出神经：传送控制信号的电子输出线路效应器：表现反应的执行机构机电式反射弧7.01 关于机器人的感官机 器 人 的 感 官（感 觉 器 官），一 般 称 为：传 感 器（Sensor），或称“敏感元件”，其功能和作用，与人和动物的感受器是相似的或相同的。机器人，是一种机器生命，是对自然生命的模拟（模仿），需要表现类似人和动物的“刺激-反应”行为和“感知-行动”机能，因而，也有自己的感官（感觉器官）。不同的是，人和动物的感觉器官是有机组织，而机器人的感觉器官是电子电气元件。1.3 传感器：机器人的感官传感器：机器人的感官传感器，作为机器人的感官（感觉器官），对于机器人的重要性，与感官对于人和动物的重要性是一样的。有了传感器，机器人就可能产生“刺激-反应”现象，进而形成“感知-行动”机能。8.01 关于机器人的感官外部传感器（External Sensors）：即感知外部环境的传感器，感知来自客体（外部环境）信息或刺激，如：我们的眼睛，耳朵，鼻子，舌头，身体等器官，主要功能或作用在于获取环境的信息。传感器是一种机电元件，它将被测物理量变换为电信号（一般为模拟量），这种电信号经由模数电路（相当于机器人的传入神经）转换为数字信号后，可由计算机或电子计算器件（电脑）识别和处理。机器人的感官（传感器），可以划分为两类：1.4 机器人感官（传感器）的分类机器人感官（传感器）的分类内部传感器（Internal Sensors）：即感知自身状态的传感器，感知主体的内在状态，如：惯性测量单元感知身体姿态，光电码盘感知电机速度等。9.02 机器人的眼睛和视觉2.1 感知光照强度的视觉传感器感知光照强度的视觉传感器机器生命（自治移动式机器人）的视觉来自光电传感器，如光敏电阻、光电管、红外传感器、激光传感器、数字摄像仪等，它们是机器生命的眼睛。光敏电阻和光电管是基于半导体光电效应的光电传感器，是最基本的感光元件，可用于感知光的强度。Wiener 的机器蠕虫拟采用光电管作为视觉器官。光电管基于半导体的光生伏特效应。光电二极管：正极由 p 型半导体构成，而负极是 n 型半导体，其连接处形成一个 pn 结。10.02 机器人的眼睛和视觉2.1 感知光照强度的视觉传感器感知光照强度的视觉传感器无光照射时，光电二极管反向电阻大，电流小，此时，光电二极管处于截止状态。受光照射时，光电二极管形成由n区指向p区的光电流，光电二极管处于导通状态，光照越强，形成的光电流越强。光敏二极管通过图(b)所示的电路将光信号LIN变换为电信号VOUT。光电三极管：由三层半导体材料组成，形成两个 pn 结，光电流被作为三极管基极电流而被放大，如图(c)所示。因此，光电三极管对光照强度的变化较之光电二极管更为敏感。11.光敏电阻：基于半导体的内光电效应。硫化镉等半导体材料在光照下，其电导率会发生变化，光照越强，电导率越高。02 机器人的眼睛和视觉2.1 感知光照强度的视觉传感器感知光照强度的视觉传感器因此，由硫化镉等半导体材料制成的光敏电阻的电阻值会随光照强度的增大而下降，光照强度越大，其电阻值越低。光敏电阻通过图3.3(d)所示的电路将光信号LIN 变换为电信号 VOUT。12.光敏电阻和光电管只能感知光的强度，不能获得影像。机器生命（自治移动式机器人），为了获得物体的影像，可采用红外传感器。02 机器人的眼睛和视觉2.2 红外红外视觉传感器视觉传感器红外线非可见光，然而，基于物体色温的不同分布，基于黑色物体吸收红外光线而白色物体反射红外光线的原理，红外传感器能感知物体的轮廓，同时，根据接收到的红外光线的强度，红外传感器还能感知物体的距离。因此，选用红外传感器作为视觉器官，机器生命（自治移动式机器人）就能在一定程度上捕获物体的影像，从而识别环境或物体，跟踪目标，测定障碍物距离以避免碰撞。13.02 机器人的眼睛和视觉2.2 红外红外视觉传感器视觉传感器在自治移动式机器人的底部安装红外传感器，检测地面黑白相间的轨迹条文，可实现自治移动式机器人对期望路径的跟踪。