第五章機(jī)器人感官

第五章機(jī)器人感官第一頁(yè)，共70頁(yè)。01 機(jī)器人的“刺激-反應(yīng)”02 機(jī)器人的眼睛和視覺(jué)03 機(jī)器人的耳朵和聽(tīng)覺(jué)04 機(jī)器人的鼻子和嗅覺(jué)05 機(jī)器人的舌頭和味覺(jué)06 機(jī)器人的身和觸覺(jué)07 機(jī)器人的內(nèi)部傳感器08 GPS與機(jī)器人的絕對(duì)坐標(biāo)位置第四章機(jī)器人的感官(RoboticSensory

Organs)第二頁(yè)，共70頁(yè)。機(jī)器人或機(jī)器生命，是Nilsson所說(shuō)的“刺激－反應(yīng)”體，而“刺激－反應(yīng)”源于感官。第三頁(yè)，共70頁(yè)。01關(guān)于機(jī)器人的感官1.1回顧：“刺激-反應(yīng)”與反射弧“刺激-反應(yīng)”，是生命體活性的基本特征，是生命體最基本的感知活動(dòng)。在生物系統(tǒng)“刺激-反應(yīng)”的過(guò)程中，最為基本的神經(jīng)活動(dòng)是反射（Reflex）。反射活動(dòng)形成于一種被稱為反射弧的結(jié)構(gòu)第四頁(yè)，共70頁(yè)。01關(guān)于機(jī)器人的感官1.1回顧：“刺激-反應(yīng)”與反射弧反射?。≧eflexArc）是最基本的和最小的“刺激-反應(yīng)”體，包含五個(gè)組成部分：感受器：感受刺激的感覺(jué)器官傳入神經(jīng)：傳送感覺(jué)信號(hào)的神經(jīng)線路神經(jīng)中樞：調(diào)節(jié)特定機(jī)能的神經(jīng)結(jié)構(gòu)傳出神經(jīng)：傳送效應(yīng)信號(hào)的神經(jīng)線路效應(yīng)器：表現(xiàn)反應(yīng)的運(yùn)動(dòng)器官其中，感受器即感官（感覺(jué)器官）。感官（感覺(jué)器官）對(duì)于生命體的重要性在于：沒(méi)用感官，就感受不到刺激，反射弧就不可能形成反射，生命體就不會(huì)有“刺激-反應(yīng)”的行為，生命體因而就不會(huì)有活性。第五頁(yè)，共70頁(yè)。01關(guān)于機(jī)器人的感官機(jī)器人，是一種機(jī)器生命，是對(duì)自然生命的模擬（模仿），需要表現(xiàn)類似人和動(dòng)物的“刺激-反應(yīng)”行為和“感知-行動(dòng)”機(jī)能，因而，也有自己的感官（感覺(jué)器官）。1.2回顧：機(jī)器人的反射弧實(shí)際上，機(jī)器人也是一種“刺激-反應(yīng)”體，并且，也具有形成“刺激-反應(yīng)”過(guò)程的“反射弧”，當(dāng)然，是機(jī)電式反射弧。機(jī)器人的機(jī)電式反射弧第六頁(yè)，共70頁(yè)。01關(guān)于機(jī)器人的感官1.2回顧：機(jī)器人的反射弧機(jī)電式反射弧是機(jī)器生命的反射弧，是自治移動(dòng)式機(jī)器人的反射弧。機(jī)電式反射弧也包含著五個(gè)組成部分：感受器：感受刺激的傳感器傳入神經(jīng)：傳送傳感信號(hào)的電子輸入線路神經(jīng)中樞：計(jì)算機(jī)或電腦傳出神經(jīng)：傳送控制信號(hào)的電子輸出線路效應(yīng)器：表現(xiàn)反應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)電式反射弧第七頁(yè)，共70頁(yè)。01關(guān)于機(jī)器人的感官機(jī)器人的感官（感覺(jué)器官），一般稱為：傳感器（Sensor），或稱“敏感元件”，其功能和作用，與人和動(dòng)物的感受器是相似的或相同的。機(jī)器人，是一種機(jī)器生命，是對(duì)自然生命的模擬（模仿），需要表現(xiàn)類似人和動(dòng)物的“刺激-反應(yīng)”行為和“感知-行動(dòng)”機(jī)能，因而，也有自己的感官（感覺(jué)器官）。不同的是，人和動(dòng)物的感覺(jué)器官是有機(jī)組織，而機(jī)器人的感覺(jué)器官是電子電氣元件。1.3傳感器：機(jī)器人的感官傳感器，作為機(jī)器人的感官（感覺(jué)器官），對(duì)于機(jī)器人的重要性，與感官對(duì)于人和動(dòng)物的重要性是一樣的。有了傳感器，機(jī)器人就可能產(chǎn)生“刺激-反應(yīng)”現(xiàn)象，進(jìn)而形成“感知-行動(dòng)”機(jī)能。第八頁(yè)，共70頁(yè)。01關(guān)于機(jī)器人的感官外部傳感器（External

