機(jī)器人傳感器

1.機(jī)器人傳感器（2）機(jī)器人傳感器的分類：a.內(nèi)部傳感器:主要感知與機(jī)器人自身參數(shù)相關(guān)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。第一頁，共23頁。1.機(jī)器人傳感器（3）機(jī)器人視覺傳感器原理：視覺傳感器主要采用模擬攝像機(jī)或數(shù)碼攝像機(jī)獲取來環(huán)境圖像信息。對(duì)攝像機(jī)獲取的二維圖像進(jìn)行數(shù)字化后就可利用計(jì)算機(jī)感知機(jī)器人所處的三維環(huán)境。應(yīng)用：通過對(duì)視覺傳感器獲取的圖像信息進(jìn)行處理，可以感知環(huán)境中物體的輪廓、形狀、顏色、還可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、深度測(cè)量、相對(duì)定位、導(dǎo)航、環(huán)境或特定物體的三維建模等。分類：光導(dǎo)管攝像機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)。第二頁，共23頁。1.機(jī)器人傳感器（3）機(jī)器人視覺傳感器：1，日本東北大學(xué)大學(xué)院工學(xué)研究科生物機(jī)器人專業(yè)教授小柳光正與準(zhǔn)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(biāo)是用幾十mW的極低功率實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于1萬fps的超高速影響。2，日本廣島大學(xué)石井教授與東京大學(xué)石川正俊教授所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組用現(xiàn)有技術(shù)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(shí)時(shí)，處理信息。3，美國(guó)加州大學(xué)研制了一款具有“透視眼”功能的機(jī)器人，可以觀察發(fā)現(xiàn)墻壁內(nèi)部的物體。該技術(shù)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。第三頁，共23頁。1.機(jī)器人傳感器（4）機(jī)器人聽覺傳感器：原理：聲音識(shí)別是人工智能的重要研究課題，也是智能機(jī)器人的重要研究?jī)?nèi)容。機(jī)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(yīng)用：機(jī)器人對(duì)聲波信號(hào)的識(shí)別可以用于防治次聲污染、人機(jī)語音交互、自然災(zāi)害預(yù)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。分類：無噪聲電聲傳感器、駐極體電容式傳聲器、動(dòng)圈式傳聲器、帶式傳聲器、光纖型聲音傳感器。第四頁，共23頁。1.機(jī)器人傳感器（4）機(jī)器人聽覺傳感器：1，將識(shí)別對(duì)象的聲音從周圍雜音中分離出來的音源分離技術(shù)，是聽覺傳感器得以普及的關(guān)鍵。2，京都大學(xué)教授奧乃博所領(lǐng)導(dǎo)研究小組建立了音源分離技術(shù)體系，同時(shí)也領(lǐng)導(dǎo)著各領(lǐng)域的實(shí)際開發(fā)，改下組以開發(fā)了可以分離、識(shí)別多人同時(shí)發(fā)出的聲音技術(shù)。3，除了語音分離技術(shù)之外，在該領(lǐng)域較為重要的技術(shù)開發(fā)有兩個(gè)方向，一個(gè)是從語音當(dāng)中提取說話人的情感及周邊環(huán)境信息的技術(shù)，另一個(gè)是直接提取說話人當(dāng)時(shí)的真實(shí)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(shí)環(huán)境的聲音，但輸出時(shí)可自由輸出。第五頁，共23頁。1.機(jī)器人傳感器（5）機(jī)器人觸覺傳感器：原理：觸覺傳感器是當(dāng)機(jī)器人與環(huán)境中物體接觸時(shí)給出接觸信號(hào)，通過對(duì)觸覺的感知機(jī)器人可以確認(rèn)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(yīng)用：簡(jiǎn)單的接觸傳感器可以使機(jī)器人對(duì)碰撞、接觸等作出反應(yīng)，復(fù)雜的觸覺傳感器使機(jī)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(jiǎn)單的接觸傳感器、電阻式接觸傳感器、電容式觸覺傳感器、電化學(xué)觸覺傳感器、光學(xué)觸覺傳感器。第六頁，共23頁。1.機(jī)器人傳感器（5）機(jī)器人觸覺傳感器：1，觸覺傳感器十年前已開始實(shí)用化，而且具有非常高的性能，業(yè)界正在進(jìn)行以下三大方面的新技術(shù)開發(fā)：大面積化。使用場(chǎng)所及應(yīng)用的多樣化；研發(fā)類似人類皮膚的觸覺傳感，不僅檢測(cè)位置，還要同時(shí)檢測(cè)力度、壓力、溫度、表面凸凹、有無摩擦等；利用CMOS等工藝進(jìn)行集成。2，美國(guó)麻省理工學(xué)院視覺科學(xué)學(xué)科聯(lián)合波士頓東北大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)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(jī)器來辨識(shí)觸覺，而是以3D視覺實(shí)時(shí)定位物體的方位，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的識(shí)別和傳感。其最大特征在于，最快的辨識(shí)物體的視覺信號(hào)，并馬上將其轉(zhuǎn)化為觸覺信號(hào)。第七頁，共23頁。1.機(jī)器人傳感器（6）機(jī)器人力覺傳感器：原理：力覺傳感器經(jīng)常裝于機(jī)器人關(guān)節(jié)處，通過檢測(cè)彈性體變形來間接測(cè)量所受力。裝于機(jī)器人關(guān)節(jié)處的力覺傳感器常以固定的三坐標(biāo)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(shí)現(xiàn)全力信息的測(cè)量，因其主要安裝于腕關(guān)節(jié)處被稱為腕力覺傳感器。應(yīng)用：力覺傳感器可用來檢測(cè)機(jī)器人自身關(guān)節(jié)力和機(jī)器人與外部環(huán)境物體之間相互作用力。分類：,關(guān)節(jié)力傳感器、腕力傳感器、指力傳感器。第八頁，共23頁。1.機(jī)器人傳感器（6）機(jī)器人力覺傳感器：1，多維力傳感器指的是一種能夠同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向以上力及力矩分量的力傳感器，在笛卡爾坐標(biāo)系中力和力矩可以各自分解為三個(gè)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(shí)測(cè)量三個(gè)力分量和三個(gè)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(hào)株式會(huì)社推出了基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)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(dòng)式MEMS光掃描儀"ECOSCAN"的技術(shù)經(jīng)驗(yàn),主要用于機(jī)器人和計(jì)量測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域。該六軸力覺傳感器利用半導(dǎo)體的壓電電阻效應(yīng)來檢測(cè)應(yīng)力。第九頁，共23頁。1.機(jī)器人傳感器（7）機(jī)器人滑覺傳感器：原理：為了在抓握物體時(shí)確定一個(gè)適當(dāng)?shù)奈樟χ?，需要?shí)時(shí)檢測(cè)接觸面的相對(duì)滑動(dòng)，然后判斷握力，在不損傷物體的情況下逐漸增加力量，滑覺檢測(cè)功能是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人柔性抓握的必備條件。通過滑覺傳感器可實(shí)現(xiàn)識(shí)別功能，對(duì)被抓物體進(jìn)行表面粗糙度和硬度的判斷。應(yīng)用：滑覺傳感器可用來檢測(cè)機(jī)器人與抓握對(duì)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）。第十頁，共23頁。1.機(jī)器人傳感器（7）機(jī)器人滑覺傳感器：1，起始滑動(dòng)和實(shí)際滑動(dòng)是智能機(jī)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(duì)穩(wěn)定機(jī)器人裝卸物尤其重要。2，無方向型滑覺傳感器：不考慮滑動(dòng)的方向，只考慮滑動(dòng)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，只在某些特定方向感知物體滑動(dòng)信息。4，全方向型滑覺傳感器：能檢測(cè)在手指表面任意方向產(chǎn)生的滑動(dòng)信息。第十一頁，共23頁。1.機(jī)器人傳感器（8）機(jī)器人距離傳感器：原理：距離的測(cè)量對(duì)于機(jī)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(shí)間差，從而可換算出機(jī)器人距該物體的距離。應(yīng)用：可以獲取外部環(huán)境的深度信息，相對(duì)距離信息，也可以用來對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定位和避障等。分類：超聲波測(cè)距傳感器、激光測(cè)距傳感器、紅外線測(cè)距傳感器、微波測(cè)距傳感器、

