機(jī)器人技術(shù)第八章機(jī)器人感覺技術(shù)-422-4 - 副本

duzj01@第八章機(jī)器人傳感技術(shù)主編：金發(fā)慶8.1傳感器概述8.2外部傳感器8.3內(nèi)部傳感器8.4多傳感器融合傳感器技術(shù)是材料學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、微電子學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、精密機(jī)械、仿生學(xué)、測量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、乃至系統(tǒng)科學(xué)、人工智能、自動化技術(shù)等眾多學(xué)科相互交叉的綜合性高新技術(shù)密集型前沿技術(shù)。傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量件并按照一定的規(guī)律(數(shù)學(xué)函數(shù)法則)轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成引言傳感器技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、兵器、信息產(chǎn)業(yè)、機(jī)械、電力、能源、交通、冶金、石油、建筑、郵電、生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)保、材料、災(zāi)害預(yù)測預(yù)防、農(nóng)林漁業(yè)、食品、煙酒制造、建筑、汽車、艦船、機(jī)器人、家電、公共安全等領(lǐng)域。引言物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在機(jī)器人中，起到內(nèi)部反饋控制作用或感知與外部環(huán)境的相互作用的裝置被稱為機(jī)器人傳感器。給機(jī)器人裝備什么樣的傳感器？對這些傳感器有什么要求？這是設(shè)計機(jī)器人感覺系統(tǒng)時遇到的首要問題。選擇機(jī)器人傳感器應(yīng)當(dāng)完全取決于機(jī)器人的工作需要和應(yīng)用特點。（機(jī)器人分類）引言引言視覺聽覺嗅覺味覺觸覺采用兩級分布式計算機(jī)實時控制系統(tǒng)靈巧手三個手指3個關(guān)節(jié)微電機(jī)角度傳感器三維力傳感器目前，機(jī)器人一般具有視覺、聽覺、觸覺和接近覺，這些感覺都是是通過相應(yīng)的傳感器得到的。視覺20世紀(jì)50年代后期出現(xiàn)，發(fā)展十分迅速，是機(jī)器人中最重要的傳感器之一。機(jī)器視覺從20世紀(jì)60年代開始首先處理積木世界，后來發(fā)展到處理室外的現(xiàn)實世界。20世紀(jì)70年代以后，實用性的視覺系統(tǒng)出現(xiàn)了。視覺一般包括三個過程：圖像獲取、圖像處理和圖像理解。相對而言，圖像理解技術(shù)還很落后。力覺機(jī)器人力傳感器就安裝部位來講，可以分為關(guān)節(jié)力傳感器、腕力傳感器和指力傳感器。國際上對腕力傳感器的研究是從20世紀(jì)70年代開始的，主要研究單位有美國的DRAPER實驗室、SRI研究所、IBM公司和日本的日立公司、東京大學(xué)等單位。引言觸覺作為視覺的補(bǔ)充，觸覺能感知目標(biāo)物體的表面性能和物理特性：柔軟性、硬度、彈性、粗糙度和導(dǎo)熱性等。對它的研究從20世紀(jì)80年代初開始，到20世紀(jì)90年代初已取得了大量的成果。接近覺研究它的目的是是使機(jī)器人在移動或操作過程中獲知目標(biāo)（障礙）物的接近程度，移動機(jī)器人可以實現(xiàn)避障，操作機(jī)器人可避免手爪對目標(biāo)物由于接近速度過快造成的沖擊。引言duzj01@8.1傳感器概述1、傳感器定義及組成傳感器定義：按一定規(guī)律實現(xiàn)信號檢測并將被測量(物理的、化學(xué)的和生物的信息)通過變送器變換為另一種物理量(通常是電壓或電流量)。它既能把非電量變換為電量，也能實現(xiàn)電量之間或非電量之間的互相轉(zhuǎn)換?？偠灾磺蝎@取信息的儀表器件都可稱為傳感器。國際上將傳感技術(shù)被列為六大核心技術(shù)(計算機(jī)、激光、通訊、半到體、超導(dǎo)和傳感)之一。傳感技術(shù)也是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)(傳感技術(shù)、通訊技術(shù)、計算機(jī)技術(shù))之一。傳感器組成：一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路組成，如圖所示。敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路被測量信號常用傳感器一覽2、傳感器分類傳感器可以按不同的方式進(jìn)行分類。例如：按被測物理量、按傳感器的工作原理、按傳感器轉(zhuǎn)換能量的情況、按傳感器的工作機(jī)理、按傳感器輸出信號的形式(模擬信號、數(shù)字信號)等分類。按機(jī)器人用傳感器功能可分為檢測內(nèi)部狀態(tài)信息傳感器和檢測外部對象和外部環(huán)境狀態(tài)的外部信息傳感器。內(nèi)部傳感器：是用于測量機(jī)器人自身狀態(tài)的功能元件。其功能是測量運(yùn)動學(xué)和力學(xué)參數(shù)，使機(jī)器人能夠按照規(guī)定的位置、軌跡和速度等參數(shù)進(jìn)行工作，并加以調(diào)整和控制。主要包括：位置、角度、速度、力、力矩以及溫度傳感器等。外部傳感器：用來檢測機(jī)器人所處環(huán)境及目標(biāo)狀況，從而使得機(jī)器人能夠與環(huán)境發(fā)生交互作用并對環(huán)境具有自我校正和適應(yīng)能力。主要包括：視覺、觸覺、力覺、接近覺、角度覺(平衡覺)傳感器等。具有多種外部傳感器是先進(jìn)機(jī)器人的重要標(biāo)志。可見光和紅外傳感器接觸和視覺傳感器語音識別裝置語音合成器視覺傳感器嗅覺傳感器測距儀接近覺傳感器控制器內(nèi)部傳感外部傳感位置傳感器速度傳感器加速度傳感器力和壓力傳感器力矩傳感器姿態(tài)傳感器機(jī)器人機(jī)器人信息傳感傳感器分類機(jī)器人對傳感器的一般要求是：(1)精度高，重復(fù)性好；(2)穩(wěn)定性好，可靠性高；(3)抗干擾能力強(qiáng)；(4)易于調(diào)整，輸入、輸出回路相互獨(dú)立；(5)重量輕，體積小，安裝方便可靠；(6)價格便宜，壽命長。1．從機(jī)器人對傳感器的需要來選擇3、傳感器的類型選擇機(jī)器人被用于執(zhí)行各種加工任務(wù)，其中比較常見的加工任務(wù)有物料搬運(yùn)、裝配、噴漆、焊接、檢驗等。不同的任務(wù)對機(jī)器人提出了不同的要求，例如：2．從任務(wù)的要求來選擇傳感器的類型選擇（1）搬運(yùn)：位置（力，觸覺，視覺）（2）裝配：位置（力，觸覺，視覺）（3）噴漆：位置檢測，對象識別（4）焊接：位置（點焊：接近覺；弧焊：視覺）機(jī)器人控制需要采用傳感器檢測機(jī)器人的運(yùn)動位置、速度、加速度。除了較簡單的開環(huán)控制機(jī)器人外，多數(shù)機(jī)器人都采用了位置傳感器作為閉環(huán)控制器的反饋元件。機(jī)器人根據(jù)位置傳感器反饋的位置信息，對機(jī)器人的運(yùn)動誤差進(jìn)行補(bǔ)償。不少機(jī)器人還裝備有速度傳感器和加速度傳感器。加速度傳感器可以檢測機(jī)器人構(gòu)件受到的慣性力，使控制能夠補(bǔ)償慣性力引起的變形誤差。速度檢測可以用于預(yù)測機(jī)器人的運(yùn)動時間，計算和控制由離心力引起的變形誤差。3．從機(jī)器人控制的要求來選擇傳感器的類型選擇工業(yè)機(jī)器人在從事某些輔助工作時，也要求有一定的感覺能力。這些輔助工作包括產(chǎn)品的檢驗和工件的準(zhǔn)備等。機(jī)器人在外觀檢驗中的應(yīng)用日益增多。機(jī)器人在這方面的主要用途有檢查毛刺、裂縫或孔洞的存在，確定表面粗糙度和裝飾質(zhì)量，檢查裝配體的完成等。在外觀檢驗中，機(jī)器人主要需要視覺能力，有時也需要其他類型的傳感器。4．從輔助工作的要求來選擇傳感器的類型選擇例如（1）外觀檢測：視覺（2）工件定位：視覺，觸覺，力從安全方面考慮，機(jī)器人對傳感器的要求包括以下兩個方面：為了使機(jī)器人安全地工作而不受損壞，機(jī)器人的各個構(gòu)件都不能超過其受力極限。從保護(hù)機(jī)器人使用者的安全出發(fā)，也要考慮對機(jī)器人傳感器的要求。5．從安全方面的要求來選擇傳感器的類型選擇(1)靈敏度(2)線性度(3)測量范圍(4)精度(5)重復(fù)性(6)分辨力(7)響應(yīng)時間(8)可靠性(1)尺寸(2)重量(3)輸出形式(4)接口形式(5)可插接性(6)成本傳感器的類型選擇性能指標(biāo)的確定物理特征的選擇duzj01@8.2內(nèi)部傳感器——機(jī)器人自身狀態(tài)感知內(nèi)部傳感器電位器：電位器是—種典型的位置傳感器，可分為直線型(測量位移)和旋轉(zhuǎn)型(測量角度)。電位器由環(huán)狀或棒狀電阻絲和滑動片(或稱為電刷)組成，滑動片接觸電阻絲取出電信號。電刷與驅(qū)動器連成—體，將其線位移或角位移轉(zhuǎn)換成電阻的變化，在電路中以電壓或電流的變化形式輸出?？煞譃閷?dǎo)電塑料、線繞式、混合式等滑片型和磁阻式、光標(biāo)式等非接觸型。導(dǎo)電塑料型（1）電位器線圈型常用電位器形式內(nèi)部傳感器E：輸入電壓