反射式红外传感器具有红外线发射装置和红外线接收装置，其工作原理如下图所示。14.红外传感器所能获得的影像信息是微弱的和模糊的。02 机器人的眼睛和视觉2.3 数字摄像视觉系统数字摄像视觉系统与红外传感器相比，数字摄像系统能为机器生命（自治移动式机器人）提供更为丰富的影像信息。然而，数字摄像仪提供的影像需要经过复杂地后处理，才能被机器生命（自治移动式机器人）理解和利用。数字摄像系统捕获的影像中，物体、人物、环境等的识别是机器视觉的一大课题，需要机器视觉、模式识别和人工智能等多学科参与解决。动物和人通过眼睛观察客观世界的过程，不是单纯地看，其中，更为重要的是理解。同样地，机器人的眼睛不仅在于捕获影像，还在于理解影像。15.一般地，以数字摄像系统为视觉器官的自治移动式机器人，其“看”的过程包括：捕获影像，影像预处理（去除噪声或进行清晰化处理），影像变换以便于提取目标，边缘检测以勾画目标轮廓，特征提取，理解或识别。02 机器人的眼睛和视觉2.3 数字摄像视觉系统数字摄像视觉系统16.单目数字摄像系统，只能获得平面信息（2D 信息），一般难以获得 3D 信息（立体信息）。02 机器人的眼睛和视觉2.4 三维视觉系统三维视觉系统获取立体影像的方式和多：同样地，立体影像的理解，也是机器视觉一大课题，同样需要多学科参与解决。基于单目摄像机，依靠移动视觉和运动图像获取 3D 信息（立体影像），类似青蛙的方式。基于多目摄像机，双目的（类似哺乳动物的方式），三目的，复眼的（类似昆虫的方式）。17.机器生命（自治移动式机器人）的听觉来自声电传感器，如麦克和声纳，它们是机器生命的耳朵。03 机器人的耳朵和听觉3.1 麦克麦克麦克有两种类型：电动式麦克和电容式麦克，其相似之处在于，都能将声频信号变换为电信号。电动式麦克由振动膜、音圈和永久磁体构成，其工作原理如图(a)所示：声音使膜片振动，并带动音圈在磁场中振动，音圈振荡式地切割磁场而产生对应音频的振荡电流。18.机器生命（自治移动式机器人）的听觉来自声电传感器，如麦克和声纳，它们是机器生命的耳朵。03 机器人的耳朵和听觉3.1 麦克麦克麦克有两种类型：电动式麦克和电容式麦克，其相似之处在于，都能将声频信号变换为电信号。电容式麦克采用超薄的镀金振动膜，利用极间电容的变化，直接将振动膜的声音转换为电信号，其原理性电路如图(b)所示：与电动式麦克相比，电容式麦克具有较高的灵敏度和更好的音质，且体积小。19.机器生命（自治移动式机器人）的听觉来自声电传感器，如麦克和声纳，它们是机器生命的耳朵。03 机器人的耳朵和听觉3.1 麦克麦克麦克有两种类型：电动式麦克和电容式麦克，其相似之处在于，都能将声频信号变换为电信号。让机器人或机器生命听见声音是容易的。让机器人或机器生命理解声音，特别是理解自然语言，即理解人的语言，是困难的。自然语言理解是人工智能学科中一个专门的分支。理解声音是机器人或机器生命的一大课题，需要声学、语言学、模式识别和人工智能等多学科参与解决。20.03 机器人的耳朵和听觉3.2 声纳：超声波传感器声纳：超声波传感器声纳，又称超声波传感器，主要应用于轮船、潜艇和鱼雷等水中系统。实际上，声纳是一种仿生装置，是模仿蝙蝠和海豚等哺乳动物听觉器官的装置。蝙蝠和海豚等哺乳动物依靠耳朵“看”世界，它们有发射超声波的器官，耳朵接收反射回来的超声波，从而确定物体的位置、形状，甚至其它复杂的特征。21.03 机器人的耳朵和听觉3.2 声纳：超声波传感器声纳：超声波传感器反射式超声波传感器有超声波发射器和超声波接收器，以RS-2410器件为例，其工作原理如图所示。超声波发射器：利用压电晶体的逆压电效应，在压电晶片的两个电极面上施加交流电压，使其产生机械振动而发出超声波。