《機(jī)器人傳感器》課件-第4章-機(jī)器人常用傳感器

第4章

機(jī)器人常用傳感器一、機(jī)器人傳感器的分類和要求1機(jī)器人傳感器的分類2機(jī)器人傳感器的要求目錄CONTENTS用于檢測機(jī)器人相關(guān)環(huán)境參數(shù)的外部傳感器用于檢測機(jī)器人自身狀態(tài)的內(nèi)部傳感器根據(jù)用途不同，機(jī)器人傳感器可以分為兩大類

傳感技術(shù)是先進(jìn)機(jī)器人的三大要素（感知、決策和動作）之一，機(jī)器人根據(jù)完成的任務(wù)不同，配置的傳感器類型和規(guī)格也不同。機(jī)器人傳感器的分類內(nèi)部傳感器通常由位置、加速度、速度及壓力傳感器等組成。具體檢測的對象有關(guān)節(jié)的線位移、角位移等幾何量，速度、角速度等運動量，還有傾斜角和振動等物理量。常用于控制系統(tǒng)中、用于反饋元件，以及檢測機(jī)器人自身的狀態(tài)參數(shù)，如關(guān)節(jié)運動的加速度、力和力矩等。內(nèi)部傳感器主要用于測量機(jī)器人周邊環(huán)境參數(shù)，通常跟機(jī)器人的目標(biāo)識別、作業(yè)安全等因素有關(guān)。從機(jī)器人系統(tǒng)的觀點來看，外部傳感器的信號一般用于規(guī)劃決策層。外部傳感器可以分為接觸傳感器和非接觸傳感器，一般包括觸覺、接近覺、視覺、聽覺、嗅覺和味覺等傳感器。外部傳感器機(jī)器人傳感器的分類1機(jī)器人傳感器的分類2機(jī)器人傳感器的要求目錄CONTENTS選擇機(jī)器人傳感器完全取決于機(jī)器人的工作需要和應(yīng)用特點，對機(jī)器人感覺系統(tǒng)的要求是選擇機(jī)器人傳感器的基本依據(jù)。例如撿拾物體時，它們需要知道該物體是否已經(jīng)被撿到，否則下一步工作無法進(jìn)行。機(jī)器人手臂在空間運動時，必須避開障礙物，并以一定的速度接近工作對象。機(jī)器人對這些特征都要識別并做出相應(yīng)的決策，才能更好地完成任務(wù)。機(jī)器人傳感器的要求機(jī)器人是否能夠準(zhǔn)確無誤地正常工作，往往取決于其所用傳感器的測量精度。保證機(jī)器人能夠長期、穩(wěn)定、可靠地工作，盡可能避免在工作中出現(xiàn)故障。機(jī)器人的工作環(huán)境往往比較惡劣，其所用傳感器應(yīng)能承受一定的電磁干擾，振動，并能在高溫、高壓、高污染環(huán)境中正常工作。質(zhì)量輕、體積小、安裝方便。價格低。精度高、重復(fù)性好穩(wěn)定性和可靠性好抗干擾能力強(qiáng)其他機(jī)器人對傳感器的一般性要求機(jī)器人弧焊是在被焊接件上沿著需要的路線（焊縫）把被焊接件連接在一起。機(jī)器人沒有感覺能力，不能自行觀察焊接，那么在機(jī)器人預(yù)先編程時精確的輸入焊接位置來工作。實際工作中焊接不允許有誤差，這樣，機(jī)器人的運行軌跡就不允許有誤差。在弧焊機(jī)器人上裝備較為先進(jìn)的焊縫自動跟蹤系統(tǒng)一旦機(jī)器人偏離實際工件的焊縫，焊縫跟蹤系統(tǒng)將反饋偏離信息。機(jī)器人弧焊加工例子二、常用內(nèi)部傳感器

內(nèi)部傳感器就是測量機(jī)器人自身狀態(tài)的功能元件，通常由位置、加速度、速度及壓力傳感器等組成。具體檢測的對象有關(guān)節(jié)的線位移、角位移等幾何量，速度、加速度、角速度等運動量，還有傾斜角、壓力和振動等物理量。內(nèi)部傳感器常用于控制系統(tǒng)中、用于反饋元件，以及檢測機(jī)器人自身的狀態(tài)參數(shù)，如關(guān)節(jié)運動的位移、速度、加速度、力和力矩等。前言1位置傳感器2速度傳感器3加速度傳感器4傾斜角傳感器5力覺傳感器目錄CONTENTS位置傳感器

位置感覺是機(jī)器人最起碼的感覺要求，沒有它們，機(jī)器人將不能正常工作，它們可以通過多種傳感器來實現(xiàn)。位置傳感器包括位置和角度檢測傳感器。常用的機(jī)器人位置傳感器有電位器式、光電式、電感式、電容式、霍爾元件式、磁柵式及機(jī)械式位置傳感器等。機(jī)器人各關(guān)節(jié)和連桿的運動定位精度要求、重復(fù)精度要求及運動范圍要求，是選擇機(jī)器人位置傳感器的基本依據(jù)。01

電位器式位置傳感器由1個線繞電阻（或薄膜電阻）和1個滑動觸點組成。其中，滑動觸點通過機(jī)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，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(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置和位移量。在載有物體的工作臺下面，有與電阻接觸的觸頭。工作臺左右移動時，觸頭隨之運動，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(zhǔn)位置的移動距離。假定輸入電壓為E，電阻絲長度為L，觸頭從中心向左端移動x，則電阻右側(cè)的輸出電壓為可得移動距離為1.1電位器式位置傳感器位置傳感器工作原理直線型電位器直線型電位器主要用于檢測直線位移，其電阻器采用直線型螺線管或直線型碳膜電阻，滑動觸點也只能沿電阻的軸線方向做直線運動。直線型電位器的工作范圍和分辨率受電阻器長度的限制，繞線電阻、電阻絲本身的不均勻性會造成電位器式傳感器的輸入/輸出關(guān)系的非線性。旋轉(zhuǎn)型電位器旋轉(zhuǎn)型電位器的電阻元件是呈圓弧狀的，滑動觸點也只能在電子元件上做圓周運動。旋轉(zhuǎn)型電位器有單圈電位器和多圈電位器兩種。由于滑動觸點等的限制，單圈電位器的工作范圍小于360°，分辨率也有一定的限制。但對于大多數(shù)應(yīng)用情況來說，這并不會妨礙它的使用。假如需要更高的分辨率和更大的工作范圍，可以選用多圈電位器。1.1電位器式傳感器優(yōu)點輸入/輸出特性可以是線性的，輸出信號選擇范圍大，不會因為失電而破壞其已感覺到的信息。當(dāng)電源因故斷電時，電位器的滑動觸點將保持原來的位置不變。具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、質(zhì)量輕、精度高等優(yōu)點。1.1電位器式位置傳感器缺點容易磨損，由于滑動觸點和電阻器表面的磨損，使電位器的可靠性和壽命受到一定的影響。光電編碼器是一種應(yīng)用廣泛的位置傳感器，其分辨率完全能滿足機(jī)器人的技術(shù)要求，這種非接觸型位置傳感器可分為絕對型光電編碼器和相對型光電編碼器。相對型光電編碼器只能提供某基準(zhǔn)點對應(yīng)的位置信息，所以用相對型光電編碼器的機(jī)器人在獲得真實位置信息之前，必須首先完成校準(zhǔn)程序。絕對型光電編碼器只要電源加到用這種傳感器的機(jī)電系統(tǒng)中，光電編碼器就能給出實際的線性或旋轉(zhuǎn)位置。用絕對型光電編碼器裝備的機(jī)器人的關(guān)節(jié)不要求校準(zhǔn)，只要一通電，控制器就知道實際的關(guān)節(jié)位置。1.2光電編碼器絕對型編碼器，有絕對位置的記憶裝置，能測量旋轉(zhuǎn)軸或移動軸的絕對位置，因此在機(jī)型系統(tǒng)中得到大量應(yīng)用。絕對型光電編碼器通常由三個主要元件構(gòu)成：多路（或通道）光源（如發(fā)光二極管）、光敏元件和光電碼盤。1.2光電編碼器圖1-2-1電動機(jī)刪的絕對型光電編碼器