L：觸頭最大移動距離

x：向左端移動的距離

e：電阻右側(cè)的輸出電壓電位器測量原理的位置傳感器（1）電位器位置測量原理：滑動觸點受到被檢測量控制，當(dāng)位置發(fā)生變化，滑動觸點發(fā)生位移，改變觸點到電阻器各端的阻值和輸出電壓，根據(jù)測得的電壓變化可得位移變化。優(yōu)點：線性度好、輸出信號選擇范圍大，性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、質(zhì)量輕、精度高、成本低等。缺點：易于磨損內(nèi)部傳感器光電位置傳感器：事先求出光源（LED）和感光部分（光敏晶體管）之間的距離同感光量的關(guān)系（標(biāo)定），就能從測量時的感光量檢測出位移量。（2）光電位置傳感器內(nèi)部傳感器（3）光電編碼器光電編碼器：光電編碼器是機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)中常用的一種檢測裝置；它實際是一種量化式的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。將機(jī)械軸的轉(zhuǎn)角值或直線運(yùn)動的位移值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量。內(nèi)部傳感器（3）光電編碼器光電編碼器工作原理圖光電編碼器：光電編碼器由光源、聚光透鏡、基準(zhǔn)光柵、掃描光柵、光電轉(zhuǎn)換元件及信號放大整形電路等部件組成。光源發(fā)出的光線經(jīng)過聚焦后變成平行光束，當(dāng)掃描光柵上的條紋與基準(zhǔn)光柵上的條紋重合時，光敏管便接受一次光的信號并記數(shù)，由此可以測試旋轉(zhuǎn)速度。旋轉(zhuǎn)方向可通過掃描光柵提供的兩路脈沖信號的相位差判斷。光電編碼器可分為增量式和絕對式兩種。內(nèi)部傳感器（3）光電編碼器——增量式編碼器增量式編碼器：即在編碼盤上的讀數(shù)起始點是不固定的，它從讀數(shù)起始點開始，把角位移或線位移的變化量進(jìn)行累積檢測。它只能檢測角值或線值的變化量(增量)，故稱為增量式編碼器。旋轉(zhuǎn)式增量編碼器（用于測量角位移）直線增量編碼器(光柵尺)（用于測量直線位移）內(nèi)部傳感器增量式光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機(jī)同軸，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號。通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。受增量式編碼器測量原理的限制，它只能測量機(jī)器人關(guān)節(jié)相對于初始位置的轉(zhuǎn)動量，而無法測得其所處的絕對位置。（3）光電編碼器——增量式編碼器以轉(zhuǎn)動時輸出脈沖，通過計數(shù)設(shè)備來知道其位置，當(dāng)編碼器不動或停電時，依靠計數(shù)設(shè)備的內(nèi)部記憶來記住位置。內(nèi)部傳感器絕對式編碼器：其讀數(shù)起始點是給定的，它以編碼盤固有的某圖案為起始點，檢測角位移或線位移。它能同時檢測角值或線值的初始量和增量，也就是能取出總量(絕對量)，故稱為絕對式編碼器。絕對式編碼器每個位置都對應(yīng)著透光與不透光弧段的惟一確定組合，這種確定組合有惟一的特征。通過這特征，在任意時刻都可以確定碼盤的精確位置。（3）光電編碼器——絕對式編碼器內(nèi)部傳感器絕對式編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)碼道越多,分辨率越高。目前,碼盤碼道可做到十八條,能分辨的最小角度為（3）光電編碼器——絕對式編碼器絕對式編碼器不僅可以測量角位移，還可通過比較編碼器的當(dāng)前位置和初始位置，得出機(jī)器人關(guān)節(jié)的角速度。內(nèi)部傳感器（4）旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器又稱分解器，是一種控制用的微電機(jī)，它將機(jī)械轉(zhuǎn)角變換成與該轉(zhuǎn)角呈某一函數(shù)關(guān)系的電信號的一種間接測量裝置。在結(jié)構(gòu)上與二相線繞式異步電動機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子繞組為變壓器的原邊，轉(zhuǎn)子繞組為變壓器的副邊。激磁電壓接到轉(zhuǎn)子繞組上，感應(yīng)電動勢由定子繞組輸出。原理：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動引起磁通量旋轉(zhuǎn)，在次級線圈產(chǎn)生變化的電壓。