机器人感知与智能.ppt
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1、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
2、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
3、、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
4、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
5、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,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
6、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
7、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,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
8、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,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=MN,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
9、较小的情况下,莫尔条纹宽度W和光栅栅距d、栅线角之间有下列关系:W=d/由于栅线角很小,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
10、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/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
11、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:50mm3000mm 测量精度:6um/m10um/m 测量基准(栅距):光栅周期20m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 5V5%,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
12、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/
13、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
14、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
15、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:1030Vdc。消耗电流:100mA。工作温度:-20-60C 连接
16、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
17、换成脉冲信号。通过计数器计量脉冲的数目,即可测定旋转运动的角位移;通过计量脉冲的频率,即可测定旋转运动的转速。,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,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,近似于正弦波的信号,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数目,即可测定旋转运动的角位移;通过计量脉冲的频率,即可测定旋转运动的转速。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,2)、方向辨别 为了判断光栅盘转动的方向,可采用图的逻辑控制电路,将光电管A、B信号放大整
18、形后变成a、b两组方波。a组分成两路,一路直接微分产生脉冲d,另一组经反相后再微分得到脉冲e。,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,d、e两路脉冲进入与门电路后分别输出正转脉冲f和反转脉冲g。b组方波作为与门的控制信号,使光电盘正转时f有脉冲输出,反转时g有脉冲输出,这样就可判别光电编码器的旋转方向。,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2010/09/02,一些增量式编码器提供六路输出信号A和A反、B和B反、Z和Z反;如单相联接,用于单方向计数,单方向测速。A、B两相联接,用于正反向计数、判断正反向和测速。A、B、Z三
19、相联接,用于带参考位修正的位置测量。A、A-,B、B-,Z、Z-差动连接,由于带有对称负信号的连接,电流对于电缆贡献的电磁场为0,衰减最小,抗干扰最佳,可传输较远的距离。对于TTL的带有对称负信号输出的编码器,信号传输距离可达150米。,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,增量式旋转编码器的特点:1、编码器每转动一个预先设定的角度将输出一个脉冲信号,通过统计脉冲信号的数量来计算旋转过的角度,因此编码器输出的位置数据是相对的。2、旋转角度的起始位可以任意设定。3、由于采用相对编码,因此掉电后旋转角度数据会丢失需要重新复位,重新想设置零点。4、一般都
20、是输出相位相差90度的方波信号A和B,以及一个指示零点的Z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,技术参数:1、分辨率:360度刻线数,单位:p/r,简称 多少线,501000线,。2、输出类型:正弦、方波(TTL,HTL高阈值 逻辑)、推拉式、集电极开路。3、输出电压:高电平、低电平。4、转动惯量:kgm2。5、最大允许转速:rpm。6、工作电压:5V-24V。7、连接方式:孔或轴,孔径或轴颈。8、外形尺寸:9、工作温度:10、重量:,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,优点:1、原理构造简单
21、、易于实现;2、机械平均寿命长,分辨能力强,3、抗干扰能力较强,4、可靠性较高。缺点:1、无法直接读出转动轴的绝对位置信息。2、断电后丢失位置信号。,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,混合式旋转编码器:同时输出绝对旋转角度编码与相对旋转角度编码混合式旋转编码器的特点:具备绝对编码器的旋转角度编码的唯一性与增量编码器的应用灵活性。,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2010/09/02,6.2.2 霍尔电流传感器 霍尔效应指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时,产生横向电位差的物理现象。利用霍尔效应可以设计制成多
22、种传感器。霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化,可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔元件具有许多优点,它们的结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高(可达1MHZ),耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。,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,由于通电导线周围存在磁场,其大小与导线中的电流成正比,故可以利用霍尔元件测量出磁场,就可确定导线电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是:1.测量范围广:它可以测量任意波形的电流和电压。2.响应速度快,动态性能好:最快者响应时间只为
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