超声波的频率 f 取决于晶片的厚度d、声波在压电晶体内的传播速度c和谐波的次数n，即：22.03 机器人的耳朵和听觉3.2 声纳：超声波传感器声纳：超声波传感器反射式超声波传感器有超声波发射器和超声波接收器，以RS-2410器件为例，其工作原理如图所示。超声波接收器：基于压电效应，在压电晶体轴的两端施加超声波，使轴的两个端面形成频率与超声波频率相同的交变电流，其幅值与超声波的强度成正比。无线电波难以在水中传播，而声波在水中却无传播的困难。因此，声纳对于水下机器人尤为重要。23.04 机器人的鼻子和嗅觉动物的嗅觉器官是鼻子。许多动物都有敏锐的嗅觉，如狗能嗅到极低浓度的气味，能鉴别上万种不同的气味。机器人（机器生命）也可以拥有自己的鼻子和嗅觉。机器人（机器生命）的嗅觉来自气敏传感器。气敏传感器也即嗅觉传感器，是机器生命的鼻子，能感知各种有毒气体，以及易燃和易爆气体，如：一氧化碳、汞蒸汽、氢气、氟利昂、液化石油气等。4.1 机器人的鼻子：气敏传感器机器人的鼻子：气敏传感器气敏传感器可分为物理的和化学的。物理气敏传感器又可分为半导体、热传导、光和红外等不同类型。24.04 机器人的鼻子和嗅觉实验研究发现，某些金属氧化物，如二氧化锡（SnO2）、三氧化二铁（Fe2O3）、二氧化锌（ZnO2）等，当其处于加热状态时，其电导率会因接触到某些气体分子而变化，或增大，或减小。4.2 以半导体气敏传感器为例以半导体气敏传感器为例右图是SnO2气敏传感器的原理性电路，其中，SnO2相当于气敏电阻RS，当H2和CO等气体分子与加热的SnO2接触时，气敏电阻RS电阻值上升，气体分子浓度GIN越大，电阻值RS越大，于是，气体分子浓度信号可变换为电压信号VOUT。25.04 机器人的鼻子和嗅觉具有嗅觉的机器生命可用于各种危险环境，监测异常情况，感知有害气体，例如：4.3 有鼻子的机器人能做什么？有鼻子的机器人能做什么？在采煤井下监测瓦斯，特别地，煤矿发生瓦斯爆炸时，机器生命能深入井下，报告井下瓦斯浓度，辅助搜救工作。或许，我们还能设计出机器缉毒犬，它能嗅出毒品的气味。或许，我们还能设计出机器警犬，它能像普通的警犬一样，搜寻疑犯。26.05 机器人的舌头和味觉动物的味觉器官是舌头。人有丰富的味觉，人的舌头能感知酸、甜、苦、辣、咸等各种味道。机器人（机器生命）也可以拥有自己的舌头和味觉。机器人（机器生命）的味觉来自于液敏传感器。液敏传感器也即味觉传感器，是机器生命的舌头，不仅能感知液体味道，还能测定液体的成份。5.1 机器人的舌头：液敏传感器机器人的舌头：液敏传感器味觉传感器与嗅觉传感器具有相同的特征，均在于测定物质成份及其含量。嗅觉传感器测定气体成份，而味觉传感器测定液体成份。27.05 机器人的舌头和味觉测定液体的成份并不难。然而，欲将液体成份及其含量的信息迅速地，或实时地，转变为电信号，并不是一件容易的事。生物敏感膜是制造味觉传感器的一种重要材料。日本人将一种与人舌细胞膜相近的脂质膜贴在高分子芯片上，制造出了灵敏度 10 倍于人舌的味觉传感器。5.2 日本人的生物敏感膜日本人的生物敏感膜这种味觉传感器原理在于：当脂质膜接触特定味道的液体时，高分子芯片就会敏感地和快速地产生反应，实时地形成相应的电位差。28.05 机器人的舌头和味觉5.2 有舌头的机器人能做什么？有舌头的机器人能做什么？有了味觉传感器，我们或许能设计出机器品酒师。机器品酒师将能比人更为客观地且更为准确地鉴别或鉴定各种酒精饮料。味觉传感器可用于水下机器人，特别是深海探测机器人。具有味觉的机器人，可下潜到深水湖底进行作业，可进入洞穴探测暗河，探测地下水源。具有味觉的机器人，可用于食品工业流程，监控食品生产，测定饮料以及其它食品的成分。具有味觉的机器人，可用于化学工业过程，监控化工生产过程，测定生产过程中各种化学物质的成分。29.06 机器人的身和触觉6.1 关于触觉关于触觉人的神经系统包括三部分：中枢神经系统周围神经系统自主神经系统机器人（机器生命）也需要触觉。