圖1-2-2

絕對型光電編碼器碼盤絕對型光電編碼器n個LED組成的線性陣列發(fā)射的光與盤成直角，并由盤反面對應(yīng)的2個光敏晶體管構(gòu)成的線性陣列接收，如圖1-2-1所示。絕對型光電編碼器碼盤分為周界通道和徑向扇形面，如圖1-2-2，利用幾種可能的編碼形式之一獲得絕對角度信息。這種碼盤上按一定的編碼方式刻有透明區(qū)域和不透明區(qū)域，光線透過碼盤的透明區(qū)域使光敏元件導(dǎo)通，產(chǎn)生低電平信號，代表二進(jìn)制的“0”；不透明區(qū)域代表二進(jìn)制的“1”。因此，當(dāng)某一個徑向扇形面處于光源和光傳感器的位置時，光敏元件即接收到相應(yīng)的光信號，相應(yīng)地得出碼盤所處的角度位置。1.2光電編碼器圖1-2-3絕對碼盤4通道16個扇形面的二進(jìn)制絕對碼盤，如圖1-2-3a所示。采用二進(jìn)制碼盤，在兩個碼段交替過程中，有可能由于電刷位置安裝不準(zhǔn)，一些電刷越過分界線，而另一些尚未越過，會產(chǎn)生非單值性誤差。為減小這種誤差，改進(jìn)的方法是采用格雷碼碼盤，如圖1-2-3b所示，其特點是相鄰兩數(shù)的代碼中只有一位數(shù)發(fā)生變化，能夠?qū)⒄`差控制在一個數(shù)碼之內(nèi)，其誤差最多不超過1，見表1-2-4。1.2光電編碼器表1-2-4對應(yīng)于十進(jìn)制0~15的格雷碼和二進(jìn)制碼十進(jìn)制0123456789101112131415格雷碼0000000011111111000011111111111100111100001111000110011001100110二進(jìn)制碼0000000011111111000011110000111100110011001100110101010101010101如圖1-3-1所示，定子相當(dāng)于變壓器的初級，有兩組在空間位置上互相垂直的勵磁繞組；轉(zhuǎn)子相當(dāng)于變壓器的次級，僅有一個繞組。當(dāng)定子繞組通交流電流時，轉(zhuǎn)子繞組中便有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生。感應(yīng)電動勢的大小等于兩定子繞組單獨作用時所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢矢量和。假設(shè)分別在兩個定子繞組中加頻率ω相同、幅值Vm相等、而相位相差90°的交流勵磁電壓V1=Vmcosωt和V2=Vmsinωt時，可以證明，轉(zhuǎn)子輸出感應(yīng)電動勢V0僅與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角θ有關(guān)，即

K1為轉(zhuǎn)子、定子間的匝數(shù)比。1.3旋轉(zhuǎn)變壓器圖1-3-1旋轉(zhuǎn)變壓器的原理旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)角變化的檢測裝置，是用來檢測角位移的，其基本結(jié)構(gòu)與交流繞線式異步電動機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所利用光學(xué)衍射光干涉技術(shù)取代傳統(tǒng)幾何光提取位移信息技術(shù)，研制出國內(nèi)最高水平的高密度光柵盤，刻線密度達(dá)到380線/mm。光學(xué)干涉系統(tǒng)被集成于φ45mm×10mm空間內(nèi)，并以光學(xué)對徑向加工技術(shù)消除碼盤偏心。1994年研制成的φ58mm帶有光學(xué)倍頻的編碼器，無電細(xì)分的原始角分辨率達(dá)到每圈162000脈沖，即優(yōu)于2n。高速電處理技術(shù)的應(yīng)用，使響應(yīng)頻率達(dá)到1000kHz。絕對零位信息提取的創(chuàng)新技術(shù)使定位精度大大提高，全周最大累積誤差7.8′′。該編碼器可用于高精度DD機(jī)器人，使我國機(jī)器人位置傳感器的制造技術(shù)處于世界先進(jìn)水平行列。1.4激光干涉式編碼器1位置傳感器2速度傳感器3加速度傳感器4傾斜角傳感器5力覺傳感器目錄CONTENTS速度傳感器

速度傳感器是機(jī)器人內(nèi)部傳感器之一，是閉環(huán)控制系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分，它用來測量機(jī)器人關(guān)節(jié)的運動速度。應(yīng)用最廣泛，能直接得到代表轉(zhuǎn)速的電壓且具有良好的實時性的速度測量傳感器是測速發(fā)電機(jī)。在機(jī)器人控制系統(tǒng)中，以速度為首要目標(biāo)進(jìn)行伺服控制并不常見，更常見的是機(jī)器人的位置控制。當(dāng)然如果需要考慮機(jī)器人運動過程的品質(zhì)時，速度傳感器甚至加速度傳感器都是需要的。02工作原理是當(dāng)勵磁磁通恒定時，其輸出電壓和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比，即

式中，U為測速發(fā)電機(jī)輸出電壓，V；n為測速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；K為比例系數(shù)。當(dāng)有負(fù)載時，電樞繞組流過電流，由于電樞反應(yīng)而使輸出電壓降低。若負(fù)載較大，或者測量過程中負(fù)載變化，則破壞了線性特性而產(chǎn)生誤差。為減少誤差，必須使負(fù)載盡可能地小而且性質(zhì)不變。測速發(fā)電機(jī)總是與驅(qū)動電動機(jī)同軸連接，這樣就測出了驅(qū)動電動機(jī)的瞬時速度。測速發(fā)電機(jī)2.1模擬式速度傳感器測速發(fā)電機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用2.2.1模擬式方法在這種方式下，關(guān)鍵是需要一個F/V轉(zhuǎn)換器，它必須有盡量小的溫度漂移和良好的零輸入/輸出特性，用它把編碼器的脈沖頻率輸出轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)速成正比的模擬電壓，它檢測的是電動機(jī)軸上的瞬時速度。2.2數(shù)字式速度傳感器增量編碼器用作速度傳感器示意圖2.2.2數(shù)字式方法編碼器是數(shù)字元件，它的脈沖個數(shù)代表了位置，單位時間里的脈沖個數(shù)表示這段時間里的平均速度。例如，可以用兩個編碼器脈沖為一個時間間隔，然后用計數(shù)器記錄在這段時間里高速脈沖源發(fā)出的脈沖數(shù)。設(shè)編碼器每轉(zhuǎn)輸出1000個脈沖，高速脈沖源的周期為0.1ms，門電路每接受一個編碼器脈沖就開啟，再接到一個編碼器脈沖就關(guān)閉，這樣周而復(fù)始，也就是門電路開啟時間是兩個編碼器脈沖的間隔時間。如計數(shù)器的值為100，則編碼器角位移時間增量速度2.2數(shù)字式速度傳感器利用編碼器的測速原理1位置傳感器2速度傳感器3加速度傳感器4傾斜角傳感器5力覺傳感器目錄CONTENTS加速度傳感器

機(jī)器人機(jī)械運動部分剛性不足所引起的振動問題得到關(guān)注。作為抑制振動問題的對策，有時在機(jī)器人的各桿件上安裝加速度傳感器，有時把加速度傳感器安裝在機(jī)器人末端執(zhí)行器上，以改善機(jī)器人的性能。從測量振動的目的出發(fā)，加速度傳感器日趨受到重視。機(jī)器人的動作是三維的，而且活動范圍很廣，因此可在連桿等部位直接安裝接觸式振動傳感器。03

Ni-Cu或Ni-Cr等金屬電阻應(yīng)變片加速度傳感器是一個由板簧支承重錘所構(gòu)成的振動系統(tǒng)，板簧上下兩面分別貼兩個應(yīng)變片（如圖）。應(yīng)變片受振動產(chǎn)生應(yīng)變，其電阻值的變化通過電橋電路的輸出電壓被檢測出來。除了金屬電阻外，Si或Ge半導(dǎo)體壓阻元件也用于加速度傳感器。半導(dǎo)體應(yīng)變片的應(yīng)變系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片高50~100倍，靈敏度很高，但溫度特性差，需要加補(bǔ)償電路。3.1應(yīng)變片加速度傳感器

表面微加工技術(shù)制造的電容式加速度傳感器它的核心部分只有φ3mm左右，與測量轉(zhuǎn)換電路封裝在一起，有8腳的TO-5金屬封裝，也有16腳DIP封裝，形同普通的集成電路。3.2電容式加速度傳感器表面微加工的電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖由三個多晶硅層組成差動電容。第一層和第三層固定不動，第二層是梁，它以本身的質(zhì)量構(gòu)成慣性系統(tǒng)，并與第一層和第三層構(gòu)成差動電容C1、C2。在硅片上安裝有類似H狀的彈性元件，形成4個彎曲梁。在彈性元件上加工有42組動極片，它們和固定極片是等間隔的，因此所形成的電容C1=C2。

