第04章-機器人傳感技術(shù)

教案首頁課程名稱農(nóng)業(yè)機器人任課教師李玉柱第4章機器人傳感技術(shù)計劃學(xué)時3教學(xué)目的和要求：了解機器人常用傳感器的分類；了解機器人內(nèi)部傳感器的分類和工作原理；了解機器人外部傳感器的分類和工作原理；掌握幾種常見機器人用傳感器的原理。重點：機器人內(nèi)部傳感器的分類和工作原理；機器人外部傳感器的分類和工作原理；難點：1. 機器人外部傳感器的分工作原理（力覺傳感器、觸覺傳感器、接近覺傳感器、滑覺傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、嗅覺傳感器、味覺傳感器）；思考題：試述傳感器在機器人技術(shù)中的主要作用有哪些？機器人的內(nèi)部傳感器和外部傳感器的作用是什么？設(shè)想一個高智能類人機器人大約會用到哪些傳感器技術(shù)？第4章機器人傳感器技術(shù)教學(xué)主要內(nèi)容：機器人常用傳感器的分類機器人傳感器的要求和選擇內(nèi)部傳感器（位移傳感器、角數(shù)字編碼器）外部傳感器（力覺傳感器、觸覺傳感器、接近覺傳感器、滑覺傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、嗅覺傳感器、味覺傳感器）本章首先介紹了機器人常用傳感器的分類，要求及選擇；然后分別對機器人內(nèi)部傳感器和外部傳感器工作原理進行了詳細的介紹。4.1機器人常用傳感器的分類機器人的控制系統(tǒng)相當(dāng)于人類大腦，執(zhí)行機構(gòu)相當(dāng)于人類四肢，傳感器相當(dāng)于人類的五官。因此，要讓機器人像人一樣接收和處理外界信息，機器人傳感器技術(shù)是機器人智能化的重要體現(xiàn)。傳感器是機器人完成感覺的必要手段，通過傳感器的感覺作用，將機器人自身的相關(guān)特性或相關(guān)物體的特性轉(zhuǎn)化為機器人執(zhí)行某項功能時所需要的信息。根據(jù)傳感器在機器人上應(yīng)用的目的和使用范圍不同，可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。內(nèi)部傳感器用于檢測機器人自身狀態(tài)（如手臂間角度、機器人運動工程中的位置、速度和加速度等）；外部傳感器用于檢測機器人所處的外部環(huán)境和對象狀況等，如抓取對象的形狀、空間位置、有沒有障礙、物體是否滑落等。表4-1機器人用內(nèi)、外傳感器分類傳感器檢測內(nèi)容檢測器件應(yīng)用位置位置、角度電位器、直線感應(yīng)同步器角度式電位器、光電編碼器位置移動檢測角度變化檢測速度速度測速發(fā)電機、增量式碼盤速度檢測加速度加速度壓電式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器加速度檢測觸覺接觸把握力荷重分布壓力多元力力矩滑動限制開關(guān)應(yīng)變計、半導(dǎo)體感壓元件彈簧變位測量器導(dǎo)電橡膠、感壓高分子材料應(yīng)變計、半導(dǎo)體感壓元件壓阻元件、馬達電流計光學(xué)旋轉(zhuǎn)檢測器、光纖動作順序控制把握力控制張力控制、指壓控制姿勢、形狀判別裝配力控制協(xié)調(diào)控制滑動判定、力控制接近覺接近間隔傾斜光電開關(guān)、LED、紅外、激光光電晶體管、光電二極管電磁線圈、超聲波傳感器動作順序控制障礙物躲避軌跡移動控制、探索視覺平面位置距離形狀缺陷攝像機、位置傳感器測距儀線圖像傳感器畫圖像傳感器位置決定、控制移動控制物體識別、判別檢查，異常檢測聽覺聲音超聲波麥克風(fēng)超聲波傳感器語言控制（人機接口）導(dǎo)航嗅覺氣體成分氣體傳感器、射線傳感器化學(xué)成分探測味覺味道離子敏感器、PH計4.2機器人傳感器的要求和選擇機器人傳感器的選擇取決于機器人工作需要和應(yīng)用特點，對機器人感覺系統(tǒng)的要求時選擇傳感器的基本依據(jù)。機器人傳感器的選擇的一般要求：精度高、重復(fù)性好；穩(wěn)定性和可靠性好；抗干擾能力強；重量輕、體積小、安裝方便。4.3內(nèi)部傳感器4.3.位移傳感器按照位移的特征，可分為線位移和角位移。