從而可以用來測量角位移。旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)簡單，動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維護(hù)方便，輸出信號幅度大，抗干擾性強(qiáng)，工作可靠。內(nèi)部傳感器測速發(fā)電機(jī)：是利用發(fā)電機(jī)原理的速度傳感器或角速度傳感器。按其構(gòu)造分為直流測速發(fā)電機(jī)、交流測速發(fā)電機(jī)。（5）測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī)實際就是一種微型直流發(fā)電機(jī)，按定子磁極的勵磁方式分為電磁式和永磁式。直流測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓與轉(zhuǎn)速要嚴(yán)格保持正比關(guān)系,這在實際中是難以做到的，直流測速發(fā)電機(jī)輸出的是一個脈動電壓，其交變分量對速度反饋控制系統(tǒng)、高精度的解算裝置有較明顯的影響。交流測速發(fā)電機(jī)交流異步測速發(fā)電機(jī)與交流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)相似，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有籠型的，也有杯型的，在自動控制系統(tǒng)中多用空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機(jī)。交流同步測速發(fā)電機(jī)因感應(yīng)電勢頻率隨轉(zhuǎn)速而變，致使電機(jī)本身的阻抗及負(fù)載阻抗均隨轉(zhuǎn)速而變化，因此，輸出電壓不再與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。故同步測速發(fā)電機(jī)應(yīng)用較少。duzj01@8.3外部傳感器——機(jī)器人環(huán)境及對象識別外部傳感器1、機(jī)器人的觸覺機(jī)器人的觸覺廣義上可獲取的信息是：接觸信息；狹小區(qū)域上的壓力信息；分布壓力信息；力和力矩信息；滑覺信息。這些信息分別用于觸覺識別和觸覺控制。從檢測信息及等級考慮，觸覺識別可分為點信息識別、平面信息識別和空間信息識別3種。單向微動開關(guān)：當(dāng)規(guī)定的位移或力作用到可動部分(稱為執(zhí)行器)時，開關(guān)的接點斷開或接通而發(fā)出相應(yīng)的信號。外部傳感器機(jī)器人的觸覺——接近開關(guān)接近開關(guān)：非接觸式接近傳感器有高頻振蕩式、磁感應(yīng)式、電容感應(yīng)式、超聲波式、氣動式、光電式、光纖式等多種接近開關(guān)。當(dāng)金屬類被檢測體接近傳感器的感應(yīng)區(qū)域，開關(guān)就能在無接觸、無壓力、無火花的情況下迅速發(fā)出電氣指令，準(zhǔn)確反應(yīng)出運(yùn)動機(jī)構(gòu)的位置和行程。其定位精度、操作頻率、使用壽命、安裝調(diào)整的方便性和對惡劣環(huán)境的適用能力，是一般機(jī)械式行程開關(guān)所不能相比的。常用的有：兩線制接近傳感器：兩線制接近傳感器安裝簡單，接線方便；應(yīng)用比較廣泛，但卻有殘余電壓和漏電流大的缺點。三線式接近傳感器：輸出型有NPN和PNP兩種，70年代日本產(chǎn)品絕大多數(shù)是NPN輸出，西歐各國NPN、PNP兩種輸出型都有。外部傳感器機(jī)器人的觸覺——光電開關(guān)、觸須傳感器光電開關(guān)是由LED光源和光電二極管或光電三極管等光敏元件，相隔一定距離間構(gòu)成的透光式開關(guān)。當(dāng)充當(dāng)基準(zhǔn)位置的遮光片通過光源和光敏元件間的縫隙時，光射不到光敏元件上，而起到開關(guān)的作用。光電開關(guān)的特點是非接觸檢測，精度可達(dá)0.5mm左右。

