第10章 機(jī)器人傳感器

1、學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn)u了解機(jī)器人的發(fā)展u熟悉機(jī)器人的應(yīng)用u掌握機(jī)器人傳感器的工作原理 10.1 10.1 概述概述10.2 10.2 視覺傳感器視覺傳感器 10.3 10.3 聽覺傳感器聽覺傳感器10.4 10.4 觸覺傳感器觸覺傳感器10.5 10.5 壓覺傳感器壓覺傳感器10.6 10.6 力覺傳感器力覺傳感器10.7 10.7 接近覺傳感器接近覺傳感器10.8 10.8 滑覺傳感器滑覺傳感器10.9 10.9 感覺傳感器感覺傳感器本章小結(jié)本章小結(jié)復(fù)習(xí)思考題復(fù)習(xí)思考題主要內(nèi)容返回主目錄 “機(jī)器人的進(jìn)步和應(yīng)用是本世紀(jì)自動控制最有說服力的成就，是機(jī)器人的進(jìn)步和應(yīng)用是本世紀(jì)自動控制最有說服力的成就，

2、是當(dāng)代最高意義的自動化當(dāng)代最高意義的自動化”。這是宋健院士對機(jī)器人在上個世紀(jì)所。這是宋健院士對機(jī)器人在上個世紀(jì)所取得的成就的精辟概括。進(jìn)入取得的成就的精辟概括。進(jìn)入2121世紀(jì)，人們已經(jīng)目睹機(jī)器人深入世紀(jì)，人們已經(jīng)目睹機(jī)器人深入產(chǎn)業(yè)、生活、社會的各個領(lǐng)域。產(chǎn)業(yè)、生活、社會的各個領(lǐng)域。 近年來，機(jī)器人作為近年來，機(jī)器人作為機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能等等學(xué)科的典型題材被廣泛地用來作為高校的研究課題，機(jī)器人專業(yè)學(xué)科的典型題材被廣泛地用來作為高校的研究課題，機(jī)器人專業(yè)研究方向如雨后春筍般地出現(xiàn)，機(jī)器人賽事也方興未艾。研究方向如雨后春筍般地出現(xiàn)，機(jī)器人賽事也

3、方興未艾。 本章把機(jī)器人作為機(jī)電一體化技術(shù)的一個特例進(jìn)行介紹，打破機(jī)本章把機(jī)器人作為機(jī)電一體化技術(shù)的一個特例進(jìn)行介紹，打破機(jī)器人的神秘化，用通俗的語言敘述機(jī)器人的分類、結(jié)構(gòu)、機(jī)器人器人的神秘化，用通俗的語言敘述機(jī)器人的分類、結(jié)構(gòu)、機(jī)器人傳感器、機(jī)器人的控制原理及應(yīng)用。傳感器、機(jī)器人的控制原理及應(yīng)用。10.1 概述 19581958年，美國年，美國ConsolidatedConsolidated公司制作出世界第一臺工業(yè)機(jī)器人，公司制作出世界第一臺工業(yè)機(jī)器人，從那時起至今，機(jī)器人正在一步步走向成熟。我國也在上世紀(jì)從那時起至今，機(jī)器人正在一步步走向成熟。我國也在上世紀(jì)8080年代初期生產(chǎn)出第一臺國產(chǎn)

4、工業(yè)機(jī)器人。年代初期生產(chǎn)出第一臺國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人。 從世界范圍來說，機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用尚屬初級階段，原來只有從世界范圍來說，機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用尚屬初級階段，原來只有幾個發(fā)達(dá)國家擁有機(jī)器人，而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前世界許幾個發(fā)達(dá)國家擁有機(jī)器人，而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前世界許多國家擁有了機(jī)電一體化的機(jī)器人?？梢哉雇?，多國家擁有了機(jī)電一體化的機(jī)器人。可以展望，2121世紀(jì)必將是機(jī)世紀(jì)必將是機(jī)器人得以在各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的時代，因此學(xué)習(xí)、了解、應(yīng)用機(jī)器人得以在各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的時代，因此學(xué)習(xí)、了解、應(yīng)用機(jī)器人已成為當(dāng)務(wù)之急。器人已成為當(dāng)務(wù)之急。10.1.1 機(jī)器人的類型1. 1. 機(jī)器人按照用途分類機(jī)

5、器人按照用途分類（1 1）工業(yè)機(jī)器人）工業(yè)機(jī)器人 用于焊接、噴漆、組裝、搬運(yùn)、密封用于焊接、噴漆、組裝、搬運(yùn)、密封等行業(yè)。等行業(yè)。（2 2）醫(yī)療福利機(jī)器人）醫(yī)療福利機(jī)器人 用于護(hù)理、幫助病人和殘疾人。用于護(hù)理、幫助病人和殘疾人。（3 3）教育和電子游戲機(jī)器人）教育和電子游戲機(jī)器人 用于教育、研究、電子游用于教育、研究、電子游戲等。戲等。（4 4）特殊工作機(jī)器人）特殊工作機(jī)器人 用于擦窗、建筑、宇宙開發(fā)、原用于擦窗、建筑、宇宙開發(fā)、原子能發(fā)電站的維修、檢修等。子能發(fā)電站的維修、檢修等。（5 5）其它機(jī)器人）其它機(jī)器人 用于辦公和家庭服務(wù)用于辦公和家庭服務(wù)。2. 機(jī)器人按輸入信息分類（1)1)手控

6、機(jī)器人手控機(jī)器人 它具有與人的上肢相同的功能，由人操縱，依靠人的視覺進(jìn)行工作，它具有與人的上肢相同的功能，由人操縱，依靠人的視覺進(jìn)行工作，嚴(yán)格地講，這是一種機(jī)械手。嚴(yán)格地講，這是一種機(jī)械手。（2 2）固定順序機(jī)器人固定順序機(jī)器人 它按照預(yù)先給定的順序和條件來依次完成各個階段的動作，它按照預(yù)先給定的順序和條件來依次完成各個階段的動作，它的順序一般不容易改變。這種類型的機(jī)器人往往用來作為某種裝置的一個自動它的順序一般不容易改變。這種類型的機(jī)器人往往用來作為某種裝置的一個自動化部件而組裝在該裝置中，如加工中心的換刀機(jī)械手?；考M裝在該裝置中，如加工中心的換刀機(jī)械手。（3 3）可變順序機(jī)器人可變順

7、序機(jī)器人 它與固定順序機(jī)器人相反，其工作順序可以根據(jù)需要隨時改它與固定順序機(jī)器人相反，其工作順序可以根據(jù)需要隨時改變，這種類型的機(jī)器人適用于多品種、小批量的生產(chǎn)服務(wù)中。變，這種類型的機(jī)器人適用于多品種、小批量的生產(chǎn)服務(wù)中。（4 4）再現(xiàn)式機(jī)器人再現(xiàn)式機(jī)器人 它的工作分為兩個階段。示教階段：此時由操作者握著機(jī)械手它的工作分為兩個階段。示教階段：此時由操作者握著機(jī)械手或通過撥動示教板上的按鈕和開關(guān)控制機(jī)械手完成各種動作，而機(jī)械手在完成各或通過撥動示教板上的按鈕和開關(guān)控制機(jī)械手完成各種動作，而機(jī)械手在完成各種動作的同時便記住操作者教給它的動作順序、移動距離以及其它信息；再現(xiàn)階種動作的同時便記住操作者

8、教給它的動作順序、移動距離以及其它信息；再現(xiàn)階段：機(jī)器人逐次讀出在示教階段中所記憶的各種信息，并嚴(yán)格完成（再現(xiàn)）操作段：機(jī)器人逐次讀出在示教階段中所記憶的各種信息，并嚴(yán)格完成（再現(xiàn)）操作者所教給它的動作。者所教給它的動作。（5 5）數(shù)字控制機(jī)器人數(shù)字控制機(jī)器人 首先以數(shù)字程序形式給出機(jī)器人的動作順序、位置以及其它首先以數(shù)字程序形式給出機(jī)器人的動作順序、位置以及其它信息，然后再由閱讀裝置逐段讀出程序，控制機(jī)器人嚴(yán)格地按照程序工作。信息，然后再由閱讀裝置逐段讀出程序，控制機(jī)器人嚴(yán)格地按照程序工作。（6 6）智能機(jī)器人智能機(jī)器人 這種類型的機(jī)器人不僅能重復(fù)預(yù)先記憶的動作，而且還具有能按這種類型的機(jī)器

