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(yǔ)“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(wàn)能機(jī)器人公司》的劇本,他把在洛桑萬(wàn)能機(jī)器人公司生產(chǎn)勞動(dòng)的那些家伙取名“Robot”,漢語(yǔ)音譯為“羅伯特”，捷克語(yǔ)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(kāi)始有了知覺(jué),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(duì)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(lè)11.4機(jī)器人傳感器5可愛(ài)的小機(jī)器人能上臺(tái)階并避開(kāi)障礙物的機(jī)器人能自己站起來(lái)的機(jī)器人11.4機(jī)器人傳感器6排爆機(jī)器人我國(guó)沈陽(yáng)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(chǎng)實(shí)施有效的滅火救援、化學(xué)檢驗(yàn)和火場(chǎng)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(duì)減少國(guó)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(shí)別與語(yǔ)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(guó)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(jué)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(jué)、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(guò)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(cè)傳感器是以機(jī)器人本身的坐標(biāo)軸來(lái)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(cè)傳感器用于機(jī)器人對(duì)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(duì)環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力。外界檢測(cè)傳感器通常包括觸覺(jué)、接近覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)等傳感器。1811.4.3觸覺(jué)傳感器1.人的皮膚的感覺(jué)皮膚內(nèi)分布著多種感受器，能產(chǎn)生多種感覺(jué)。一般認(rèn)為皮膚感覺(jué)主要有四種，即觸覺(jué)、冷覺(jué)、溫覺(jué)和痛覺(jué)。２.機(jī)器人的觸覺(jué)機(jī)器人觸覺(jué)，實(shí)際上是人的觸覺(jué)的某些模仿。它是有關(guān)機(jī)器人和對(duì)象物之間直接接觸的感覺(jué)，包括的內(nèi)容較多，通常指以下幾種：19（1）觸覺(jué)。手指與被測(cè)物是否接觸，接觸圖形的檢測(cè)。（2）壓覺(jué)。垂直于機(jī)器人和對(duì)象物接觸面上的力傳感器。（3）力覺(jué)。機(jī)器人動(dòng)作時(shí)各自由度的力感覺(jué)。（4）滑覺(jué)。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(jué)主要有兩方面的功能：（1）檢測(cè)功能對(duì)操作物進(jìn)行物理性質(zhì)檢測(cè)，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(duì)象物；使操作具有適應(yīng)性和順從性。（2）識(shí)別功能識(shí)別對(duì)象物的形狀（如識(shí)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(jué)傳感器按一定形狀（如矩陣）組合在一起的陣列式觸覺(jué)傳感器，如圖18所示。其密度較大、體積較小、精度較高。“人工皮膚”傳感器可用于表面形狀和表面特性的檢測(cè)。22圖18陣列式觸覺(jué)傳感器23壓覺(jué)指的是對(duì)于手指給予被測(cè)物的力，或者加在手指上的外力的感覺(jué)。目前，壓覺(jué)傳感器主要是分布型壓覺(jué)傳感器，即通過(guò)把分散敏感元件陣列排列成矩陣式格子來(lái)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(jué)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(lái)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(jué)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(cè)出握力不夠時(shí)所產(chǎn)生的物體滑動(dòng)。利用這一信號(hào)，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(cè)器，叫做滑覺(jué)傳感器。如圖19所示為一種球形滑覺(jué)傳感器。球與被握物體相接觸，無(wú)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(jué)傳感器圖192711.4.4接近覺(jué)傳感器接近覺(jué)是機(jī)器人能感知相距幾毫米至幾十厘米內(nèi)對(duì)象物或障礙物的距離、對(duì)象物的表面性質(zhì)等的傳感器。其目的是在接觸對(duì)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(hào)is的勵(lì)磁線圈L產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)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(guò)檢測(cè)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(cè)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(jué)。電容接近覺(jué)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(cè)出與被接近物的距離。電容式接近覺(jué)傳感器具有對(duì)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(jué)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(zhǎng)距離和較大物體的探測(cè)，一般把它用于機(jī)器人的路徑探測(cè)和躲避障礙物。紅外線式接近傳感器可以探測(cè)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(duì)象物體顏色、粗糙度、環(huán)境亮度等）。3211.4.5視覺(jué)傳感器1.人的視覺(jué)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(zhǎng)是370~740nm的電磁波。在這個(gè)可見(jiàn)光譜的范圍內(nèi)，人腦通過(guò)接收來(lái)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(wàn)個(gè)，是聽(tīng)覺(jué)細(xì)胞的3000多萬(wàn)倍。2.機(jī)器人視覺(jué)機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)通常是利用光電傳感器構(gòu)成的。機(jī)器人的視覺(jué)作用的過(guò)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(jué)作用過(guò)程35機(jī)器人視覺(jué)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(lái)獲得。373.視覺(jué)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(hào)。其最簡(jiǎn)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(lái)。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(jiàn)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(cè)器件最簡(jiǎn)單的光探測(cè)器是光電管和光敏二極管。固態(tài)探測(cè)器件可以排列成線性陣列和矩陣陣列使之具有直接測(cè)量或攝像的功能。目前在機(jī)器人視覺(jué)中采用的非接觸測(cè)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(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)及其它傳感器1.人的聽(tīng)覺(jué)人的聽(tīng)覺(jué)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)。科蒂器官和其中所含的毛細(xì)胞，是真正的聲音感受裝置。聽(tīng)神經(jīng)纖維就分布在毛細(xì)胞下方的基底膜中，對(duì)聲音信息進(jìn)行編碼，傳送到大腦皮層的聽(tīng)覺(jué)中樞，產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)。442.機(jī)器人的聽(tīng)覺(jué)聽(tīng)覺(jué)也是機(jī)器人的重要感覺(jué)器官之一。從應(yīng)用的目的來(lái)看，可以將識(shí)別聲音的系統(tǒng)分為兩大類：（1）發(fā)音人識(shí)別系統(tǒng)。（2）語(yǔ)義識(shí)別系統(tǒng)。機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)中的聽(tīng)覺(jué)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(shí)別系統(tǒng)借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)和語(yǔ)言學(xué)編制的計(jì)算機(jī)軟件。453.人的嗅覺(jué)人的嗅覺(jué)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(duì)專用的感受位點(diǎn)和傳輸線路。非基本的氣味則由它們?cè)诓煌€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(jué)感受。464.機(jī)器人的嗅覺(jué)嗅覺(jué)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(jué)