Sensors）：即感知外部環(huán)境的傳感器，感知來(lái)自客體（外部環(huán)境）信息或刺激，如：我們的眼睛，耳朵，鼻子，舌頭，身體等器官，主要功能或作用在于獲取環(huán)境的信息。傳感器是一種機(jī)電元件，它將被測(cè)物理量變換為電信號(hào)（一般為模擬量），這種電信號(hào)經(jīng)由模數(shù)電路（相當(dāng)于機(jī)器人的傳入神經(jīng)）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，可由計(jì)算機(jī)或電子計(jì)算器件（電腦）識(shí)別和處理。機(jī)器人的感官（傳感器），可以劃分為兩類：1.4機(jī)器人感官（傳感器）的分類內(nèi)部傳感器（Internal

Sensors）：即感知自身狀態(tài)的傳感器，感知主體的內(nèi)在狀態(tài)，如：慣性測(cè)量單元感知身體姿態(tài)，光電碼盤(pán)感知電機(jī)速度等。第九頁(yè)，共70頁(yè)。02機(jī)器人的眼睛和視覺(jué)2.1感知光照強(qiáng)度的視覺(jué)傳感器機(jī)器生命（自治移動(dòng)式機(jī)器人）的視覺(jué)來(lái)自光電傳感器，如光敏電阻、光電管、紅外傳感器、激光傳感器、數(shù)字?jǐn)z像儀等，它們是機(jī)器生命的眼睛。光敏電阻和光電管是基于半導(dǎo)體光電效應(yīng)的光電傳感器，是最基本的感光元件，可用于感知光的強(qiáng)度。Wiener的機(jī)器蠕蟲(chóng)擬采用光電管作為視覺(jué)器官。光電管基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)。光電二極管：正極由p型半導(dǎo)體構(gòu)成，而負(fù)極是n型半導(dǎo)體，其連接處形成一個(gè)pn結(jié)。第十頁(yè)，共70頁(yè)。02機(jī)器人的眼睛和視覺(jué)2.1感知光照強(qiáng)度的視覺(jué)傳感器無(wú)光照射時(shí)，光電二極管反向電阻大，電流小，此時(shí)，光電二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。受光照射時(shí)，光電二極管形成由n區(qū)指向p區(qū)的光電流

，光電二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，光照越強(qiáng)，形成的光電流越強(qiáng)。光敏二極管通過(guò)圖(b)所示的電路將光信號(hào)LIN變換為電信號(hào)VOUT。光電三極管：由三層半導(dǎo)體材料組成，形成兩個(gè)pn結(jié)，光電流被作為三極管基極電流而被放大，如圖(c)所示。因此，光電三極管對(duì)光照強(qiáng)度的變化較之光電二極管更為敏感。第十一頁(yè)，共70頁(yè)。光敏電阻：基于半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)。硫化鎘等半導(dǎo)體材料在光照下，其電導(dǎo)率會(huì)發(fā)生變化，光照越強(qiáng)，電導(dǎo)率越高。02機(jī)器人的眼睛和視覺(jué)2.1感知光照強(qiáng)度的視覺(jué)傳感器因此，由硫化鎘等半導(dǎo)體材料制成的光敏電阻的電阻值會(huì)隨光照強(qiáng)度的增大而下降，光照強(qiáng)度越大，其電阻值越低。光敏電阻通過(guò)圖3.3(d)所示的電路將光信號(hào)LIN

變換為電信號(hào)