9、人不僅能重復(fù)預(yù)先記憶的動作，而且還具有能按照變化隨時修正和改變動作的自動功能。因此智能機(jī)器人為了能感覺環(huán)境狀態(tài)并照變化隨時修正和改變動作的自動功能。因此智能機(jī)器人為了能感覺環(huán)境狀態(tài)并做出恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，需要有各種感覺器官（視覺、聽覺、觸覺等傳感器）和處理復(fù)做出恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，需要有各種感覺器官（視覺、聽覺、觸覺等傳感器）和處理復(fù)雜信息的計(jì)算機(jī)硬件與軟件。雜信息的計(jì)算機(jī)硬件與軟件。3. 按照動作形態(tài)可以將機(jī)器人分為4種（1 1）直角坐標(biāo)機(jī)器人直角坐標(biāo)機(jī)器人 其手主要按直角坐標(biāo)移動。如用于其手主要按直角坐標(biāo)移動。如用于汽車點(diǎn)焊的直角坐標(biāo)機(jī)器人。汽車點(diǎn)焊的直角坐標(biāo)機(jī)器人。（2 2）圓柱坐標(biāo)機(jī)器人圓柱坐標(biāo)機(jī)器

10、人 其手和臂按圓柱坐標(biāo)移動。如用于其手和臂按圓柱坐標(biāo)移動。如用于機(jī)械加工的圓柱坐標(biāo)機(jī)器人。機(jī)械加工的圓柱坐標(biāo)機(jī)器人。（3 3）極坐標(biāo)機(jī)器人極坐標(biāo)機(jī)器人 其手臂按極坐標(biāo)轉(zhuǎn)動。如用于噴漆的其手臂按極坐標(biāo)轉(zhuǎn)動。如用于噴漆的極坐標(biāo)機(jī)器人。極坐標(biāo)機(jī)器人。（4 4）多關(guān)節(jié)機(jī)器人多關(guān)節(jié)機(jī)器人 它的動作主要依靠轉(zhuǎn)動各個關(guān)節(jié)來完它的動作主要依靠轉(zhuǎn)動各個關(guān)節(jié)來完成。成。 10.1.2 機(jī)器人的特征從從“迎賓機(jī)器人迎賓機(jī)器人”到到“工業(yè)用機(jī)器人工業(yè)用機(jī)器人”，雖然機(jī)器人的種類繁多，但都應(yīng)具備以下雖然機(jī)器人的種類繁多，但都應(yīng)具備以下特征：特征：移動功能、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、感覺和智能。移動功能、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、感覺和智能。10.1.

11、3 機(jī)器人的進(jìn)化過程 近代機(jī)器人的進(jìn)化過程大概可以分為第四代。近代機(jī)器人的進(jìn)化過程大概可以分為第四代。（1 1）第一代機(jī)器人）第一代機(jī)器人 第一代工業(yè)機(jī)器人的最大特點(diǎn)就是能夠按照教第一代工業(yè)機(jī)器人的最大特點(diǎn)就是能夠按照教給它的動作重復(fù)進(jìn)行工作，所以也叫做給它的動作重復(fù)進(jìn)行工作，所以也叫做“重復(fù)進(jìn)行工作的機(jī)器重復(fù)進(jìn)行工作的機(jī)器”，如圖如圖10-1a10-1a所示。所示。 如汽車生產(chǎn)線上的如汽車生產(chǎn)線上的“點(diǎn)焊機(jī)器人點(diǎn)焊機(jī)器人”，機(jī)床或壓力機(jī)使用的，機(jī)床或壓力機(jī)使用的“上下上下料機(jī)器人料機(jī)器人”以及裝飾用的以及裝飾用的“噴漆機(jī)器人噴漆機(jī)器人”都屬于第一代機(jī)器人。都屬于第一代機(jī)器人。它雖配有電子存儲

12、裝置，能記憶重復(fù)動作，然而因未采用傳感器，它雖配有電子存儲裝置，能記憶重復(fù)動作，然而因未采用傳感器，所以沒有適應(yīng)外界環(huán)境變化的能力。所以沒有適應(yīng)外界環(huán)境變化的能力。（2）第二代機(jī)器人 與第一代機(jī)器人相比，它具有與第一代機(jī)器人相比，它具有識別、選取和判斷能力識別、選取和判斷能力，可在軌道上運(yùn)，可在軌道上運(yùn)行，并能做裝配之類的較為復(fù)雜的工作。為此，這些機(jī)器人要有相當(dāng)行，并能做裝配之類的較為復(fù)雜的工作。為此，這些機(jī)器人要有相當(dāng)于人的于人的眼睛、耳朵或皮膚眼睛、耳朵或皮膚等一系列感覺裝置（傳感器），然后還要有等一系列感覺裝置（傳感器），然后還要有判斷功能，利用傳感器輸入信息對其周圍環(huán)境進(jìn)行判斷，并根據(jù)

13、這種判斷功能，利用傳感器輸入信息對其周圍環(huán)境進(jìn)行判斷，并根據(jù)這種判斷來改變自身的行動。如判斷來改變自身的行動。如“電弧焊接機(jī)器人電弧焊接機(jī)器人”或或“單能裝配機(jī)器單能裝配機(jī)器人人”。如圖。如圖10-1b10-1b所示。因而傳感器的采用與否已成為衡量第二代機(jī)所示。因而傳感器的采用與否已成為衡量第二代機(jī)器人的重要特征。器人的重要特征。（3）第三代機(jī)器人 第三代機(jī)器人是第三代機(jī)器人是智能機(jī)器人智能機(jī)器人，具有，具有感覺和識別能力感覺和識別能力、聲音合成功能聲音合成功能、操操作和行動功能作和行動功能，以及，以及判斷思考和處理問題的能力判斷思考和處理問題的能力。特別適合做管理和服。特別適合做管理和服務(wù)部

14、門的工作，如百貨商場的機(jī)器人能照相、收款和接待、迎賓等。其務(wù)部門的工作，如百貨商場的機(jī)器人能照相、收款和接待、迎賓等。其特征是具有學(xué)習(xí)功能如圖特征是具有學(xué)習(xí)功能如圖10-1c10-1c所示?，F(xiàn)有的大部分工業(yè)機(jī)器人就相當(dāng)于所示?，F(xiàn)有的大部分工業(yè)機(jī)器人就相當(dāng)于第三代機(jī)器人。第三代機(jī)器人。 “ “電腦化電腦化”是這一代機(jī)器人的重要標(biāo)志。然而電腦處理是這一代機(jī)器人的重要標(biāo)志。然而電腦處理的信息，必須要通過各種傳感器來獲取，因而這一代機(jī)器人需要有更多的信息，必須要通過各種傳感器來獲取，因而這一代機(jī)器人需要有更多的、性能更好的、功能更強(qiáng)的、集成度更高的傳感器。的、性能更好的、功能更強(qiáng)的、集成度更高的傳感器

15、。 第一代和第二代機(jī)器人都超過了機(jī)械本來固有的界限，而真正接近于人第一代和第二代機(jī)器人都超過了機(jī)械本來固有的界限，而真正接近于人的機(jī)器人只有第三代機(jī)器人出現(xiàn)后才逐步形成。的機(jī)器人只有第三代機(jī)器人出現(xiàn)后才逐步形成。（4）第四代機(jī)器人 第四代機(jī)器人是什么樣子，還沒有確切的定義。也就第四代機(jī)器人是什么樣子，還沒有確切的定義。也就是說，第四代機(jī)器人還沒有問世。硬要下個定義的話，是說，第四代機(jī)器人還沒有問世。硬要下個定義的話，就是具有就是具有感情的機(jī)器人感情的機(jī)器人吧！人們根據(jù)自己的要求，提吧！人們根據(jù)自己的要求，提出第四代機(jī)器人應(yīng)該具有以下特征：出第四代機(jī)器人應(yīng)該具有以下特征：1 1）能表現(xiàn)自身的需求

