新型傳感器3-機器人傳感器

11.4機器人傳感器

“Ｒobot”一詞源出自捷克語“robota”，意謂“強迫勞動”。1920年捷克斯洛伐克作家薩佩克寫了一個名為《洛桑萬能機器人公司》的劇本,他把在洛桑萬能機器人公司生產(chǎn)勞動的那些家伙取名“Robot”,漢語音譯為“羅伯特”，捷克語意為“奴隸”——薩佩克把機器人的地位確定為只管埋頭干活、任由人類壓榨的奴隸，它們存在的價值只是服務(wù)于人類。一個極其偶然的原因,機器人開始有了知覺,它們不堪忍受人類的統(tǒng)治,向人類發(fā)動攻擊,最后徹底毀滅了人類?！皺C器人”的名字也正式由此而生。1能踢球的機器人11.4機器人傳感器2對運動的球類有正確反應(yīng)的機器人能打網(wǎng)球的機器人機器人足球比賽11.4機器人傳感器3能行走的機器人11.4機器人傳感器4服務(wù)機器人機器人伴舞機器人奏樂11.4機器人傳感器5可愛的小機器人能上臺階并避開障礙物的機器人能自己站起來的機器人11.4機器人傳感器6排爆機器人我國沈陽自動化所研制的PXJ-2機器人也加入了公安部隊的行列。11.4機器人傳感器7消防機器人消防機器人作為特種消防設(shè)備可代替消防隊員接近火場實施有效的滅火救援、化學檢驗和火場偵察。它的應(yīng)用將提高消防部隊撲滅特大惡性火災(zāi)的實戰(zhàn)能力，對減少國家財產(chǎn)損失和滅火救援人員的傷亡將產(chǎn)生重要的作用。11.4機器人傳感器8機器人輪椅主要有口令識別與語音合成、機器人自定位、動態(tài)隨機避障、多傳感器信息融合、實時自適應(yīng)導(dǎo)航控制等功能。11.4機器人傳感器9軍事機器人我國引進的排爆機器人進攻型機器人11.4機器人傳感器10工業(yè)機器人核工業(yè)機器人汽車噴漆機器人11.4機器人傳感器11機器人的手11.4機器人傳感器12機械手在汽車加工中的應(yīng)用機械手能按照程序焊接和安裝汽車部件，是機器人的雛形。11.4機器人傳感器13激光焊接機械手11.4機器人傳感器14機器人大腦——主板機器人思想——程序機器人感知——傳感器機器人手腳——馬達機器人骨架——機械結(jié)構(gòu)機器人食物——電池1.機器人的組成11.4機器人傳感器152.傳感器在機器人中的應(yīng)用機器人是由計算機控制的復(fù)雜機器，它具有類似人的肢體及感官功能；動作程序靈活；有一定程度的智能；在工作時可以不依賴人的操縱。機器人傳感器在機器人的控制中起了非常重要的作用，正因為有了傳感器，機器人才具備了類似人類的知覺功能和反應(yīng)能力。