24GHZ雷達(dá)測(cè)距傳感器。第十二頁，共23頁。1.機(jī)器人傳感器（8）機(jī)器人距離傳感器：1，超聲測(cè)距原理：超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。,2，激光測(cè)距原理：激光傳感器工作時(shí)，先由激光二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)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(shí)間，即可測(cè)定目標(biāo)距離。3，紅外測(cè)距原理：紅外測(cè)距傳感器利用紅外信號(hào)遇到障礙物距離的不同反射的強(qiáng)度也不同的原理，進(jìn)行障礙物遠(yuǎn)近的檢測(cè)。第十三頁，共23頁。1.機(jī)器人傳感器（9）機(jī)器人接近離傳感器：原理：接近覺傳感器是非接觸檢測(cè)器件，利用磁感應(yīng)、渦流、光學(xué)原理、超聲波、電容和電感、霍爾效應(yīng)等原理制成。應(yīng)用：主要用于探測(cè)一個(gè)物體是否與另一個(gè)物體接近，可用于機(jī)器人避障。

分類：磁感應(yīng)傳感器、超聲波接近傳感器、光學(xué)接近傳感器等。

第十四頁，共23頁。1.機(jī)器人傳感器（9）機(jī)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(jī)器人末端執(zhí)行器上。2，除微動(dòng)開關(guān)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(gòu)成觸覺傳感器。機(jī)器人與物體接觸，通過碳素纖維與金屬針之間建立導(dǎo)通電路。3，與微動(dòng)開關(guān)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(jī)械手的曲面手掌上。第十五頁，共23頁。1.機(jī)器人傳感器（10）機(jī)器人陀螺傳感器：原理：陀螺是用高速回轉(zhuǎn)體的動(dòng)量矩敏感殼體相對(duì)慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個(gè)或二個(gè)軸的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置。利用其他原理制成的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。應(yīng)用：陀螺儀是用來測(cè)量運(yùn)動(dòng)體角度、角速度和角加速度的傳感器。利用陀螺可以測(cè)量機(jī)器人連桿的姿態(tài)角（航向、俯仰、橫滾），精確測(cè)量連桿角運(yùn)動(dòng)。分類：機(jī)械陀螺、壓電陀螺、光學(xué)陀螺、微機(jī)械電子陀螺。