16、和意愿；）能表現(xiàn)自身的需求和意愿；2 2）機(jī)器人有一定的意志；）機(jī)器人有一定的意志；3 3）機(jī)器人能成為人的）機(jī)器人能成為人的“朋友朋友”。 總之，第一代到第四代機(jī)器人的進(jìn)化過程即總之，第一代到第四代機(jī)器人的進(jìn)化過程即由重復(fù)進(jìn)行的簡單動作向高級動由重復(fù)進(jìn)行的簡單動作向高級動作作方面發(fā)展，譬如通過判斷周圍情況來決定自己應(yīng)該如何進(jìn)行動作以及通過方面發(fā)展，譬如通過判斷周圍情況來決定自己應(yīng)該如何進(jìn)行動作以及通過簡單的學(xué)習(xí)來修正自己動作的智能機(jī)器人就是這種發(fā)展趨勢的例證。簡單的學(xué)習(xí)來修正自己動作的智能機(jī)器人就是這種發(fā)展趨勢的例證。 機(jī)器人傳感器就是機(jī)器人所用的傳感器。機(jī)器人傳感器可以機(jī)器人傳感器就是機(jī)器

17、人所用的傳感器。機(jī)器人傳感器可以定義定義為為一種能將一種能將機(jī)器人目標(biāo)物特性（或參量）變換為電量輸出的裝置。機(jī)器人目標(biāo)物特性（或參量）變換為電量輸出的裝置。機(jī)器人通過傳感器實(shí)機(jī)器人通過傳感器實(shí)現(xiàn)類似于人的知覺作用?，F(xiàn)類似于人的知覺作用。傳感器傳感器被稱為機(jī)器人的被稱為機(jī)器人的“電五官電五官”。機(jī)器人傳感器分為機(jī)器人傳感器分為機(jī)器人機(jī)器人外部傳感器外部傳感器（感覺傳感器）（感覺傳感器）機(jī)器人外部傳感器機(jī)器人外部傳感器的功能是的功能是識別工作環(huán)境識別工作環(huán)境，為機(jī)器人提供信息，檢查、控制、，為機(jī)器人提供信息，檢查、控制、操作對象物體、應(yīng)付環(huán)境變化和修改程序。操作對象物體、應(yīng)付環(huán)境變化和修改程序。機(jī)

18、器人機(jī)器人內(nèi)部傳感器內(nèi)部傳感器內(nèi)部傳感器的功能是用來測量內(nèi)部傳感器的功能是用來測量運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)參數(shù)運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)參數(shù)，以使機(jī)器人按規(guī)定的，以使機(jī)器人按規(guī)定的位置、軌位置、軌跡、速度、加速度和受力大小進(jìn)行工作跡、速度、加速度和受力大小進(jìn)行工作。下面就機(jī)器人常用的幾種傳感器，分別介紹它們的結(jié)構(gòu)和工作原理。下面就機(jī)器人常用的幾種傳感器，分別介紹它們的結(jié)構(gòu)和工作原理。10.2 10.2 視覺傳感器視覺傳感器1.1.人的視覺人的視覺u 人的眼睛是由含有人的眼睛是由含有感光細(xì)胞的感光細(xì)胞的視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜和作為附屬結(jié)構(gòu)的折光系統(tǒng)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是等部分組成。人眼的適宜刺

19、激波長是370370740nm740nm的電磁波；在這的電磁波；在這個可見光譜的范圍內(nèi)，人腦通過接收來自視網(wǎng)膜的傳入信息，可個可見光譜的范圍內(nèi)，人腦通過接收來自視網(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)光物體或反光體的輪廓、形狀、顏色、大小、遠(yuǎn)近和表面細(xì)節(jié)等情物體或反光體的輪廓、形狀、顏色、大小、遠(yuǎn)近和表面細(xì)節(jié)等情況，自然界形形色色的物體以及文字、圖片等，通過視覺系統(tǒng)在況，自然界形形色色的物體以及文字、圖片等，通過視覺系統(tǒng)在人腦中的反映。視網(wǎng)膜上有兩種感光細(xì)胞，人腦中的反映。視網(wǎng)膜上有兩種感光細(xì)胞，視錐視錐

20、細(xì)胞主要感受細(xì)胞主要感受白白天天的景象的景象, ,視桿視桿細(xì)胞感受細(xì)胞感受夜間夜間的景象的景象. .人的視錐細(xì)胞大約有人的視錐細(xì)胞大約有700700多多萬個萬個, ,是聽覺細(xì)胞的是聽覺細(xì)胞的30003000多萬倍多萬倍, ,因此在各種感官獲取的信息中因此在各種感官獲取的信息中, ,視覺約視覺約80%.80%.同樣對機(jī)器人來說同樣對機(jī)器人來說, ,視覺傳感器也是最重要的傳感器。視覺傳感器也是最重要的傳感器。2. 機(jī)器人視覺 機(jī)器人的視覺系統(tǒng)通常是利用機(jī)器人的視覺系統(tǒng)通常是利用光電傳感器構(gòu)成光電傳感器構(gòu)成的。的。多數(shù)是用電視多數(shù)是用電視攝象機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，故又稱計(jì)算機(jī)視覺。視覺傳感器攝象機(jī)

21、和計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，故又稱計(jì)算機(jī)視覺。視覺傳感器的工作過程可分為的工作過程可分為檢測、分析、描繪和識別檢測、分析、描繪和識別四個主要步驟。四個主要步驟。 客觀世界中三維實(shí)物經(jīng)由傳感器（如攝像機(jī)）成為平面的二維圖客觀世界中三維實(shí)物經(jīng)由傳感器（如攝像機(jī)）成為平面的二維圖像，再經(jīng)處理部件給出景象的描述。應(yīng)該指出，實(shí)際的三維物體像，再經(jīng)處理部件給出景象的描述。應(yīng)該指出，實(shí)際的三維物體形態(tài)和特征是相當(dāng)復(fù)雜的，特別是由于識別的背景千差萬別，而形態(tài)和特征是相當(dāng)復(fù)雜的，特別是由于識別的背景千差萬別，而機(jī)器人上視覺傳感器的視角又在時刻變化，引起圖像時刻發(fā)生變機(jī)器人上視覺傳感器的視角又在時刻變化，引起圖像時刻發(fā)

22、生變化，所以機(jī)器人視覺在技術(shù)上難度是較大的?；?，所以機(jī)器人視覺在技術(shù)上難度是較大的。三維實(shí)物（立體）二維圖像（平面）景象描述傳感器圖像處理機(jī)器人的視覺作用的過程機(jī)器人的視覺作用的過程10.3 聽覺傳感器人的聽覺人的聽覺u 人的聽覺的外周感受器官是耳，耳的適宜刺激是一定頻率范圍內(nèi)人的聽覺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。耳由的聲波振動。耳由外耳、中耳和內(nèi)耳迷路中的耳蝸外耳、中耳和內(nèi)耳迷路中的耳蝸部分組成。由部分組成。由聲源振動引起空氣產(chǎn)生的疏密波，通過外耳道、鼓膜和聽骨鏈的聲源振動引起空氣產(chǎn)生的疏密波，通過外耳道、鼓膜和聽骨鏈的傳遞，引起耳蝸中傳遞，引起耳蝸中淋巴液和基