線位移是指機構(gòu)沿著某一條直線運動的距離，角位移是指機構(gòu)沿某一定點轉(zhuǎn)動的角度。（1）電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器由一個線繞電阻（或薄膜電阻）和一個滑動觸點組成。其中滑動觸點通過機械裝置受被檢測量的控制。當(dāng)被檢測的位置量發(fā)生變化時，滑動觸點也發(fā)生位移，從而改變了滑動觸點與電位器各端之間的電阻值和輸出電壓值，根據(jù)這種輸出電壓值的變化，可以檢測出機器人各關(guān)節(jié)的位置和位移量。如圖4-1所示，在載有物體的工作臺下面有同電阻的觸頭，當(dāng)工作臺左右移動時，接觸觸頭也隨之左右移動，從而改變了與電阻接觸的位置。檢測的是以電阻中心為基準位置的移動距離。假定輸入電壓為E，最大移動距離為L，在可動觸頭從中心向左端只移動x的狀態(tài)時，電阻右側(cè)的輸出電壓與電阻的長度成比例，也就是因此可移動的距離x為：(4-1) 把圖中的電阻元件彎成弧形，可動觸頭的另一端固定在圓的中心，并向時針那壓扁那個回轉(zhuǎn)時，電阻值隨相應(yīng)的回轉(zhuǎn)角變化而變化，基于上述同樣的理論可以構(gòu)成角度傳感器。如圖4-2所示這種電位計由環(huán)狀的電阻器和與其一邊電氣接觸一邊旋轉(zhuǎn)的電刷共同組成。當(dāng)電流沿電阻器流動時，形成電壓分布。如果這個電壓制作成與角度成比例的形式，則從電刷上提取出的電壓值，也與角度成比例。（2）直線型感應(yīng)同步器直線感應(yīng)同步器的組成結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。它由定尺和滑尺組成。定尺和滑尺間保證與一定的間隙，一般為0.25mm左右。在定尺上用銅箔制成單項均勻分布的平面連續(xù)繞組，滑尺上用銅箔制成平面分段繞組。繞組和基板之間有一厚度為0.1mm的絕緣層，在繞組的外面也有一層絕緣層，為了防止靜電感應(yīng)，在滑尺的外邊還粘貼一層鋁箔。定尺固定在設(shè)備上不動，滑尺則可以再定尺表面來回移動。感應(yīng)同步器的工作原理是基于電磁感應(yīng)的原理，導(dǎo)體運動切割磁力線會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，處于交變磁場中的導(dǎo)體也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。如果將一個通有交流電的單匝線圈，與另一個單匝線圈靠的很近，后者就會產(chǎn)生一個感應(yīng)電動勢。圖4-5是感應(yīng)感應(yīng)同步器工作原理圖。從圖中可知，它由定尺和動尺組成，在定尺和動尺上有印刷繞組。定尺為單相繞組，相距，構(gòu)成正弦、余弦繞組。當(dāng)在動尺的某個繞組上加一個頻率為的交流電壓勵磁時，定尺繞組就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢的大小與動、定繞組的相對位置有關(guān)。當(dāng)動尺勵磁組與定尺繞組對齊時（圖中正弦繞組），定尺上感應(yīng)電動勢感應(yīng)電動勢為正向最大；動尺相對定尺移動1/4節(jié)距后，兩繞組的磁通不變，感應(yīng)電動勢為0；再移動1/4節(jié)距，兩繞組反向?qū)R，感應(yīng)電動勢為負向最大。依次類推，動尺每移動一個節(jié)距，感應(yīng)電動勢大小周期性地重復(fù)變化一次。由于當(dāng)正弦繞組和定尺繞組對齊時，余弦繞組則錯開1/4節(jié)距，因此正、余弦繞組勵磁后在定尺繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的相位是不同的，相位相差。當(dāng)分別給動尺兩繞組加頻率和幅值相同、但相位相差的交流勵磁電壓，即。同樣可以證明，定尺繞組的感應(yīng)電動勢為：（4-2）式中—與動尺位移x相對應(yīng)的電角度，；—動尺、定尺繞組的耦合系數(shù)。由此看出，根據(jù)定尺繞組感應(yīng)電動勢的相位就可以測定動尺的位移。（3）圓形感應(yīng)同步器圓形感應(yīng)同步器的基本結(jié)構(gòu)如圖4-6所示。圓形感應(yīng)同步器主要用于測量角位移。