它由懸臂梁和差動變壓器構(gòu)成。測量時，將懸臂梁底座及差動變壓器的線圈骨架固定，而將銜鐵的A端與被測振動體相連，此時傳感器作為加速度測量中的慣性元件，它的位移與被測加速度成正比，使加速度測量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y量。當(dāng)被測體帶動銜鐵以Δx振動時，導(dǎo)致差動變壓器的輸出電壓也按相同的規(guī)律變化。電感式加速度傳感器的原理結(jié)構(gòu)3.3電感式加速度傳感器該結(jié)構(gòu)主要特點是：鋼制圓形外殼里面用鋁支架將圓柱形永磁鐵與外殼固定成一體，用磁鐵中間有一個小孔，穿過小孔的芯軸兩端架起繞組和阻尼環(huán)，芯軸兩端通過圓形膜片支撐架空且與外殼相連。工作時，傳感器與被測物體剛性連接，當(dāng)物體振動時，傳感器外殼和永磁鐵隨之振動，而架空的芯軸、繞組和阻尼環(huán)因慣性而不隨之振動。因此，磁路空氣隙中的繞組切割磁力線而產(chǎn)生正比于振動速度的感應(yīng)電動勢，繞組再通過引線接到測量電路。在測量電路中接入微分電路，則輸出電壓與加速度成正比。3.4磁電式加速度傳感器1—芯軸2—外殼3—彈簧片4—鋁支架5—永磁鐵6—繞組7—阻尼環(huán)8—引線圖示

磁電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖圖（a）是一種壓縮式壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。壓電元件常用兩片壓電陶瓷組成，兩壓電片間的金屬片為一電極，基座為另一電極。在壓電片上放一個質(zhì)量塊，用一彈簧壓緊施加預(yù)應(yīng)力。通過基座底部的螺孔將傳感器緊固在被測物體上，傳感器的輸出電荷（或電壓）即與被測物體的加速度成正比。其優(yōu)點是固有頻率高、頻率響應(yīng)好、有較高靈敏度，且結(jié)構(gòu)中的敏感元件（彈簧、質(zhì)量塊和壓電元件）不與外殼直接接觸，受環(huán)境影響小，目前應(yīng)用較多。圖（b）它利用了壓電元件的切變效應(yīng)，壓電元件是一個壓電陶瓷圓筒，沿軸向極化。將圓筒套在基座的圓柱上，外面再套慣性質(zhì)量環(huán)。當(dāng)傳感器受到振動時，質(zhì)量環(huán)由于慣性作用，使壓電圓筒產(chǎn)生剪切形變，從而在壓電圓筒的內(nèi)外表面上產(chǎn)生電荷，其電場方向垂直于極化方向。其優(yōu)點是具有很高的靈敏度，橫向靈敏度很小，其他方向的作用力造成的測量誤差很小。3.5壓電式加速度傳感器（a）壓縮式（b）剪切式1—殼體2—彈簧3—質(zhì)量塊4—壓電片5—基座6—質(zhì)量環(huán)7—壓電陶瓷圓筒8—引線9—基座壓電式加速度傳感器的使用下限頻率：一般壓縮式為3Hz，剪切式為0.3Hz，上限頻率達(dá)10kHz，但在很大程度上與環(huán)境溫度有關(guān)；加速度測量范圍可達(dá)（10－5~10－4）g（g=9.8m/s2為重力加速度），并有工作溫度范圍寬等特點。壓電式加速度傳感器屬于自發(fā)電型傳感器，它的輸出為電荷量，以pC為單位，而輸入量為加速度，單位為m/s2，靈敏度是以pC/ms2為單位。壓電式加速度傳感器在安裝壓電片時，必須加一定的預(yù)應(yīng)力，一方面保證在交變力作用下，壓電片始終受到壓力；另一方面使兩壓電片間接觸良好，避免在受力的最初階段接觸電阻隨壓力變化而產(chǎn)生的非線性誤差，但預(yù)應(yīng)力太大將影響靈敏度。3.5壓電式加速度傳感器1位置傳感器2速度傳感器3加速度傳感器4傾斜角傳感器5力覺傳感器目錄CONTENTS傾斜角傳感器04傾斜角傳感器測量重力的方向，應(yīng)用于機(jī)器人末端執(zhí)行器或移動機(jī)器人的姿態(tài)控制.中。根據(jù)測量原理不同，傾斜角傳感器分為液體式和垂直振子式等。

液體式傾斜角傳感器

電解液式傾斜角傳感器

的結(jié)構(gòu)如圖所示，在管狀容器內(nèi)封入KCL之類的電解液和氣體，并在其中插入三個電極。容器傾斜，溶液移動，中央電極和兩端電極間的電阻及電容量改變，使容器相當(dāng)

于一個阻抗可變的元件，可用交

流電橋電路進(jìn)行測量。分為氣泡位移式、電解液式、電容式和磁流體式等。4.1液體式傾斜角傳感器

圖示為氣泡位移式傾

斜角傳感器的結(jié)構(gòu)及測量原理。容器下面分成四部分，分別安裝四個光電二極管，用以接收透射光。液體和氣泡的透光率不同。液體在光電二極管上投影的位置，隨傳感器傾斜角度而改變。通過計算對角的光電二極

管感光量的差分，可測量出

二維傾斜角。振子由撓性薄片懸起，傳感器傾斜時，振子為了保持鉛直方向而離開平衡位置。按圖所示結(jié)構(gòu)，把代表位移函數(shù)的輸出電流反饋到轉(zhuǎn)矩線圈中，使振子返回到平衡位置。根據(jù)振子是否偏離平衡位置及偏移角函數(shù)（通常是正弦函數(shù)）檢測出傾斜角度θ。這時，振子產(chǎn)生的力矩M為M=mglsinθ，轉(zhuǎn)矩T為T=Ki。在平衡狀態(tài)下應(yīng)有M=T，于是得到由于容器限制，測量范圍只能在振子自由擺動的允許范圍內(nèi)，不能檢測過大的傾斜角度。4.2垂直振子式傾斜角傳感器垂直振子式傾斜角傳感器1位置傳感器2速度傳感器3加速度傳感器4傾斜角傳感器5力覺傳感器目錄CONTENTS力覺傳感器

力覺是指對機(jī)器人的指、肢和關(guān)節(jié)等運動中所受力的感知，主要包括腕力覺、關(guān)節(jié)力覺和支座力覺等。根據(jù)被測對象的負(fù)載，可以把力傳感器分為測力傳感器（單軸力傳感器）、力矩表（單軸力矩傳感器）、手指傳感器（檢測機(jī)器人手指作用力的超小型單軸力傳感器）和六軸力覺傳感器等。055.1筒式腕力傳感器筒式6自由度腕力傳感器主體為鋁圓筒，外側(cè)有8根梁支撐，其中4根為水平梁，4根為垂直梁。水平梁的應(yīng)變片貼于上、下兩側(cè)，設(shè)各應(yīng)變片所受到的應(yīng)變量分別為而垂直梁的應(yīng)變片貼于左右兩側(cè)，設(shè)各應(yīng)變片所受到的應(yīng)變量分別為因此，施加于傳感器上的6維力，即x、y、z方向的力Fx、Fy、Fz。以及x、y、z方向的轉(zhuǎn)矩Mx、My、Mz可計算得（K1、K2、K3、K4、K5、K6為比例系數(shù)，與各梁所貼應(yīng)變片的應(yīng)變靈敏度有關(guān)，應(yīng)變量由貼在每根梁兩側(cè)的應(yīng)變片構(gòu)成的半橋電路進(jìn)行測量。）用鋁材切成十字框架，各懸梁外端插入圓形手腕框架的內(nèi)側(cè)孔中，懸梁端部與腕框架的接合部裝有尼龍球，目的是使懸梁易于伸縮。此外，為了增加靈敏性，在與梁相接處的腕框架上還切出窄縫。十字形懸梁實際上是一整體，其中央固定在手腕軸向。應(yīng)變片貼在十字梁上，每根梁的上下左右側(cè)面各貼-

-片應(yīng)變片。相對面上的兩片應(yīng)變片構(gòu)成一組半橋，通過測量一個半橋的輸出，即可檢測一個參數(shù)。5.2十字腕力傳感器撓性十字梁式腕力傳感器整個手腕通過應(yīng)變片可檢測出8個參數(shù)：利用這些參數(shù)可計算出手腕頂端x、y、z方向的力Fx、Fy、Fz.以及x、y、z方向的轉(zhuǎn)矩Mx、My、Mz即可計算得出。5.2十字腕力傳感器三、常用外部傳感器1視覺傳感器2聽覺傳感器3嗅覺傳感器4味覺傳感器5觸覺傳感器目錄CONTENTS接近覺傳感器6