VOUT。第十二頁(yè)，共70頁(yè)。光敏電阻和光電管只能感知光的強(qiáng)度，不能獲得影像。機(jī)器生命（自治移動(dòng)式機(jī)器人），為了獲得物體的影像，可采用紅外傳感器。02機(jī)器人的眼睛和視覺(jué)2.2紅外視覺(jué)傳感器紅外線非可見(jiàn)光，然而，基于物體色溫的不同分布，基于黑色物體吸收紅外光線而白色物體反射紅外光線的原理，紅外傳感器能感知物體的輪廓，同時(shí)，根據(jù)接收到的紅外光線的強(qiáng)度，紅外傳感器還能感知物體的距離。因此，選用紅外傳感器作為視覺(jué)器官，機(jī)器生命（自治移動(dòng)式機(jī)器人）就能在一定程度上捕獲物體的影像，從而識(shí)別環(huán)境或物體，跟蹤目標(biāo)，測(cè)定障礙物距離以避免碰撞。第十三頁(yè)，共70頁(yè)。02機(jī)器人的眼睛和視覺(jué)2.2紅外視覺(jué)傳感器在自治移動(dòng)式機(jī)器人的底部安裝紅外傳感器，檢測(cè)地面黑白相間的軌跡條文，可實(shí)現(xiàn)自治移動(dòng)式機(jī)器人對(duì)期望路徑的跟蹤。反射式紅外傳感器具有紅外線發(fā)射裝置和紅外線接收裝置，其工作原理如下圖所示。第十四頁(yè)，共70頁(yè)。紅外傳感器所能獲得的影像信息是微弱的和模糊的。02機(jī)器人的眼睛和視覺(jué)2.3數(shù)字?jǐn)z像視覺(jué)系統(tǒng)與紅外傳感器相比，數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)能為機(jī)器生命（自治移動(dòng)式機(jī)器人）提供更為豐富的影像信息。然而，數(shù)字?jǐn)z像儀提供的影像需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜地后處理，才能被機(jī)器生命（自治移動(dòng)式機(jī)器人）理解和利用。數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)捕獲的影像中，物體、人物、環(huán)境等的識(shí)別是機(jī)器視覺(jué)的一大課題，需要機(jī)器視覺(jué)、模式識(shí)別和人工智能等多學(xué)科參與解決。動(dòng)物和人通過(guò)眼睛觀察客觀世界的過(guò)程，不是單純地看，其中，更為重要的是理解。同樣地，機(jī)器人的眼睛不僅在于捕獲影像，還在于理解影像。第十五頁(yè)，共70頁(yè)。一般地，以數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)為視覺(jué)器官的自治移動(dòng)式機(jī)器人，其“看”的過(guò)程包括：捕獲影像，影像預(yù)處理（去除噪聲或進(jìn)行清晰化處理），影像變換以便于提取目標(biāo)，邊緣檢測(cè)以勾畫(huà)目標(biāo)輪廓，特征提取，理解或識(shí)別。02機(jī)器人的眼睛和視覺(jué)2.3數(shù)字?jǐn)z像視覺(jué)系統(tǒng)第十六頁(yè)，共70頁(yè)。單目數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)，只能獲得平面信息（2D信息），一般難以獲得3D信息（立體信息）。02機(jī)器人的眼睛和視覺(jué)2.4三維視覺(jué)系統(tǒng)獲取立體影像的方式和多：同樣地，立體影像的理解，也是機(jī)器視覺(jué)一大課題，同樣需要多學(xué)科參與解決?；趩文繑z像機(jī)，依靠移動(dòng)視覺(jué)和運(yùn)動(dòng)圖像獲取3D信息（立體影像），類似青蛙的方式。基于多目攝像機(jī)，雙目的（類似哺乳動(dòng)物的方式），三目的，復(fù)眼的（類似昆蟲(chóng)的方式）。第十七頁(yè)，共70頁(yè)。機(jī)器生命（自治移動(dòng)式機(jī)器人）的聽(tīng)覺(jué)來(lái)自聲電傳感器，如麥克和聲納，它們是機(jī)器生命的耳朵。03機(jī)器人的耳朵和聽(tīng)覺(jué)3.1麥克麥克有兩種類型：電動(dòng)式麥克和電容式麥克，其相似之處在于，都能將聲頻信號(hào)變換為電信號(hào)。電動(dòng)式麥克由振動(dòng)膜、音圈和永久磁體構(gòu)成，其工作原理如圖(a)所示：聲音使膜片振動(dòng)，并帶動(dòng)音圈在磁場(chǎng)中振動(dòng)，音圈振蕩式地切割磁場(chǎng)而產(chǎn)生對(duì)應(yīng)音頻的振蕩電流。第十八頁(yè)，共70頁(yè)。機(jī)器生命（自治移動(dòng)式機(jī)器人）的聽(tīng)覺(jué)來(lái)自聲電傳感器，如麥克和聲納，它們是機(jī)器生命的耳朵。