它由釘子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。在轉(zhuǎn)子上分布著連續(xù)繞組，繞組的導(dǎo)片是沿圓周的徑向分布的。在定子上分布著兩相扇形分段繞組。定子和轉(zhuǎn)子的截面構(gòu)造與直線型同步器是一樣的，為了防止靜電感應(yīng)，在轉(zhuǎn)子繞組的表面粘貼一層鋁箔。4.3.2角數(shù)字編碼器角數(shù)字編碼器又稱碼盤，它是測量軸角位置和位移的方法之一，它具有很高的精確度、分辨率和可靠性。根據(jù)監(jiān)測方法不同，角數(shù)字編碼器又可以分為光學(xué)式、磁場式和感應(yīng)式。一般來說，普通型的分辨率能達到的程度，高精度型的編碼器其分辨率可以達到的程度。1.光學(xué)編碼器光學(xué)編碼器是一種應(yīng)用廣泛的角位移傳感器，其分辨率完全能夠滿足機器人的技術(shù)要求。這種非接觸傳感器可分為絕對型和增量型。對絕對型編碼器，只要把電源加到用這種傳感器的系統(tǒng)中，編碼器就能給出實際的線性或旋轉(zhuǎn)位置。因此，用絕對型編碼器裝備的機器人不需要校準，只要一通電，控制器就知道關(guān)節(jié)的位置。而增量型編碼器只能提供與某基準點對應(yīng)的位置信息。所以用增量型編碼器的機器人在獲得真實位置的信息以前，必須首先完成校準程序。2.磁電感應(yīng)式速度傳感器磁電感應(yīng)式速度傳感器利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運動而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，是一種磁電能量變換型傳感器。不需要供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小且頻率響應(yīng)范圍廣，通常用于振動、轉(zhuǎn)速、扭矩等測量。（4）絕對速度傳感器絕對速度傳感器，圖4-11為國產(chǎn)CD-1型絕對速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。途中磁鋼6借鋁架5固定在殼體4內(nèi)，并通過殼體形成磁回路。線圈2和阻尼環(huán)3安裝在芯桿2上，芯桿用彈簧1和8支承在殼體內(nèi)，構(gòu)成傳感器的活動部分。當(dāng)傳感器的殼體與振動物體一起振動時，如振動的頻率較高，由于芯桿組件的質(zhì)量很大，故產(chǎn)生的慣性力也大，可以阻止芯桿隨殼體一起運動。當(dāng)振動頻率高到一定程度時，可以認為芯桿組件基本不動，只是殼體隨被測物體振動。這時，線圈以物體的振動速度切割磁力線而在線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓。并且線圈輸出的電壓與線圈相對可替代運動速度成正比。當(dāng)振動速度高到一定程度時，線圈與殼體的相對速度就是被測振動物體的絕對速度。（5）測速發(fā)電機4.3.3加速度傳感器電動式速度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4-14所示，它由軛鐵。永久磁鐵、線圈及支承彈簧所組成。由電磁感應(yīng)定律可知，穿過線圈的磁通量隨時間變化時，在線圈兩端將產(chǎn)生與磁通量中減少速率成正比的電壓U，可表示為：如果線圈沿著與磁場垂直的方向運動，在線圈中便可產(chǎn)生與線圈速度成正比的感應(yīng)電壓，通過測量電路測得其電壓的大小，便可得出速度的大小。（2）壓電式加速度傳感器它也稱為壓電式加速度計，他是利用壓電效應(yīng)制成的一種加速度傳感器。常見的結(jié)構(gòu)形式有基于壓電元件厚度變形的壓縮式加速度傳感器、基于壓電元件剪切變形的剪切式和復(fù)合型加速度傳感器。本節(jié)介紹壓縮式加速度傳感器，其工作原理如圖4-15所示。它主要由壓電元件4、質(zhì)量塊3.預(yù)壓彈簧2、基座6及外殼1等部分組成。壓電元件置于基座上用彈簧將壓電塊壓緊。