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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Hefei Institutes of Physical Science,本幻灯片资料仅供参考，不能作为科学依据，如有不当之处，请参考专业资料。,当代检测技术导论,第三章物理量检测与传感器,3.8,热敏效应与温度检测,3.9,多传感器手爪,第1页,3.8,热敏效应与温度检测,3.8.1,热电阻,R,t,=R,0,1+,(t-t,0,),感温电阻选材标准：,1,、电阻温度系数较高，提升灵敏度；,2,、在测温范围内化学、物理性能稳定，确保精度；,3,、含有良好输出特征，靠近线性关系；,4,、含有较高电阻率，以减小体积；,5,、含有良好可加工性，且价格廉价。,惯用感温材料：,铂、铜、铁、镍、铟、锰、碳,第2页,3.8.2,热敏电阻,金属氧化物添加剂陶瓷工艺,电阻温度系数,T,=,（,1/R,T,）,(dR,T,/dT)100%,正温度系数热敏电阻（,PTC,）,:BaTiO3+,稀土元素,负温度系数热敏电阻（,NTC,）：混合过渡金属氧化物,临界温度系数热敏电阻（,CTC,）：,V,2,O,3,+Ge,、,Ni,、,W,、,Mn,第3页,NTC,热敏电阻、,PTC,热敏电阻和,CTR,热敏电阻经典电阻,-,温度特征曲线,第4页,3.8.3,半导体热敏电阻,半导体电阻率,1/,（,nq,n,+pq,p,）,n,为电子浓度；,p,为空穴浓度；,n,为电子迁移率；,p,为空穴迁移率；,q,为电子电量。,硅热电阻温度特征,50 0 50 100 150 200,温度,/,C,3000,2500,1500,1000,500,0,电阻值,第5页,3.8.4,热电偶,热电效应（,1823,年赛贝克发觉）,总电势,E,AB,(T,T,0,)=,T,T0,T,AB,dT=E,AB,(T)E,AB,(T,0,),其中,T,AB,为热电势率，与热材料和两接点温度相关。,T,T,0,T,0,E,AB,(T,T,0,),A,B,第6页,3.9,多传感器手爪,当前，开发和利用太空已成为各国高科技和军事发展焦点，而空间机器人在人类太空活动中发挥了主要作用。,空间机器人主要要求就是本身灵活性和局部自主能力，而多传感器手爪是提供这些能力关键部件。,当前，多传感器机器人手爪已成为国际上研究一个热点，研究问题主要围绕新型传感器和执行器、手爪结构、传感器集成和信息融合和控制方法。,第7页,空间机器人多传感器手爪特点,在太空中，手爪必须可靠地抓取和作业,这就要求机械结构一定要可靠。机器人多指灵巧手因为缺乏机械可靠性和实用性,而且存在着抓取不稳固和控制复杂性问题，当前并未用于太空作业中。,空间机器人为了能够在存在着不确定性环境下进行灵巧操作,其手爪必须含有较强感知能力。,第8页,国内外研究概况,美、日、德等发达国家都开展了用于空间多传感器手爪研究工作，其中含有代表性是德国宇航中心研制舱外机器人,ROTEX,和日本,ETS-,上多传感器手爪。在国内方面，中国科学院合肥智能机械研究所、哈尔滨工业大学以及北京航空航天大学等多家研究机构都进行了多传感器机器人手爪研究。,第9页,SRMS,空间机械臂,1975,年，加拿大,SPAR,企业与美国宇航局（,NASA,）签署了研制遥控机械臂,SRMS,（,Shuttle Remote Manipulator System,，,SRMS,），以后以加拿大臂著称。,1984,年，,SRMS,正式被用于帮助宇航员进行舱外活动，标志着空间机器人进入使用阶段。,第10页,SRMS,空间机械臂,第11页,德国宇航中心,ROTEX,多传感器手爪,1993,年美国哥伦比亚号航天飞机成功地搭载了德国,DLR,研制基于多传感器小型空间机器人系统,ROTEX,。,ROTEX,系统配有一个多传感器智能手爪，手爪上安装了六维腕力传感器、距离觉、触觉等各种传感器，并配有一对微型摄像机作为视觉系统。