03機(jī)器人的耳朵和聽(tīng)覺(jué)3.1麥克麥克有兩種類型：電動(dòng)式麥克和電容式麥克，其相似之處在于，都能將聲頻信號(hào)變換為電信號(hào)。電容式麥克采用超薄的鍍金振動(dòng)膜，利用極間電容的變化，直接將振動(dòng)膜的聲音轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其原理性電路如圖(b)所示：與電動(dòng)式麥克相比，電容式麥克具有較高的靈敏度和更好的音質(zhì)，且體積小。第十九頁(yè)，共70頁(yè)。機(jī)器生命（自治移動(dòng)式機(jī)器人）的聽(tīng)覺(jué)來(lái)自聲電傳感器，如麥克和聲納，它們是機(jī)器生命的耳朵。03機(jī)器人的耳朵和聽(tīng)覺(jué)3.1麥克麥克有兩種類型：電動(dòng)式麥克和電容式麥克，其相似之處在于，都能將聲頻信號(hào)變換為電信號(hào)。讓機(jī)器人或機(jī)器生命聽(tīng)見(jiàn)聲音是容易的。讓機(jī)器人或機(jī)器生命理解聲音，特別是理解自然語(yǔ)言，即理解人的語(yǔ)言，是困難的。自然語(yǔ)言理解是人工智能學(xué)科中一個(gè)專門(mén)的分支。理解聲音是機(jī)器人或機(jī)器生命的一大課題，需要聲學(xué)、語(yǔ)言學(xué)、模式識(shí)別和人工智能等多學(xué)科參與解決。第二十頁(yè)，共70頁(yè)。03機(jī)器人的耳朵和聽(tīng)覺(jué)3.2聲納：超聲波傳感器聲納，又稱超聲波傳感器，主要應(yīng)用于輪船、潛艇和魚(yú)雷等水中系統(tǒng)。實(shí)際上，聲納是一種仿生裝置，是模仿蝙蝠和海豚等哺乳動(dòng)物聽(tīng)覺(jué)器官的裝置。蝙蝠和海豚等哺乳動(dòng)物依靠耳朵“看”世界，它們有發(fā)射超聲波的器官，耳朵接收反射回來(lái)的超聲波，從而確定物體的位置、形狀，甚至其它復(fù)雜的特征。第二十一頁(yè)，共70頁(yè)。03機(jī)器人的耳朵和聽(tīng)覺(jué)3.2聲納：超聲波傳感器反射式超聲波傳感器有超聲波發(fā)射器和超聲波接收器，以RS-2410器件為例，其工作原理如圖所示。超聲波發(fā)射器：利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)，在壓電晶片的兩個(gè)電極面上施加交流電壓，使其產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)而發(fā)出超聲波。超聲波的頻率f取決于晶片的厚度d、聲波在壓電晶體內(nèi)的傳播速度c和諧波的次數(shù)n，即：第二十二頁(yè)，共70頁(yè)。03機(jī)器人的耳朵和聽(tīng)覺(jué)3.2聲納：超聲波傳感器反射式超聲波傳感器有超聲波發(fā)射器和超聲波接收器，以RS-2410器件為例，其工作原理如圖所示。超聲波接收器：基于壓電效應(yīng)，在壓電晶體軸的兩端施加超聲波，使軸的兩個(gè)端面形成頻率與超聲波頻率相同的交變電流，其幅值與超聲波的強(qiáng)度成正比。無(wú)線電波難以在水中傳播，而聲波在水中卻無(wú)傳播的困難。因此，聲納對(duì)于水下機(jī)器人尤為重要。第二十三頁(yè)，共70頁(yè)。04機(jī)器人的鼻子和嗅覺(jué)動(dòng)物的嗅覺(jué)器官是鼻子。許多動(dòng)物都有敏銳的嗅覺(jué)，如狗能嗅到極低濃度的氣味，能鑒別上萬(wàn)種不同的氣味。機(jī)器人（機(jī)器生命）也可以擁有自己的鼻子和嗅覺(jué)。機(jī)器人（機(jī)器生命）的嗅覺(jué)來(lái)自氣敏傳感器。氣敏傳感器也即嗅覺(jué)傳感器，是機(jī)器生命的鼻子，能感知各種有毒氣體，以及易燃和易爆氣體，如：一氧化碳、汞蒸汽、氫氣、氟利昂、液化石油氣等。4.1機(jī)器人的鼻子：氣敏傳感器氣敏傳感器可分為物理的和化學(xué)的。物理氣敏傳感器又可分為半導(dǎo)體、熱傳導(dǎo)、光和紅外等不同類型。第二十四頁(yè)，共70頁(yè)。04機(jī)器人的鼻子和嗅覺(jué)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，某些金屬氧化物，如二氧化錫（SnO2）、三氧化二鐵（Fe2O3）、二氧化鋅（ZnO2）等，當(dāng)其處于加熱狀態(tài)時(shí)，其電導(dǎo)率會(huì)因接觸到某些氣體分子而變化，或增大，或減小。4.2以半導(dǎo)體氣敏傳感器為例右圖是SnO2氣敏傳感器的原理性電路，其中，SnO2相當(dāng)于氣敏電阻RS，當(dāng)H2和CO等氣體分子與加熱的SnO2接觸時(shí)，氣敏電阻RS電阻值上升，氣體分子濃度GIN越大，電阻值RS越大，于是，氣體分子濃度信號(hào)可變換為電壓信號(hào)VOUT。