人類從外界獲得的信息大多是由眼睛獲取的。人類視覺細(xì)胞的數(shù)量是聽覺細(xì)胞的3000多倍，是皮膚感覺細(xì)胞的100多倍。如果要賦予機(jī)器人較高級的智能，機(jī)器人必須通過視覺系統(tǒng)更多的獲取周圍世界的信息。

人的視覺通常用來識別環(huán)境對象位置坐標(biāo)、物體間相對位置、物體形狀顏色等，由于生活空間是三維，機(jī)器人的視覺必須能理解三維空間的信息。因為視覺傳感器只能得到二維圖像，從不同角度上看同一物體，得到的圖像也不同，光源的位置和程度不同，得到的圖像的明暗程度與分布情況也不同。人們采取了很多措施來解決這個問題，并且為了減輕視覺系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，盡可能地改變改善外部環(huán)境條件，加強(qiáng)視覺系統(tǒng)本身的功能和使用較好的方法進(jìn)行信息處理。3.1視覺傳感器3.1視覺傳感器圖3-1-1焊接機(jī)器人用視覺系統(tǒng)定位作業(yè)圖3-1-2視覺系統(tǒng)導(dǎo)引機(jī)器人噴涂作業(yè)圖3-1-3搬運機(jī)器人用視覺系統(tǒng)引導(dǎo)電磁吸盤抓取工作視頻攝像頭（電視攝像機(jī)）是一種廣泛使用的景物和圖像輸入設(shè)備，它能將景物、圖片等光學(xué)信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娨曅盘柣驁D像數(shù)據(jù)。目前，彩色攝像機(jī)雖然已經(jīng)很普遍，價格較低，但在工業(yè)視覺系統(tǒng)中卻還常常選用黑白攝像機(jī)，主要原因是系統(tǒng)只需要具有一定灰度的圖像，經(jīng)過處理后變成二值圖像，再進(jìn)行匹配和識別。它的好處是處理數(shù)據(jù)量小，處理速度快。電視攝像管是將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娨晥D像信號的器件，它是攝像機(jī)的關(guān)鍵部件。它利用光電效應(yīng)，把器件成像面上的空間二維景物光像轉(zhuǎn)變成以時間為序的一維圖像信號。攝像管由密封在玻璃罩內(nèi)的光電靶和電子槍組成，被攝的景物經(jīng)過攝像機(jī)鏡頭，在光電導(dǎo)層表面成像，靶面各個不同的點隨著照度的不同激勵出數(shù)目不同的光電子，從而產(chǎn)生數(shù)值不同的光電導(dǎo)，進(jìn)而產(chǎn)生高低不同的電位起伏，形成與光像對應(yīng)的電位圖像。由電子槍射出的電子束在偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)形成的電場或磁場的作用下，從左到右、同時又從上到下底對靶面進(jìn)行掃描，將按空間位置分布的電位圖像轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的時間信號。電子束通過掃描把圖像分解成數(shù)以十萬計的像素。光電導(dǎo)層上與每一像素相對應(yīng)的微小單元，都可等效為一個電阻與電容并聯(lián)的電路。3.1.1視頻攝像頭電阻R的大小除與光電導(dǎo)材料本身的電阻率有關(guān)外，還隨著光照的強(qiáng)弱而變化。電容的大小取決于光電導(dǎo)材料的介電系數(shù)、像素單元的面積和厚度。在彩色攝像機(jī)中，被攝景物的光經(jīng)變焦距鏡頭、中性濾色片、色溫濾色片和分色棱鏡后被分解為紅、綠、藍(lán)三色全光，并分別在攝像管RGB的靶面上成像，靶面上的光線經(jīng)光電轉(zhuǎn)換成與光像對應(yīng)的電荷像。如圖3.1.1.1所示為攝像管工作原理的等效電路，K為攝像管的陰極，與點相連的箭頭代表電子束.聚焦和偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)使管內(nèi)的電子束產(chǎn)生良好的聚焦和掃描，使靶面的電荷像變成按一定電視掃描標(biāo)準(zhǔn)的隨時間變化的三基色圖像信號。攝像管輸出的圖像信號經(jīng)前置放大器和預(yù)放器放大后，送到視頻處理電路。。與a1，a2，a3…不同的連接代表電子束從左到右、從上到下的掃描過程，電壓E經(jīng)負(fù)載電阻RL加到信號電極上。3.1.1視頻攝像頭圖3.1.1.1攝像管工作原理的等效電路隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，各種類型的固體圖像傳感器已經(jīng)研制成功。固體圖像傳感器中最有發(fā)展前途的電荷耦合器件（CCD）與攝像管相比，受振動與沖擊的損傷甚小，它還有壽命長和在弱光下靈敏度高的優(yōu)點。CCD傳感器是在一個數(shù)毫米的方形芯片上配置了多個光電轉(zhuǎn)換元件半導(dǎo)體傳感器。這種芯片設(shè)計、制造手指大小的裝置，可用在檢查管道的系統(tǒng)上。新型的固體圖像傳感器的結(jié)構(gòu)比上述攝像管要簡單，它不需要熱離子的陰極來產(chǎn)生電子束，不需要電子束掃描，不存在真空封裝問題，對外界磁場的屏蔽要求也很低由于它是一塊簡單的硅片，故與攝像管相比，它不需要預(yù)熱，而且體積小、重量輕、造價低，不受滯后（光斑或拖影）及電子束轟擊引起的光敏表面損傷的影響。對CCD平面進(jìn)行二維掃描，取出作為電信號的模擬電壓，再進(jìn)行空間取樣（用某一頻率采樣），把表示采樣點灰度的電壓值（濃度值）量化，或?qū)⒈硎静噬珗D像的三基色電壓值量化，并實行二值數(shù)字化處理，便得到了數(shù)字化的圖像數(shù)據(jù)。CCD傳感器3.1.2光電轉(zhuǎn)換器件MOS圖像傳感器MOS圖像傳感器又稱為自掃描光電二極管陣列，由光電二極管和MOS場效應(yīng)管成對地排列在硅襯底上，構(gòu)成MOS圖像傳感器。通過選擇水平掃描線和垂直掃描線來確定像素的位置，使兩個掃描線的交點上的場效應(yīng)管導(dǎo)通，然后從與之成對的光電二極管取出像素信息。掃描是分時按順序進(jìn)行的。3.1.2光電轉(zhuǎn)換器件

對不透明的物體用CCD攝像機(jī)拍攝穿透光，可得到物體的輪廓圖像。如果形狀有特征，則用輪廓可以識別物體。例如，用手印的輪廓圖像就可以鑒別每個人。對這種有特征的形狀，當(dāng)使用一般的照明光拍攝反射光圖像時，很難檢測其形狀，這時利用輪廓圖像就容易識別。