23、底膜的振動淋巴液和基底膜的振動，使，使耳蝸科蒂器官中的耳蝸科蒂器官中的毛細(xì)胞產(chǎn)生興奮毛細(xì)胞產(chǎn)生興奮?？频倨鞴俸推渲兴拿?xì)胞，是真正的聲音?？频倨鞴俸推渲兴拿?xì)胞，是真正的聲音感受裝置，外耳和中耳等結(jié)構(gòu)只是輔助振動波到達(dá)耳蝸的傳音裝感受裝置，外耳和中耳等結(jié)構(gòu)只是輔助振動波到達(dá)耳蝸的傳音裝置。聽神經(jīng)纖維就分布在毛細(xì)胞下方的基底膜中。振動波的機(jī)械置。聽神經(jīng)纖維就分布在毛細(xì)胞下方的基底膜中。振動波的機(jī)械能在這里轉(zhuǎn)變?yōu)槁犐窠?jīng)纖維上的神經(jīng)沖動，并以神經(jīng)沖動的不同能在這里轉(zhuǎn)變?yōu)槁犐窠?jīng)纖維上的神經(jīng)沖動，并以神經(jīng)沖動的不同頻率和組合形式對聲音信息進(jìn)行編碼，傳送到大腦皮層的中樞，頻率和組合形式對聲音信息進(jìn)

24、行編碼，傳送到大腦皮層的中樞，產(chǎn)生聽覺。產(chǎn)生聽覺。機(jī)器人的聽覺 聽覺也是機(jī)器人的重要感覺器官之一。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)語音學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)聽覺也是機(jī)器人的重要感覺器官之一。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)語音學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)用機(jī)器人代替人耳，通過語音處理及識別技術(shù)識別講話人，還在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)用機(jī)器人代替人耳，通過語音處理及識別技術(shù)識別講話人，還能正確理解一些簡單的語句。然而，由于人類的語言是非常非常復(fù)雜的，能正確理解一些簡單的語句。然而，由于人類的語言是非常非常復(fù)雜的，無論哪個民族，其語言的詞匯量都非常大，即使是同一個人，他的發(fā)音也無論哪個民族，其語言的詞匯量都非常大，即使是同一個人，他的發(fā)音也隨著環(huán)境及身體狀況有所變

25、化，因此，使機(jī)器人的聽覺具有接近耳的功能隨著環(huán)境及身體狀況有所變化，因此，使機(jī)器人的聽覺具有接近耳的功能還相差甚遠(yuǎn)。還相差甚遠(yuǎn)。 機(jī)器人由聽覺傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人由聽覺傳感器實(shí)現(xiàn)“人人機(jī)機(jī)”對話。一臺高級的機(jī)器人不僅能聽懂對話。一臺高級的機(jī)器人不僅能聽懂人講的話，而且能講出人能聽懂的語言，賦予機(jī)器人這些智慧與技術(shù)統(tǒng)稱人講的話，而且能講出人能聽懂的語言，賦予機(jī)器人這些智慧與技術(shù)統(tǒng)稱語言處理技術(shù)語言處理技術(shù)，前者為語言識別技術(shù)，后者為，前者為語言識別技術(shù)，后者為語音合成技術(shù)語音合成技術(shù)。具有語音識。具有語音識別功能，能檢測出聲音或聲波的傳感器稱為聽覺傳感器，通常用話筒等振別功能，能檢測出聲音或聲波的傳

26、感器稱為聽覺傳感器，通常用話筒等振動檢測器作為檢測元件。動檢測器作為檢測元件。 機(jī)器人聽覺系統(tǒng)中的聽覺傳感器的基本形態(tài)與傳聲器相同，所以在聲音的機(jī)器人聽覺系統(tǒng)中的聽覺傳感器的基本形態(tài)與傳聲器相同，所以在聲音的輸入端方面問題較少。其工作原理多為利用輸入端方面問題較少。其工作原理多為利用壓電效應(yīng)、磁電效應(yīng)壓電效應(yīng)、磁電效應(yīng)等。等。 識別聲音功能（1）注冊講話人的識別方式聲音識別分為聲音識別分為特定講話者特定講話者特定語音識別是預(yù)先提取特定講話者發(fā)音的單詞或特定語音識別是預(yù)先提取特定講話者發(fā)音的單詞或 音節(jié)的各種特征參數(shù)并記錄在存儲器中，要識別的音節(jié)的各種特征參數(shù)并記錄在存儲器中，要識別的 聲音與之

27、相比較，從而確定講話者的信息。該項(xiàng)技聲音與之相比較，從而確定講話者的信息。該項(xiàng)技 術(shù)目前已進(jìn)入了實(shí)用階段。術(shù)目前已進(jìn)入了實(shí)用階段。非特定講話者非特定講話者自然語音識別，這種語音識別比特定人語音識自然語音識別，這種語音識別比特定人語音識 別要困難得多，自然語音識別技術(shù)尚在研究階別要困難得多，自然語音識別技術(shù)尚在研究階 段。段。實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的聲音識別大規(guī)模集成電路已經(jīng)商品化了，其代表型號有：實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的聲音識別大規(guī)模集成電路已經(jīng)商品化了，其代表型號有：TMS320C25FNLTMS320C25FNL、TMS320C25GBLTMS320C25GBL、TMS320C30GBLTMS320C30GB

28、L和和TMS320C50PQTMS320C50PQ等，采用這些芯片構(gòu)成的傳感器控制系統(tǒng)如等，采用這些芯片構(gòu)成的傳感器控制系統(tǒng)如圖圖10-210-2所示。所示。這樣的聽覺傳感器，可以有效地用于告訴機(jī)器人如何進(jìn)行操作，從而構(gòu)成聲音控制型機(jī)這樣的聽覺傳感器，可以有效地用于告訴機(jī)器人如何進(jìn)行操作，從而構(gòu)成聲音控制型機(jī)器人，而且現(xiàn)在正在研制可確認(rèn)聲音合成系統(tǒng)的指令以及可與操作員對話的機(jī)器人。器人，而且現(xiàn)在正在研制可確認(rèn)聲音合成系統(tǒng)的指令以及可與操作員對話的機(jī)器人。圖圖10-2 10-2 聽覺傳感器系統(tǒng)框圖聽覺傳感器系統(tǒng)框圖 （2）任意（未注冊）講話者的識別方式 由于講話人的聲音沒有預(yù)先注冊，所以首先應(yīng)對

29、由于講話人的聲音沒有預(yù)先注冊，所以首先應(yīng)對講話人的講話人的聲音特征進(jìn)行提取聲音特征進(jìn)行提取，即提取聲音信號中能表征講話者聲音，即提取聲音信號中能表征講話者聲音有代表性的信息，用這種有代表性的信息可以有代表性的信息，用這種有代表性的信息可以區(qū)分不同的區(qū)分不同的講話人講話人，且對同一講話人的變化保持相對穩(wěn)定。這種方法，且對同一講話人的變化保持相對穩(wěn)定。這種方法其實(shí)是利用講話人的其實(shí)是利用講話人的習(xí)慣風(fēng)格、情感狀態(tài)、遣詞造句習(xí)慣風(fēng)格、情感狀態(tài)、遣詞造句的特的特點(diǎn)來進(jìn)行識別。但是到目前為止，還沒有好的方法將其定點(diǎn)來進(jìn)行識別。但是到目前為止，還沒有好的方法將其定量化或找到它們與聲音信號特征參數(shù)之間的關(guān)系

30、，所以目量化或找到它們與聲音信號特征參數(shù)之間的關(guān)系，所以目前這一應(yīng)用還不成熟。前這一應(yīng)用還不成熟。10.4 觸覺傳感器 人的觸覺是通過人的觸覺是通過四肢和皮膚四肢和皮膚對外界物體的一種物性感對外界物體的一種物性感知。知。 觸覺傳感器能感知被接觸物體的特征以及傳感器接觸觸覺傳感器能感知被接觸物體的特征以及傳感器接觸外界物體后的外界物體后的自身狀況自身狀況，如是否握牢對象物體或?qū)ο?，如是否握牢對象物體或?qū)ο笪矬w在傳感器的什么位置。物體在傳感器的什么位置。 常使用的觸覺傳感器有機(jī)械式（如微動開關(guān)）、針式常使用的觸覺傳感器有機(jī)械式（如微動開關(guān)）、針式差動變壓器、含碳海綿及導(dǎo)電橡膠等幾種。當(dāng)接觸力差動變