机器人（机器生命）的触觉来自触觉传感器。触觉传感器的形式和种类很多，最典型的应该是压电传感器。周围神经系统遍布于人的头、面、躯干，以及四肢，我们的身体，特别是皮肤，也就因此而具有了各种感觉，其中，最重要的是触觉。30.压电触觉传感器的原理在于电介质的压电效应。06 机器人的身和触觉6.2 压电触觉传感器压电触觉传感器某些电介质，如石英晶体（SiO2），当其在力的作用下发生形变时，内部就出现极化现象，两个表面产生符号相反的电荷，而外力消失后又能恢复其不带电的状态，这就是压电效应。压电晶体电荷极性与受力方向的关系31.06 机器人的身和触觉6.2 压电触觉传感器压电触觉传感器压电晶体在外力 作用下所形成的电荷的极性与作用力 FT的方向相关，而形成的电荷的量qT与作用力 FT 的大小成正比，即：利用压电效应，我们就能把触摸的力 FT 变换为电信号 VOUT。压电元件等效电路与电荷放大32.06 机器人的身和触觉6.2 压电触觉传感器压电触觉传感器在压电元件的等效电路中，C1 为内部电容，VO 为开路电压。VO 与电荷量 qT 成正比，即：VO=qT/C1。压电晶体在外力作用下产生的电荷量是微小的，需要经过电荷放大器的放大方能推动负载 RL。有了触觉传感器，机器生命就能感知主体与客体的接触，能感知接触的力度，因而能避障，灵巧地使用机械手抓握物体，甚至还能区分敲打与抚摸。33.07 机器人的内部传感器7.1 关于机器人的内部传感器关于机器人的内部传感器内部传感器（Internal Sensor），是测量主体（机器人自身）状态的传感器。内部传感器（Internal Sensor），主要测量机器人自身（电机关节肢体本体）的：位移（角位移）：位置传感器（Position Sensor）速度（角速度）：速度传感器（Velocity Sensor）加速度（角加速度）：加速度传感器（Acceleration Sensor）对于机器人的内部传感器，一般要求：精度高。特别地，出于实时控制的需要，更需要：响应速度快。34.07 机器人的内部传感器7.1 关于机器人的内部传感器关于机器人的内部传感器位移可以有两种：线位移，角位移；对应地，有：线速度和角速度；线加速度和角加速度。在内部传感器中，位置传感器（Position Sensor）和速度传感器（Velocity Sensor）又称：伺服传感器（Servo Sensor），是机器人反馈控制系统中不可或缺的元件。通过对位置（Position）和速度（Velocity）的微分，可以得到速度，加速度，加加速度，将其带入机器人系统的运动学方程和动力学方程，可以得到更多关于机器人运动状态的信息，从而实现对机器人系统的各种实时控制。由于机器人主要采用旋转马达作动力，所以，常常使用角度，角速度，角加速度传感器。35.07 机器人的内部传感器7.2 机器人的位置传感器机器人的位置传感器设定位置和设定角度的检测：微型开关微行开关（Micro Switch），通常作为限位开关（Limit Switch）实用，当其设定的位置受到一定的力的作用时，微型开关导通，发出电信号。限位开关的种类Walter 的前端有一个灵敏开关，当其在行进过程中遇到障碍物或斜坡时，其甲壳会摆动，并触及灵敏开关，促使其导通。36.07 机器人的内部传感器7.2 机器人的位置传感器机器人的位置传感器位置和角度的检测：电位器电位器（Potentiometer），是古老的元件，通常应用于无线电收音机等电子设备的音量控制。电位器由环状或棒状的电阻丝和滑动片（电刷）组成。角度或位移与电位 e 成正比37.07 机器人的内部传感器7.2 机器人的位置传感器机器人的位置传感器位置和角度的检测：编码器编码器（Encoder），是一种数字光学器件，可将运动转变为数字脉冲序列。计算脉冲的个数，或对一组脉冲进行编码，就可以获得运动的位移量。