觸須傳感器由須狀觸頭及其檢測部構(gòu)成，觸頭由具有一定長度的柔空軟條絲構(gòu)成，它與物體接觸所產(chǎn)生的彎曲由在根部的檢測單元檢測。與昆蟲的觸角的功能一樣，觸須傳感器的功能是識別接近的物體．用于確認(rèn)所設(shè)定的動作的結(jié)束，以及根據(jù)接觸發(fā)出回避動作的指令或搜索對象物的存在。外部傳感器機(jī)器人的觸覺——滑覺傳感器滑覺傳感器是檢測垂直加壓方向的力和位移的傳感器，可用來監(jiān)測機(jī)器人與抓握對象間滑移程度。用手爪抓取處于水平位置的物體時，手爪對物體施加水平壓力，如果壓力較小，垂直方向作用的重力會克服這個壓力使物體下滑。能夠克服重力的手抓把持力稱為最小把持力?；X傳感器按被測物體滑動方向可分為三類：無方向性、單方向性和全方向性傳感器。其中無方向性傳感器只能檢測是否產(chǎn)生滑動，無法判別方向；單方向性傳感器只能檢測單一方向的滑移；全方向性傳感器可檢測個方向的滑動情況。這種傳感器一般制成球形以滿足需要?；X傳感器：（a）力的平衡（b）重心的移動滾輪式滑覺傳感器外部傳感器機(jī)器人的觸覺——滑覺傳感器滾輪式傳感器只能檢測一個方向的滑動。為此，南斯拉夫貝爾格萊德大學(xué)研制的機(jī)器人專用滑覺傳感器（如所圖）。它由一個金屬球和觸針組成,金屬球表面分成許多個相間排列的導(dǎo)電和絕緣小格。觸針頭很細(xì),每次只能觸及一格。當(dāng)工件滑動時,金屬球也隨之轉(zhuǎn)動,在觸針上輸出脈沖信號。脈沖信號的頻率反映了滑移速度,脈沖信號的個數(shù)對應(yīng)滑移的距離。接觸器觸頭面積小于球面上露出的導(dǎo)體面積,它不僅可做得很小,而且提高了檢測靈敏度。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。該球體在沖擊力作用下不轉(zhuǎn)動,因此抗干擾能力強(qiáng)。被加持物體球形滑覺傳感器外部傳感器機(jī)器人的觸覺——觸覺傳感器陣列人類的觸覺能力是相當(dāng)強(qiáng)的。人們不但能夠揀起一個物體，而且不用眼睛也能識別它的外形，并辨別出它是什么東西。許多小型物體完全可以靠人的觸覺辨認(rèn)出來，如螺釘、開口銷、圓銷等。如果要求機(jī)器人能夠進(jìn)行復(fù)雜的裝配工作，它也需要具有這種能力。采用多個接觸傳感器組成的觸覺傳感器陣列是辨認(rèn)物體的方法之一。觸覺陣列原理：電極與柔性導(dǎo)電材料（條形導(dǎo)電橡膠）保持電氣接觸，導(dǎo)電材料的電阻隨壓力而變化。當(dāng)物體壓在其上面時，將引起局部變形，測出連續(xù)的電壓變化，就可測量局部變形。電阻的改變很容易轉(zhuǎn)換成電信號，其幅值正比于施加在材料表面上某一點的力。外部傳感器機(jī)器人的觸覺——觸覺傳感器陣列PVF2陣列式觸覺傳感器觸覺傳陣列感器結(jié)構(gòu)示意圖外部傳感器壓阻式陣列觸覺傳感器基本結(jié)構(gòu)碳?xì)郑–SA）碳?xì)郑–SA）靈敏度高，具有較強(qiáng)的耐過載能力。缺點是有遲滯，線性差。導(dǎo)電橡膠的電阻也會隨壓力的變化而變化，因此也常用來作為觸覺傳感器的敏感材料。機(jī)器人的觸覺——觸覺傳感器陣列CSA壓阻特性外部傳感器機(jī)器人觸覺的應(yīng)用外表面?zhèn)鞲衅|覺陣列觸覺陣列外表面?zhèn)鞲衅b有觸覺傳感器陣列的手爪外部傳感器機(jī)器人的力覺——力覺傳感器力覺傳感器——用來檢測機(jī)器人自身力與外部環(huán)境力之間相互作用力的傳感器。主要的使用元件：壓電晶體、力敏電阻和電阻應(yīng)變片。電阻應(yīng)變片是最主要的應(yīng)用元件，它利用了金屬絲拉伸時電阻變大的現(xiàn)象，它被貼在加力的方向上。電阻應(yīng)變片用導(dǎo)線接到外部電路上可測定輸出電壓，得出電阻值的變化。通常我們將機(jī)器人的力傳感器分為三類：（1）裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動器上的力傳感器，稱為關(guān)節(jié)力傳感器。用于控制中的力反饋。（2）裝在末端執(zhí)行器和機(jī)器人最后一個關(guān)節(jié)之間的力傳感器，稱為腕力傳感器。（3）裝在機(jī)器人手爪指關(guān)節(jié)（或手指上）的力傳感器，稱為指力傳感器。外部傳感器機(jī)器人的力覺——力覺傳感器力不是直接可測量的物理量，而是通過其他物理量間接測量出的。其測試方法包括：（1）通過檢測物體彈性變形測量力，如采用應(yīng)變片、彈簧的變形測量力；（2）通過檢測物體壓電效應(yīng)檢測力；（3）通過檢測物體壓磁效應(yīng)檢測力；（4）采用電動機(jī)、液壓馬達(dá)驅(qū)動的設(shè)備可以通過檢測電動機(jī)電流及液壓馬達(dá)油壓等方法測量力或轉(zhuǎn)矩；（5）裝有速度、加速度傳感器的設(shè)備，可以通過速度與加速度的測量推出

作用力；外部傳感器機(jī)器人的力覺——力覺傳感器壓阻式壓力傳感器采用集成電路工藝技術(shù)，在硅片上制造出四個等值的薄膜電阻并組成電橋電路，當(dāng)不受力作用時，電橋處于平衡狀態(tài)，無電壓輸出;當(dāng)受到壓力作用時，電橋失去平衡而輸出電壓（AB之間產(chǎn)生微小電位差），且輸出的電壓與壓力成比例。外部傳感器機(jī)器人的力覺——力覺傳感器原理：