31、壓器、含碳海綿及導(dǎo)電橡膠等幾種。當(dāng)接觸力作用時，這些傳感器以通斷方式輸出高低電平，實(shí)現(xiàn)作用時，這些傳感器以通斷方式輸出高低電平，實(shí)現(xiàn)傳感器對被接觸物體的感知。傳感器對被接觸物體的感知。 如圖如圖10-310-3所示，是針式差動變壓器矩陣式觸覺傳感器，它由若干個觸針式觸覺所示，是針式差動變壓器矩陣式觸覺傳感器，它由若干個觸針式觸覺傳感器構(gòu)成矩陣形狀。每個觸針傳感器由傳感器構(gòu)成矩陣形狀。每個觸針傳感器由鋼針、塑料套筒以及使針桿復(fù)位的磷鋼針、塑料套筒以及使針桿復(fù)位的磷青銅彈簧青銅彈簧等構(gòu)成，并在每個觸針上繞著等構(gòu)成，并在每個觸針上繞著激勵線圈與檢測線圈激勵線圈與檢測線圈，用以將感知的信，用以將感知的

32、信息轉(zhuǎn)換成電信號，再由計(jì)算機(jī)判定接觸程度和接觸位置等。當(dāng)針桿與物體接觸息轉(zhuǎn)換成電信號，再由計(jì)算機(jī)判定接觸程度和接觸位置等。當(dāng)針桿與物體接觸而產(chǎn)生而產(chǎn)生位移時位移時，其根部的，其根部的磁極體將隨之運(yùn)動磁極體將隨之運(yùn)動，從而增強(qiáng)了兩個線圈，從而增強(qiáng)了兩個線圈-激勵線圈激勵線圈與檢測線圈間的與檢測線圈間的耦合系數(shù)耦合系數(shù)，檢測線圈上的感應(yīng)電壓隨針桿的位移增加而增大。，檢測線圈上的感應(yīng)電壓隨針桿的位移增加而增大。通過掃描電路輪流讀出各列檢測線圈上的感應(yīng)電壓（代表針桿的位移量），經(jīng)通過掃描電路輪流讀出各列檢測線圈上的感應(yīng)電壓（代表針桿的位移量），經(jīng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算判斷，即可知道被接觸物體的特征或傳感器自身的感

33、知特性。計(jì)算機(jī)運(yùn)算判斷，即可知道被接觸物體的特征或傳感器自身的感知特性。圖圖10-3 10-3 針式差動變壓器矩陣式觸覺傳感器針式差動變壓器矩陣式觸覺傳感器10.5 壓覺傳感器 壓覺傳感器實(shí)際上也是一種觸覺傳感器，只是它專門對壓覺傳感器實(shí)際上也是一種觸覺傳感器，只是它專門對壓覺有感知作用壓覺有感知作用。目前。目前壓覺傳感器主要有如下幾種：壓覺傳感器主要有如下幾種：（1 1）壓阻效應(yīng)式壓覺傳感器壓阻效應(yīng)式壓覺傳感器 利用某些材料的內(nèi)阻隨壓力變化而變化的壓阻效應(yīng)，利用某些材料的內(nèi)阻隨壓力變化而變化的壓阻效應(yīng)，制成的壓阻器件，將它們密集配置成陣列，即可檢測壓力的分布。如壓敏導(dǎo)電制成的壓阻器件，將它們

34、密集配置成陣列，即可檢測壓力的分布。如壓敏導(dǎo)電橡膠或塑料等。橡膠或塑料等。（2 2）壓電效應(yīng)式壓覺傳感器壓電效應(yīng)式壓覺傳感器 利用某些材料在壓力的作用下，其相應(yīng)表面上會產(chǎn)利用某些材料在壓力的作用下，其相應(yīng)表面上會產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)制成壓電器件，如壓電晶體等，將它們制成類似人類的皮膚生電荷的壓電效應(yīng)制成壓電器件，如壓電晶體等，將它們制成類似人類的皮膚的壓電薄膜，感知外界的壓力。其優(yōu)點(diǎn)是耐腐蝕，頻帶寬和靈敏度高等，但缺的壓電薄膜，感知外界的壓力。其優(yōu)點(diǎn)是耐腐蝕，頻帶寬和靈敏度高等，但缺點(diǎn)是無直流響應(yīng)，不能直接檢測靜態(tài)信號。點(diǎn)是無直流響應(yīng)，不能直接檢測靜態(tài)信號。（3 3）集成壓敏壓覺傳感器集成壓敏壓

35、覺傳感器 利用半導(dǎo)體力敏器件與信號電路構(gòu)成集成壓敏傳感器。利用半導(dǎo)體力敏器件與信號電路構(gòu)成集成壓敏傳感器。常用的有三種：壓電型（如常用的有三種：壓電型（如ZnO/SiZnO/Si-IC-IC）、電阻型）、電阻型SIRSIR（硅集成）和電容型（硅集成）和電容型SICSIC。其優(yōu)點(diǎn)是體積小、成本低、便于與計(jì)算機(jī)連用，缺點(diǎn)是耐壓負(fù)載小，不柔軟。其優(yōu)點(diǎn)是體積小、成本低、便于與計(jì)算機(jī)連用，缺點(diǎn)是耐壓負(fù)載小，不柔軟。（4 4）利用壓磁傳感器利用壓磁傳感器、掃描電路和針式差動變壓器式觸覺傳感器構(gòu)成的壓覺傳感掃描電路和針式差動變壓器式觸覺傳感器構(gòu)成的壓覺傳感器器。壓磁器件具有較強(qiáng)的過載能力，但體積較大。壓磁器

36、件具有較強(qiáng)的過載能力，但體積較大。 如圖如圖10-410-4所示是利用半導(dǎo)體技術(shù)制成的高密度智能壓覺傳感器，它是一種很所示是利用半導(dǎo)體技術(shù)制成的高密度智能壓覺傳感器，它是一種很有發(fā)展前途的壓覺傳感器。其中傳感元件以有發(fā)展前途的壓覺傳感器。其中傳感元件以壓阻式與電容式壓阻式與電容式為最多。雖然壓為最多。雖然壓阻式器件比電容式器件的線性好，封裝也簡單，但是其靈敏度要比電容式器阻式器件比電容式器件的線性好，封裝也簡單，但是其靈敏度要比電容式器件小一個數(shù)量級，溫度靈敏度比電容式器件大一個數(shù)量級。因此電容式壓覺件小一個數(shù)量級，溫度靈敏度比電容式器件大一個數(shù)量級。因此電容式壓覺傳感器，特別是硅電容式壓覺傳

37、感器得到了廣泛的應(yīng)用。傳感器，特別是硅電容式壓覺傳感器得到了廣泛的應(yīng)用。圖圖10-4 10-4 半導(dǎo)體高密度智能壓覺傳感器半導(dǎo)體高密度智能壓覺傳感器10.6 力覺傳感器 力覺傳感器是用來檢測機(jī)器人的力覺傳感器是用來檢測機(jī)器人的手臂和手腕所產(chǎn)生的力或其所受手臂和手腕所產(chǎn)生的力或其所受反力的傳感器反力的傳感器。手臂部分和手腕部分的力覺傳感器，可用于控制。手臂部分和手腕部分的力覺傳感器，可用于控制機(jī)器人手所產(chǎn)生的力，在進(jìn)行費(fèi)力的工作中以及限制性作業(yè)、協(xié)機(jī)器人手所產(chǎn)生的力，在進(jìn)行費(fèi)力的工作中以及限制性作業(yè)、協(xié)調(diào)作業(yè)等方面是有效的，特別是在鑲嵌類的裝配工作中，它是一調(diào)作業(yè)等方面是有效的，特別是在鑲嵌類的