第十六頁，共23頁。1.機(jī)器人傳感器（7）機(jī)器人陀螺傳感器：1，機(jī)械陀螺儀：價(jià)格貴，有轉(zhuǎn)動(dòng)部分，精度較高，不易受電磁干擾。2，電子陀螺儀：價(jià)格便宜，無轉(zhuǎn)動(dòng)部分，易受電磁干擾，使用場(chǎng)合受限制。3，光學(xué)陀螺儀：只有很少的移動(dòng)部件或沒有移動(dòng)部件，與機(jī)械陀螺相比易于維護(hù)、不受重力影響。4，微機(jī)械電子陀螺：是利用半導(dǎo)體制造技術(shù)將微型機(jī)械結(jié)構(gòu)、信號(hào)采集放大與處理電路等集成在一起的陀螺系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)精巧，靈敏度高。第十七頁，共23頁。1.機(jī)器人傳感器（8）機(jī)器人生化傳感器：原理：生化傳感器是一門由生物、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)、電子技術(shù)等多種學(xué)科互相滲透成長(zhǎng)起來的高新技術(shù)。因其具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、在復(fù)雜的體系中進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，特別是它的高度自動(dòng)化、微型化與集成化的特點(diǎn)，使其在近幾十年獲得蓬勃而迅速的發(fā)展。應(yīng)用：生化傳感器主要用于微納機(jī)器人和醫(yī)療機(jī)器人，并正向傳統(tǒng)機(jī)器人領(lǐng)域擴(kuò)展，可以大大提高機(jī)器人對(duì)外界生化信息的感知能力。分類：親和型、代謝型、催化型、半導(dǎo)體型、生化電極傳感器、光生化傳感器。第十八頁，共23頁。1.機(jī)器人傳感器（8）機(jī)器人生化傳感器：1，從1962年，Clark和Lyons最先提出生物傳感器的設(shè)想距今已有40年。生物傳感器在發(fā)酵工藝、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品工程、臨床醫(yī)學(xué)、軍事及軍事醫(yī)學(xué)等方面得到了深度重視和廣泛應(yīng)用。2，微納機(jī)器人所配備的生物傳感器可特異性識(shí)別癌細(xì)胞和病毒細(xì)胞，為機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)與靶向治療奠定了良好的基礎(chǔ)。3，機(jī)器人嗅覺與味覺的實(shí)現(xiàn)必定需要多種生物與化學(xué)傳感器相互配合。4，目前生化傳感器不僅應(yīng)用于生物工程、化學(xué)工程、醫(yī)療診治等直接相關(guān)領(lǐng)域，也正在加速向機(jī)械裝備、電子產(chǎn)品等非直接相關(guān)領(lǐng)域領(lǐng)域擴(kuò)展。第十九頁，共23頁。1.機(jī)器人傳感器（8）機(jī)器人嗅覺傳感器：原理：機(jī)器嗅覺是一種模擬生物嗅覺工作原理的新穎仿生檢測(cè)技術(shù)，機(jī)器嗅覺系統(tǒng)通常由交叉敏感的化學(xué)傳感器陣列和適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)模式識(shí)別算法組成，陣列中的氣體傳感器各自對(duì)特定氣體具有較高的敏感性，由一些不同敏感對(duì)象的傳感器構(gòu)成的陣列可以測(cè)得被測(cè)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(yīng)用：嗅覺傳感器可以感知空氣中的特殊氣味，可用于檢測(cè)、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。第二十頁，共23頁。1.機(jī)器人傳感器（8）機(jī)器人嗅覺傳感器：1，東京工業(yè)大學(xué)準(zhǔn)教授中本高道所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研發(fā)了再現(xiàn)氣味技術(shù)，可將發(fā)送方嗅覺傳感器所檢測(cè)到的氣味數(shù)值化，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)32種主要?dú)馕冻煞诌M(jìn)行調(diào)配，從而人工再現(xiàn)氣味。2，瑞士巴塞爾大學(xué)的研究小組開發(fā)了將懸臂用于氣體傳感器的技術(shù)，懸臂是用MEMS技術(shù)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(duì)氣體做出反應(yīng)，當(dāng)高分子上吸附特定氣體時(shí)會(huì)發(fā)生變形，借此就可以檢測(cè)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(lǐng)域的應(yīng)用引起了人們關(guān)注，其原理就是當(dāng)人類生病時(shí)會(huì)發(fā)出各種氣味，不同疾病的氣味不同，通過對(duì)氣味的檢測(cè)，便