測量加速度時，由于被測物體與傳感器固定在一起，所以當(dāng)被測物體做加速度運動時，壓電元件也就受到質(zhì)量塊由于加速運動而產(chǎn)生的與加速度成正比的慣性力F，壓電元件由于壓電效應(yīng)的原因而產(chǎn)生電荷q，由牛頓第二定律知:F=ma由于q=dijF所以q=dijmadij—壓電系數(shù)壓縮式傳感器輸出的電壓為U=q/C若傳感器中電容C不變，則有U=dijma/C由上可知，輸出電壓U是加速度a的函數(shù)，測得輸出電壓U就可以知道a的大小。4.4機器人外部傳感器4.4.1力或力矩傳感器機器人在工作時，需要有合理的握力，握力太小或太大都不合適。力或力矩傳感器的種類很多，有電阻應(yīng)變片式、壓電式、電容式、電感式以及各種外力傳感器。力或力矩傳感器通過彈性敏感元件將被測力或力矩轉(zhuǎn)換成某種位移量或變形量，然后通過各自的敏感介質(zhì)把位移量或變形量轉(zhuǎn)換成能夠輸出的電量。機器人常用的力傳感器分以下三類。裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動器上的力傳感器，稱為關(guān)節(jié)傳感器。它測量驅(qū)動器本身的輸出力和力矩。用于控制中力的反饋。裝在末端執(zhí)行器和機器人最有一個關(guān)節(jié)之間的力傳感器，稱為腕力傳感器。它直接測出作用在末端執(zhí)行器上的力和力矩。裝在機器人手爪指（關(guān)節(jié)）上的力傳感器，稱為指力傳感器，它用來測量夾持物體時的受力情況。圖4-16所示是20世紀70年代美國斯坦福大學(xué)研制的機器人用六維力和力矩傳感器。這種傳感器的力和力矩敏感元件是應(yīng)變片，裝在鋁制筒體上，筒體由8個簡支梁（彈性梁）支持。由于機器人各個桿件通過關(guān)節(jié)連接在一起，運動時各桿件相互聯(lián)動，所以單個桿件的受力情況非常復(fù)雜。但是根據(jù)剛體力學(xué)知道，剛體上每個點的力都可以表示為笛卡爾坐標系三個坐標軸的分力和繞坐標軸的分力矩，就能計算出合力。在圖4-16所示的力和力矩傳感器上，8個梁中有4個水平梁和4個垂直梁，每個梁發(fā)生的應(yīng)變集中在梁的一端，把應(yīng)變片貼在應(yīng)變最大處就可以測出一個力。設(shè)8個彈性梁測出的應(yīng)變?yōu)闄C器人桿件某點的力與用力和力矩測出的8個應(yīng)變關(guān)系為：F—被測點在笛卡爾坐標空間中的受力矩陣kij—比例系數(shù)（i=1~6，j=1~8）4.4.2觸覺傳感器人的觸覺包括接觸覺、壓覺、力覺、冷熱覺、滑動覺、痛覺等。在機器人中，使用觸覺傳感器主要有三方面的作用：使操作動作使用，如感知手指同對象物之間的作用力，便可判定動作是否適當(dāng)，還可以用這種力作為反饋信號，通過調(diào)整，使給定的作業(yè)程序?qū)崿F(xiàn)靈活的動作控制。這一作用是視覺無法代替的。識別操作對象的屬性，如規(guī)格、質(zhì)量、硬度等，有時可以代替視覺進行一定程度的形狀識別，在視覺無法使用的場合尤為重要。用以躲避危險、障礙物等以防事故，相當(dāng)于人的痛覺。如圖4-17所示，觸頭安裝在機器人的手指上，用來判斷工作中各種狀況。用接近覺可感知物體在附近，手臂減慢速度接近物體；用壓覺控制握力。如果物件較重，則靠滑覺來檢測滑動，修正設(shè)定的握力來滑動；靠力覺控制與被測物體重量和轉(zhuǎn)矩相應(yīng)的力，或舉起或移動物體，另外，力覺在旋緊螺母、軸與孔的嵌入等裝配工作中也有廣泛的應(yīng)用。圖4-18所示為一些典型的觸覺傳感器，其中（a）所示為平板上安裝著多點通斷的感覺附著板裝置。這一傳感器平常為通態(tài)，當(dāng)與物體接觸時，彈簧收縮，上、下板間電流斷開。它的功能相當(dāng)于一開關(guān)，即輸出0或1兩種信號?？梢杂糜诳刂茩C械手的運動方向和范圍、躲避障礙物等。（b）所示為采用海綿中含碳的壓敏電阻傳感器，每個元件呈圓筒狀。上下有電極，元件周圍用海綿包圍。其觸覺的工作原理是：元件上加壓力時，電極間隔縮小，從而使電極間的電阻值發(fā)生變化。（c）所示是使用壓敏導(dǎo)電橡膠的觸覺結(jié)構(gòu)。采用壓敏橡膠的觸覺，與其他元件相比，其元件可以減薄。其中可按裝高密度的觸覺傳感器。另外，因為元件本身有彈性，所以，在實用與封裝方面都有許多優(yōu)點?？墒牵捎趯?dǎo)電橡膠有磁滯與相應(yīng)延遲，接觸電阻的阻差也大，因此，要想獲得實際的應(yīng)用，還必須做更大的努力。