38、裝配工作中，它是一種特別重要的傳感器。種特別重要的傳感器。 力覺傳感器的元件大多使用半導(dǎo)體應(yīng)變片。將這種傳感器件安裝力覺傳感器的元件大多使用半導(dǎo)體應(yīng)變片。將這種傳感器件安裝于彈性結(jié)構(gòu)的被檢測處，就可以直接地或通過計(jì)算機(jī)檢測具有多于彈性結(jié)構(gòu)的被檢測處，就可以直接地或通過計(jì)算機(jī)檢測具有多維的力和力矩。維的力和力矩。 使全部的檢測部件都相互垂直，并且如能將應(yīng)變片粘貼于與部件使全部的檢測部件都相互垂直，并且如能將應(yīng)變片粘貼于與部件中心線準(zhǔn)確對稱的位置上，則各個方向的力的干擾就可降低至中心線準(zhǔn)確對稱的位置上，則各個方向的力的干擾就可降低至1%1%以下。這樣就可以簡化信息處理，也便于進(jìn)行控制。以下。這樣就

39、可以簡化信息處理，也便于進(jìn)行控制。手指部分的握力控制，最簡單的形式就是采用將應(yīng)變片直接粘貼于手指根部的檢測方法。手指部分的握力控制，最簡單的形式就是采用將應(yīng)變片直接粘貼于手指根部的檢測方法。關(guān)于握力傳感器的信息處理，為了保證其穩(wěn)定性，消除接觸時的沖擊力，或?qū)崿F(xiàn)微小的關(guān)于握力傳感器的信息處理，為了保證其穩(wěn)定性，消除接觸時的沖擊力，或?qū)崿F(xiàn)微小的握力，在兩個手指式的鉗形機(jī)構(gòu)中，通常是利用握力，在兩個手指式的鉗形機(jī)構(gòu)中，通常是利用PIDPID運(yùn)算反饋。運(yùn)算反饋。PIDPID是通過比例、積分和是通過比例、積分和微分參數(shù)的適當(dāng)給定，從而實(shí)現(xiàn)軟接觸、軟掌握、反射接觸、零掌握等動作。微分參數(shù)的適當(dāng)給定，從而實(shí)

40、現(xiàn)軟接觸、軟掌握、反射接觸、零掌握等動作。圖圖10-5 10-5 脈沖電動機(jī)的指力傳感器脈沖電動機(jī)的指力傳感器檢測指力的方法，一般是從檢測指力的方法，一般是從螺螺旋彈簧的應(yīng)變量推算出來的旋彈簧的應(yīng)變量推算出來的。在圖在圖10-510-5所示的結(jié)構(gòu)中，由脈所示的結(jié)構(gòu)中，由脈沖電動機(jī)通過螺旋彈簧去驅(qū)動沖電動機(jī)通過螺旋彈簧去驅(qū)動機(jī)器人的手指。所檢測出的機(jī)器人的手指。所檢測出的螺螺旋彈簧的轉(zhuǎn)角與脈沖電動機(jī)轉(zhuǎn)旋彈簧的轉(zhuǎn)角與脈沖電動機(jī)轉(zhuǎn)角之差即為變形量角之差即為變形量，從而也就，從而也就可以知道手指所產(chǎn)生的力。對可以知道手指所產(chǎn)生的力。對這種手指可以控制它，令其完這種手指可以控制它，令其完成搬運(yùn)之類的工作

41、。手指部分成搬運(yùn)之類的工作。手指部分的應(yīng)變片，是一種控制力量大的應(yīng)變片，是一種控制力量大小的器件。小的器件。 對于以精密鑲嵌為代表的裝對于以精密鑲嵌為代表的裝配操作，就必須檢測出手腕配操作，就必須檢測出手腕部分的力并進(jìn)行反饋，以控部分的力并進(jìn)行反饋，以控制手臂和手腕。圖制手臂和手腕。圖10-6 10-6 是是這種用途的手腕部分與力傳這種用途的手腕部分與力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。這種手感器的結(jié)構(gòu)示意圖。這種手腕是具有彈性的，通過應(yīng)變腕是具有彈性的，通過應(yīng)變片而構(gòu)成力覺傳感器，從這片而構(gòu)成力覺傳感器，從這些傳感器的信號，就可以推些傳感器的信號，就可以推算出力的大小和方向。算出力的大小和方向。圖圖10-

42、6 10-6 裝配機(jī)器人腕力傳感器裝配機(jī)器人腕力傳感器10.7 10.7 接近覺傳感器接近覺傳感器u 接近是機(jī)器人能感知相距接近是機(jī)器人能感知相距幾毫米到幾十厘米內(nèi)對象物或障礙物的幾毫米到幾十厘米內(nèi)對象物或障礙物的距離距離、對象物的表面性質(zhì)等的傳感器。其目的是在接觸對象前得、對象物的表面性質(zhì)等的傳感器。其目的是在接觸對象前得到必要的信息，以便后續(xù)動作。這種感覺是非接觸的，實(shí)質(zhì)上可到必要的信息，以便后續(xù)動作。這種感覺是非接觸的，實(shí)質(zhì)上可以認(rèn)為是介于觸覺之間的感覺。以認(rèn)為是介于觸覺之間的感覺。這種傳感器，是有檢測全部這種傳感器，是有檢測全部信息的視覺和力學(xué)信息的觸覺的綜合功能的傳感器。信息的視覺和

43、力學(xué)信息的觸覺的綜合功能的傳感器。它對于實(shí)用的機(jī)器人控制方面，具有非常重要的作用。它對于實(shí)用的機(jī)器人控制方面，具有非常重要的作用。接近覺傳感器的檢測有如下幾種方法。接近覺傳感器的檢測有如下幾種方法。u 接近覺傳感器有電磁式、光電式、電容式、氣動式、超聲波式和接近覺傳感器有電磁式、光電式、電容式、氣動式、超聲波式和紅外式等類型。紅外式等類型。 接近覺傳感器的檢測方法接近覺傳感器的檢測方法（1 1）觸針法觸針法 檢測出安裝于機(jī)器人手前端的觸針位移；檢測出安裝于機(jī)器人手前端的觸針位移；（2 2）電磁感應(yīng)法電磁感應(yīng)法 根據(jù)金屬對象物體表面上的渦流效應(yīng)，檢測出阻根據(jù)金屬對象物體表面上的渦流效應(yīng)，檢測出阻

44、抗的變化，進(jìn)而測出線圈電壓的變化；抗的變化，進(jìn)而測出線圈電壓的變化；（3 3）光學(xué)法）光學(xué)法 通過光的照射，檢測出反射光的變化、反射時間等；通過光的照射，檢測出反射光的變化、反射時間等；（4 4）氣壓法氣壓法 根據(jù)噴嘴與對象物體表面之間間隙的變化，檢測出壓根據(jù)噴嘴與對象物體表面之間間隙的變化，檢測出壓力的變化；力的變化；（5 5）超聲波、微波法超聲波、微波法 檢測出反射波的滯后時間、相位偏移。檢測出反射波的滯后時間、相位偏移。這些方法的選擇，可根據(jù)對象物體的性質(zhì)以及操作內(nèi)容來選擇。這些方法的選擇，可根據(jù)對象物體的性質(zhì)以及操作內(nèi)容來選擇。觸針式在上述觸覺傳感器中已作了說明，下面只介紹幾種非接觸觸

45、針式在上述觸覺傳感器中已作了說明，下面只介紹幾種非接觸式接近覺傳感器。式接近覺傳感器。非接觸式接近覺傳感器非接觸式接近覺傳感器 以金屬表面為對象的焊接機(jī)器以金屬表面為對象的焊接機(jī)器人大多采用電磁感應(yīng)法，如圖人大多采用電磁感應(yīng)法，如圖10-710-7所示為利用渦流原理的接所示為利用渦流原理的接近覺傳感器的原理圖。在激磁近覺傳感器的原理圖。在激磁線圈中有高頻電流通過，用連線圈中有高頻電流通過，用連接成差動的測量線圈和就可測接成差動的測量線圈和就可測出由渦流引起的磁通變化。這出由渦流引起的磁通變化。這種傳感器具有優(yōu)良的溫度特性，種傳感器具有優(yōu)良的溫度特性，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。當(dāng)溫度抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)

