新型傳感器3-機(jī)器人傳感器

11.4機(jī)器人傳感器

“Ｒobot”一詞源出自捷克語“robota”，意謂“強(qiáng)迫勞動(dòng)”。1920年捷克斯洛伐克作家薩佩克寫了一個(gè)名為《洛桑萬能機(jī)器人公司》的劇本,他把在洛桑萬能機(jī)器人公司生產(chǎn)勞動(dòng)的那些家伙取名“Robot”,漢語音譯為“羅伯特”，捷克語意為“奴隸”——薩佩克把機(jī)器人的地位確定為只管埋頭干活、任由人類壓榨的奴隸，它們存在的價(jià)值只是服務(wù)于人類。一個(gè)極其偶然的原因,機(jī)器人開始有了知覺,它們不堪忍受人類的統(tǒng)治,向人類發(fā)動(dòng)攻擊,最后徹底毀滅了人類?！皺C(jī)器人”的名字也正式由此而生。1能踢球的機(jī)器人11.4機(jī)器人傳感器2對運(yùn)動(dòng)的球類有正確反應(yīng)的機(jī)器人能打網(wǎng)球的機(jī)器人機(jī)器人足球比賽11.4機(jī)器人傳感器3能行走的機(jī)器人11.4機(jī)器人傳感器4服務(wù)機(jī)器人機(jī)器人伴舞機(jī)器人奏樂11.4機(jī)器人傳感器5可愛的小機(jī)器人能上臺階并避開障礙物的機(jī)器人能自己站起來的機(jī)器人11.4機(jī)器人傳感器6排爆機(jī)器人我國沈陽自動(dòng)化所研制的PXJ-2機(jī)器人也加入了公安部隊(duì)的行列。11.4機(jī)器人傳感器7消防機(jī)器人消防機(jī)器人作為特種消防設(shè)備可代替消防隊(duì)員接近火場實(shí)施有效的滅火救援、化學(xué)檢驗(yàn)和火場偵察。它的應(yīng)用將提高消防部隊(duì)撲滅特大惡性火災(zāi)的實(shí)戰(zhàn)能力，對減少國家財(cái)產(chǎn)損失和滅火救援人員的傷亡將產(chǎn)生重要的作用。11.4機(jī)器人傳感器8機(jī)器人輪椅主要有口令識別與語音合成、機(jī)器人自定位、動(dòng)態(tài)隨機(jī)避障、多傳感器信息融合、實(shí)時(shí)自適應(yīng)導(dǎo)航控制等功能。11.4機(jī)器人傳感器9軍事機(jī)器人我國引進(jìn)的排爆機(jī)器人進(jìn)攻型機(jī)器人11.4機(jī)器人傳感器10工業(yè)機(jī)器人核工業(yè)機(jī)器人汽車噴漆機(jī)器人11.4機(jī)器人傳感器11機(jī)器人的手11.4機(jī)器人傳感器12機(jī)械手在汽車加工中的應(yīng)用機(jī)械手能按照程序焊接和安裝汽車部件，是機(jī)器人的雛形。11.4機(jī)器人傳感器13激光焊接機(jī)械手11.4機(jī)器人傳感器14機(jī)器人大腦——主板機(jī)器人思想——程序機(jī)器人感知——傳感器機(jī)器人手腳——馬達(dá)機(jī)器人骨架——機(jī)械結(jié)構(gòu)機(jī)器人食物——電池1.機(jī)器人的組成11.4機(jī)器人傳感器152.傳感器在機(jī)器人中的應(yīng)用機(jī)器人是由計(jì)算機(jī)控制的復(fù)雜機(jī)器，它具有類似人的肢體及感官功能；動(dòng)作程序靈活；有一定程度的智能；在工作時(shí)可以不依賴人的操縱。機(jī)器人傳感器在機(jī)器人的控制中起了非常重要的作用，正因?yàn)橛辛藗鞲衅?，機(jī)器人才具備了類似人類的知覺功能和反應(yīng)能力。