第二十五頁(yè)，共70頁(yè)。04機(jī)器人的鼻子和嗅覺(jué)具有嗅覺(jué)的機(jī)器生命可用于各種危險(xiǎn)環(huán)境，監(jiān)測(cè)異常情況，感知有害氣體，例如：4.3有鼻子的機(jī)器人能做什么？在采煤井下監(jiān)測(cè)瓦斯，特別地，煤礦發(fā)生瓦斯爆炸時(shí)，機(jī)器生命能深入井下，報(bào)告井下瓦斯?jié)舛?，輔助搜救工作?；蛟S，我們還能設(shè)計(jì)出機(jī)器緝毒犬，它能嗅出毒品的氣味?；蛟S，我們還能設(shè)計(jì)出機(jī)器警犬，它能像普通的警犬一樣，搜尋疑犯。第二十六頁(yè)，共70頁(yè)。05機(jī)器人的舌頭和味覺(jué)動(dòng)物的味覺(jué)器官是舌頭。人有豐富的味覺(jué)，人的舌頭能感知酸、甜、苦、辣、咸等各種味道。機(jī)器人（機(jī)器生命）也可以擁有自己的舌頭和味覺(jué)。機(jī)器人（機(jī)器生命）的味覺(jué)來(lái)自于液敏傳感器。液敏傳感器也即味覺(jué)傳感器，是機(jī)器生命的舌頭，不僅能感知液體味道，還能測(cè)定液體的成份。5.1機(jī)器人的舌頭：液敏傳感器味覺(jué)傳感器與嗅覺(jué)傳感器具有相同的特征，均在于測(cè)定物質(zhì)成份及其含量。嗅覺(jué)傳感器測(cè)定氣體成份，而味覺(jué)傳感器測(cè)定液體成份。第二十七頁(yè)，共70頁(yè)。05機(jī)器人的舌頭和味覺(jué)測(cè)定液體的成份并不難。然而，欲將液體成份及其含量的信息迅速地，或?qū)崟r(shí)地，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并不是一件容易的事。生物敏感膜是制造味覺(jué)傳感器的一種重要材料。日本人將一種與人舌細(xì)胞膜相近的脂質(zhì)膜貼在高分子芯片上，制造出了靈敏度10倍于人舌的味覺(jué)傳感器。5.2日本人的生物敏感膜這種味覺(jué)傳感器原理在于：當(dāng)脂質(zhì)膜接觸特定味道的液體時(shí)，高分子芯片就會(huì)敏感地和快速地產(chǎn)生反應(yīng)，實(shí)時(shí)地形成相應(yīng)的電位差。第二十八頁(yè)，共70頁(yè)。05機(jī)器人的舌頭和味覺(jué)5.2有舌頭的機(jī)器人能做什么？有了味覺(jué)傳感器，我們或許能設(shè)計(jì)出機(jī)器品酒師。機(jī)器品酒師將能比人更為客觀地且更為準(zhǔn)確地鑒別或鑒定各種酒精飲料。味覺(jué)傳感器可用于水下機(jī)器人，特別是深海探測(cè)機(jī)器人。具有味覺(jué)的機(jī)器人，可下潛到深水湖底進(jìn)行作業(yè)，可進(jìn)入洞穴探測(cè)暗河，探測(cè)地下水源。具有味覺(jué)的機(jī)器人，可用于食品工業(yè)流程，監(jiān)控食品生產(chǎn)，測(cè)定飲料以及其它食品的成分。具有味覺(jué)的機(jī)器人，可用于化學(xué)工業(yè)過(guò)程，監(jiān)控化工生產(chǎn)過(guò)程，測(cè)定生產(chǎn)過(guò)程中各種化學(xué)物質(zhì)的成分。第二十九頁(yè)，共70頁(yè)。06機(jī)器人的身和觸覺(jué)6.1關(guān)于觸覺(jué)人的神經(jīng)系統(tǒng)包括三部分：中樞神經(jīng)系統(tǒng)周?chē)窠?jīng)系統(tǒng)自主神經(jīng)系統(tǒng)機(jī)器人（機(jī)器生命）也需要觸覺(jué)。機(jī)器人（機(jī)器生命）的觸覺(jué)來(lái)自觸覺(jué)傳感器。觸覺(jué)傳感器的形式和種類很多，最典型的應(yīng)該是壓電傳感器。周?chē)窠?jīng)系統(tǒng)遍布于人的頭、面、軀干，以及四肢，我們的身體，特別是皮膚，也就因此而具有了各種感覺(jué)，其中，最重要的是觸覺(jué)。第三十頁(yè)，共70頁(yè)。壓電觸覺(jué)傳感器的原理在于電介質(zhì)的壓電效應(yīng)。06機(jī)器人的身和觸覺(jué)6.2壓電觸覺(jué)傳感器某些電介質(zhì)，如石英晶體（SiO2），當(dāng)其在力的作用下發(fā)生形變時(shí)，內(nèi)部就出現(xiàn)極化現(xiàn)象，兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，而外力消失后又能恢復(fù)其不帶電的狀態(tài)，這就是壓電效應(yīng)。壓電晶體電荷極性與受力方向的關(guān)系第三十一頁(yè)，共70頁(yè)。06機(jī)器人的身和觸覺(jué)6.2壓電觸覺(jué)傳感器壓電晶體在外力

