機器人傳感器

1、1. 機器人傳感器（1）傳感器的定義： 傳感器是一種以一定的精度和規(guī)律把規(guī)定的被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定關系的、便于應用的某種物理量的器件或裝置。 對于機器人來說，無論是同外部環(huán)境進行交互，還是感知自身的姿態(tài)，都需要通過傳感器來或取相應的信息。 通過傳感器提供的信息，機器人不僅可以對自身的姿態(tài)、速度加速度等進行控制，而且可以進行任務規(guī)劃、路徑規(guī)劃以完成既定的工作任務和工作目標。機器人視覺機器人觸覺機器人力覺1. 機器人傳感器（2）機器人傳感器的分類：a.內(nèi)部傳感器: 主要感知與機器人自身參數(shù)相關的內(nèi)部信息，如位移、速度、加速度等。 主要有位置傳感器、速度和加速度傳感器、陀螺等。b.外部傳感器: 主

2、要感知本體以外的外界物理信息，如障礙物的位置、形狀、顏色、距離、接觸 受力等。主要包括視覺傳感器、聽覺傳感器、觸覺傳感器、力覺傳感器、滑覺傳 感器、陀螺傳感器、接近覺傳感器、距離傳感器、嗅覺傳感器、味覺傳感器以及 生物傳感器。1. 機器人傳感器（3）機器人視覺傳感器原理：視覺傳感器主要采用模擬攝像機或數(shù)碼攝像機獲取來環(huán)境圖像信息。對攝像機 獲取的二維圖像進行數(shù)字化后就可利用計算機感知機器人所處的三維環(huán)境。應用：通過對視覺傳感器獲取的圖像信息進行處理，可以感知環(huán)境中物體的輪廓、形 狀、顏色、還可以實現(xiàn)運動檢測、深度測量、相對定位、導航、環(huán)境或特定物 體的三維建模等。分類：光導管攝像機、數(shù)碼攝像機

3、。1. 機器人傳感器（3）機器人視覺傳感器：1，日本東北大學大學院工學研究科生物機器人專業(yè)教授小柳光正與準教授田中徹的研 究小組，正在研究模擬生物眼睛的視覺傳感器，即人工視網(wǎng)膜芯片。其目標是用幾 十mW的極低功率實現(xiàn)相當于1萬fps的超高速影響。2，日本廣島大學石井教授與東京大學石川正俊教授所領導的研究小組用現(xiàn)有技術開發(fā) 階段性執(zhí)行的圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。具有高精度且超高幀速率，而且可以實時，處理 信息。3，美國加州大學研制了一款具有“透視眼”功能的機器人，可以觀察發(fā)現(xiàn)墻壁內(nèi)部的 物體。該技術可用于尋找困陷在建筑物中的傷員，揮著監(jiān)控家中的老人。1. 機器人傳感器（4）機器人聽覺傳感器：原理：聲音識

4、別是人工智能的重要研究課題，也是智能機器人的重要研究內(nèi)容。機器 人聽覺傳感器可以感知環(huán)境中的聲音、超聲波、次聲波等信息。應用：機器人對聲波信號的識別可以用于防治次聲污染、人機語音交互、自然災害預 測等多個領域。分類：無噪聲電聲傳感器、駐極體電容式傳聲器、動圈式傳聲器、帶式傳聲器、光纖 型聲音傳感器。1. 機器人傳感器（4）機器人聽覺傳感器：1，將識別對象的聲音從周圍雜音中分離出來的音源分離技術，是聽覺傳感器得以普及 的關鍵。2，京都大學教授奧乃博所領導研究小組建立了音源分離技術體系，同時也領導著各領 域的實際開發(fā)，改下組以開發(fā)了可以分離、識別多人同時發(fā)出的聲音技術。3，除了語音分離技術之外，在