11.4機(jī)器人傳感器1611.4機(jī)器人傳感器11.4.1機(jī)器人與傳感器機(jī)器人可以被定義為計(jì)算機(jī)控制的能模擬人的感覺、手工操縱，具有自動(dòng)行走能力而又足以完成有效工作的裝置。按照其功能，機(jī)器人已經(jīng)發(fā)展到了第三代，而傳感器在機(jī)器人的發(fā)展過程中起著舉足輕重的作用。機(jī)器人傳感器可以定義為一種能將機(jī)器人目標(biāo)物特性（或參量）變換為電量輸出的裝置。被稱為機(jī)器人的電五官。1711.4.2機(jī)器人傳感器的分類內(nèi)部檢測傳感器是以機(jī)器人本身的坐標(biāo)軸來確定其位置，它通常由位置、加速度、速度及壓力傳感器組成。外界檢測傳感器用于機(jī)器人對周圍環(huán)境、目標(biāo)物的狀態(tài)特征獲取信息，從而使機(jī)器人對環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力。外界檢測傳感器通常包括觸覺、接近覺、視覺、聽覺、嗅覺、味覺等傳感器。1811.4.3觸覺傳感器1.人的皮膚的感覺皮膚內(nèi)分布著多種感受器，能產(chǎn)生多種感覺。一般認(rèn)為皮膚感覺主要有四種，即觸覺、冷覺、溫覺和痛覺。２.機(jī)器人的觸覺機(jī)器人觸覺，實(shí)際上是人的觸覺的某些模仿。它是有關(guān)機(jī)器人和對象物之間直接接觸的感覺，包括的內(nèi)容較多，通常指以下幾種：19（1）觸覺。手指與被測物是否接觸，接觸圖形的檢測。（2）壓覺。垂直于機(jī)器人和對象物接觸面上的力傳感器。（3）力覺。機(jī)器人動(dòng)作時(shí)各自由度的力感覺。（4）滑覺。物體向著垂直于手指把握面的方向移動(dòng)或變形。20機(jī)器人的觸覺主要有兩方面的功能：（1）檢測功能對操作物進(jìn)行物理性質(zhì)檢測，如光滑性、硬度等，其目的是：感知危險(xiǎn)狀態(tài)，實(shí)施自我保護(hù)；靈活地控制手爪及關(guān)節(jié)以操作對象物；使操作具有適應(yīng)性和順從性。（2）識別功能識別對象物的形狀（如識別接觸到的表面形狀）。21人們進(jìn)行了所謂“人工皮膚”的研究。這種“皮膚”實(shí)際上也是一種由單個(gè)觸覺傳感器按一定形狀（如矩陣）組合在一起的陣列式觸覺傳感器，如圖18所示。其密度較大、體積較小、精度較高?！叭斯てつw”傳感器可用于表面形狀和表面特性的檢測。22圖18陣列式觸覺傳感器23壓覺指的是對于手指給予被測物的力，或者加在手指上的外力的感覺。目前，壓覺傳感器主要是分布型壓覺傳感器，即通過把分散敏感元件陣列排列成矩陣式格子來設(shè)計(jì)成的。導(dǎo)電橡膠、感應(yīng)高分子、應(yīng)變計(jì)、光電器件和霍爾元件常被用作敏感元件單元。24力覺傳感器的作用有：感知是否夾起了工件或是否夾持在正確部位；控制裝配、打磨、研磨拋光的質(zhì)量；裝配中提供信息，以產(chǎn)生后續(xù)的修正補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)來保證裝配的質(zhì)量和速度；防止碰撞、卡死和損壞機(jī)件。用于力覺傳感器的主要有應(yīng)變式、壓電式、電容式、光電式和電磁式等。