,第12页,ROTEX,多传感器手爪,ORU,试验,在轨道上，,ROTEX,进行了构架机构装配、插拔轨道可更换单元（,ORU,，,Orbit Replacement Unit,）和捕捉漂浮物体等多个试验。,第13页,ROTEX,多传感器手爪,手爪上安装有各种传感器,其上传感器配置以下,:,(1)9,个激光测距传感器,其中一个中距离扫描测距传感器,其测距范围为,3,35mm,其余,8,个短距离测距传感器测距范围为,0,30mm,它们均匀地安装在,2,个手指指尖部位。,第14页,ROTEX,多传感器手爪,(2)2,个面积为,3216,平方毫米,48,个感应单元二进制触觉陈列传感器。,(3)1,个基于应变片测量刚性六自由度力,/,力矩传感器。,(4)1,个基于光电原理柔性六自由度力,/,力矩传感器。,(5)1,个微型,CCD,摄像机。,第15页,ROTEX,多传感器手爪控制系统框图,第16页,日本技术试验卫星,ETS-,上多传感器手爪,1997,年，日本宇宙开发事业团（,NASDA,发射了一颗用于空间交会对接及空间机器人技术研究试验卫星,ETS,VII,星上搭载一大一小两个机器人手臂。大机械臂（,ERA,）含有六个自由度，长约,2.4,米，由,NASADA,研制。小机械手（,ARH,）由日本通商产业省（,MITI,）研制，长约,0.5,米，用于精密操作。,第17页,ARH,在试验卫星,ETS,VII,上空间试验,第18页,ARH,多传感器手爪,该手爪共配置五种传感器,详细以下,:,(1),三个靠近觉测距传感器,安装在手爪外壳上,主要用于靠近工作台控制,也用于一直面对工作台姿态控制。,(2),一个,CCD,眼在手上,(Eye-in-Hand),摄像机,主要用于目标物体测定、微细定位及监视。,(3),一对夹持力传感器,经过握力反馈控制执行,3,指抓取目标物体。,第19页,ARH,多传感器手爪,(4),一个六自由度力,/,力矩传感器,安装在微型机器人手臂腕部,主要用于微型手臂力控制,也用于基于任务知识库经过模型匹配技术监视空间任务执行情况。,(5),一个柔顺力,/,力矩传感器,该传感器比六自由度力,/,力矩传感器更敏感,监视微细作业执行。,第20页,ARH,多传感器手爪测量和控制基本策略,(1),机器人用靠近距离传感器,或手眼摄像机,或者这两种传感器,来搜索目标物体。,(2),用非接触传感器来确定物体准确位置或大小。比如,用靠近觉传感器来测量到任务板距离,当三只传感器距离值相等时,就能够取得垂直于任务面板当地坐标系。接着利用手眼摄像机所取得任务面板上标志图像,机器人就能够设定当地坐标系,并把它作为手臂相对导航精密参考点。经过对手眼摄像机所取得图像进行处理,机器人还能够分辨目标大小。,(3),在外部摄像机或力,/,力矩传感器监视下,进行手臂相对导航。,(4),执行基于接触传感器赔偿。在抓握一个物体之前,用手指上力传感器所取得触点进行位置赔偿,在抓取过程中,能够经过腕部柔顺装置所测得位移来进行手臂位置准确调整。,第21页,美国,Maryland,大学研制,Ranger,太空机器人,美国,Maryland,大学为,NASA,研制,Ranger,机器人于,1996,年,10,月进行了飞行试验,Ranger,机器人是一个四臂机器人系统，其中两只,7,自由度机械臂，配有可更换末端操作器，另一只,7,自由度抓取机械臂用于与操作环境固连，以稳定本身姿态，还有一只,6,自由度机械臂用于携带相机。,第22页,哈尔滨工业大学研制多传感器手爪,1.,平行双指末端执行器模块。,2.,带有自动锁紧机构被动柔顺,RCC,模块。,3.,指尖短距离激光测距传感器模块。,4.,激光扫描,/,测距传感器模块。,5.,触,/,滑觉传感器模块。,第23页,中科院合肥智能所研制,EMR,多传感器手爪,第24页,EMR,机器人手眼系统设计,主要内容包含：,1高可靠性手足两用夹持机构设计；,2力觉、靠近觉、位移传感器设计与选取；,3视觉信息采集与处理，物体识别与定位；,4感知信息网络传输与多传感器信息融合；,5手眼系统协调控制与试验。