在一般的圖像輸入系統(tǒng)中，由CCD攝像機(jī)輸出的電壓將由A/D轉(zhuǎn)換器量化成8bit的濃度值，并生成相應(yīng)的圖像，用軟件進(jìn)行二值化可得到輪廓圖像。如果有比較器，就可以用簡單的電路構(gòu)成二制化電路，既可以直接把模擬的輸出電壓進(jìn)行二值化，也可以把A/D變化后的數(shù)字二值化。如果把這個二值（多為0和1）的變化部分輸出，則可構(gòu)成高速檢測形狀的傳感器。3.1.3形狀識別傳感器添加標(biāo)題工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)的基本原理作為機(jī)器人的眼睛，攝像機(jī)不僅要對所得到的圖像進(jìn)行靜止處理，而且要積極地擴(kuò)大視野，根據(jù)所觀察的對象改變眼睛的焦距和光圈，因此機(jī)器人視覺系統(tǒng)還應(yīng)具有調(diào)節(jié)焦距、光圈、攝像機(jī)角度和放大倍數(shù)的裝置。通過光學(xué)成像系統(tǒng)（一般用CCD攝像機(jī)）攝取目標(biāo)場景，通過圖像采集裝置獲取目標(biāo)場景的二維圖像信息，然后利用圖像處理模塊對二維圖像信息進(jìn)行圖像處理，提取圖像中的特征量，并由此進(jìn)行三維正建，得到目標(biāo)場景的三維信息；根據(jù)計算出的三維信息，結(jié)合視覺系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的需求進(jìn)行決策輸出，控制執(zhí)行模塊實現(xiàn)特定的功能。與人的視覺系統(tǒng)相似，機(jī)器人視覺系統(tǒng)通過圖像和距離等傳感器獲取環(huán)境對象的圖像、顏色和距離等信息，然后傳遞給圖像處理器，利用計算機(jī)從二維圖像中理解和構(gòu)造出三維世界的真實模型。3.1.4工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)圖3.1.4.1機(jī)器人視覺系統(tǒng)的原理框圖利用視覺識別抓取工件的工業(yè)機(jī)型系統(tǒng)圖3.1.4.2所示為美國通用汽車公司研究的一種在制造裝置中安裝的且能在噪聲環(huán)境下操作的機(jī)器人視覺系統(tǒng)，稱為Consight-I型視覺系統(tǒng)。該系統(tǒng)為了從零件的外形獲得準(zhǔn)確、穩(wěn)定的識別信息。巧妙地設(shè)置照明光，從傾斜方向向傳送帶發(fā)送兩條窄條縫隙光，用安裝在傳送帶上方的固態(tài)線性傳感器攝取圖像，而且預(yù)先把兩條縫隙光調(diào)整到剛好在傳送帶上重合的位置。這樣，當(dāng)傳送帶上沒有工件時，縫隙光便合成一條直線；當(dāng)工件隨傳送帶通過時，縫隙光變成兩條線，其分開的距離同工件的厚度成正比。于光線的分離之處正好就是工件的邊界，所以利用工件在傳感器下通過的時間就可以提取出準(zhǔn)確的邊界信息。主計算機(jī)可處理安裝在機(jī)器人工作位置上方的固態(tài)線性陣列攝像機(jī)所檢測的工件的信息，有關(guān)傳送帶速度的數(shù)據(jù)也被送到計算機(jī)中處理。當(dāng)工件從視覺系統(tǒng)位置移動到機(jī)器人工作位置時，計算機(jī)利用視覺和速度數(shù)據(jù)確定工件的位置、取向和形狀。并把這種信息經(jīng)接口送到機(jī)器人控制器。根據(jù)這種信息，機(jī)器人便能成功地接近和拾取仍在傳送帶上移動的工件。3.1.4工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)圖3.1.4.2Consight-I型視覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1視覺傳感器2聽覺傳感器3嗅覺傳感器4味覺傳感器5觸覺傳感器目錄CONTENTS接近覺傳感器6接近覺傳感器圖3.2.1.1為動圈式傳聲器的結(jié)構(gòu)原理，它與球頂式揚聲器的結(jié)構(gòu)非常相似。實際上兩者有較大的差別。揚聲器與傳聲器是相反功能的換能器。揚聲器的功能是將電信號轉(zhuǎn)換為聲信號，而傳聲器則是將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，兩者的性能完全不同。傳聲器的振膜非常輕、薄，可隨聲音振動。動圈同振膜粘在一起，可隨振膜的振動而運動。動圈浮在磁隙的磁場中，當(dāng)動圈在磁場中運動時，動圈中可產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。此電動勢與振膜振動的振幅和頻率相對應(yīng)。因而動圈輸出的電信號與聲音的強(qiáng)弱、頻率的高低相對應(yīng)。這樣傳聲器就將聲音轉(zhuǎn)換成了音頻電信號輸出。動圈式傳聲器3.2.1聽覺傳感器電容式傳聲器圖3.2.1.2為背極板與聲學(xué)膜共同組成一個平行板電容器。在聲壓的作用下，聲學(xué)膜將向背極板移動，兩極板之間的電容值發(fā)生相應(yīng)的改變，從而實現(xiàn)聲信號向電信號的轉(zhuǎn)換。對于硅基電容式微傳聲器來說，由于狹窄氣隙中空氣流阻抗的存在，引起高頻情況下靈敏度的降低，通過在背極板上開大量聲孔以降低空氣流阻抗的方法來解決。圖3.2.1.1由固定電極和振膜構(gòu)成一個電容，Vp經(jīng)過電阻RL將一個極化電壓加到電容的固定電極上。振膜隨聲音發(fā)生振動，此時振膜與固定電極間電容量也隨聲音而發(fā)生變化，此電容的阻抗也隨之變化；與其串聯(lián)的負(fù)載電阻RL的阻值是固定的，電容的阻抗變化就表現(xiàn)為a點電位的變化。經(jīng)過耦合電容C將a點電位變化的信號輸入到前置放大器A，經(jīng)放大后輸出音頻信號。3.2.1聽覺傳感器圖3.2.1.1電容式傳聲器的結(jié)構(gòu)原理圖3.2.1.2MEMS電容傳聲器的結(jié)構(gòu)原理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。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，敏感臂中的激光束相位發(fā)生變化，而與另一路作為參考臂光纖傳出的激光束產(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。雙光纖干涉儀型聲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。聲音是一種機(jī)械波，它對光纖的作用就是使光纖受力并產(chǎn)生彎曲，使傳輸光的相位產(chǎn)生變化以及造成傳輸光的損耗等，光纖聲傳感器就是基于此原理制成。光纖受到微小的外力作用時，就會產(chǎn)生微彎曲，而其傳光能力發(fā)生很大的變化。光纖聲傳感器3.2.1聽覺傳感器語音識別過程計算機(jī)語音識別過程與人對語音識別處理過程基本上是一致的。目前主流的語音識別技術(shù)是基于統(tǒng)計模式識別的基本理論，一個完整的語音識別系統(tǒng)可大致分為三部分。③語義理解：計算機(jī)對識別結(jié)果進(jìn)行語法、語義分析。明白語言的意義以便作出相應(yīng)的反應(yīng)，通常是通過語言模型來實現(xiàn)。②聲學(xué)模型與模式匹配（識別算法）：聲學(xué)模型是識別系統(tǒng)的底層模型，并且是語音識別系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一部分。在識別時將未知的語音特征同聲學(xué)模型（模式）進(jìn)行匹配與比較，計算未知語音的特征矢量序列和每個發(fā)音模板之間的距離。聲學(xué)模型的設(shè)計和語言發(fā)音特點密切相關(guān)。①語音特征提?。耗康氖菑恼Z音波形中提取隨時間變化的語音特征序列。聲學(xué)特征的提取與選擇是語音識別的一個重要環(huán)節(jié)。聲學(xué)特征的提取既是一個信息大幅度壓縮的過程，也是一個信號解卷過程，目的是使模式劃分器能更好地劃分。3.2.2語音識別芯片語音識別專用芯片DSP語音芯片由數(shù)字信號處理器（DSP）組成的語音識別系一般由定點16位DSP組成，外加AID變換、DIA變換，以及ROM、RAM、FLASH等存儲器組成。工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片由于語音信號是一個時間區(qū)間動態(tài)變化的信號，由人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的語音識別專用芯片一般采用的多層前向感知機(jī)算法。語音識別系統(tǒng)級芯片將MCU或DSP、AID、DIA、RAM、ROM以及預(yù)放、功放等電路集成在一個芯片上，只要加上極少的電源供電等單元就可以實現(xiàn)語音識別、語音合成以及語音回放等功能3.2.2語音識別芯片由美國SensoryIntegratedCircuit公司開發(fā)，2000年開始生產(chǎn)，是一種低價位的語音識別專用芯片，RSC-364功能框圖如圖所示。典型芯片介紹（RSC-346）RSC-364使用預(yù)先學(xué)習(xí)好的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行非特定人語音識別，不需要經(jīng)過訓(xùn)練就可以識別“Yes”、“No”、“Ok”等簡單語句，識別率為97%。此外，RSC-364可以識別特定人、孤立詞命令語句，約60條左右，識別率為99%以上。RSC-364可以進(jìn)行5~15kb/s的語音合成，是由Sensory專門設(shè)計，其音質(zhì)較好。同時，它還具有改進(jìn)的ADPCM（自適應(yīng)差分脈沖調(diào)制）語音編解碼功能，用作語音回放。。3.2.2語音識別芯片字添加文字整個芯片的工作方式是M8051作為主控制芯片，完成對各種接口的控制和系統(tǒng)的配置。OAK作為協(xié)處理器，完成語音編解碼算法等計算。兩個核之間還有兩個64字深的FIFO。它們用于雙核通信。SDA80D51含有兩個處理器，分別是16位DSP和8位MCU。M8051E-Warp核由美國公司設(shè)計，是與一般8051兼容的MCU，具有很多的增強(qiáng)功能，最高工作速度可達(dá)50MIPS（MillionInstructionperSecond），是目前為止最快的增強(qiáng)8051。UniSpeech-SDA80D51：由德國公司生產(chǎn)的語音處理芯片。SDA80D51芯片如圖所示，該芯片相當(dāng)于一個片上系統(tǒng)，內(nèi)部集成了許多功能模塊。由于集成了許多功能塊，幾乎只需要一片芯片就能完成語音處理和系統(tǒng)控制。3.2.2語音識別芯片1視覺傳感器2聽覺傳感器3嗅覺傳感器4味覺傳感器5觸覺傳感器目錄CONTENTS6接近覺傳感器嗅覺是生物鼻腔受某種揮發(fā)性分子的刺激后產(chǎn)生的一種生理反應(yīng)，是一種復(fù)雜而模糊的感覺。嗅細(xì)胞受氣味分子刺激而產(chǎn)生的微弱響應(yīng)信號經(jīng)嗅神經(jīng)被傳送至嗅小球、僧帽細(xì)胞、顆粒細(xì)胞，最后傳到大腦中樞，人的嗅覺傳導(dǎo)通路如圖3.3.1.1所示。每個嗅細(xì)胞的生存期約22天，其靈敏度并不很高，至今還沒有發(fā)現(xiàn)只對一種特定分子有敏感反應(yīng)的嗅細(xì)胞。大量嗅細(xì)胞從復(fù)雜背景中感受到的多維微弱有用信號經(jīng)嗅神經(jīng)、嗅覺球和大腦中樞處理后，背景噪聲被除去，嗅覺系統(tǒng)的整體靈敏度因此提高3個數(shù)量級以上，從而具有識別數(shù)千種氣味的能力。這說明，單個嗅細(xì)胞的性能是有限的，多個嗅細(xì)胞的性能是彼此重疊的，生物嗅覺系統(tǒng)的識別能力是大量嗅細(xì)胞、嗅神經(jīng)和大腦中樞共同作用的結(jié)果。人類嗅覺3.3.1嗅覺機(jī)理圖3.3.1.1人的嗅覺傳導(dǎo)通路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。圖3.3.1.2所示為人工嗅覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，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(xì)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(xì)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。1.陣列檢測：將性能彼此重疊的多個氣敏傳感器組成陣列，模擬人鼻內(nèi)的大量嗅感受器細(xì)胞，通過精密測試電路，得到對氣味的瞬時敏感。2.數(shù)據(jù)處理：氣敏傳感器的響應(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，得到多維有用響應(yīng)信號。3.智能解釋：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(biāo)值或組成成分的濃度值，得到被測氣味定性分析結(jié)果。人工嗅覺系統(tǒng)3.3.1嗅覺機(jī)理圖3.3.1.2人工嗅覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖金屬氧化物半導(dǎo)體傳感陣列裝置：金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器如圖3.3.2.1所示，是目前使用最廣泛的嗅覺傳感器，常用的金屬氧化物有SnO2、Ga2O3、V2O5、TiO2、WO3等，其中大多數(shù)都被Pt、Au、Rh、Pd等稀有金屬摻雜成為對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。3.3.2嗅覺傳感器陣列圖3.3.2.1金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器這類裝置的工作原理是工作電極表面上雜環(huán)分子涂層在吸附或釋放被測氣味分子后導(dǎo)電性能會發(fā)生變化。導(dǎo)電聚合物膜材料來源廣泛，選擇性大；具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、不易被含硫化合物“毒化”的優(yōu)點。同時，被測對象的濃度與傳感器的響應(yīng)在很大范圍內(nèi)幾乎呈線性關(guān)系，這給數(shù)據(jù)處理帶來極大的方便。石英諧振型氣敏傳感器：由石英基片、電極、支架三部分構(gòu)成。化學(xué)涂層物質(zhì)涂在電極的中心用來吸附被測氣體。涂層材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過小時吸附氣體的量就較少，容易飽和；質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大時，涂層黏度大，石英振子容易超載，甚至?xí)鹜Ｕ?。聲表面波（SAW）型氣敏傳感器：聲表面波型氣敏傳感器利用聲表面器件制成后波和頻率隨外界環(huán)境變化而漂移的特性，在壓電晶體表面涂一層選擇性吸附某種氣體的氣敏薄膜制成。當(dāng)這層氣敏薄膜吸附特定氣體之后，引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移，從而可以測出氣體的濃度。導(dǎo)電聚合物膜傳感陣列裝置3.3.2嗅覺傳感器陣列圖示為聲表面波型氣敏傳感器結(jié)構(gòu)紅外線光電檢測裝置紅外線光電檢測裝置基于在給定的光程上，紅外線通過氣體后，光強(qiáng)以及光譜峰的位置和形狀均會發(fā)生變化，測出這些變化，就可對被測氣體的成分和濃度進(jìn)行分析。紅外線光電檢測裝置在一定的范圍內(nèi)，傳感器的輸出與被測對象的濃度基本呈線性關(guān)系。但是，這類裝置的體積不可能很小、價格昂貴、使用條件苛刻。3.3.2嗅覺傳感器陣列1視覺傳感器2聽覺傳感器3嗅覺傳感器4味覺傳感器5觸覺傳感器目錄CONTENTS6接近覺傳感器