11.4機器人傳感器1611.4機器人傳感器11.4.1機器人與傳感器機器人可以被定義為計算機控制的能模擬人的感覺、手工操縱，具有自動行走能力而又足以完成有效工作的裝置。按照其功能，機器人已經(jīng)發(fā)展到了第三代，而傳感器在機器人的發(fā)展過程中起著舉足輕重的作用。機器人傳感器可以定義為一種能將機器人目標物特性（或參量）變換為電量輸出的裝置。被稱為機器人的電五官。1711.4.2機器人傳感器的分類內(nèi)部檢測傳感器是以機器人本身的坐標軸來確定其位置，它通常由位置、加速度、速度及壓力傳感器組成。外界檢測傳感器用于機器人對周圍環(huán)境、目標物的狀態(tài)特征獲取信息，從而使機器人對環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力。外界檢測傳感器通常包括觸覺、接近覺、視覺、聽覺、嗅覺、味覺等傳感器。1811.4.3觸覺傳感器1.人的皮膚的感覺皮膚內(nèi)分布著多種感受器，能產(chǎn)生多種感覺。一般認為皮膚感覺主要有四種，即觸覺、冷覺、溫覺和痛覺。２.機器人的觸覺機器人觸覺，實際上是人的觸覺的某些模仿。它是有關(guān)機器人和對象物之間直接接觸的感覺，包括的內(nèi)容較多，通常指以下幾種：19（1）觸覺。手指與被測物是否接觸，接觸圖形的檢測。（2）壓覺。垂直于機器人和對象物接觸面上的力傳感器。（3）力覺。機器人動作時各自由度的力感覺。（4）滑覺。物體向著垂直于手指把握面的方向移動或變形。20機器人的觸覺主要有兩方面的功能：（1）檢測功能對操作物進行物理性質(zhì)檢測，如光滑性、硬度等，其目的是：感知危險狀態(tài)，實施自我保護；靈活地控制手爪及關(guān)節(jié)以操作對象物；使操作具有適應(yīng)性和順從性。（2）識別功能識別對象物的形狀（如識別接觸到的表面形狀）。21人們進行了所謂“人工皮膚”的研究。這種“皮膚”實際上也是一種由單個觸覺傳感器按一定形狀（如矩陣）組合在一起的陣列式觸覺傳感器，如圖18所示。其密度較大、體積較小、精度較高?！叭斯てつw”傳感器可用于表面形狀和表面特性的檢測。22圖18陣列式觸覺傳感器23壓覺指的是對于手指給予被測物的力，或者加在手指上的外力的感覺。目前，壓覺傳感器主要是分布型壓覺傳感器，即通過把分散敏感元件陣列排列成矩陣式格子來設(shè)計成的。導(dǎo)電橡膠、感應(yīng)高分子、應(yīng)變計、光電器件和霍爾元件常被用作敏感元件單元。24力覺傳感器的作用有：感知是否夾起了工件或是否夾持在正確部位；控制裝配、打磨、研磨拋光的質(zhì)量；裝配中提供信息，以產(chǎn)生后續(xù)的修正補償運動來保證裝配的質(zhì)量和速度；防止碰撞、卡死和損壞機件。用于力覺傳感器的主要有應(yīng)變式、壓電式、電容式、光電式和電磁式等。25機器人要抓住屬性未知的物體時，必須確定自己最適當?shù)奈樟δ繕酥担虼诵铏z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，為此目的設(shè)計的滑動檢測器，叫做滑覺傳感器。如圖19所示為一種球形滑覺傳感器。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。26球形滑覺傳感器圖192711.4.4接近覺傳感器接近覺是機器人能感知相距幾毫米至幾十厘米內(nèi)對象物或障礙物的距離、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到必要的信息，以便后續(xù)動作。1.電磁式如圖20所示，加有高頻信號is的勵磁線圈L產(chǎn)生的高頻電磁場作用于金屬板，在其中產(chǎn)生渦流，該渦流反作用于線圈。通過檢測線圈的輸出可反映出傳感器與被接近金屬間的距離。28檢測線圈~勵磁線圈L金屬面渦流磁束圖20電磁式接近傳感器is292.電容式利用電容量的變化產(chǎn)生接近覺。電容接近覺傳感器如圖21所示。其本身作為一個極板，被接近物作為另一個極板。將該電容接入電橋電路或RC振蕩電路，利用電容極板距離的變化產(chǎn)生電容的變化，可檢測出與被接近物的距離。電容式接近覺傳感器具有對物體的顏色、構(gòu)造和表面都不敏感且實時性好的優(yōu)點。30圖21電容接近覺傳感器313.超聲波式、紅外線式、光電式超聲波式接近傳感器適于較長距離和較大物體的探測，一般把它用于機器人的路徑探測和躲避障礙物。紅外線式接近傳感器可以探測到機器人是否靠近人或其他熱源，用于保護和改變機器人行走路徑。光電式接近傳感器的應(yīng)答性好，維修方便，目前應(yīng)用較廣，但使用環(huán)境受到一定的限制（如對象物體顏色、粗糙度、環(huán)境亮度等）。3211.4.5視覺傳感器1.人的視覺人的眼睛是由含有感光細胞的視網(wǎng)膜和作為附屬結(jié)構(gòu)的折光系統(tǒng)等部分組成。人眼的適宜刺激波長是370~740nm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)光物體或反光物體的輪廓、形狀、顏色、大小、遠近和表面細節(jié)等情況。33人眼視網(wǎng)膜上有兩種感光細胞，視錐細胞主要感受白天的景象，視桿細胞感受夜間景象。人的視錐細胞大約有700多萬個，是聽覺細胞的3000多萬倍。2.機器人視覺機器人的視覺系統(tǒng)通常是利用光電傳感器構(gòu)成的。機器人的視覺作用的過程如圖22所示。34三維實物（立體）二維圖像（平面）景象描述傳感器圖像處理圖22視覺作用過程35機器人視覺系統(tǒng)要能達到實用，至少要滿足以下幾方面的要求。首先是實時性，其次是可靠性，再次是要求有柔性，最后是價格適中。36在空間中判斷物體的位置和形狀一般需要兩類信息：距離信息和明暗信息。獲得距離信息的方法可以有超聲波、激光反射法、立體攝像法等。而明暗信息主要靠電視攝像機、CCD固態(tài)攝像機來獲得。373.視覺傳感器（1）人工網(wǎng)膜人工網(wǎng)膜是用光電管陣列代替網(wǎng)膜感受光信號。其最簡單的形式是3×3的光電管矩陣，多的可達256×256個像素的陣列甚至更高。以3×3陣列為例。數(shù)字字符1，得到的正、負像如圖9-23所示，大寫字母字符I