作用下所形成的電荷的極性與作用力

FT的方向相關(guān)，而形成的電荷的量qT與作用力

FT的大小成正比，即：利用壓電效應(yīng)，我們就能把觸摸的力

FT變換為電信號(hào)

VOUT。壓電元件等效電路與電荷放大第三十二頁(yè)，共70頁(yè)。06機(jī)器人的身和觸覺(jué)6.2壓電觸覺(jué)傳感器在壓電元件的等效電路中，C1

為內(nèi)部電容，VO

為開(kāi)路電壓。VO

與電荷量

qT成正比，即：VO=qT/C1。壓電晶體在外力作用下產(chǎn)生的電荷量是微小的，需要經(jīng)過(guò)電荷放大器的放大方能推動(dòng)負(fù)載RL。有了觸覺(jué)傳感器，機(jī)器生命就能感知主體與客體的接觸，能感知接觸的力度，因而能避障，靈巧地使用機(jī)械手抓握物體，甚至還能區(qū)分敲打與撫摸。第三十三頁(yè)，共70頁(yè)。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.1關(guān)于機(jī)器人的內(nèi)部傳感器內(nèi)部傳感器（Internal

Sensor），是測(cè)量主體（機(jī)器人自身）狀態(tài)的傳感器。內(nèi)部傳感器（Internal

Sensor），主要測(cè)量機(jī)器人自身（電機(jī)關(guān)節(jié)肢體本體）的：位移（角位移）：位置傳感器（Position

Sensor）速度（角速度）：速度傳感器（Velocity

Sensor）加速度（角加速度）：加速度傳感器（Acceleration

Sensor）對(duì)于機(jī)器人的內(nèi)部傳感器，一般要求：精度高。特別地，出于實(shí)時(shí)控制的需要，更需要：響應(yīng)速度快。第三十四頁(yè)，共70頁(yè)。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.1關(guān)于機(jī)器人的內(nèi)部傳感器位移可以有兩種：線位移，角位移；對(duì)應(yīng)地，有：線速度和角速度；線加速度和角加速度。在內(nèi)部傳感器中，位置傳感器（Position

Sensor）和速度傳感器（Velocity

Sensor）又稱：伺服傳感器（Servo

Sensor），是機(jī)器人反饋控制系統(tǒng)中不可或缺的元件。通過(guò)對(duì)位置（Position）和速度（Velocity）的微分，可以得到速度，加速度，加加速度，將其帶入機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和動(dòng)力學(xué)方程，可以得到更多關(guān)于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的各種實(shí)時(shí)控制。由于機(jī)器人主要采用旋轉(zhuǎn)馬達(dá)作動(dòng)力，所以，常常使用角度，角速度，角加速度傳感器。第三十五頁(yè)，共70頁(yè)。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.2機(jī)器人的位置傳感器設(shè)定位置和設(shè)定角度的檢測(cè)：微型開(kāi)關(guān)微行開(kāi)關(guān)（Micro

Switch），通常作為限位開(kāi)關(guān)（Limit

Switch）實(shí)用，當(dāng)其設(shè)定的位置受到一定的力的作用時(shí)，微型開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，發(fā)出電信號(hào)。限位開(kāi)關(guān)的種類Walter的前端有一個(gè)靈敏開(kāi)關(guān)，當(dāng)其在行進(jìn)過(guò)程中遇到障礙物或斜坡時(shí)，其甲殼會(huì)擺動(dòng)，并觸及靈敏開(kāi)關(guān)，促使其導(dǎo)通。第三十六頁(yè)，共70頁(yè)。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.2機(jī)器人的位置傳感器位置和角度的檢測(cè)：電位器電位器（Potentiometer），是古老的元件，通常應(yīng)用于無(wú)線電收音機(jī)等電子設(shè)備的音量控制。電位器由環(huán)狀或棒狀的電阻絲和滑動(dòng)片（電刷）組成。角度或位移與電位e成正比第三十七頁(yè)，共70頁(yè)。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.2機(jī)器人的位置傳感器位置和角度的檢測(cè)：編碼器編碼器（Encoder），是一種數(shù)字光學(xué)器件，可將運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖序列。計(jì)算脈沖的個(gè)數(shù)，或?qū)σ唤M脈沖進(jìn)行編碼，就可以獲得運(yùn)動(dòng)的位移量。測(cè)量線位移的編碼器叫直線編碼器（Linear

Encoder）；測(cè)量角位移的編碼其叫旋轉(zhuǎn)編碼器（Rotary

Encoder）編碼器測(cè)量的位移量，可以是相對(duì)量，也可以是絕對(duì)量。因此，編碼器可以分為：增量型編碼器：Incremental

Type

Encoder絕對(duì)型編碼器：Absolute

Type

Encoder第三十八頁(yè)，共70頁(yè)。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.2機(jī)器人的位置傳感器位置和角度的檢測(cè)：增量型編碼器增量直線編碼器（Incremental