（d）所示為能進行高敏度觸覺封裝的觸覺元件。在接點與賦有導(dǎo)電性的石墨之間留一定間隙，加外力時，碳纖維紙與氨基甲酸乙酯泡沫產(chǎn)生如圖所示的變形，接點與碳纖維紙之間形成導(dǎo)通狀態(tài)，觸覺的復(fù)原力是由富有彈性與絕緣性的海綿體氨基甲酸乙酯造成的。這種觸覺，以極小的力工作，能進行高密度的封裝。（e）~（i）為采用斯坦福研究所研制的導(dǎo)電橡膠制成的觸覺傳感器。這種傳感器與以往的傳感器一樣，都是利用兩個電極的接觸。其中圖4-18（f）觸覺部分，有相當(dāng)于人的頭發(fā)突起，一旦物體與突起接觸，它就會變形，夾住絕緣體的上下金屬稱為導(dǎo)通的結(jié)構(gòu)。這是以往的傳感器所不具備的功能。（j）所示的觸覺傳感器原理為：與手指接觸進行實際操作時，觸覺中除與接觸面垂直的作用力外，還有平行的滑動作用力。人們以提高觸覺傳感器接觸壓力靈敏度作為研制這種傳感器的主要目的。用鈹青銅箔覆蓋手指表面，通過它與手指間或者手指與絕緣體之間的導(dǎo)通來檢測觸覺。4.4.3接近覺傳感器接近覺是指機器人能感覺到距離幾毫米到十幾厘米遠的對象物或障礙物，能檢測出物體的距離、相對傾角或?qū)ο笪锉砻娴男再|(zhì)。這就是非接觸式感覺。（1）電磁接近式傳感器電磁接近式傳感器是利用當(dāng)線圈與某一金屬物接近時會產(chǎn)生磁場的原理，這個磁場接近金屬物時，會在金屬物中產(chǎn)生感應(yīng)電流，也就是渦流。渦流大小隨對象物體表面和線圈距離的大小而變化，這個變化反過來又影響線圈內(nèi)磁場的強度。磁場強度可用另一組線圈檢測出來，也可以根據(jù)勵磁線圈本身電感的變化或勵磁電流的變化來檢測。這種傳感器精度較高，在工業(yè)中應(yīng)用廣泛。（2）電容式接近覺傳感器電容式接近覺傳感器的工作原理可用下式說明：（4-22）—極板面積—極板間距離—相對介電常數(shù)—真空介電常數(shù)—電極板間介質(zhì)的介電常數(shù)由式（4-22）可知電容的變化反映了極板間“距離的變化”即反應(yīng)了傳感器表面與對象物體表面間距離的變化。將這個電容接在電橋電路中，或者把它當(dāng)做RC振蕩器中的元件，都可檢測出距離。（3）超聲波傳感器超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷片制成。在壓電陶瓷片上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時，壓電陶瓷晶片就會產(chǎn)生機械變形，這種機械變形的大小和方向與外加電壓的大小和方向成正比。也就是說，在壓電陶瓷片上加有頻率為的交流電壓，它就會產(chǎn)生同頻率的機械振動，這種振動推動空氣等媒質(zhì)就會發(fā)出聲波。如果在壓電陶瓷片上有超聲機械波的作用，這將產(chǎn)生機械變形，這種機械變形是與超聲機械波一致的。機械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機械波相同的電信號。當(dāng)所用壓電材料不變時，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便地改變其固有頻率，利用這一特性可制成各種頻率的超聲波傳感器。超聲波傳感器的外形與結(jié)構(gòu)如圖4-24所示。超聲波傳感器由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成。其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超聲波的能量集中，并使傳感器有一定的指向角。金屬殼可防止外界力量對壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損害，同時金屬網(wǎng)不影響發(fā)射與接收超聲波。4.4.4滑覺傳感器機器人要抓住屬性未知的物體時，必須確定自己最適當(dāng)?shù)奈樟δ繕酥?，因此需檢測出握力不夠時所產(chǎn)生的物體滑動。利用這一信號，在不損壞物體的情況下，牢牢抓住物體。為此目地設(shè)計的滑動檢測器，叫做滑覺傳感器。