机器人在光学方面的应用--选修课论文

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1、机器人技术及其应用结课论文专业：光信息科学与技术班级：12050241学号：1205024105姓名：郭红机器人是一种由主体结构、控制器、指挥系统和监测传感器组成的，能够模拟人的某些行为、能够自行控制、能够重复编程、能在二维空间内完成一定工作的机电一体化的生产设备。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域，也是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人技术的研究和应用已从传统的工业领域快速扩展到其他领域，而无论是传统的工业领域还是其他领域，对

2、机器人性能要求的不断提高，使机器人必须面对更极端的环境，完成更复杂的任务。我所学的专业：光信息科学与技术，在机器人技术方面有着很多的应用，与机器人技术联系密切，为机器人的发展提供了动力。主要体现在机器人视觉技术，如机器人视觉传感技术及应用。其他方面也有所涉及，比如：机器人激光焊、光电混合处理系统在机器人视觉目标中的应用、光学定位脑外科机器人系统及其空间配准、用机器人焊接时神经网络在焊缝的光学传感和自动跟踪中的应用等。机器人视觉技术得到了广泛的发展及应用。人类感知外部世界主要是通过视觉、触觉、听觉和嗅觉等感觉器官，其中约80%的信息是通

3、过视觉器官获取的。视觉感知环境信息的效率很高，他不仅指对光信息的感受，还包括对视觉信息的获取、传输、处理、存储与理解的全过程。对人类而言，视觉信息传入人大脑后，由大脑根据已有的知识进行信息处理，进而判断和识别。机器人视觉系统是使机器人具有视觉感知功能的系统，是通过摄相机和计算机来对外部环境进行测量、识别和判断。但是机器视觉和人类视觉有着本质上的不同，它的特点不仅在于模拟人眼功能，更重要的是他能完成人眼所不能胜任的某些工作，主要应用于不适合人工作或者人类视觉无法达到要求，以及高速大批量工业产品制造自动生产流水线的一些场合。机器人视觉可以

4、通过视觉传感器获取环境的一维、二维和三维图像，并通过视觉处理器进行分析和解释，进而转换为符号。人能够辨识物体，并确定其位置及各种状态。机器人视觉系统侧重于研究以应用为背景的专用视觉系统，只提供对执行某一特定任务相关的景物描述。机器人视觉硬件主要包括图像获取和视觉处理两部分，而图像获取由照明系统、视觉传感器、模拟－数字转换器和帧存储器等组成。根据功能不同，机器人视觉可分为视觉检验和视觉引导两种，广泛应用于电子、汽车、机械等工业部门和医学、军事领域。机器人常用的视觉传感器有光电二极管与光电转换器件、PSD、CCD图像传感器、CMOS图像传

5、感器以及其他的摄像元件。介绍如下：光电二极管与光电转换器pn型光电二级管，如果让光子射入半导体的pn结边界耗尽层，就会激励起新的空穴。利用电场将空穴和电子分离到两侧，就可以的到与光子量成比例的反向电流。Pn型元件的优点是暗电流小，所以被广泛用于照度计和分广度计等测量装置中。PSD（PositionSensitiveDetector，位置敏感探测器）是测定入射光位置的传感器，由发光二级管、表面电阻膜、电极组成。入射光产生的光电流通过电阻膜到达元件两端的电极，流入各个电极的电流与电阻值存在对应关系，而电阻值又与光的入射位置及到各个电极距离

6、成比例，因此根据电流值就能检测到光入射的位置。PSD元件中有一维和二维两种，它们都具有高速性，但要注意入射到开口部分的散射光的影响。CCD图像传感器电荷耦合器件（CCD：ChargeCoupledDevice）图像传感器是由多个光电二极管传送储存电荷的装置。它有多个MOS（MetalOxideSemiconductor）结构的电极，电荷传送的方式是通过向其中一个电极上施加与众不同的电压，产生所谓的势阱，并顺序变更势阱来实现的。根据传送电荷需要的脉冲信号的个数，施加电压的方法有两相方式和三相方式。CCD图像传感器有一维形式的，是将发光二

7、极管和电荷传送部分一维排列制成的。此外还有二维形式的，它可以代替传统的硒化镉光导摄像管和氧化铅光电摄像管二维传感器。二维传感器属于水平和垂直传送电荷传感器，传送方式有行间传送、帧—行间传送、帧传送及全帧传送四种方式。行间传送方式，采取一维摄像区域（接收部分）与传送区域平行布置结构的方法。接收部分多使用二极管。每一帧曝光所储蓄的电荷分别被垂直或水平的传送，然后以图像信号的形式被取出。在CCD内部电荷传送的效率非常高，因此其具有高的灵敏度。由于整个传送区域是被遮光的，所以在传送中不会曝光。CCD图像传感器把垂直寄存器用作单画面图像的缓存，

8、所以可以将曝光时间和信号传送时间分离开。也就是说，其具有所有像素能在同一时间曝光的特点。CMOS图像传感器CMOS图像传感器是由接收部分（二极管）和放大部分组成的一个个单元，然后按照二维排列。由于放大器单元之间特性的分散