在人類味覺系統(tǒng)中，舌頭表面味蕾上的味覺細(xì)胞的生物膜可以感受味覺。味覺物質(zhì)被轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)神經(jīng)纖維傳至大腦。味覺傳感器與傳統(tǒng)的、只檢測某種特殊的化學(xué)物質(zhì)的化學(xué)傳感器不同。目前某些傳感器可實現(xiàn)對味覺的敏感，如pH計可用于酸度檢測、導(dǎo)電計可用于咸度檢測、比重計或屈光度計可用于甜度檢測等。但這些傳感器只能檢測味覺溶液的某些物理化學(xué)特性，并不能模擬實際的生物味覺敏感功能，測量的物理值要受到外界非味覺物質(zhì)的影響。此外，這些物理特性還不能反映各味覺物質(zhì)之間的關(guān)系，如抑制效應(yīng)等。

實現(xiàn)味覺傳感器的一種有效方法是使用類似于生物系統(tǒng)的材料作傳感器的敏感膜，電子舌是用類脂膜作為味覺物質(zhì)換能器的味覺傳感器，能夠以類似人的味覺感受方式檢測味覺物質(zhì)。目前，從不同的機(jī)理看，味覺傳感器技術(shù)大致分為多通道類脂膜技術(shù)、基于表面等離子體共振技術(shù)、表面光伏電壓技術(shù)等，味覺模式識別由最初的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別發(fā)展到混沌識別?；煦缡且环N遵循一定非線性規(guī)律的隨機(jī)運動，它對初始條件敏感，混沌識別具有很高的靈敏度，因此越來越得到應(yīng)用。3.4味覺傳感器多通道味覺傳感器這種傳感器用類脂膜構(gòu)成多通道電極制成的，多通道電極通過多通道放大器與多通道掃描器連接，從傳感器得到的電子信號通過數(shù)字電壓表轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后送入處理器進(jìn)行處理，測量多通道類脂膜和參考電極之間的電壓差。這種傳感器已經(jīng)被應(yīng)用到對一些商品飲料進(jìn)行檢測，根據(jù)輸出模式可以很容易的將各種啤酒區(qū)分開?；诒砻婀夥妷旱碾娮由噙@種傳感器由參考電極、樣本溶液、類脂膜、氧化物和半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)組成，優(yōu)點是系統(tǒng)簡單，傳感元件集中在半導(dǎo)體表面。為了增強(qiáng)具有不同靈敏度和選擇特性的多個傳感元件在半導(dǎo)體表面的集中度，使用改進(jìn)的LB膜。此類傳感器基于樣本溶液和類脂膜相互作用引起半導(dǎo)體表面電壓變化來檢測味覺物質(zhì)，當(dāng)可調(diào)節(jié)的光子束照射到半導(dǎo)體表面，表面耗盡層產(chǎn)生的光電流由鎖相放大器得到，調(diào)整掃描光束，沿半導(dǎo)體表面掃描得到半導(dǎo)體表面電勢圖。3.4味覺傳感器基于表面等離子共振（SPR）的味覺傳感器使用由DHP（dihexadecylphosphate，復(fù)六方基磷酸酣）制成的多層LB類脂膜作味覺傳感器的敏感膜，根據(jù)膜與味覺物質(zhì)的相互作用來探測味覺物質(zhì)。當(dāng)LB膜中加入ConA（伴刀豆球蛋白A，ConcanavalinA）后，幾乎對所有味覺物質(zhì)都有響應(yīng)。SPR味覺傳感器有獨特的電化學(xué)性質(zhì)，通過測量膜電勢敏感味覺，所以對電解質(zhì)敏感，而對大多數(shù)甜味物質(zhì)或一些苦味物質(zhì)等非電解質(zhì)就缺乏敏感性，對這些物質(zhì)得不到太多信息。表面等離子共振味覺傳感器如圖3.4.1所示，金薄膜（50nm）脫水后放置在玻璃棱鏡上，這套裝置共有兩個電極，即參考電極和樣本電極。LB膜被放置在樣本電極（S）一邊，而不放在參考電極（R）一邊，開始，先把l0μL蒸熘水滴在R和S兩極上，然后，在兩邊同時加味覺物質(zhì)，這樣兩邊的味覺物質(zhì)的濃度應(yīng)該是相等的，測量兩邊電極的差就可以檢測到味覺物質(zhì)和類脂膜之間的相互作用的特性。3.4味覺傳感器圖3.4.1表面等離子共振味覺傳感器新型味覺傳感器芯片美國Texas大學(xué)研制的新型傳感器芯片能對溶液中多種被分析成分做到并行、實時檢測，并且可對檢測結(jié)果進(jìn)行量化。傳感器的結(jié)構(gòu)是將化學(xué)傳感器固定在一個微機(jī)械加工平臺上，圖3.4.2為Texas味覺傳感器陣列框圖?；跓晒庑盘栕兓乃{(lán)色發(fā)光二極管在比色系統(tǒng)中采用白光作為高能激發(fā)源，熒光檢測時用濾光片濾掉激發(fā)光源波長；位于微機(jī)械平臺下的CCD用來采集數(shù)據(jù)。在硅片表面用微機(jī)械加工工藝刻槽，敏感球固定在槽中，控制蝕刻過程使得槽底部呈透光性。調(diào)制光通過敏感球和底部后投射到CCD探測器上，光信號的變化分析可由CCD探測器和計算機(jī)完成。3.4味覺傳感器圖3.4.2Texas味覺傳感器陣列框圖1視覺傳感器2聽覺傳感器3嗅覺傳感器4味覺傳感器5觸覺傳感器目錄CONTENTS接近覺傳感器6