,第25页,手眼系统总体设计,手爪机械结构,感知系统,第26页,自由移动机器人试验系统,第27页,第28页,手爪机构原理图,第29页,手爪传动部分,传动部分由两部分组成：齿轮传动与螺杆传动。齿轮传动将原动部分转动传递到螺杆上；螺杆再将转动转换为执行机构平动。,选取直流电机,+,减速器,+,光电码盘,光电码盘可做手爪开合度传感器。,第30页,机器人手眼系统实物图片,第31页,多传感器配置,手爪上配置了各种传感器以实现机器人局部自主操作。手爪上一共安装了八个力觉传感器，七个触觉传感器。手爪上还装配有一对小型,CCD,能够经过立体视觉进行对物体视觉定位。,我们分别在两个平指根部和三个,V,形块六个指根部粘贴应变片来取得正压力大小。触觉传感器是一个短量程微动开关。电机本身自带一个光电编码器，能够测出手爪开合距离。,第32页,力觉传感器,机器人在行走和抓取物体时，都需要力传感器来感知手爪夹持力大小，以确定是否抓紧工字梁和物体。力传感器设计好坏将直接影响到机器人安全性和可靠性。,我们采取一体化设计，将机器人手指作为弹性体，在其根部贴应变片，测所受到正压力大小。,第33页,力觉传感器,第34页,触觉传感器,在空间作业时，机器人手爪与外部环境接触情况是机器人实现当地局部自主一个主要信息。触觉传感器能够检测这种接触情况，在这里，我们使用微动开关作为触觉传感器主要部件。微动开关是用于检测物体是否存在一个最简单触觉,-,致动器件。,第35页,触觉传感器,触觉传感器由圆滚珠、微动开关、压簧等组成。右图为触觉传感器实物图。,触觉传感器工作原理是：当有外力作用在圆滚珠上并将其压进时，圆滚珠触动微动开关，微动开关状态发生改变并发出一个电信号。,第36页,第37页,手爪开合度传感器,手爪开合度大小是判别手爪是否稳固抓取物体一个主要条件。,考虑到手爪本身结构特点，我们选取脉冲增量式光电编码器，用来检测手爪开合距离。,光电码盘选取,maxon,103937,型光电码盘。每转发,100,个两路正交编码脉冲。电机与传动齿轮之间有一个减速机构，减速比率为,28,：,1,，所以，传动齿轮转,1,圈，手爪开合,3mm,，光电编码器发,2800,个脉冲。依据这个关系，我们能够很方便由光电编码器发出脉冲数来得知手爪开合距离。,第38页,视觉子系统,采取,Eye-in-hand,方式，即在手爪上安置一对摄像机，以组成手眼系统，并用双目立体视觉来完成目标物体定位。,第39页,硬件部分,视觉系统硬件部分分为三个部分：视觉传感器、信号采集与传输及双眼系统。,视觉传感器就是摄像机，它包含成像传感器和镜头。,由摄像机输出信号为模拟复合视频信号。经过图像采集设备将模拟视频信号转换为,24,位,RGB,格式数字信号，直接送入计算机内存；同所选取图像卡为大恒,DH-CG400,彩色,/,黑白视频采集卡。,第40页,双眼系统安装位置,双眼基线设计成平行于手爪掌面、位于中分两指对称面上；两只眼睛光轴向手掌内成一定夹角；理想情况下，两光轴在同一平面内，该平面与手爪掌面垂直。依据手爪尺寸以及所选摄像机镜头视场参数，双眼光轴配置成向内偏转,12,度，光心距约,100mm,。,第41页,工件定位,因双眼摄像机在手爪上是固定安装，在机器人以及手爪运动过程中，双眼之间关系不会改变，而且，因镜头焦距也是固定，所以可对双眼摄像机进行预标定。这么，当已知空间某点在左右图像中坐标位置后，即可计算出该点空间坐标位置。,设,(,x,y,z,),是空间点,P,在摄像机坐标系中三维坐标，假如不考虑镜头畸变，以像素为单位图像坐标,(,u,v,),与以毫米为单位摄像机坐标,(,x,y,z,),之间关系为：,第42页,视觉系统交互界面示意图,视觉子系统软件主要包含图像处理、模式识别、立体视觉计算、图像获取与显示控制、交互界面等部分。,第43页,问题提出,手爪与工字梁接触状态是机器人进行位姿微调主要判据。