46、。當(dāng)溫度在在200200以下時，其測量范圍為以下時，其測量范圍為0 08mm8mm，精度為，精度為4%4%以下。以下。圖圖10-7 10-7 電感式接近覺傳感器電感式接近覺傳感器反射光接近覺傳感器反射光接近覺傳感器 在處理一般物體的情況下，當(dāng)有在處理一般物體的情況下，當(dāng)有必要將敏感頭小型化時，可采用必要將敏感頭小型化時，可采用光學(xué)法，如圖光學(xué)法，如圖10-810-8所示。它是利所示。它是利用光電二極管的接近覺傳感器將用光電二極管的接近覺傳感器將發(fā)光元件和感光元件的光軸相交發(fā)光元件和感光元件的光軸相交而構(gòu)成的傳感器。反射光量（接而構(gòu)成的傳感器。反射光量（接受信號的強(qiáng)弱）表示了某一距離受信號的強(qiáng)弱

47、）表示了某一距離的點(diǎn)（光軸的交點(diǎn)）的峰值特性。的點(diǎn)（光軸的交點(diǎn)）的峰值特性。利用這種特性的線性部分來測定利用這種特性的線性部分來測定距離，測出峰值點(diǎn)就可確定物體距離，測出峰值點(diǎn)就可確定物體的位置。的位置。圖圖10-8 10-8 反射光接近覺傳感器反射光接近覺傳感器10.8 滑覺傳感器 滑覺傳感器是用來檢測在滑覺傳感器是用來檢測在垂直于握持方向物體的位移、旋轉(zhuǎn)和由垂直于握持方向物體的位移、旋轉(zhuǎn)和由重力引起的變形重力引起的變形，以達(dá)到修正受力值，防止滑動，進(jìn)行多層次作，以達(dá)到修正受力值，防止滑動，進(jìn)行多層次作業(yè)及測量物體重量和表面特性等目的。業(yè)及測量物體重量和表面特性等目的。 實(shí)際上，滑覺傳感器是

48、用于檢測物體接觸面之間相對運(yùn)動大小和實(shí)際上，滑覺傳感器是用于檢測物體接觸面之間相對運(yùn)動大小和方向的傳感器，也就是用于檢測物體的滑動。例如，利用滑覺傳方向的傳感器，也就是用于檢測物體的滑動。例如，利用滑覺傳感器判斷機(jī)械手是否握住物體，以及應(yīng)該使用多大的力等。當(dāng)手感器判斷機(jī)械手是否握住物體，以及應(yīng)該使用多大的力等。當(dāng)手指夾住物體，做把它舉起的動作、把它交給對方的動作和加速或指夾住物體，做把它舉起的動作、把它交給對方的動作和加速或減速運(yùn)動的動作時，物體有可能在垂直于所加握力方向的平面內(nèi)減速運(yùn)動的動作時，物體有可能在垂直于所加握力方向的平面內(nèi)移動，即物體在機(jī)器人手中產(chǎn)生滑動，為了能安全正確地工作，移動

49、，即物體在機(jī)器人手中產(chǎn)生滑動，為了能安全正確地工作，滑動的檢測和握力的控制就顯得十分重要?；瑒拥臋z測和握力的控制就顯得十分重要?；瑒訖z測方法（1 1）將滑動轉(zhuǎn)換成滾珠或滾柱的旋轉(zhuǎn)；）將滑動轉(zhuǎn)換成滾珠或滾柱的旋轉(zhuǎn)；（2 2）用壓敏元件和觸針，檢測滑動時的微小振動；）用壓敏元件和觸針，檢測滑動時的微小振動；（3 3）檢測出即將發(fā)生滑動時，手爪部分的變形和壓）檢測出即將發(fā)生滑動時，手爪部分的變形和壓力通過手爪載荷檢測器，檢測手爪的壓力變化，從力通過手爪載荷檢測器，檢測手爪的壓力變化，從而推斷出滑動的大小等。而推斷出滑動的大小等。滾珠式滑動傳感器 如圖如圖10-910-9所示是滾珠式所示是滾珠式滑動傳

50、感器。圖中的滾滑動傳感器。圖中的滾球表面是導(dǎo)體和絕緣體球表面是導(dǎo)體和絕緣體配置成的網(wǎng)眼，從物體配置成的網(wǎng)眼，從物體的接觸點(diǎn)可以獲取斷續(xù)的接觸點(diǎn)可以獲取斷續(xù)的脈沖信號，它能檢測的脈沖信號，它能檢測全方位的滑動。全方位的滑動。圖圖10-9 10-9 滾珠式滑動傳感器滾珠式滑動傳感器滾柱式滑動傳感器 滾柱式滑動傳感器是經(jīng)常使?jié)L柱式滑動傳感器是經(jīng)常使用的一種滑覺傳感器，圖用的一種滑覺傳感器，圖10-1010-10是它的結(jié)構(gòu)原理圖。是它的結(jié)構(gòu)原理圖。由圖可知，當(dāng)手爪中的物體由圖可知，當(dāng)手爪中的物體滑動時，將使?jié)L柱旋轉(zhuǎn)，滾滑動時，將使?jié)L柱旋轉(zhuǎn)，滾柱帶動安裝在其中的光電傳柱帶動安裝在其中的光電傳感器和縫隙圓

51、板而產(chǎn)生脈沖感器和縫隙圓板而產(chǎn)生脈沖信號。這些信號通過計(jì)數(shù)電信號。這些信號通過計(jì)數(shù)電路和路和D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，通過反饋系統(tǒng)，電壓信號，通過反饋系統(tǒng)，構(gòu)成閉環(huán)控制，不斷修正握構(gòu)成閉環(huán)控制，不斷修正握力，達(dá)到消除滑動的目的。力，達(dá)到消除滑動的目的。圖圖10-10 10-10 柱式滑動傳感器柱式滑動傳感器10.9 感覺傳感器 感覺傳感器的功能是部分或全部地再現(xiàn)人的視覺、觸覺、聽覺、感覺傳感器的功能是部分或全部地再現(xiàn)人的視覺、觸覺、聽覺、冷熱覺、病覺（異覺）、嗅覺、味覺等感覺。這類傳感器的基本冷熱覺、病覺（異覺）、嗅覺、味覺等感覺。這類傳感器的基本原理是建立在前面各

52、種傳感器的基本原理基礎(chǔ)上的，但也有其特原理是建立在前面各種傳感器的基本原理基礎(chǔ)上的，但也有其特殊性。殊性。 （1 1）冷熱覺傳感器）冷熱覺傳感器 用來檢測對象物體的溫度或?qū)崧室源_定用來檢測對象物體的溫度或?qū)崧室源_定對象物體的溫度特性。對象物體的溫度特性。 （2 2）味覺和嗅覺傳感器）味覺和嗅覺傳感器 味覺和嗅覺傳感器通稱化學(xué)感覺傳感味覺和嗅覺傳感器通稱化學(xué)感覺傳感器，它的功能是確定對象物體的酸、甜、苦、咸及芳香的程度，器，它的功能是確定對象物體的酸、甜、苦、咸及芳香的程度，以確定對象物體的化學(xué)特性。所以這類傳感器均以前面的傳感器以確定對象物體的化學(xué)特性。所以這類傳感器均以前面的傳感器為基礎(chǔ)

53、，在工藝和結(jié)構(gòu)上做適當(dāng)改進(jìn)而制成的。為基礎(chǔ)，在工藝和結(jié)構(gòu)上做適當(dāng)改進(jìn)而制成的。人的嗅覺人的嗅覺感受器是位于上鼻道及鼻中隔后上部的嗅上人的嗅覺感受器是位于上鼻道及鼻中隔后上部的嗅上皮，兩側(cè)總面積約皮，兩側(cè)總面積約5 。由于它們所處的位置較高，。由于它們所處的位置較高，平靜呼吸時，氣流不易到達(dá)，因此在嗅一些不太濃的平靜呼吸時，氣流不易到達(dá)，因此在嗅一些不太濃的氣味時，要用力吸氣，使氣流上沖，才能到達(dá)嗅上皮。氣味時，要用力吸氣，使氣流上沖，才能到達(dá)嗅上皮。嗅上皮含有三種細(xì)胞，即嗅上皮含有三種細(xì)胞，即主細(xì)胞，支持細(xì)胞和基底細(xì)主細(xì)胞，支持細(xì)胞和基底細(xì)胞胞。主細(xì)胞也叫嗅細(xì)胞，呈圓瓶狀，細(xì)胞頂端有。主細(xì)胞也

