第五章机器人的传感 -...

第五章机器人的传感Senses of Robotics

5.1 传感器的种类

5.2 触觉信息的获取

5.3 视觉信息的获取

5.4 距离信息的获取

5.5 环境识别

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1.传感器的分类内部传感器：检测机器人本身状态（手臂间角度

等）的传感器。外部传感器：检测机器人所处环境（是什么物体，

离物体的距离有多远等）及状况（抓取的物体滑落等）的传感器。

外部传感器分为末端执行器传感器和环境传感器。末端执行器传感器：主要装在作为末端执行器的

手上，检测处理精巧作业的感觉信息。相当于触觉。环境传感器：用于识别物体和检测物体与机器人

的距离。相当于视觉。

第五章机器人的传感

5.1传感器的种类

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2.内部状态的感觉（1）位置和角度传感器

典型的传感器是电位计。检测的是以电阻中心为基准位置的移动距离。

E：输入电压L：最大移动距离触头X：向左端移动的距离E：电阻右侧的输出电压



图5.1 位置传感器

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2.内部状态的感觉（1）位置和角度传感器

另有光电传感器。



图5.2 光电传感器

a.机构 b.感光量曲线

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2.内部状态的感觉(2)角度传感器：回转式编码器。

第五章机器人的传感5.1传感器的种类

图5.3 回转式编码器2019/4/26 5

3.外部状况的感觉（1）物体识别传感器

典型的是视觉传感器。如摄像机。视觉是利用光（机器人可用红外线等）的非接触方式。

触觉也能识别物体。机器人可以用触觉传感器来实现这种机能。


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3.外部状况的感觉（2）物体探测传感器

视觉传感器是一种识别物体而且知道其存在的传感器。

例如光电开关。视觉传感器、光电开关和超声波传感器，即使

物体较远也能探测其存在。


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3.外部状况的感觉（3）极近物体探测传感器

探测非常近的物体存在的传感器称为接近传感器。


图5.4 接近觉传感器

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3.外部状况的感觉（4）距离传感器

摄像机做距离传感器。具体留待5.4节介绍。

超声波做距离传感器。可用于鱼群探测、金属内部探伤等方面。


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3.外部状况的感觉（5）力觉传感器

力觉传感器是检测力和力矩的施加地点、大小、方向三个量的传感器。

力的检测主要是用电阻应变片（参看5.2节）。



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3.外部状况的感觉（6）其他传感器

利用声波：语音识别传感器。分析振动声音探测机械故障的点传感器。

热传感器：点检传感器。通过分析敲打的声音测定果品成熟程度的传感

器。根据近红外线的糖度吸收程度测定水果甜度的

传感器。



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1.接触觉传感器接触觉传感器：探测是否接触到物体，传感器接

受由于接触产生的柔量。微动开关：按下开关就能进入电信号的简单机构。猫胡须传感器：如图(a)机构,(b)使用例

第五章机器人的传感5.2触觉信息的获取

2019/4/26 12图5.5 接触觉传感器

2.压觉传感器压觉传感器：检测物体同手爪间产生的压力和力

以及其分布情况。利用压电元件或弹簧。如图是使用弹簧的平

面传感器。


图5.6 压觉传感器

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3.滑觉传感器滑觉传感器：检测垂直加压力方向的力和位移。


图5.7 力的平衡图5.8 重心的移动

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4.力觉传感器力觉传感器主要利用电阻

应变片。原理：金属丝拉伸时电阻

变大。


图5.9 a.电桥电路2019/4/26 15


图5.9 b.检测时的状态

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1.PSD（position sensitive device）传感器PSD传感器：当光束照射到1维的线和2维的平面时，

检测光照射的位置。

L ：电极1与电极2的距离。I1：流过电极1的电流。I2：流过电极2的电流。X：光照射点与电极1的距离。

第五章机器人的传感5.3视觉信息的获取

图5.10 PSD

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2.视觉传感器机器人通过摄像机以图像的形式获得环境的信息。