,在视觉不起作用情况下，怎样从非视觉传感器信息来得知手爪与工字梁接触状态是十分主要。,我们面临最大问题就是传感器信息不充分。,感知信息融合,第44页,传感器数据融合和其它辅助信息使用,多传感器数据融合能够在一定程度上处理传感器信息不充分问题，能够得到更为完整信息。,但因为各种传感器本质上是不一样，它们有效性在时空上都存在着差异，这意味着有些传统传感器集成和融合方法不是很适当。,当前人们过多地关注于传感器本身使用上，而极少对机器人几何结构特点进行分析。我们认为借助于机器人手爪结构化几何信息融合传感器信息能够得到更为丰富信息，能够克服传感信息不充分性。,第45页,任务描述,我们将研究任务确定为机器人抓取工字梁，这是自由舱外移动机器人要实现最主要一项功效。,工字梁表面与地面水平，机器人经过一对手眼相机对工字梁进行视觉定位后，引导手爪处于其上方，然后自上而下抓握工字梁。因为视觉误差以及机器人本身误差，手爪三个,V,型指放在工字梁上表面时，手爪坐标系与工字梁坐标系没有完全重合,第46页,接触状态区分,依据特定任务，机器人有时不需要调整位姿全部参数。在机器人抓取工字梁任务中，我们假设手爪上手眼相机能够将手爪引导到手爪,Z,轴和工字梁,Z,轴平行这一位姿。另外，当机器人手爪接触在工字梁上表面时，手爪不能在沿,Z,轴方向平移。工字梁足够长，机器人不需考虑沿,Y,轴偏移。,在这个特定任务中，机器人手爪只需调整沿,X,轴偏移 和绕,Z,轴旋转角 。,第47页,手爪与工字梁接触状态俯视图,第48页,结协力传感器信息和已知机器人手爪几何信息和力学分析，推导出这两个位姿偏移参数,:,几何条件是：手爪最大开合度为,H,，工字梁宽度为,L.,我们假设,V,型指上部是一个悬臂梁。定义三个悬臂梁接触点为,A,、,B,、,C,。,X1,、,X2,、,X3,分别是接触点到边界限距离。,F,为对应点正压力。从几何条件，我们能够得到以下几何关系：,(1),(2),第49页,挠度公式为,：,(3),传感器应变与正应力有这么关系,将其代入（,3,），得变形方程：,(4),由边界条件和变形方程，我们能够得到这三个接,触点挠度：,(5),(6),(7),其中，,l,和,h,分别是梁长度和高度。,第50页,因为手爪,Z,轴和工字梁,Z,轴平行，我们就能够假设,A,、,B,、,C,这三,个接触点挠度是一样，我们能够有以下关系式：,(8),从上面几何条件、变形方程以及假设条件，我们能够,得到变形以及绕,Z,轴旋转角,:,(9),(10),其中,K,满足以下方程：,(11),满足以下方程式,:,(12),第51页,一样，能够得到沿,X,轴偏移量：,(13),这么就得到了机器人手爪沿,X,轴偏移和绕,Z,轴旋转角。依据这些信息，机器人就能够调整它位姿以使自己坐标系和工字梁坐标系重合，这么手爪便能稳固抓取工字梁。,第52页,大作业,每三名学生组合成一组，选择一个大作业题目（,4,月,28,日），完成调研、资料阅读、方案设计，教师依据方案可行性、表示准确性和团体合作精神评分（,6,月底）。,评分标准：方案可行性,50,基本概念,10,工作原理,10,资料调研,10,实现路径,20,表示准确性,30,书面汇报,10,PPT,汇报,10,口头汇报,10,团体合作性,20,分工协作,10,综合协调,10,学期总成绩平时,20,大作业,40,开卷考试,40,第53页,大作业题目,1,、地震监测仪器,2,、海啸监测仪器,3,、核辐射监测仪器,4,、食品安全监测仪器,第54页,大作业格式,一、选题依据,1,、阐述该选题研究意义，分析该研究课题国内外研究概况和发展趋势。,、国内外主要参考文件（列出作者、论文名称、期刊名称、出版年月）。,二、研究内容和研究方法,主要研究内容及预期结果，拟采取研究方法、技术路线、试验方案可行性分析。,三、课题研究创新之处,研究内容、拟采取研究方法、技术路线等方面有哪些创新之处。,第55页,
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