测量线位移的编码器叫直线编码器（Linear Encoder）；测量角位移的编码其叫旋转编码器（Rotary Encoder）编码器测量的位移量，可以是相对量，也可以是绝对量。因此，编码器可以分为：增量型编码器：Incremental Type Encoder绝对型编码器：Absolute Type Encoder38.07 机器人的内部传感器7.2 机器人的位置传感器机器人的位置传感器位置和角度的检测：增量型编码器增量直线编码器（Incremental Linear Type）的原理，如下图所示，通过对某一时间窗口中脉冲的个数进行计数，可以获得该时间间隔中直线位移的增量。增量直线编码器增量旋转编码器的原理是相似的，通过对脉冲计数，可获得角度位移增量。增量旋转编码器39.07 机器人的内部传感器7.2 机器人的位置传感器机器人的位置传感器位置和角度的检测：绝对型编码器绝对直线编码器（Absolute Linear Type）的原理，如下图所示：通过对直线位置进行编码，每一个直线位置被赋予了一个绝对值。绝对值直线编码器位置的绝对值：16+2+1=1940.07 机器人的内部传感器7.2 机器人的位置传感器机器人的位置传感器位置和角度的检测：绝对型编码器绝对旋转编码器（Absolute Rotary Type）的原理，是相似的：通过对角度位置进行编码，每一个角度位置也被赋予了一个绝对值。图中的扫描位置：位置的绝对值：4+1=5绝对值旋转编码器码盘41.07 机器人的内部传感器7.2 机器人的位置传感器机器人的位置传感器位置和角度的检测：判断位移的方向无论是增量型编码器（依靠脉冲计数确定位移），还是绝对值型编码器（依靠脉冲编码确定位移），都将面临位移方向（旋转方向）的问题。为了判断位移（旋转）的方向，编码器码盘一般会提供相位差为 90 的 A 相和 B 相两路输出。码盘A相和B相信号处理当 A 相和 B 相的相位差反向时，意味着：位移（旋转）方向发生了变化。通过 A 相和 B 相上升沿（下降沿）的时间差，可以判断其是否出现了相位反向。对 A B 相进行逻辑运算，可进一步提高码盘的分辨率。42.07 机器人的内部传感器7.3 机器人的速度传感器机器人的速度传感器基于位置传感器的速度测量实际上，所有的位置传感器，都可以用作速度传感器，对速度（角速度）进行测量（计算）。例如：增量式编码器给出的脉冲数，除以消耗的时间，即可获得速度（角速度）。古老的公式：速度=位移时间速度是位移的一阶微分，微分运算倾向于放大噪声。机器人控制系统的采样时间间隔一般为毫秒级。假设为10 毫秒，则按上面的公式，位移噪声将被放大 100 倍。43.07 机器人的内部传感器7.3 机器人的速度传感器机器人的速度传感器测速发电机（Tachometer Generator）测速发电机测量角速度（旋转速度）的原理：如果线圈在恒定磁场中发生位移，那么，线圈两端的感应电压 E 与线圈内交变磁通 的变化率，成正比，即：E=d/dt简单地说，测速发电机输出的电压 E，与其电枢的旋转速度 成正比，即：E，因此，根据测速发电机输出的电压，我们就能计算出电枢的旋转速度。测速发电机，又称为：转速计（Tachometer），或比率发电机（Rate Generator），是基于发电机原理的速度传感器（角速度传感器）。44.07 机器人的内部传感器7.4 机器人的加速度传感器机器人的加速度传感器基于位置和速度传感器测量加速度实际上，所有的位置传感器和速度传感器，都可以用作加速度传感器，对加速度（角加速度）进行测量（计算）。然而，需要指出的是：由位移换算速度，或由速度换算加速度，需要 1 阶微分运算；由位移换算加速度，需要 2 阶微分运算。微分运算倾向于放大噪声。以 10 毫秒采样间隔为例，由位移换算加速度，位移噪声将被放大 10000 倍。因此，为了获得精确的加速度测量值，我们需要直接测量加速度的物理（硬）传感器。