5、該領域較為重要的技術開發(fā)有兩個方向，一個是從語音 當中提取說話人的情感及周邊環(huán)境信息的技術，另一個是直接提取說話人當時的真 實環(huán)境下的聲音，包括由于說話人所在位置周圍的建筑物所引起的聲音微妙變化等。 雖然提取的是真實環(huán)境的聲音，但輸出時可自由輸出。1. 機器人傳感器（5）機器人觸覺傳感器：原理：觸覺傳感器是當機器人與環(huán)境中物體接觸時給出接觸信號，通過對觸覺的感知 機器人可以確認是否與環(huán)境中的物體接觸，了解所接觸物體的形狀和硬度等信 息。應用：簡單的接觸傳感器可以使機器人對碰撞、接觸等作出反應，復雜的觸覺傳感器 使機器人不僅了解是否與物體接觸、而且可以獲取接觸力的大小。分類：簡單的接觸傳感器、電

6、阻式接觸傳感器、電容式觸覺傳感器、電化學觸覺傳感 器、光學觸覺傳感器。1. 機器人傳感器（5）機器人觸覺傳感器：1，觸覺傳感器十年前已開始實用化，而且具有非常高的性能，業(yè)界正在進行以下三大 方面的新技術開發(fā)：大面積化。使用場所及應用的多樣化；研發(fā)類似人類皮膚的觸 覺傳感，不僅檢測位置，還要同時檢測力度、壓力、溫度、表面凸凹、有無摩擦等； 利用CMOS等工藝進行集成。2，美國麻省理工學院視覺科學學科聯(lián)合波士頓東北大學研究團隊成功研制了一種觸覺 傳感器GelSight，比人類手指更加靈活敏感。GelSight不是以機器來辨識觸覺，而 是以3D視覺實時定位物體的方位，以實現(xiàn)對物體的識別和傳感。其最大

7、特征在于， 最快的辨識物體的視覺信號，并馬上將其轉(zhuǎn)化為觸覺信號。1. 機器人傳感器（6）機器人力覺傳感器：原理：力覺傳感器經(jīng)常裝于機器人關節(jié)處，通過檢測彈性體變形來間接測量所受力。 裝于機器人關節(jié)處的力覺傳感器常以固定的三坐標形式出現(xiàn)，有利于滿足控制 系統(tǒng)的要求。目前出現(xiàn)的六維力覺傳感器可實現(xiàn)全力信息的測量，因其主要安 裝于腕關節(jié)處被稱為腕力覺傳感器。應用：力覺傳感器可用來檢測機器人自身關節(jié)力和機器人與外部環(huán)境物體之間相互作 用力。分類：,關節(jié)力傳感器、腕力傳感器、指力傳感器。1. 機器人傳感器（6）機器人力覺傳感器：1，多維力傳感器指的是一種能夠同時測量兩個方向以上力及力矩分量的力傳感器，在

8、 笛卡爾坐標系中力和力矩可以各自分解為三個分量，因此，多維力最完整的形式是 六維力/力矩傳感器，即能夠同時測量三個力分量和三個力矩分量的傳感器，目前廣 泛使用的多維力傳感器就是這種傳感器。2，日本信號株式會社推出了基于微機電系統(tǒng)(MEMS)技術的超小型六軸力覺傳感器。其 采用該公司研發(fā)的電磁驅(qū)動式MEMS光掃描儀ECO SCAN的技術經(jīng)驗,主要用于機器人 和計量測量儀器領域。該六軸力覺傳感器利用半導體的壓電電阻效應來檢測應力。1. 機器人傳感器（7）機器人滑覺傳感器：原理：為了在抓握物體時確定一個適當?shù)奈樟χ?，需要實時檢測接觸面的相對滑動， 然后判斷握力，在不損傷物體的情況下逐漸增加力量，滑覺