如果在軸上施加力矩，力矩將在軸上產(chǎn)生兩個方向相反的力和兩個方向相反的形變，兩個力傳感器可以測出這兩個力，根據(jù)所測力的大小可計算出力矩。用六個傳感器測量三個彼此獨(dú)立的軸上的力和力矩外部傳感器Draper實驗室研制的筒式六維腕力傳感器機(jī)器人的力覺左圖所示為Draper實驗室研制的筒式六維腕力傳感器的結(jié)構(gòu)。它將一個整體金屬環(huán)周壁銑成按120°周向分布的三根細(xì)梁。其上部圓環(huán)上有螺孔與手臂相聯(lián),下部圓環(huán)上的螺孔與手爪聯(lián)接,傳感器的測量電路置于空心的彈性構(gòu)架體內(nèi)。該傳感器結(jié)構(gòu)比較簡單,靈敏度也較高,但六維力(力矩)的獲得需要解耦運(yùn)算,傳感器的抗過載能力較差,較易受損。外部傳感器SRI研制的六維腕力傳感器機(jī)器人的力覺SRI(StanfordResearchInstitute)研制的六維腕力傳感器，是典型的二層重疊筒式腕力傳感器。如圖所示，它由一段直徑為75mm的鋁管銑削而成，具有八個窄長的彈性梁，每個梁的頸部只傳遞力，扭矩作用很小。梁的另一頭貼有應(yīng)變片。圖中從Px+到Qy-代表了8根應(yīng)變梁的變形信號的輸出。SRI傳感器力和力矩計算方式如下：式中：為比例常數(shù)外部傳感器林純一研制的腕力傳感器機(jī)器人的力覺日本大和制衡株式會社林純一研制的腕力傳感器是一種整體輪輻式結(jié)構(gòu)，傳感器在十字梁與輪緣聯(lián)接處有一個柔性環(huán)節(jié)，在四根交叉梁上總共貼有32個應(yīng)變片(圖中以小方塊表示),組成8路全橋輸出，六維力的獲得須通過解耦計算。這一傳感器一般將十字交叉主桿與手臂的聯(lián)接件設(shè)計成彈性體變形限幅的形式，可有效起到過載保護(hù)作用,是一種較實用的結(jié)構(gòu)。外部傳感器基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六維腕力傳感器并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六維腕力傳感器：該結(jié)構(gòu)利用上下平臺之間的6根彈性梁受力變化產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變片貼于彈性梁圓環(huán)處，由應(yīng)變片組成的橋路輸出可得到力的六個分量。與前述的兩種豎梁結(jié)構(gòu)不同之處在于：該結(jié)構(gòu)并非整體式結(jié)構(gòu)，上下平臺與6根彈性梁之間由球形鉸鏈相連接。由于采用了并聯(lián)機(jī)構(gòu)，該傳感器的負(fù)載能力相對更高。機(jī)器人的力覺——腕力傳感器外部傳感器機(jī)器人的接近覺接近覺傳感器：是檢測對象物體與傳感器距離信息的一種傳感器。利用距離信息測出對象物體的表面狀態(tài)。接近覺是視覺傳感器功能的一部分，但它只給出距離信息，接近覺傳感器有電磁感應(yīng)式、光電式、電容式、氣壓式、超聲波和激光式等多種。實際使用應(yīng)根據(jù)對象物體性質(zhì)而定。接近覺感知對象接近的情況，其作用為：(1)在接觸到對象前獲取信息，為后續(xù)動作先做準(zhǔn)備；(2)發(fā)現(xiàn)障礙物，規(guī)定行程范圍，以免碰撞；(3)得到關(guān)于對象表面形狀的信息。外部傳感器機(jī)器人的接近覺由于這類傳感器可用以感知對象位置，故也被稱為位置覺傳感器。傳感器越接近物體越能精確地確定物體位置，因此常安裝于機(jī)器人的手部。根據(jù)感知范圍(或距離)，接近覺傳感器大致可分為三類：感知近距離物體（mm級）：電磁感應(yīng)式、氣壓式、電容式感知中距離物體（30cm以內(nèi)）：紅外光電式感知遠(yuǎn)距離物體（30cm以外）：超聲式、激光式外部傳感器機(jī)器人的接近覺電磁式接近傳感器：這種傳感器不大受光、熱、物體表面特征影響，可小型化與輕量化。但只能探測金屬對象。日立公司將其用于孤焊機(jī)器人上，用以跟蹤焊縫。在200℃以下探測距離0～8mm，誤差只有4％。氣壓式接近傳感器：這種傳感器具有較強(qiáng)防火、防磁、防輻射能力，但要求氣源保持一定程度的凈化。紅外式接近傳感器：其特點在于發(fā)送器與接受器尺寸都很小，因此可以方便地安裝于機(jī)器人手部。紅外線傳感器能根容易地檢測出工作空間內(nèi)某物體的存在與否，但作為距離的測量仍有很復(fù)雜的問題。外部傳感器機(jī)器人的接近覺——超聲波距離傳感器超聲波距離傳感器：超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波對液體、固體的穿透能力很大，尤其是在不透光的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。在機(jī)器人領(lǐng)域，用于機(jī)器人對周圍物體的存在與距離的探測。尤其對移動式機(jī)器人，安裝這種傳感器可隨時探測前進(jìn)道路上是否出現(xiàn)障礙物，以免發(fā)生碰撞。