54、叫嗅細(xì)胞，呈圓瓶狀，細(xì)胞頂端有條短的纖毛，細(xì)胞底端有條短的纖毛，細(xì)胞底端有長突長突，它們組成嗅絲，穿，它們組成嗅絲，穿過篩骨直接進(jìn)入嗅球。嗅細(xì)胞的纖毛受到懸浮于空氣過篩骨直接進(jìn)入嗅球。嗅細(xì)胞的纖毛受到懸浮于空氣中的物質(zhì)分子或溶于水及脂質(zhì)的物質(zhì)刺激時，有神經(jīng)中的物質(zhì)分子或溶于水及脂質(zhì)的物質(zhì)刺激時，有神經(jīng)沖動傳向嗅球，進(jìn)而傳向更高級的嗅覺中樞，引起嗅沖動傳向嗅球，進(jìn)而傳向更高級的嗅覺中樞，引起嗅覺。覺。2cm有人分析了種有氣味的組合所引起的物質(zhì)，提有人分析了種有氣味的組合所引起的物質(zhì)，提出至少存在種基本氣味；其他眾多的氣味則可能由出至少存在種基本氣味；其他眾多的氣味則可能由這些基本氣體的組合所引起

55、的。這種氣味是這些基本氣體的組合所引起的。這種氣味是樟腦味、樟腦味、麝麝香味、花卉味、薄荷味、乙醚味、辛辣味和腐腥味香味、花卉味、薄荷味、乙醚味、辛辣味和腐腥味。大多數(shù)具有同樣氣味的物質(zhì)，具有共同的分子結(jié)構(gòu)；大多數(shù)具有同樣氣味的物質(zhì)，具有共同的分子結(jié)構(gòu)；但也有例外，有些分子結(jié)構(gòu)不同的物質(zhì)，可能具有相但也有例外，有些分子結(jié)構(gòu)不同的物質(zhì)，可能具有相同的氣味。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，每個嗅細(xì)胞只對一種或兩種特同的氣味。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，每個嗅細(xì)胞只對一種或兩種特殊的氣味有反應(yīng)；還證明嗅球中不同部位的細(xì)胞只對殊的氣味有反應(yīng)；還證明嗅球中不同部位的細(xì)胞只對某種特殊的氣味有反應(yīng)。這樣看來某種特殊的氣味有反應(yīng)。這樣看來, ,一個

56、氣體傳感器就一個氣體傳感器就相當(dāng)于一個嗅細(xì)胞。對于人的鼻子來說，不同性質(zhì)的相當(dāng)于一個嗅細(xì)胞。對于人的鼻子來說，不同性質(zhì)的氣味刺激有其相對專用的感受位點(diǎn)和傳輸線路；非基氣味刺激有其相對專用的感受位點(diǎn)和傳輸線路；非基本的氣味則由它們在不同線路上引起的不同數(shù)量沖動本的氣味則由它們在不同線路上引起的不同數(shù)量沖動的組合的組合, ,在中樞引起特有的主觀嗅覺感受。在中樞引起特有的主觀嗅覺感受。機(jī)器人的嗅覺 嗅覺傳感器主要的是采用嗅覺傳感器主要的是采用氣體傳感器、射線傳氣體傳感器、射線傳感器感器等。多用于檢測空氣中的化學(xué)成分、濃度等。多用于檢測空氣中的化學(xué)成分、濃度等，在放射線、高溫煤氣、可燃性氣體以及其等，

57、在放射線、高溫煤氣、可燃性氣體以及其他有毒氣體的惡劣環(huán)境下，開發(fā)檢測放射線、他有毒氣體的惡劣環(huán)境下，開發(fā)檢測放射線、可燃?xì)怏w及有毒氣體的傳感器是很重要的。這可燃?xì)怏w及有毒氣體的傳感器是很重要的。這對于我們了解環(huán)境污染，預(yù)防火災(zāi)和毒氣泄漏對于我們了解環(huán)境污染，預(yù)防火災(zāi)和毒氣泄漏報警具有重大的意義。報警具有重大的意義。 人的味覺人的味覺感受器是人的味覺感受器是味蕾味蕾，主要分布在舌背部表面和，主要分布在舌背部表面和舌緣、口腔和咽部粘膜表面。每一味蕾由舌緣、口腔和咽部粘膜表面。每一味蕾由味覺細(xì)胞味覺細(xì)胞和支持細(xì)胞和支持細(xì)胞組成。味覺細(xì)胞頂端有纖毛，稱味毛，組成。味覺細(xì)胞頂端有纖毛，稱味毛，由味蕾表面

58、的孔伸出，是味覺感受器的關(guān)鍵部位。由味蕾表面的孔伸出，是味覺感受器的關(guān)鍵部位。人和動物的味覺系統(tǒng)可以感受和區(qū)分出多種味道。人和動物的味覺系統(tǒng)可以感受和區(qū)分出多種味道。很早以前就知道，眾多味道是由很早以前就知道，眾多味道是由4 4種基本味覺組合種基本味覺組合而成，這就是而成，這就是甜、酸、苦和咸甜、酸、苦和咸。不同物質(zhì)的味道與。不同物質(zhì)的味道與它們的分子結(jié)構(gòu)的形式有關(guān)。它們的分子結(jié)構(gòu)的形式有關(guān)。 第五種味道：第五種味道：辛辛機(jī)器人的味覺u通過人的味覺研究可以看出，在發(fā)展離子傳感器與生物通過人的味覺研究可以看出，在發(fā)展離子傳感器與生物傳感器的基礎(chǔ)上，配合微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息的組合來識傳感器的基礎(chǔ)上，

59、配合微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息的組合來識別各種味道。通常味覺是別各種味道。通常味覺是對液體進(jìn)行化學(xué)成分的分析對液體進(jìn)行化學(xué)成分的分析。實(shí)用的味覺方法有實(shí)用的味覺方法有pHpH計(jì)、化學(xué)分析器等。一般味覺可探計(jì)、化學(xué)分析器等。一般味覺可探測溶于水中的物質(zhì)，嗅覺探測氣體狀的物質(zhì)，而且在一測溶于水中的物質(zhì)，嗅覺探測氣體狀的物質(zhì)，而且在一般情況下，當(dāng)探測化學(xué)物質(zhì)時嗅覺比味覺更敏感。般情況下，當(dāng)探測化學(xué)物質(zhì)時嗅覺比味覺更敏感。本章小結(jié)u 機(jī)器人的進(jìn)步和應(yīng)用是本世紀(jì)自動控制最有說服力的成就，是當(dāng)代最高意義的自動機(jī)器人的進(jìn)步和應(yīng)用是本世紀(jì)自動控制最有說服力的成就，是當(dāng)代最高意義的自動化?；?。 u 機(jī)器人按照用途分類：機(jī)器人按照用途分類：（1 1）工業(yè)機(jī)器人）工業(yè)機(jī)器人 用于焊接、噴漆、組裝、搬運(yùn)、密封等行業(yè)。用于焊接、噴漆、組裝、搬運(yùn)、密封等行業(yè)。（2 2）醫(yī)療福利機(jī)器人）醫(yī)療福利機(jī)器人 用于護(hù)理、幫助病人和殘疾人。用于護(hù)理、幫助病人和殘疾人。（3 3）教育和電子游戲機(jī)器人）教育和電子游戲機(jī)器人 用于教育、研究、電子游戲等。用于教育、研究、電子