9、檢測功能是實現(xiàn)機 器人柔性抓握的必備條件。通過滑覺傳感器可實現(xiàn)識別功能，對被抓物體進行 表面粗糙度和硬度的判斷。應用：滑覺傳感器可用來檢測機器人與抓握對象間滑移程度的傳感器。分類：無方向性滑覺傳感器、單方向性滑覺傳感器、全方向性滑覺傳感器（球形）。1. 機器人傳感器（7）機器人滑覺傳感器：1，起始滑動和實際滑動是智能機器人觸覺系統(tǒng)的重要參數(shù)，不論是裝卸剛性物體還 是裝卸一般不易握住的柔性材料以及易碎物品都是如此。滑覺傳感器的開發(fā)對穩(wěn) 定機器人裝卸物尤其重要。2，無方向型滑覺傳感器：不考慮滑動的方向，只考慮滑動引起的位移和速度大小。3，單一方向型滑覺傳感器：根據(jù)手指把握物體方向的限制，只在某些特

10、定方向感知 物體滑動信息。4，全方向型滑覺傳感器：能檢測在手指表面任意方向產(chǎn)生的滑動信息。1. 機器人傳感器（8）機器人距離傳感器：原理：距離的測量對于機器人來說非常重要。距離傳感器發(fā)出能量波至環(huán)境物體表面 并接受反射回來能量波，記錄兩者之間的時間差，從而可換算出機器人距該物 體的距離。應用：可以獲取外部環(huán)境的深度信息，相對距離信息，也可以用來對機器人進行定位 和避障等。分類：超聲波測距傳感器、激光測距傳感器、紅外線測距傳感器、微波測距傳感器、 24GHZ雷達測距傳感器。1. 機器人傳感器（8）機器人距離傳感器：1，超聲測距原理：超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固 體中，

11、它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生 顯著反射形成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應。,2，激光測距原理：激光傳感器工作時，先由激光二極管對準目標發(fā)射激光脈沖。經(jīng) 目標反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器， 記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時間，即可測定 目標距離。3，紅外測距原理：紅外測距傳感器利用紅外信號遇到障礙物距離的不同反射的強度 也不同的原理，進行障礙物遠近的檢測。1. 機器人傳感器（9）機器人接近離傳感器：原理：接近覺傳感器是非接觸檢測器件，利用磁感應、渦流、光學原理、超聲波、電 容和電感、霍爾效應等原理制成。應用：主要用于探測一個物體是否與

12、另一個物體接近，可用于機器人避障。分類：磁感應傳感器、超聲波接近傳感器、光學接近傳感器等。1. 機器人傳感器（9）機器人接近離傳感器：1，接觸覺傳感器不僅可以判斷是否接觸物體，而且還可以大致判斷物體的形狀。一 般傳感器裝于機器人末端執(zhí)行器上。2，除微動開關外，接觸覺傳感器還采用碳素纖維及聚氨基甲酸酯為基本材料構成觸 覺傳感器。機器人與物體接觸，通過碳素纖維與金屬針之間建立導通電路。3，與微動開關相比，碳素纖維具有更高的觸電安裝密度、更好的柔性、可以安裝于 機械手的曲面手掌上。1. 機器人傳感器（10）機器人陀螺傳感器：原理：陀螺是用高速回轉(zhuǎn)體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個或

13、二個軸的角運動檢測裝置。利用其他原理制成的角運動檢測裝置起同樣功能的 也稱陀螺儀。應用：陀螺儀是用來測量運動體角度、角速度和角加速度的傳感器。利用陀螺可以測 量機器人連桿的姿態(tài)角（航向、俯仰、橫滾），精確測量連桿角運動。分類：機械陀螺、壓電陀螺、光學陀螺、微機械電子陀螺。 1. 機器人傳感器（7）機器人陀螺傳感器：1，機械陀螺儀：價格貴，有轉(zhuǎn)動部分，精度較高，不易受電磁干擾。2，電子陀螺儀：價格便宜，無轉(zhuǎn)動部分，易受電磁干擾，使用場合受限制。3，光學陀螺儀：只有很少的移動部件或沒有移動部件，與機械陀螺相比易于維護、不 受重力影響。4，微機械電子陀螺：是利用半導體制造技術將微型機械結(jié)構、信號采集