25機(jī)器人要抓住屬性未知的物體時(shí)，必須確定自己最適當(dāng)?shù)奈樟δ繕?biāo)值，因此需檢測出握力不夠時(shí)所產(chǎn)生的物體滑動(dòng)。利用這一信號，在不損壞物體的情況下，牢牢抓住物體，為此目的設(shè)計(jì)的滑動(dòng)檢測器，叫做滑覺傳感器。如圖19所示為一種球形滑覺傳感器。球與被握物體相接觸，無論滑動(dòng)方向如何，只要球一轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器就會(huì)產(chǎn)生脈沖輸出。26球形滑覺傳感器圖192711.4.4接近覺傳感器接近覺是機(jī)器人能感知相距幾毫米至幾十厘米內(nèi)對象物或障礙物的距離、對象物的表面性質(zhì)等的傳感器。其目的是在接觸對象前得到必要的信息，以便后續(xù)動(dòng)作。1.電磁式如圖20所示，加有高頻信號is的勵(lì)磁線圈L產(chǎn)生的高頻電磁場作用于金屬板，在其中產(chǎn)生渦流，該渦流反作用于線圈。通過檢測線圈的輸出可反映出傳感器與被接近金屬間的距離。28檢測線圈~勵(lì)磁線圈L金屬面渦流磁束圖20電磁式接近傳感器is292.電容式利用電容量的變化產(chǎn)生接近覺。電容接近覺傳感器如圖21所示。其本身作為一個(gè)極板，被接近物作為另一個(gè)極板。將該電容接入電橋電路或RC振蕩電路，利用電容極板距離的變化產(chǎn)生電容的變化，可檢測出與被接近物的距離。電容式接近覺傳感器具有對物體的顏色、構(gòu)造和表面都不敏感且實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)。30圖21電容接近覺傳感器313.超聲波式、紅外線式、光電式超聲波式接近傳感器適于較長距離和較大物體的探測，一般把它用于機(jī)器人的路徑探測和躲避障礙物。紅外線式接近傳感器可以探測到機(jī)器人是否靠近人或其他熱源，用于保護(hù)和改變機(jī)器人行走路徑。光電式接近傳感器的應(yīng)答性好，維修方便，目前應(yīng)用較廣，但使用環(huán)境受到一定的限制（如對象物體顏色、粗糙度、環(huán)境亮度等）。3211.4.5視覺傳感器1.人的視覺人的眼睛是由含有感光細(xì)胞的視網(wǎng)膜和作為附屬結(jié)構(gòu)的折光系統(tǒng)等部分組成。人眼的適宜刺激波長是370~740nm的電磁波。在這個(gè)可見光譜的范圍內(nèi)，人腦通過接收來自視網(wǎng)膜的傳入信息，可以分辨出視網(wǎng)膜像的不同亮度和色澤，因而可以看清視野內(nèi)發(fā)光物體或反光物體的輪廓、形狀、顏色、大小、遠(yuǎn)近和表面細(xì)節(jié)等情況。33人眼視網(wǎng)膜上有兩種感光細(xì)胞，視錐細(xì)胞主要感受白天的景象，視桿細(xì)胞感受夜間景象。人的視錐細(xì)胞大約有700多萬個(gè)，是聽覺細(xì)胞的3000多萬倍。2.機(jī)器人視覺機(jī)器人的視覺系統(tǒng)通常是利用光電傳感器構(gòu)成的。機(jī)器人的視覺作用的過程如圖22所示。34三維實(shí)物（立體）二維圖像（平面）景象描述傳感器圖像處理圖22視覺作用過程35機(jī)器人視覺系統(tǒng)要能達(dá)到實(shí)用，至少要滿足以下幾方面的要求。首先是實(shí)時(shí)性，其次是可靠性，再次是要求有柔性，最后是價(jià)格適中。36在空間中判斷物體的位置和形狀一般需要兩類信息：距離信息和明暗信息。獲得距離信息的方法可以有超聲波、激光反射法、立體攝像法等。而明暗信息主要靠電視攝像機(jī)、CCD固態(tài)攝像機(jī)來獲得。373.視覺傳感器（1）人工網(wǎng)膜人工網(wǎng)膜是用光電管陣列代替網(wǎng)膜感受光信號。其最簡單的形式是3×3的光電管矩陣，多的可達(dá)256×256個(gè)像素的陣列甚至更高。以3×3陣列為例。數(shù)字字符1，得到的正、負(fù)像如圖9-23所示，大寫字母字符I