檢測滑動的方法有以下幾種:根據(jù)滑動時產(chǎn)生的振動檢測，如圖4-25（a）所示。把滑動的位移變成轉(zhuǎn)動，檢測其角位移，如圖4-25（b）所示。根據(jù)滑動時手指與對象物體間動靜摩擦力來檢測，4-25（c）所示。根據(jù)手指壓力分布的改變來檢測，4-25（d）所示。圖4-26所示是一種測振式滑覺傳感器。傳感器尖端用一個的鋼球接觸被握物體，振動通過杠桿傳向磁鐵，磁鐵的振動在線圈中感應(yīng)電流并輸出。在傳感器中設(shè)有橡膠阻尼圈和油阻尼器?；瑒有盘柲芮宄貜脑肼曋蟹蛛x出來。但其檢測頭需要直接與對象物接觸，在握持類似于圓柱體的對象物時，就必須準確選擇握持位置，否則就不能起到檢測滑覺的作用；而其接觸為點接觸，可能因造成接觸壓力過大而損壞對象表面。圖4-27所示的柱型滾輪式滑覺傳感器比較實用。小型滑輪安裝在機器人手指上，其表面稍突出于手指表面，使物體的滑動變成滾動。滾輪表面貼有高摩擦因數(shù)的彈性物質(zhì)，一般用橡膠薄膜。也弄個板型彈簧將滾輪固定，可以使?jié)L輪與物體緊密接觸，并使?jié)L輪不產(chǎn)生縱向位移，滾輪內(nèi)部裝有發(fā)光二極管和光電三極管，通過圓盤形光柵把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號。滾輪式傳感器只能檢測一個方向的滑動。圖4-28所示為南斯拉夫貝爾格萊德大學(xué)研制的機器人專用滑覺傳感器。它由一個金屬球和觸針組成，金屬表面分成許多個相間排列的導(dǎo)電和絕緣小格。觸針頭很細，每次只能觸及一格，。當(dāng)工件滑動時，金屬球也隨之轉(zhuǎn)動，在觸針上輸出脈沖信號。脈沖信號的頻率反映了滑移速度，脈沖信號的個數(shù)對應(yīng)滑移的距離。接觸器觸頭面積小于球面上露出的導(dǎo)體面積，它不僅可做的很小，而且提高了檢測靈敏度。球與被握物體相接觸，無論滑動方向如何，只要球一轉(zhuǎn)動，傳感器就會產(chǎn)生脈沖輸出。該球體在沖擊力作用下不轉(zhuǎn)動，因此抗干擾能力強。4.4.5視覺傳感器每個人都能體會到，眼睛對人來說多么重要。有研究表明，視覺獲得的信息占人對外界感知信息的80%。人類視覺細胞數(shù)量的數(shù)量級大約為106，時聽覺細胞的300多倍，時皮膚感覺細胞的100多倍。人工視覺系統(tǒng)可以分為圖像輸入（獲取）、圖像處理、圖像理解、圖像存儲和圖像輸出幾個部分，如圖4-31所示。實際系統(tǒng)可以根據(jù)需要選擇其中的若干部件。4.4.5.1圖像的獲取圖像的獲取實際上是將被測物體的可視化圖像和內(nèi)在特征轉(zhuǎn)換成能被計算機處理的一系列數(shù)據(jù)、它主要由照明、圖像聚焦成像、圖像處理形成輸出信號三部分組成。①照明是影響機器視覺系統(tǒng)輸入的主重要因素，因為它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和至少30%的應(yīng)用效果。由于沒有通用的機器視覺照明設(shè)備，所有選擇相應(yīng)的照明裝置，以達到最佳效果。②圖像成像聚焦被測物的圖像通過一個透鏡聚焦在敏感元件上，機器視覺系統(tǒng)使用傳感器來捕捉圖像，傳感器可將可視化圖像轉(zhuǎn)化為電信號，便于計算機處理。③圖像處理形成輸出信號機器視覺系統(tǒng)實際上是一個光電轉(zhuǎn)換裝置，即將傳感器所收到的透鏡成像，轉(zhuǎn)化為計算機能處理的電信號。近年來開發(fā)了CCD（電荷耦合器件）和MOS（金屬氧化物半導(dǎo)體器件）等組成的固體視覺傳感器。4.4.5.2圖像處理技術(shù)機器視覺系統(tǒng)中，視覺信息的處理技術(shù)主要依賴于圖像處理方法，它包括圖像增強、數(shù)據(jù)編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識別與理解等內(nèi)容。經(jīng)過這些處理后，輸出圖像的質(zhì)量得到相當(dāng)程度的改善，既改善了圖像的數(shù)據(jù)效果，又便于計算機對圖像進行分析、處理和識別。①圖像的增強圖像的增強用于調(diào)整圖像的對比度，突出圖像中的重要細節(jié)，改善視覺質(zhì)量。通常采用灰度直方圖修改技術(shù)進行圖像增強。