反过来，通过积分，由加速度换算速度或位移，可以抑制噪声，获得较为精确的速度值和位移值。通过换算（如由位移获得速度）的测量，被称为“软”测量。45.07 机器人的内部传感器7.4 机器人的加速度传感器机器人的加速度传感器基于力传感器测量加速度：压电加速度传感器这里所说的力传感器（Force Sensor），就是我们前面曾经提到过基于压电晶体的压电触觉传感器。某些电介质，如石英晶体（SiO2），当其在力的作用下发生形变时，内部就出现极化现象，两个表面产生符号相反的电荷，而外力消失后又能恢复其不带电的状态，这就是压电效应。压电晶体电荷极性与受力方向的关系46.07 机器人的内部传感器7.4 机器人的加速度传感器机器人的加速度传感器基于力传感器测量加速度：压电加速度传感器压电晶体在外力 作用下所形成的电荷的极性与作用力 FT的方向相关，而形成的电荷的量qT与作用力 FT 的大小成正比，即：利用压电效应，我们就能把力 FT 变换为电信号 VOUT。压电元件等效电路与电荷放大47.压电晶体在外力作用下产生的电荷量是微小的，需要经过电荷放大器的放大方能推动负载 RL。07 机器人的内部传感器7.4 机器人的加速度传感器机器人的加速度传感器基于力传感器测量加速度：压电加速度传感器在压电元件的等效电路中，C1 为内部电容，VO 为开路电压。VO 与电荷量 qT 成正比，即：VO=qT/C1。有了代表力 FT 的电压值VOUT，根据牛顿第二定律，即可换算出施加力的物质（m）的加速度：48.07 机器人的内部传感器7.5 机器人的姿态传感器机器人的姿态传感器一个刚体，在 3D 空间中，有 3 个旋转自由度，它们分别地对应着刚体在 3D 空间中 3 种不同的姿态。X（滚转轴）Y（偏航轴）Z（俯仰轴）飞机的姿态示意图关于机器人的姿态49.(a)飞机的俯仰姿态俯仰角07 机器人的内部传感器7.5 机器人的姿态传感器机器人的姿态传感器一个刚体，在 3D 空间中，有 3 个旋转自由度，它们分别地对应着刚体在 3D 空间中 3 种不同的姿态。(c)飞机的偏航姿态偏航角关于机器人的姿态(b)飞机的横滚姿态横滚角50.07 机器人的内部传感器7.5 机器人的姿态传感器机器人的姿态传感器关于机器人的姿态机器人在 3D 空间中 3 种不同的姿态。51.07 机器人的内部传感器7.5 机器人的姿态传感器机器人的姿态传感器姿态传感器（Posture Sensor），是能够检测重力方向或姿态角变化（角速度）的传感器，常用于飞行器和机器人的姿态检测。那么，我们怎样才能知道，在某个时间点上，一个刚体（一个飞行器或一个机器人）的姿态是什么样的呢？或者说，刚体（飞行器或机器人）的姿态怎样测量呢？运动系统（如飞行器或机器人）的姿态测量问题，是一个重要的问题。没有姿态信息，我们就无法控制船舶的航向，飞机的俯仰，机器人的姿态平衡。怎样测量机器人的姿态？52.07 机器人的内部传感器7.5 机器人的姿态传感器机器人的姿态传感器为什么不使用电位器或编码器等角位移传感器，和测速发电机等角速度传感器，来测量刚体的姿态（如飞机的俯仰角，横滚角，偏航角）呢？电位器，或编码器等角位移传感器，以及测速发电机等角速度传感器，具有自己固定的转轴，一般需要被测物体也有固定的转轴，如：测量电动机的角位移或角速度时，电动机的角位移量和角速度值，需要通过电动机的转轴，传递给角位移传感器或角速度传感器的转轴。然而，对于一般的运动系统（如飞行器或机器人）的姿态角，这样的固定转轴是不存在的。因此，编码器或测速发电机等，是不能用于一般物体姿态测量的。怎样测量机器人的姿态？53.07 机器人的内部传感器7.5 机器人的姿态传感器机器人的姿态传感器最常见的姿态传感器（Posture Sensor），是陀螺传感器（Gyroscope Sensor）。