14、放大與處理電 路等集成在一起的陀螺系統(tǒng)，結(jié)構精巧，靈敏度高。1. 機器人傳感器（8）機器人生化傳感器：原理：生化傳感器是一門由生物、化學、物理、醫(yī)學、電子技術等多種學科互相滲透 成長起來的高新技術。因其具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、 在復雜的體系中進行在線連續(xù)監(jiān)測，特別是它的高度自動化、微型化與集成化 的特點，使其在近幾十年獲得蓬勃而迅速的發(fā)展。應用：生化傳感器主要用于微納機器人和醫(yī)療機器人，并正向傳統(tǒng)機器人領域擴展， 可以大大提高機器人對外界生化信息的感知能力。分類：親和型、代謝型、催化型、半導體型、生化電極傳感器、光生化傳感器。1. 機器人傳感器（8）機器人生化傳感器：1，從

15、1962年，Clark和Lyons最先提出生物傳感器的設想距今已有40 年。生物傳感器 在發(fā)酵工藝、環(huán)境監(jiān)測、食品工程、臨床醫(yī)學、軍事及軍事醫(yī)學等方面得到了深 度重視和廣泛應用。2，微納機器人所配備的生物傳感器可特異性識別癌細胞和病毒細胞，為機器人微創(chuàng) 手術與靶向治療奠定了良好的基礎。3，機器人嗅覺與味覺的實現(xiàn)必定需要多種生物與化學傳感器相互配合。4，目前生化傳感器不僅應用于生物工程、化學工程、醫(yī)療診治等直接相關領域，也 正在加速向機械裝備、電子產(chǎn)品等非直接相關領域領域擴展。1. 機器人傳感器（8）機器人嗅覺傳感器：原理：機器嗅覺是一種模擬生物嗅覺工作原理的新穎仿生檢測技術，機器嗅覺系統(tǒng)通 常

16、由交叉敏感的化學傳感器陣列和適當?shù)挠嬎銠C模式識別算法組成，陣列中的 氣體傳感器各自對特定氣體具有較高的敏感性，由一些不同敏感對象的傳感器 構成的陣列可以測得被測樣品揮發(fā)性成分的整體信息，與人的鼻子一樣，聞到 的是樣品的總體氣味。 應用：嗅覺傳感器可以感知空氣中的特殊氣味，可用于檢測、分析和鑒別各種氣味。分類：氣體嗅覺傳感器、仿生嗅覺傳感器。1. 機器人傳感器（8）機器人嗅覺傳感器：1，東京工業(yè)大學準教授中本高道所領導的研究小組研發(fā)了再現(xiàn)氣味技術，可將發(fā)送方 嗅覺傳感器所檢測到的氣味數(shù)值化，然后在此基礎上對32種主要氣味成分進行調(diào)配， 從而人工再現(xiàn)氣味。2，瑞士巴塞爾大學的研究小組開發(fā)了將懸臂用

17、于氣體傳感器的技術，懸臂是用MEMS技 術制作而成，其中使用了原子力顯微鏡。懸臂的一側(cè)是高分子膜，可對氣體做出反 應，當高分子上吸附特定氣體時會發(fā)生變形，借此就可以檢測高分子膜的變形，從 而換算成氣體的濃度和氣味的濃度。3，最近，嗅覺傳感器在醫(yī)療領域的應用引起了人們關注，其原理就是當人類生病時會 發(fā)出各種氣味，不同疾病的氣味不同，通過對氣味的檢測，便可檢測出病人所患何 種疾病。4，由于氣體傳感器在各行各業(yè)中已經(jīng)開始應用，所以嗅覺傳感器比較容易進入實用化。5，如果使用生物傳感器，就可以通過檢測結(jié)果氣味的對應關系再現(xiàn)人的感覺。1. 機器人傳感器（8）機器人味覺傳感器：原理：人類舌頭表面感覺問道的器官被稱為味蕾，味蕾上存在可感覺甜味、咸味、酸 味、苦味、鮮味五中基本味道的各種味蕾細胞。味覺傳感器也可以分別區(qū)分這 五種基本味道的濃淡程度，并將味道數(shù)值化再進行評價。應用：味覺傳感器可以使機器人具有識別味道的功能，可用于制造機器人美食家，評 判美味的優(yōu)劣。分類：化學傳