②圖像的平滑圖像的平滑處理技術(shù)即圖像的去噪聲處理，主要是為了去除實際成像過程中，因成像設(shè)備和環(huán)境所造成的圖像失真，提取有用信息。③圖像的數(shù)據(jù)編碼和傳輸圖像的信息量巨大，因此圖像在傳輸過程中，對圖像數(shù)據(jù)的壓縮顯得十分重要，數(shù)據(jù)的壓縮主要通過圖像數(shù)據(jù)的編碼和變換壓縮完成。圖像的編碼一般用預(yù)測公式表示，如果知道了某一像素的前面各相鄰像素值之后，可以用公式預(yù)測該像素值。采用預(yù)測碼，一般只需傳輸圖像數(shù)據(jù)的起始值和預(yù)測誤差，因此可將8bit/像素壓縮到2bit/像素。④邊緣銳化圖像邊緣銳化處理主要是加強圖像中的輪廓邊緣和細節(jié)，形成完整的物體邊界，達到將物體從圖像中分離出來或?qū)⒈硎就晃矬w表面的區(qū)域檢測出來的目的。⑤圖像的分割圖像分割時將圖像分成若干份，每一部分對應(yīng)于某一物體的表面。在進行分割時，每一部分的灰度或紋理符合某一種均勻測度度量。其本質(zhì)是將像素分類。分類的依據(jù)是像素的灰度值、顏色、頻譜特性、空間特性或紋理特征等。4.4.5.3圖像的識別圖像的識別過程實際上可以看做是一個標記過程，即利用識別算法來辨別景物中已分割好的各個物體，給這些物體賦予特定的標記，它是機器視覺系統(tǒng)必須完成的一個任務(wù)。按照圖像識別從易到難，可分為三類問題。第一類識別問題中，圖形中的像素表達來某一物體的某種特定信息。如遙感圖像中的某一像素代表地面某一位置第五的一定光譜波段的反射特性，通過它即可判別該地物的種類。第二類問題中，待識別物體是有形的整體，二維圖像信息已經(jīng)足夠識別該物體，如文字識別、某些具有穩(wěn)定可視表面的三維物體識別等。第三類問題是由輸入的二維圖、要素圖等，得出被測物體的三維表示。4.4.4.5固體電荷耦合成像器件（CCD）4.4.6聽覺傳感器智能機器人在為人類服務(wù)的時候，需要能聽懂主人的吩咐，需要給機器人安裝耳朵，首先分析人耳的構(gòu)造。聲音是由不同頻率的機械振動波組成，外界聲音使外耳鼓產(chǎn)生振動，中耳將這種振動放大、壓縮和限幅、并抑制噪聲。經(jīng)過處理的聲音傳送到中耳的聽小骨，再通過卵圓窗傳到內(nèi)耳耳蝸，由柯蒂氏器、神經(jīng)纖維進入大腦。內(nèi)耳耳蝸充滿液體，其中有30000各長度不同的纖維組成的基底膜，它是一個共鳴器。長度不同的纖維能聽到不同頻率的聲音，因此內(nèi)耳相當(dāng)于一個聲音分析器。智能機器人的耳朵首先要具有接受聲音信號的器官，其次還需要語音識別系統(tǒng)。在機器人中常用的聲音傳感器主要有動圈式傳感器和光纖聲傳感器①動圈式傳感器原理：線圈貼于振膜上并懸于兩磁極之間，聲波通過空氣使振膜振動，從而導(dǎo)致線圈在兩極間運動，產(chǎn)生磁力線，產(chǎn)生微弱的感應(yīng)電流，該電流信號與聲波的頻率相同。②光纖聲傳感器光纖聲傳感器有兩種類型，一種是利用光纖傳輸光的相位變化和利用傳輸光的傳輸損耗等特性制成的傳感器，另一種是將光纖只作為傳輸手段的聲傳感器。光纖聲聽器是典型的光纖聲傳感器。雙光纖傳感器原理如圖4-37所示。傳感器由兩根單模光纖組成，分光器將激光器發(fā)出的光束分為兩束光，分別作為信號光和參考光。信號光射入繞成螺旋狀的作為敏感臂的光纖中。在聲波的作用下，敏感臂中的激光束的相位發(fā)生變化，而與另一路作為參考臂光纖的傳出的激光束產(chǎn)生相位干涉，光檢測器將這種干涉轉(zhuǎn)換成與聲壓成比例的電信號。作為敏感臂的光纖繞成螺旋狀，其目的是增大光與聲波的作用距離。4.4.7嗅覺傳感器氣體傳感器在防災(zāi)報警、環(huán)境保護、汽車工業(yè)等方面得到廣泛的應(yīng)用。但是，單個氣敏傳感器雖然能有效地利用于某些場合，但是它們存在選擇性、穩(wěn)定性、一致性等方面的問題，尤其在環(huán)境的適應(yīng)性方面遠遜于某些生物的嗅覺系統(tǒng)。①生物嗅覺系統(tǒng)嗅覺是一種化學(xué)感覺，是生物的嗅覺系統(tǒng)對散布于空氣中的物質(zhì)產(chǎn)生的一種生理反應(yīng)。圖4-38給出了嗅覺膜的結(jié)構(gòu)和嗅覺的信號傳入中樞系統(tǒng)的通路。