Linear

Type）的原理，如下圖所示，通過(guò)對(duì)某一時(shí)間窗口中脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以獲得該時(shí)間間隔中直線位移的增量。增量直線編碼器增量旋轉(zhuǎn)編碼器的原理是相似的，通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，可獲得角度位移增量。增量旋轉(zhuǎn)編碼器第三十九頁(yè)，共70頁(yè)。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.2機(jī)器人的位置傳感器位置和角度的檢測(cè)：絕對(duì)型編碼器絕對(duì)直線編碼器（Absolute

Linear

Type）的原理，如下圖所示：通過(guò)對(duì)直線位置進(jìn)行編碼，每一個(gè)直線位置被賦予了一個(gè)絕對(duì)值。絕對(duì)值直線編碼器位置的絕對(duì)值：16+2+1=19第四十頁(yè)，共70頁(yè)。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.2機(jī)器人的位置傳感器位置和角度的檢測(cè)：絕對(duì)型編碼器絕對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器（Absolute

Rotary

Type）的原理，是相似的：通過(guò)對(duì)角度位置進(jìn)行編碼，每一個(gè)角度位置也被賦予了一個(gè)絕對(duì)值。圖中的掃描位置：位置的絕對(duì)值：4+1=5絕對(duì)值旋轉(zhuǎn)編碼器碼盤(pán)第四十一頁(yè)，共70頁(yè)。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.2機(jī)器人的位置傳感器位置和角度的檢測(cè)：判斷位移的方向無(wú)論是增量型編碼器（依靠脈沖計(jì)數(shù)確定位移），還是絕對(duì)值型編碼器（依靠脈沖編碼確定位移），都將面臨位移方向（旋轉(zhuǎn)方向）的問(wèn)題。為了判斷位移（旋轉(zhuǎn)）的方向，編碼器碼盤(pán)一般會(huì)提供相位差為90的A相和B相兩路輸出。碼盤(pán)A相和B相信號(hào)處理當(dāng)A相和B相的相位差反向時(shí)，意味著：位移（旋轉(zhuǎn)）方向發(fā)生了變化。通過(guò)A相和B相上升沿（下降沿）的時(shí)間差，可以判斷其是否出現(xiàn)了相位反向。對(duì)A

B相進(jìn)行邏輯運(yùn)算，可進(jìn)一步提高碼盤(pán)的分辨率。第四十二頁(yè)，共70頁(yè)。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.3機(jī)器人的速度傳感器基于位置傳感器的速度測(cè)量實(shí)際上，所有的位置傳感器，都可以用作速度傳感器，對(duì)速度（角速度）進(jìn)行測(cè)量（計(jì)算）。例如：增量式編碼器給出的脈沖數(shù)，除以消耗的時(shí)間，即可獲得速度（角速度）。古老的公式：速度=位移÷時(shí)間速度是位移的一階微分，微分運(yùn)算傾向于放大噪聲。機(jī)器人控制系統(tǒng)的采樣時(shí)間間隔一般為毫秒級(jí)。假設(shè)為10毫秒，則按上面的公式，位移噪聲將被放大100倍。第四十三頁(yè)，共70頁(yè)。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.3機(jī)器人的速度傳感器測(cè)速發(fā)電機(jī)（Tachometer

Generator）測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)量角速度（旋轉(zhuǎn)速度）的原理：如果線圈在恒定磁場(chǎng)中發(fā)生位移，那么，線圈兩端的感應(yīng)電壓

E與線圈內(nèi)交變磁通的變化率，成正比，即：E

=

d

/dt簡(jiǎn)單地說(shuō)，測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出的電壓E，與其電樞的旋轉(zhuǎn)速度成正比，即：E，因此，根據(jù)測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出的電壓，我們就能計(jì)算出電樞的旋轉(zhuǎn)速度。測(cè)速發(fā)電機(jī)，又稱為：轉(zhuǎn)速計(jì)（Tachometer），或比率發(fā)電機(jī)（Rate

Generator），是基于發(fā)電機(jī)原理的速度傳感器（角速度傳感器）。第四十四頁(yè)，共70頁(yè)。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.4機(jī)器人的加速度傳感器基于位置和速度傳感器測(cè)量加速度實(shí)際上，所有的位置傳感器和速度傳感器，都可以用作加速度傳感器，對(duì)加速度（角加速度）進(jìn)行測(cè)量（計(jì)算）。然而，需要指出的是：由位移換算速度，或由速度換算加速度，需要1階微分運(yùn)算；由位移換算加速度，需要2階微分運(yùn)算。微分運(yùn)算傾向于放大噪聲。以10毫秒采樣間隔為例，由位移換算加速度，位移噪聲將被放大10000倍。因此，為了獲得精確的加速度測(cè)量值，我們需要直接測(cè)量加速度的物理（硬）傳感器。反過(guò)來(lái)，通過(guò)積分，由加速度換算速度或位移，可以抑制噪聲，獲得較為精確的速度值和位移值。通過(guò)換算（如由位移獲得速度）的測(cè)量，被稱為“軟”測(cè)量。第四十五頁(yè)，共70頁(yè)。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.4機(jī)器人的加速度傳感器基于力傳感器測(cè)量加速度：壓電加速度傳感器這里所說(shuō)的力傳感器（Force