觸覺是機(jī)器人獲取環(huán)境信息的一種僅次于視覺的重要知覺形式，是機(jī)器人實現(xiàn)與環(huán)境直接作用的必需媒介。與視覺不同，觸覺本身有很強(qiáng)的敏感能力，可直接測量對象和環(huán)境的多種性質(zhì)特征，因此觸覺不僅僅只是視覺的一種補(bǔ)充，觸覺的主要任務(wù)是為獲取對象與環(huán)境信息和為完成某種作業(yè)任務(wù)而對機(jī)器人與對象、環(huán)境相互作用時的一系列物理特征量進(jìn)行檢測或感知。機(jī)器人觸覺與視覺一樣，基本上是模擬人的感覺。廣義上，它包括接觸覺、壓覺、力覺、滑覺、冷熱覺等與接觸有關(guān)的感覺；狹義上它是機(jī)械手與對象接觸面上的力感覺。

觸覺是接觸、沖擊、壓迫等機(jī)械刺激感覺的綜合，觸覺可以用來進(jìn)行機(jī)器人抓取，利用觸覺可進(jìn)一步感知物體的形狀、軟硬等物理性質(zhì)。對機(jī)器人觸覺的研究，集中于擴(kuò)展機(jī)器人能力所必需的觸覺功能，一般把檢測感知和外部直接接觸而產(chǎn)生的接觸覺、壓力、觸覺及接近覺的傳感器稱為機(jī)器人觸覺傳感器。3.5觸覺傳感器柔性傳感器有獲取物體表面形狀二維信息的潛在能力，是采用柔性聚氨基甲酸酯泡沫材料的傳感器。柔性薄層觸覺傳感器如圖4-40所示，泡沫材料用硅橡膠薄層覆蓋。這種傳感器結(jié)構(gòu)跟物體周圍的輪廓相吻合，移去物體時，傳感器恢復(fù)到最初形狀。導(dǎo)電橡膠應(yīng)變計連到薄層內(nèi)表面，拉緊或壓縮應(yīng)變計時薄層的形變被記錄下來。5.1柔性薄層觸覺傳感器圖5.1.1柔性薄層觸覺傳感器壓力感應(yīng)橡膠這是一種具有類似于人類皮膚柔軟性的壓敏材料，利用壓力感應(yīng)橡膠，可以實現(xiàn)觸壓分布區(qū)中心位置的測定。壓力感應(yīng)橡膠傳感器結(jié)構(gòu)如圖4-41所示，傳感器為三層結(jié)構(gòu)，外邊兩層分別是傳導(dǎo)塑料層A和B，中間夾層為壓感橡膠層S，相對的兩個邊緣裝有電極。該結(jié)構(gòu)可看作一個兩維放大的電壓表，傳感器的構(gòu)成材料是柔軟富有彈性的，在大塊表面面積上容易形成各種形狀。5.1柔性薄層觸覺傳感器圖5.1.2壓力感應(yīng)橡膠傳感器結(jié)構(gòu)3.5.1柔性觸覺傳感器例：設(shè)Rp為S層的電阻，反映了分布壓力p在單位面積上沿厚度方向的變化。在A層和B層上，由表面電阻R分別產(chǎn)生分布電壓VA（x，y）和VB（x，y）。由于隨壓力而變的電阻的存在，從A層到B層產(chǎn)生了分布電流i（x，y），根據(jù)該傳感器的基本原理，可以用泊松方程來描述分布電流，即在傳感區(qū)域D內(nèi)應(yīng)建立起直角坐標(biāo)（u，v），其4條邊分別為S1，S2，S3和S4，邊長為2a，原點位于中心，則以坐標(biāo)u表征的從A層到B層的一階瞬時電流密度i（x，y）為n為邊界的法線方向；m為切線方向。該右端是沿邊界的線積分，經(jīng)邊界條件替換，該方程可以用電極電壓[VA]S1和[VA]S3表述圖3.5.1.3所示為電流變流體觸覺傳感器，此傳感器共分三層，上層是帶有條型導(dǎo)電橡膠電極的硅橡膠層，它決定觸覺傳感器的空間分辨率。導(dǎo)電橡膠與硅橡膠基體集成整體橡膠薄膜，具有很好的彈性，柔性硅橡膠層有多條導(dǎo)電橡膠電極。中間層是ERF聚氨酯泡沫層，是一種充滿電流變流體的泡沫結(jié)構(gòu)，充當(dāng)上下電極形成的電容器的介電材料，同時防止極板短路。傳感器的第三層是帶有下柵極的印刷電路板，有電極和DIP插座，可與測試采集電路連接。上層導(dǎo)電橡膠行電極與下層印刷電路板的列電極在空間上垂直放置，形成電容觸覺單元陣列。觸覺傳感器電容陣列如圖3.5.1.4所示。3.5.1柔性觸覺傳感器圖3.5.1.3電流變流體觸覺傳感器圖3.5.1.4觸覺傳感器電容陣列成像觸覺傳感器由若干個感知單元組成陣列型結(jié)構(gòu)，主要用于感知目標(biāo)物體的形狀。圖3.5.2.5所示為LTS-100觸覺傳感器外形。傳感器單元的轉(zhuǎn)換原理如圖3.5.2.6所示。當(dāng)彈性材料制作的觸頭受到法向壓力作用時，觸桿下伸，擋住發(fā)光二極管射向光敏二極管的部分光，于是光敏二極管輸出隨壓力大小變化的電信號。陣列中感知單元的輸出電流由多路模擬開關(guān)選通檢測，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)椴煌挠|覺數(shù)字信號，從而感知目標(biāo)物體的形狀。3.5.2觸覺傳感器陣列圖3.5.2.5LTS-100觸覺傳感器外形圖3.5.2.6傳感器單元的轉(zhuǎn)換原理基于光學(xué)全內(nèi)反射原理的觸覺傳感器如圖3.5.2.7。傳感器由白色彈性膜、光學(xué)玻璃波導(dǎo)板、微型光源、透鏡組、CCD成像裝置和控制電路組成。光源發(fā)出的光從波導(dǎo)板的側(cè)面垂直入射進(jìn)波導(dǎo)板，當(dāng)物體未接觸敏感面時，波導(dǎo)板與白色彈性膜之間存在空氣間隙，進(jìn)入波導(dǎo)板的大部分光線在波導(dǎo)板內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射。在貼近部位，波導(dǎo)板內(nèi)的光線從光疏媒質(zhì)光學(xué)玻璃波導(dǎo)板射向光密媒質(zhì)白色彈性膜，同時波導(dǎo)板表面發(fā)生不同程度的變形，有光線從緊貼部位泄漏出來，在白色彈性膜上產(chǎn)生漫反射。漫反射光經(jīng)波導(dǎo)板與三棱鏡射出來，形成物體的觸覺圖像。觸覺圖像經(jīng)自聚焦透鏡、傳像光纜和顯微物鏡進(jìn)入CCD成像裝置。3.5.2觸覺傳感器陣列TIR觸覺傳感器