超聲測距是一種非接觸的檢測方式，在近距離范圍內(nèi)有不受外界光線影響、硬件結(jié)構(gòu)簡單、容易操作、成本低等優(yōu)點,在高性能自主移動機(jī)器人上獲得了廣泛應(yīng)用。缺點是速度慢，存在較大的波束角，且對光滑表面存在鏡面反射；測量精度受溫度影響較大。外部傳感器超聲波距離傳感器及其應(yīng)用機(jī)器人的接近覺——超聲波距離傳感器外部傳感器機(jī)器人的接近激光距離傳感器：利用激光傳輸時間來測量距離的基本原理是，通過測量激光往返目標(biāo)所需時間來確定目標(biāo)距離。測量范圍：0.1~50m（自然表面，黑色表面30m）；100m以上（白色、反光表面）測量精度：mm(0.1~15m)；mm(15m以上)分辨率：0.1mmLRFS-0040-1超聲波距離傳感器機(jī)器人的接近覺——激光距離傳感器外部傳感器機(jī)器人的視覺機(jī)器人視覺系統(tǒng)：如同人類視覺系統(tǒng)的作用一樣，機(jī)器人視覺系統(tǒng)賦予機(jī)器人一種高級感覺機(jī)構(gòu)，使得機(jī)器人能以“智能”和靈活的方式對其周圍環(huán)境作出反應(yīng)。機(jī)器人的視覺信息系統(tǒng)類似人的視覺信息系統(tǒng)，它包括圖像傳感器、數(shù)據(jù)傳遞系統(tǒng)，以及計算機(jī)和處理系統(tǒng)。機(jī)器人視覺：利用視覺傳感器(如攝像機(jī))獲取三維景物的二維圖像，通過視覺處理器對一幅或多幅圖像進(jìn)行處理、分析和解釋，得到有關(guān)景物的符號描述，并為特定任務(wù)提供有用的信息，用于指導(dǎo)機(jī)器人的動作。機(jī)器人視覺可以劃分為六個主要部分：感覺與處理、分割、描述、識別、解釋。根據(jù)上述過程所涉及的方法和技術(shù)的復(fù)雜性可分為3個處理層次：低層視覺處理、中層視覺處理和高層視覺處理。外部傳感器機(jī)器人的視覺——硬件系統(tǒng)外部傳感器機(jī)器人的視覺——CCD圖像傳感器圖像傳感器是采用光電轉(zhuǎn)換原理，用來攝取平面光學(xué)圖像并使其轉(zhuǎn)換為電子圖像信號的器件。圖像傳感器必須具有兩個作用，一是有把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的作用；二是具有將平面圖像上的像素進(jìn)行點陣取樣，并把這些像素按時間取出的掃描作用。圖像傳感器又稱為攝像管。攝像管的發(fā)展很迅速，它經(jīng)歷了光電攝像管、超光電攝像管、正析攝像管、光導(dǎo)攝像管、二次電子導(dǎo)電硅靶管以及新發(fā)展起來的CCD圖像傳感器——固體攝像管等。外部傳感器機(jī)器人的視覺——CCD圖像傳感器CCD（電荷耦合器件：chargecoupleddevices）的基本結(jié)構(gòu)是一個間隙很小的光敏電極陣列，即無數(shù)個CCD單元組成，也稱為像素點（如448×380）。它可以是一維的線陣，也可以是二維的面陣。優(yōu)點：體積小、質(zhì)量輕、壽命長、抗沖擊、耗電極少，一般只需幾十毫瓦就可以啟動。外部傳感器機(jī)器人的視覺——CCD圖像傳感器圖像處理——分辨率變化對圖像的影響共256級灰度，從圖（a）到（f）分辨率依次為512×512，256×256，128×128，64×64，32×32，16×16。外部傳感器機(jī)器人的視覺——CCD圖像傳感器圖像處理——灰度變化對圖像的影響從圖（a）到（f）分辨率為512×512，灰度級依次為256，64，16，8，4，2。外部傳感器機(jī)器人的視覺——CCD圖像傳感器圖像處理——分辨率和灰度同時變化對圖像的影響從圖（a）到（f）依次為：256×256，128級灰度；181×181，64級灰度；128×128，32級灰度；90×90，16級灰度；64×64，8級灰度；45×45，4級灰度。外部傳感器機(jī)器人的視覺——機(jī)器人的視覺技術(shù)主要應(yīng)用(1)裝配機(jī)器人(機(jī)械手)視覺裝置。要求視覺系統(tǒng)必須做到：識別傳送帶上所要裝配的機(jī)械零件；確定該零件的空間位置。據(jù)此信息控制機(jī)械手的動作，做到準(zhǔn)確裝配。對機(jī)械零件的檢查；檢查工件的完好性；量測工件的極限尺寸；檢查工件的磨損等。此外，機(jī)械手還可根據(jù)視覺的反饋信息進(jìn)行自功焊接、噴漆和自動上下料等；(2)行走機(jī)器人視覺裝置。要求視覺系統(tǒng)能夠識別室內(nèi)或室外的景物，進(jìn)行道路跟蹤和自主導(dǎo)航。用以完成危險材料的搬運(yùn)和野外作業(yè)等任務(wù)。外部傳感器機(jī)器人的聽覺——語音識別語音識別技術(shù)——也被稱為自動語音識別AutomaticSpeechRecognition(ASR)，其目標(biāo)是將人類的語音中的詞匯內(nèi)容轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可讀的輸入，例如按鍵、二進(jìn)制編碼或者字符序列。