機(jī)器人傳感器

1、1. 機(jī)器人傳感器 （1）傳感器的定義： 傳感器是一種以一定的精度和規(guī)律把規(guī)定的被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的、便 于應(yīng)用的某種物理量的器件或裝置。 對于機(jī)器人來說，無論是同外部環(huán)境進(jìn)行交互，還是感知自身的姿態(tài)，都需要通 過傳感器來或取相應(yīng)的信息。 通過傳感器提供的信息，機(jī)器人不僅可以對自身的姿態(tài)、速度加速度等進(jìn)行控制 ，而且可以進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃、路徑規(guī)劃以完成既定的工作任務(wù)和工作目標(biāo)。 機(jī)器人視覺機(jī)器人觸覺機(jī)器人力覺 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

2、.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。 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、深度測量、相對定位、導(dǎo)航、環(huán)境或特定物 體的三維建模等。 分

3、類：光導(dǎo)管攝像機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)。 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。 1. 機(jī)器人傳

4、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)器人的重要研究內(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。 1. 機(jī)器人傳感器 （4）機(jī)器人聽覺傳感器： 1，將識(shí)別對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、

5、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。 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：簡單的接觸傳感器可以使機(jī)器人對碰撞、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

6、否與物體接觸、而且可以獲取接觸力的大小。 分類：簡單的接觸傳感器、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。 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，不僅檢測位置，還要同時(shí)檢測力度、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

7、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)。 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，通過檢測彈性體變形來間接測量所受力。 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。 1. 機(jī)器人傳感器 （6）機(jī)器

8、人力覺傳感器： 1，多維力傳感器指的是一種能夠同時(shí)測量兩個(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ECO SCAN的技術(shù)經(jīng)驗(yàn),主要用于機(jī)器人 和計(jì)量測量儀器領(lǐng)域。該六軸力覺傳感器利用半導(dǎo)體的壓電電阻效應(yīng)來檢測應(yīng)力。 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

9、個(gè)適當(dāng)?shù)奈樟χ担枰獙?shí)時(shí)檢測接觸面的相對滑動(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機(jī)器人與抓握對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）。 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

10、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：能檢測在手指表面任意方向產(chǎn)生的滑動(dòng)信息。 1. 機(jī)器人傳感器 （8）機(jī)器人距離傳感器： 原理：距離的測量對于機(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，相對距離信息，也可以用來對機(jī)器人進(jìn)行定位 和避障等。 分類：超聲波測距傳感器、激光測距傳感器、紅外線測距傳感器、微波測距傳感器、 24GHZ雷達(dá)測距傳感器

11、。 1. 機(jī)器人傳感器 （8）機(jī)器人距離傳感器： 1，超聲測距原理：超聲波對液體、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，激光測距原理：激光傳感器工作時(shí)，先由激光二極管對準(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，即可測定 目標(biāo)距離。 3，紅外測距原理：紅外測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。 1. 機(jī)器人傳感器 （9）機(jī)器人接近離傳感器

12、： 原理：接近覺傳感器是非接觸檢測器件，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。 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

13、性、可以安裝于 機(jī)械手的曲面手掌上。 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)檢測裝置。利用其他原理制成的角運(yùn)動(dòng)檢測裝置起同樣功能的 也稱陀螺儀。 應(yīng)用：陀螺儀是用來測量運(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 量機(jī)器人連桿的姿態(tài)角（航向、俯仰、橫滾），精確測量連桿角運(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。 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

14、，使用場合受限制。 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。 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，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

15、傳統(tǒng)機(jī)器人領(lǐng)域擴(kuò)展， 可以大大提高機(jī)器人對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。 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、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

16、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。 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 氣體傳感器各自對特定氣體具有較高的敏感性，由一些不同敏感對象的傳感器 構(gòu)成的陣列可以測得被測樣品揮發(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、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。 1. 機(jī)器人傳感器 （8）機(jī)器人嗅覺傳感器： 1，

17、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 嗅覺傳感器所檢測到的氣味數(shù)值化，然后在此基礎(chǔ)上對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，通過對氣味的檢測，便可檢測出病人所患何 種疾病。 4，由于氣體傳感器在各行各業(yè)中已經(jīng)開始應(yīng)用，所以嗅覺傳感器比較容易進(jìn)入實(shí)用化。 5，如果使用生物傳感器，就可以通過檢測結(jié)果氣味的對應(yīng)關(guān)系再現(xiàn)人的感覺。 1. 機(jī)器人傳感器 （8）機(jī)器人味覺傳感器： 原理：人類舌頭表面感覺問道的器官被稱為味蕾，味蕾上存在可感覺甜味、咸味、酸 味、苦味、鮮味五中基本味道的各種味蕾細(xì)胞。味覺傳感器也可以分別區(qū)分這 五種基本味道的濃淡程度，并將味道數(shù)值化再進(jìn)行評價(jià)。 應(yīng)用：味覺傳感器可以使機(jī)器人具有識(shí)別味道的功能，可用于制造機(jī)器人美食家，評 判美味的優(yōu)劣。 分類：化學(xué)