在這種觸覺傳感器的同一個基體上集成若干個傳感器及其計算邏輯控制單元。觸覺信息由導(dǎo)電塑料壓力傳感器檢測輸入，每一個傳感器都有單獨的邏輯控制單元，接觸信息的處理和通信等功能都由基體上的計算邏輯控制單元完成。每個傳感器單元上都配備微處理芯片，其計算邏輯控制單元功能框圖如圖3.5.2.8所示。它包括1位模擬比較器、鎖存器、加法器、6位位移寄存器累加器、指令寄存器和雙相時鐘發(fā)生器。由外部控制計算機(jī)通過總線向每個傳感器單元發(fā)出命令，用于控制所有的傳感器及其計算單元，包括控制相鄰寄存器的計算單元之間的通信。

每個VLSI計算單

元可以并行對感覺數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析計算，如卷積計算以及與視覺圖

像處理相類似的各種計算處理。3.5.2觸覺傳感器陣列圖3.5.2.8計算邏輯控制單元功能框圖仿生皮膚是集觸覺、壓覺、滑覺和熱覺傳感器于一體的多功能復(fù)合傳感器，具有類似于人體皮膚的多種感覺功能。仿生皮膚采用具有壓電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)PVDF敏感材料，具有溫度范圍寬、體電阻高、質(zhì)量小、柔順性好、機(jī)械強(qiáng)度高和頻率響應(yīng)寬等特點，容易熱成形加工成薄膜、細(xì)管或微粒。3.5.3仿生皮膚集觸覺、滑覺和溫覺的PVDF仿生皮膚傳感器結(jié)構(gòu)剖面如圖3.5.3.1所示，傳感器表層為保護(hù)層（橡膠包封表皮），上層為兩面鍍銀的整塊PVDF，分別從兩面引出電極。下層由特種鍍膜形成條狀電極，引線由導(dǎo)電膠粘接后引出。在上下兩層PVDF之間，由電加熱層和柔性隔熱層（軟塑料泡沫）形成兩個不同的物理測量空間。上層PVDF獲取溫覺和觸覺信號，下層條狀PVDF獲取壓覺和滑覺信號。為了使PVDF具有溫覺功能，電加熱層維持上層PVDF溫度55℃左右，當(dāng)待測物體接觸傳感器時，其與上層PVDF層存在溫差，導(dǎo)致熱傳遞的產(chǎn)生，使PVDF的極化面產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量的電荷，從而輸出電壓信號。3.5.3仿生皮膚圖3.5.3.1PVDF仿生皮膚傳感器結(jié)構(gòu)剖面

采用陣列PVDF形成多功能復(fù)合仿生皮膚，模擬人類用觸摸識別物體形狀的機(jī)能，傳感器的結(jié)構(gòu)剖面如圖所示。其層狀結(jié)構(gòu)主要由表層、行PVDF條、列PVDF條、絕緣層、PVDF層和硅導(dǎo)電橡膠基底構(gòu)成。行、列PVDF條兩面鍍銀，用微細(xì)切割方法制成細(xì)條，分別粘貼在表層和絕緣層上，由33根導(dǎo)線引出。仿生皮膚傳感器接觸物體時，表面受到一定壓力，相應(yīng)受壓觸點單元的振幅會降低。根據(jù)這一機(jī)理，通過行列采樣及數(shù)據(jù)處理，可以檢測物體的形狀、重心和壓力的大小，以及物體相對于傳感器表面的滑移位移。3.5.3仿生皮膚陣列式仿生皮膚傳感器結(jié)構(gòu)剖面1視覺傳感器2聽覺傳感器3嗅覺傳感器4味覺傳感器5觸覺傳感器目錄CONTENTS接近覺傳感器6

發(fā)現(xiàn)前方障礙物，限制機(jī)器人的運動范圍，以避免與障礙物發(fā)生碰撞在接觸對象物前得到必要信息，如與物體的相對距離，以便為后續(xù)動作做準(zhǔn)備；

獲取對象物表

面各點間的距離，

從而得到有關(guān)對

象物表面形狀

的信息。接近覺傳感器的作用3.6接近覺傳感器

接近覺傳感器介于觸覺傳感器與視覺傳感器之間，不僅可以測量距離和方位，而且可以融合視覺和觸覺傳感器的信息。接近覺傳感器可以輔助視覺系統(tǒng)的功能，來判斷對象物體的方位、外形，同時識別其表面形狀。

機(jī)器人接近覺傳感器分為接觸式和非接觸式兩種測量方法，測量周圍環(huán)境的物體或被操作物體的空間位置。接觸式接近覺傳感器主要采用機(jī)械機(jī)構(gòu)完成；非接觸接近覺傳感器的測量根據(jù)原理不同，采用的裝置各異。對機(jī)器人傳感器而言，根據(jù)所采用的原理不同，機(jī)器人接近覺傳感器可以分為機(jī)械式、感應(yīng)式、電容式、超聲波、光電式等。

觸須接近覺傳感器3.6.1接觸式接近覺傳感器

機(jī)械接觸式傳

感器與觸覺傳感器不同，它與昆蟲的觸須類似，在機(jī)器人上通過以微動開關(guān)和相應(yīng)的機(jī)械裝置（探頭、探針）相

結(jié)合而實現(xiàn)一般非接

觸測量距離作用。

圖示為貓胡須傳

感器，其控制桿采用柔軟彈性物質(zhì)制成，相當(dāng)于微動開關(guān)，如圖左所示，當(dāng)觸及物體時接通輸出回路，輸出電壓信號。圖右為使用實例，在機(jī)器人腳下安裝多個貓胡須傳感器，依照接通的傳感器個數(shù)來檢測

機(jī)器腳在臺階上的具體

位置。接觸棒接近覺傳感器氣壓接近覺傳感器3.6.1接觸式接近覺傳感器圖3.6.1.1接觸棒接近覺傳感器圖3.6.1.2氣壓接近覺傳感器機(jī)器人手爪在移動過程中碰到障礙物或接觸作業(yè)對象時，傳感器的內(nèi)部開關(guān)接通電路，輸出信號。多個傳感器安裝在機(jī)器人的手臂或腕部，可以感知障礙物和物體。通過檢測氣流噴射遇到物體時的壓力變化來檢測和物體之間的距離。氣源送出具有一定壓力p1的氣流，離物體的距離x越小，氣流噴出的面積就越窄，氣缸內(nèi)的壓力p2就越大。圖3.6.2.1所示電磁感應(yīng)傳感器的核心由線圈和永久磁鐵構(gòu)成。當(dāng)傳感器遠(yuǎn)離鐵磁性材料時，永久磁鐵的原始磁力線如（a）所示；當(dāng)傳感器靠近鐵磁性材料時，引起永久磁鐵磁力線的變化，如（b）所示，從而在線圈中產(chǎn)生電流。這種傳感器在與被測物體相對靜止的條件下，由于磁力線不發(fā)生變化，因而線圈中沒有電流，因此電磁感應(yīng)傳感器只是在外界物體與之產(chǎn)生相對運動時，才能產(chǎn)生輸出。同時，隨著距離的增大，輸出信號明顯減弱，因而這種類型的傳感器只能用于很短距離測量，一般僅為零點幾毫米。3.6.2感應(yīng)式接近覺傳感器圖3.6.2.1電磁感應(yīng)接近覺傳感器電磁感應(yīng)接近覺傳感器主要用于檢測由金屬材料制成的對象物體。它是利用一個導(dǎo)體在非均勻磁場中移動或處在交變磁場內(nèi)，導(dǎo)體內(nèi)就會出現(xiàn)感應(yīng)電流這一基本電學(xué)原理工作的，這種感應(yīng)電流稱為電渦流，電渦流接近覺傳感器的最簡單的形式只包括一個線圈。圖3.6.2.3所示為電渦流接近覺傳感器的工作原理，線圈中通入交變電流I1，在線圈的周圍產(chǎn)生交變磁

場H1。當(dāng)傳感器與外界導(dǎo)體接近時，導(dǎo)體中感

應(yīng)產(chǎn)生電流I2，形成一個磁場H2，其方向與

H1相反，削弱了磁場，從而導(dǎo)致傳感器線

圈的阻抗發(fā)生變化。傳感器與外界導(dǎo)體

的距離變化能夠引起導(dǎo)體中所感應(yīng)產(chǎn)生電流I2的變化。電渦流接近覺傳感器3.6.2感應(yīng)式接近覺傳感器圖3.6.2.3電渦流接近覺傳感器工作原理通過適當(dāng)?shù)臋z測電路，可從線圈中耗散功