預(yù)處理測度估計輸入語音識別結(jié)果模板庫特征提取失真測度識別訓(xùn)練參考模式語音識別原理圖外部傳感器機(jī)器人的聽覺——語音識別語音識別系統(tǒng)實質(zhì)上是一種模式識別系統(tǒng)，與常規(guī)模式識別系統(tǒng)一樣包括有特征提取、模式匹配、參考模式庫等三個基本單元。特征提取輸入語音識別結(jié)果模式匹配參考模式庫訓(xùn)練語音識別系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)語音識別的關(guān)鍵技術(shù)包括語音特征參數(shù)提取技術(shù)、語音識別算法、模式匹配準(zhǔn)則及模型訓(xùn)練技術(shù)。語音識別系統(tǒng)可分為：特定人語音識別系統(tǒng)和非特定人語音識別系統(tǒng)。其中后者大致可以分為語言識別系統(tǒng)，單詞識別系統(tǒng)，及數(shù)字音（0~9）識別系統(tǒng)。外部傳感器機(jī)器人的聽覺——語音識別第二步是語音識別的核心,采用選擇的語音識別方法進(jìn)行模式匹配。語音識別核心部分又分別表現(xiàn)為模型的建立、訓(xùn)練和識別三個部分。第三步，語音識別可以進(jìn)行后處理，后處理通常是一個音字轉(zhuǎn)換過程，還有可能包括更高層次的詞法、句法和文法處理，另外也有可能作為某個具體的任務(wù)語法的輸入。第一步是根據(jù)識別系統(tǒng)的類型選擇一種識別方法，采用語音分析方法分析出這種識別方法所要求的語音特征參數(shù)，這些參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)模式由機(jī)器存儲起來，形成參考模式庫。語音識別的步驟分為三步外部傳感器機(jī)器人的聽覺——語音識別50年代，基于元音共振峰、語音波形頻譜和譜序列信息的語音識別。1952年，AT&T貝爾實驗室成功開發(fā)了了世界上第一個語音識別系統(tǒng)Audry系統(tǒng)，可以識別10個英文數(shù)字發(fā)音。1956年，在RCA實驗室研制了可以識別一個說話人的10個單音節(jié)的系統(tǒng)。1959年，英國的Fry和Denes研制了能夠識別4個元音和9個輔音的識別器，采用了譜分析儀和模式匹配器。60年代，計算機(jī)技術(shù)推動了語音識別技術(shù)的發(fā)展，語音信號線性預(yù)測編碼（LPC）技術(shù)和動態(tài)時間規(guī)整（DTW）技術(shù)的提出。這一時期的語音識別主要基于模板匹配原理，研究的領(lǐng)域局限在特定人，小詞匯表的孤立詞識別，實現(xiàn)了基于線性預(yù)測倒譜和DTW技術(shù)的特定人孤立詞語音識別系統(tǒng)，有效的解決了語音信號的特征提取和不等長匹配問題。外部傳感器機(jī)器人的聽覺——語音識別70年代，伴隨著自然語言理解的研究以及微電子技術(shù)的發(fā)展,語音識別領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。這一時期的語音識別方法基本上是采用傳統(tǒng)的模式識別策略，研究多集中于非特定人語音識別的實驗。同時,這個時期還提出了矢量量化(VQ)和隱馬爾可夫模型(HMM)理論。80年代，是HMM模型和人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)(ANN)在語音識別中的成功應(yīng)用，使語音識別研究進(jìn)一步走向深入。終于在實驗室突破了大詞匯量、連續(xù)語音和非特定人這三大障礙，第一次把這三個特性都集成在一個系統(tǒng)中，比較典型的是卡耐基梅隆大學(xué)的Sphinx系統(tǒng)，它是第一個高性能的非特定人、大詞匯量連續(xù)語音識別系統(tǒng)。HMM模型的廣泛應(yīng)用應(yīng)歸功于AT&TBell實驗室Rabiner等科學(xué)家的努力，他們把原本艱澀的HMM純數(shù)學(xué)模型工程化,從而為更多研究者了解和認(rèn)識，從而使統(tǒng)計方法成為了語音識別技術(shù)的主流。外部傳感器機(jī)器人的聽覺——語音識別90年代，語音識別技從實驗室走向?qū)嵱茫趹?yīng)用及商品化開發(fā)方面取得巨大進(jìn)展

。許多著名的大公司如IBM、蘋果、AT&T和NTT都對語音識別系統(tǒng)的實用化研究投以巨資。語音識別技術(shù)有一個很好的評估機(jī)制，那就是識別的準(zhǔn)確率，而這項指標(biāo)在20世紀(jì)90年代中后期實驗室研究中得到了不斷的提高。比較有代表性的系統(tǒng)有：IBM公司推出的ViaVoice