陀螺传感器（Gyroscope Sensor），是检测随刚体转动而产生角位移或角速度的传感器，即使没有安装在转动轴上，也能检测刚体的角位移或转动速度，因此，广泛应用于飞机，导弹，卫星，以及机器人系统。姿态传感器（Posture Sensor），是能够检测重力方向或姿态角变化（角速度）的传感器，可用于检测转轴不固定或无固定转轴的物体的角位移或角速度。因此，常用于飞行器和机器人的姿态检测。怎样测量机器人的姿态？54.07 机器人的内部传感器7.5 机器人的姿态传感器机器人的姿态传感器陀螺仪（Gyroscope）简介绕一个支点，高速转动的刚体，被称为陀螺（Top）。陀螺具有轴向不变的特性。这是陀螺为什么不倒的原因。同时，在一定的初始条件和一定的外力矩作用下，陀螺会在不停自转的同时，还绕着另一个固定的转轴不停地旋转，这就是陀螺的旋进（Precession），又称为回转效应（Gyroscopic Effect）。55.07 机器人的内部传感器7.5 机器人的姿态传感器机器人的姿态传感器利用陀螺的力学性质，人们制作了各种功能的陀螺装置，称为陀螺仪（Gyroscope）。陀螺仪（Gyroscope）简介陀螺仪在众多领域有广泛的应用，比如：回转罗盘，定向指示仪，炮弹的翻转，陀螺的章动，地球在太阳（月球）引力矩作用下的旋进（岁差）等。(a)机械陀螺(b)电子陀螺(c)光纤陀螺56.07 机器人的内部传感器7.5 机器人的姿态传感器机器人的姿态传感器准确地说，一个绕对称轴高速旋转的飞轮或转子（Rotor）叫陀螺（Top）；而将陀螺安装在一定的框架上（Gyroscope Frame），使陀螺的自转轴有角自由度，如此构成的装置叫做陀螺仪（Gyroscope）。从力学的观点近似的分析陀螺的运动时，可以把它看成是一个刚体，刚体上有一个万向支点，而陀螺可以绕着这个支点作三个自由度的转动，所以陀螺的运动是属于刚体绕一个定点的转动运动。陀螺仪的基本部件57.07 机器人的内部传感器7.5 机器人的姿态传感器机器人的姿态传感器陀螺仪的基本部件有：陀螺仪的基本部件(1)陀螺转子常采用同步电机，磁滞电机，三相交流电机等拖动方法，来使陀螺转子绕自转轴高速旋转，并使其转速近似为常值。(2)内环和外环（平衡环）是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的框架结构。(3)附件 力矩马达和信号传感器等。58.07 机器人的内部传感器7.5 机器人的姿态传感器机器人的姿态传感器陀螺仪的基本原理是：高速旋转的物体具有轴向不变的特性，即，一个旋转物体的旋转轴所指的方向，在不受外力影响时，是不会改变的。陀螺仪的原理陀螺仪启动时，需要一个力，使它快速旋转起来，一般需要达到每分钟几十万转，然后，用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。陀螺仪中的转子具有轴向稳定性（轴向不变性），当飞机或导弹或机器人姿态发生变化时，必定与转子的旋转轴形成角度差（角位移），这样，我们就能观察到（检测到）飞机或导弹或机器人的姿态变化。59.07 机器人的内部传感器7.5 机器人的姿态传感器机器人的姿态传感器有各种不同类型的陀螺仪，机械陀螺仪是最古老的，并且，已经逐渐地被淘汰。然而，通过机械陀螺仪理解陀螺仪的原理，仍然是学习和理解陀螺仪原理的最佳途径。陀螺仪的原理60.07 机器人的内部传感器7.5 机器人的姿态传感器机器人的姿态传感器根据框架的数目和支承的形式以及附件的性质决定陀螺仪的类型有：(1)三自由度陀螺仪：具有内环和外两个框架，使转子自转轴具有两个转动自由度；(2)二自由度陀螺仪：只有一个框架，转子自转轴因而只具有一个转动自由度。陀螺仪的不同类型机械陀螺仪是最古老的，在它之后，发展出了许多新型的陀螺仪，如：电气陀螺，电子陀螺，微机电陀螺，静电式自由转子陀螺仪，挠性陀螺仪，光纤陀螺仪，以及激光陀螺仪等。