，所得正、負像如圖24所示。事先作為標準圖像存儲起來。38正像負像圖23數(shù)字字符1的正、負像39正像負像圖24大寫字母字符I的正、負像40工作時得到數(shù)字字符1的輸入，其正、負像可與已存儲的1和I的正、負像進行比較，結(jié)果見表4。在兩者比較中，是1的總相關(guān)值是9，等于陣列中光電管的總數(shù)，這表示所輸入的圖像信息與預(yù)先存儲的圖像數(shù)字字符1的信息是完全一致的。由此可判斷輸入的字符是數(shù)字字符1，不是大寫字母字符I

，也不是其它字符。41表4與1比較與I比較正像相關(guān)值33負像相關(guān)值62總相關(guān)值9542（2）光電探測器件最簡單的光探測器是光電管和光敏二極管。固態(tài)探測器件可以排列成線性陣列和矩陣陣列使之具有直接測量或攝像的功能。目前在機器人視覺中采用的非接觸測試的固態(tài)陣列以CCD器件占多數(shù)，單個線性陣列已達到4096單元，CCD面陣已達到512×512及更高。利用CCD器件制成的固態(tài)攝像機有較高的幾何精度，更大的光譜范圍，更高的靈敏度和掃描速率，結(jié)構(gòu)尺寸小，功耗小，耐久可靠等。

4311.4.6聽覺、嗅覺、味覺及其它傳感器1.人的聽覺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?？频倨鞴俸推渲兴拿毎?，是真正的聲音感受裝置。聽神經(jīng)纖維就分布在毛細胞下方的基底膜中，對聲音信息進行編碼，傳送到大腦皮層的聽覺中樞，產(chǎn)生聽覺。442.機器人的聽覺聽覺也是機器人的重要感覺器官之一。從應(yīng)用的目的來看，可以將識別聲音的系統(tǒng)分為兩大類：（1）發(fā)音人識別系統(tǒng)。（2）語義識別系統(tǒng)。機器人聽覺系統(tǒng)中的聽覺傳感器的基本形態(tài)與麥克風相同，多為利用壓電效應(yīng)、磁電效應(yīng)等。識別系統(tǒng)借助于計算機技術(shù)和語言學編制的計算機軟件。453.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皮，兩側(cè)總面積約5cm2。嗅上皮含有三種細胞，即主細胞，支持細胞和基底細胞。不同性質(zhì)的氣味刺激有其相對專用的感受位點和傳輸線路。非基本的氣味則由它們在不同線路上引起的不同數(shù)量沖動的組合，在中樞引起特有的主觀嗅覺感受。464.機器人的嗅覺嗅覺傳感器主要的是采用氣體傳感器、射線傳感器等。機器人的嗅覺