，所得正、負(fù)像如圖24所示。事先作為標(biāo)準(zhǔn)圖像存儲(chǔ)起來。38正像負(fù)像圖23數(shù)字字符1的正、負(fù)像39正像負(fù)像圖24大寫字母字符I的正、負(fù)像40工作時(shí)得到數(shù)字字符1的輸入，其正、負(fù)像可與已存儲(chǔ)的1和I的正、負(fù)像進(jìn)行比較，結(jié)果見表4。在兩者比較中，是1的總相關(guān)值是9，等于陣列中光電管的總數(shù)，這表示所輸入的圖像信息與預(yù)先存儲(chǔ)的圖像數(shù)字字符1的信息是完全一致的。由此可判斷輸入的字符是數(shù)字字符1，不是大寫字母字符I

，也不是其它字符。41表4與1比較與I比較正像相關(guān)值33負(fù)像相關(guān)值62總相關(guān)值9542（2）光電探測器件最簡單的光探測器是光電管和光敏二極管。固態(tài)探測器件可以排列成線性陣列和矩陣陣列使之具有直接測量或攝像的功能。目前在機(jī)器人視覺中采用的非接觸測試的固態(tài)陣列以CCD器件占多數(shù)，單個(gè)線性陣列已達(dá)到4096單元，CCD面陣已達(dá)到512×512及更高。利用CCD器件制成的固態(tài)攝像機(jī)有較高的幾何精度，更大的光譜范圍，更高的靈敏度和掃描速率，結(jié)構(gòu)尺寸小，功耗小，耐久可靠等。

4311.4.6聽覺、嗅覺、味覺及其它傳感器1.人的聽覺人的聽覺的外周感受器官是耳，耳的適宜刺激是一定頻率范圍內(nèi)的聲波振動(dòng)?？频倨鞴俸推渲兴拿?xì)胞，是真正的聲音感受裝置。聽神經(jīng)纖維就分布在毛細(xì)胞下方的基底膜中，對聲音信息進(jìn)行編碼，傳送到大腦皮層的聽覺中樞，產(chǎn)生聽覺。442.機(jī)器人的聽覺聽覺也是機(jī)器人的重要感覺器官之一。從應(yīng)用的目的來看，可以將識別聲音的系統(tǒng)分為兩大類：（1）發(fā)音人識別系統(tǒng)。（2）語義識別系統(tǒng)。機(jī)器人聽覺系統(tǒng)中的聽覺傳感器的基本形態(tài)與麥克風(fēng)相同，多為利用壓電效應(yīng)、磁電效應(yīng)等。識別系統(tǒng)借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)和語言學(xué)編制的計(jì)算機(jī)軟件。453.人的嗅覺人的嗅覺感受器是位于上鼻道及鼻中隔后上部的嗅上皮，兩側(cè)總面積約5cm2。嗅上皮含有三種細(xì)胞，即主細(xì)胞，支持細(xì)胞和基底細(xì)胞。不同性質(zhì)的氣味刺激有其相對專用的感受位點(diǎn)和傳輸線路。非基本的氣味則由它們在不同線路上引起的不同數(shù)量沖動(dòng)的組合，在中樞引起特有的主觀嗅覺感受。464.機(jī)器人的嗅覺嗅覺傳感器主要的是采用氣體傳感器、射線傳感器等。機(jī)器人的嗅覺