嗅細胞受到刺激后產(chǎn)生感受器電位并導(dǎo)致嗅神經(jīng)的軸突進入一個嗅小球，與25個左右的僧帽細胞的樹突相連。僅僅從數(shù)字上看，也可以看出這種神經(jīng)結(jié)構(gòu)對基本的神經(jīng)做了高度整合，從而提供巨大的計算能力和很強的容錯能力。然后僧帽細胞通過嗅覺把處理后的信號直接或間接的傳到腦的有關(guān)區(qū)域，在那兒進行進一步的整合，產(chǎn)生嗅覺的基本反應(yīng)和更復(fù)雜的條件反射。值得一提的是，從嗅小球到大腦皮層，嗅覺系統(tǒng)的敏感度提高了3個數(shù)量級以上。正是生物嗅覺系統(tǒng)的這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)保證了其靈敏性、選擇性、適應(yīng)性和條件反射等更高層次上的反應(yīng)。②人工嗅覺系統(tǒng)常見的人工嗅覺系統(tǒng)一般由氣敏傳感器陣列和分析處理器構(gòu)成。如圖4-39所示。從功能上講，氣敏傳感器陣列相當(dāng)于生物嗅覺系統(tǒng)中彼此重疊的嗅細胞，數(shù)據(jù)處理器和智能解釋器相當(dāng)于生物的大腦，分析處理器相當(dāng)于生物的腦細胞，其余部分相當(dāng)于嗅神經(jīng)信號傳遞系統(tǒng)，嗅覺模擬系統(tǒng)在以下幾個方面模擬了生物的嗅覺功能。陣列檢測：將性能彼此重疊的多個氣敏傳感器組成陣列，模擬人鼻中的大量嗅感受器細胞，通過精密測試電路，得到對氣味的瞬時敏感。數(shù)據(jù)處理：氣敏傳感器的響應(yīng)經(jīng)濾波、A/D轉(zhuǎn)換器后，將對研究對象而言的有用成分和無用成分加以分離，得到多維有用的響應(yīng)信號。③嗅覺傳感器陣列氣敏傳感器按敏感材料類型主要有化學(xué)電阻型和質(zhì)量型兩大類。前者包括金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）和有機聚合物膜（Ploymer），后者主要石英晶振（QMB）與聲表面波（SAW）。金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器陣列裝置如圖4-40所示，常用的金屬氧化物有等，其中大多數(shù)都被Pt，Au，Rh，Pd等稀有金屬摻雜成為某些氣體有選擇性敏感響應(yīng)的金屬氧化物半導(dǎo)體，即所謂選擇性氣體敏感膜材料。例如，SnO2半導(dǎo)體傳感器的表面敏感層與空氣接觸時，空氣中的氧分子靠電子親和力捕獲敏感層表面上的自由電子而吸附在SnO2表面上，從而在晶界上形成一個壁壘，限制了電子流動，導(dǎo)致器件的電阻增加，使SnO2表面帶負電。當(dāng)傳感器被加熱到一定溫度并與CO和H2等還原性氣體接觸時，還原性氣體與SnO2表面的吸附氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，降低了勢壘高度，使電子容易流動，從而降低了器件阻值。SnO2半導(dǎo)體傳感器就是根據(jù)輸出的電壓變化來檢測特定氣體的。電子鼻由氣體傳感器陣列、信號處理電路、模式識別系統(tǒng)和輸出設(shè)備組成。從功能上講，氣體傳感器陣列相當(dāng)于生物嗅覺系統(tǒng)中的大量嗅感受器細胞，智能解釋器相當(dāng)于生物的大腦，其余部分則相當(dāng)于嗅神經(jīng)信號傳遞系統(tǒng)，電子鼻系統(tǒng)至少在以下方面模擬了人的嗅覺功能。將性能彼此重疊的多個氣體傳感器組成陣列，模擬人鼻內(nèi)的大量嗅感受器細胞，借助于精密測試電路，得到對氣味瞬時的敏感的陣列檢測器。氣體傳感器的響應(yīng)經(jīng)濾波、A/D轉(zhuǎn)換后，將對研究對象而言的有用成分和無用成分加以分離，得到多維有哦那個響應(yīng)信號的數(shù)據(jù)處理器。利用多元數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和模糊方法，將多維響應(yīng)信號轉(zhuǎn)換為感官評定指標值或組成成分的濃度值，得到被測氣味定性分析結(jié)果的智能解釋器。圖4-41是電子鼻原理圖。電子比重常用的模式識別方法是統(tǒng)計模式識別的方法和人工智能的方法，前者常用的是主成