（1）CCD(charge coupled device)传感器。CCD阵列，二维扫描，对表示灰度的电压采样，

二值数字化处理。每一定时间间隔扫描一遍。


5.3视觉信息的获取

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2.视觉传感器（2）图像的投影。

O ：原点，透镜中心。Z轴：光轴，摄像机的前方。xy轴：组成图像面。P点：物体上一点。p点：P在图像面上的投影。


图5.11 点到图像面的中心投影

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3.形状传感器

（1）利用CCD摄像机拍摄穿透光。热噪声的干扰。透明物体不能准确识别。

（2）若形状有特征，可用轮廓识别物体。例：由手印鉴别每个人。

由形状识别机械零件。


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4.光切断传感器将通过狭缝照射的面状光投射到物体上，再检测

反射光。

α :狭缝光源的俯角。2d :投射在物体上的两直线光

源间的距离。LWH:分别是物体的长宽高。


图5.12 a.狭缝光的照射

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图5.12 b.平面图

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5.全方位视觉传感器（1）使摄像机回转的方式。（2）带有特殊反射镜的摄像机。（如图）


图5.13 全方位视觉传感器

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1.双目视觉由于视差得到距离感觉。

O1 ：摄像机1的透镜中心。O2 ：摄像机1的透镜中心。P ：空间一点。p1 ：P在摄像机1上的图像。p2 ：P在摄像机1上的图像。

第五章机器人的传感5.4距离信息的获取

图5.16 双目视觉

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2.投光法

投光法：采用主动光照射对象物体，用摄像机把照射点捕捉到图像上，再用三角测量算出距离。

例：测距计：一种把双目视觉一侧的摄像机置换成投光机的装置。一般以激光为光源。


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2.投光法（1）点光源

θ：激光的照射角度d :透镜中心同光源间的距离XYZ:P的三维位置


图5.17 点光照射

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2.投光法（2）狭缝光：

原理如5.3.4节（3）符号化光：

如图


图5.18 符号化模式

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5.5.1 触觉信息的处理

1 利用识别函数的形状识别

机器人的感觉5.5环境识别

图5.19 识别函数

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1 利用识别函数的形状识别

第五章机器人的传感5.5环境识别

图5.20 多关节指

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2 按轮廓特征识别形状

从重心到边界画轮廓曲线


图5.21 距离特征2019/4/26 30


2 按轮廓特征识别形状

从重心到边界画轮廓曲线


图5.22 装有位移传感器的爪

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5.5.2 基本的图象处理方法

1 二值化处理

按某一阈值二值化。

提取物体和背景时，注意透镜影响。


5.5环境识别

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2 微分处理

由于投影亮度影响，不能进行二值化。

在边缘/棱线处亮度突变——边缘检测


图5.23 Sobel滤波器

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3 边缘像素提取和细线化与直线近似


5.5环境识别

图5.24 分段直线的近似

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4 Hough变换


图5.25 Hough变换

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5 模板匹配


图5.26 模板匹配

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5.5.3 2维图象的处理

1 物体的位置检测

（1）软管的组装I

1）假定孔是暗的，周边是亮的


5.5环境识别

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（1）软管的组装I

2）孔的中心可以看到内对面比壁


5.5环境识别

图5.27 用窗口的中心位置检测

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（2）软管的组装II


5.5环境识别

图5.28 利用Hough变换的中心位置检测

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2 复杂背景的物体识别


5.5环境识别

图5.29 曲轴的几何模型

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图5.30 曲轴的识别

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图5.31 物体的把持方式

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1 双目视觉


图5.32 时间系列图像的摄像

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2 时空图象


图5.34 外极面图像上的轨迹

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2 时空图象


图5.35 垂直边缘提取和投影

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2 时空图象


图5.36 时空图像

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3 狭缝图象


图5.39 狭缝图像

a.情景 b.直线近似

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