61.08 GPS 与绝对坐标位置内部传感器（Internal Sensor）与外部传感器（External Sensor）不是绝对的。内部传感器与外部传感器之间，没有绝然的界限。有一种传感器，即可归属内部传感器，又可归属外部传感器，这就是 GPS 系统。GPS 系统，即“全球定位系统”（Global Positioning System，GPS）。GPS 系统，利用人造卫星进行定位，可以测量和标定移动物体在地球上的绝对坐标位置。如果我们把被测定的位置视为环境的坐标，那么，GPS 系统可视为机器人的外部传感器；如果我们把被测定的位置视为机器人地理坐标，那么，GPS 系统可视为机器人的内部传感器。62.08 GPS 与绝对坐标位置GPS 系统，是机器人重要的导航设备，因此，我们将在“机器人的导航与自主移动”一章中进行介绍。63.思考与练习思考与练习1 什么是传感器？什么是内部传感器？什么是外部传感器？2 机器人有都什么样的视觉传感器？（举例说明）3 简述光电二极管，作为机器人视觉传感器，感光的基本原理。4 简述光敏电阻，作为机器人视觉传感器，感光的基本原理。6 简述电动式麦克，作为机器人的听觉传感器，感知声音的基本原理。7 反射式超声波传感器的基本构成是什么？5 让机器人感知光是简单的和容易的，获取影像也不难，难的是让机器人理解影像。理解影像需涉及什么知识或学科？9 让机器人感知声音是简单的和容易的，而让机器人理解声音是困难的。理解声音需涉及什么知识或学科？8 为什么声纳对于水下机器人系统尤为重要？64.思考与练习思考与练习10 有视觉的机器人能做什么？11 有听觉的机器人能做什么？15 简述压电触觉传感器感受触觉的基本原理？12 有嗅觉的机器人能做什么？13 有味觉的机器人能做什么？14 有触觉的机器人能做什么？16 在机器人内部传感器中，微型开关可用来检测什么量？有什么样的用途？17 在机器人内部传感器中，电位器可用来检测什么量？工作原理是什么？有什么样的用途？65.思考与练习思考与练习18 什么是编码器？编码器作为机器人的内部传感器，其主要用途是什么（主要用于测量什么物理量）？19 什么叫做直线编码器？什么叫做旋转编码器？20 什么是增量型编码器？简述增量型编码器的基本原理。21 什么是绝对型编码器？简述绝对型编码器的基本原理。22 右图描述的是一个绝对值直线编码器，计算扫描头读取的线位移绝对数值。66.思考与练习思考与练习23 右图描述的是一个绝对值直线编码器，计算扫描头读取的线位移绝对数值。24 为了判断位移或旋转的方向，编码器码盘一般会提供相位差为 90 的 A 相和 B 相两路输出。请问：怎样根据 A 相和 B 相两路脉冲信号判断位移或旋转方向发生了改变？67.思考与练习思考与练习30 什么是“硬”测量？什么是“软”测量？26 简述测速发电机测量旋转速度的原理。28 压电加速度传感器，是基于力传感器测量加速度的传感器，简述其测量加速度的原理。29 在信号检测技术中，为什么不宜通过位移传感器或速度传感器换算加速度？31 三维空间中，一个刚体有几种姿态，一般怎么描述？32 什么是机器人的姿态？机器人的姿态一般怎样描述？25 位移（角位移）传感器可用作速度（角速度）传感器吗？27 位移（角位移）传感器可用作加速度（角加速度）传感器吗？速度（角速度）传感器可用作加速度（角加速度）传感器吗？68.思考与练习思考与练习34 什么是姿态传感器？35 什么是陀螺（Top）？什么是陀螺仪（Gyroscope）？36 陀螺仪的基本组成是什么？33 为什么一般不能用编码器和测速发电机测量机器人的姿态角或姿态角速度？37 陀螺仪的基本原理是什么？38 小论文：小论文：论机器人的感官论机器人的感官（结合本章课件内容撰写）（结合本章课件内容撰写）69.具有感觉和知觉，具有感觉和知觉，是机器人拥有是机器人拥有“感知感知-行动行动”能力和智能行为的前提。能力和智能行为的前提。70.