Sensor），就是我們前面曾經(jīng)提到過(guò)基于壓電晶體的壓電觸覺(jué)傳感器。某些電介質(zhì)，如石英晶體（SiO2），當(dāng)其在力的作用下發(fā)生形變時(shí)，內(nèi)部就出現(xiàn)極化現(xiàn)象，兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，而外力消失后又能恢復(fù)其不帶電的狀態(tài)，這就是壓電效應(yīng)。壓電晶體電荷極性與受力方向的關(guān)系第四十六頁(yè)，共70頁(yè)。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.4機(jī)器人的加速度傳感器基于力傳感器測(cè)量加速度：壓電加速度傳感器壓電晶體在外力

作用下所形成的電荷的極性與作用力

FT的方向相關(guān)，而形成的電荷的量qT與作用力

FT的大小成正比，即：利用壓電效應(yīng)，我們就能把力

FT變換為電信號(hào)

VOUT。壓電元件等效電路與電荷放大第四十七頁(yè)，共70頁(yè)。壓電晶體在外力作用下產(chǎn)生的電荷量是微小的，需要經(jīng)過(guò)電荷放大器的放大方能推動(dòng)負(fù)載RL。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.4機(jī)器人的加速度傳感器基于力傳感器測(cè)量加速度：壓電加速度傳感器在壓電元件的等效電路中，C1

為內(nèi)部電容，VO

為開(kāi)路電壓。VO

與電荷量

qT成正比，即：VO=qT/C1。有了代表力FT

的電壓值VOUT，根據(jù)牛頓第二定律，即可換算出施加力的物質(zhì)（m）的加速度：第四十八頁(yè)，共70頁(yè)。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.5機(jī)器人的姿態(tài)傳感器一個(gè)剛體，在3D空間中，有3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，它們分別地對(duì)應(yīng)著剛體在3D空間中3種不同的姿態(tài)。X（滾轉(zhuǎn)軸）Y（偏航軸）Z（俯仰軸）飛機(jī)的姿態(tài)示意圖關(guān)于機(jī)器人的姿態(tài)第四十九頁(yè)，共70頁(yè)。(a)飛機(jī)的俯仰姿態(tài)俯仰角07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.5機(jī)器人的姿態(tài)傳感器一個(gè)剛體，在3D空間中，有3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，它們分別地對(duì)應(yīng)著剛體在3D空間中3種不同的姿態(tài)。(c)飛機(jī)的偏航姿態(tài)偏航角關(guān)于機(jī)器人的姿態(tài)(b)飛機(jī)的橫滾姿態(tài)橫滾角第五十頁(yè)，共70頁(yè)。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.5機(jī)器人的姿態(tài)傳感器關(guān)于機(jī)器人的姿態(tài)機(jī)器人在3D空間中3種不同的姿態(tài)。第五十一頁(yè)，共70頁(yè)。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.5機(jī)器人的姿態(tài)傳感器姿態(tài)傳感器（Posture

Sensor），是能夠檢測(cè)重力方向或姿態(tài)角變化（角速度）的傳感器，常用于飛行器和機(jī)器人的姿態(tài)檢測(cè)。那么，我們?cè)鯓硬拍苤?，在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，一個(gè)剛體（一個(gè)飛行器或一個(gè)機(jī)器人）的姿態(tài)是什么樣的呢？或者說(shuō)，剛體（飛行器或機(jī)器人）的姿態(tài)怎樣測(cè)量呢？運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（如飛行器或機(jī)器人）的姿態(tài)測(cè)量問(wèn)題，是一個(gè)重要的問(wèn)題。沒(méi)有姿態(tài)信息，我們就無(wú)法控制船舶的航向，飛機(jī)的俯仰，機(jī)器人的姿態(tài)平衡。怎樣測(cè)量機(jī)器人的姿態(tài)？第五十二頁(yè)，共70頁(yè)。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.5機(jī)器人的姿態(tài)傳感器為什么不使用電位器或編碼器等角位移傳感器，和測(cè)速發(fā)電機(jī)等角速度傳感器，來(lái)測(cè)量剛體的姿態(tài)（如飛機(jī)的俯仰角，橫滾角，偏航角）呢？電位器，或編碼器等角位移傳感器，以及測(cè)速發(fā)電機(jī)等角速度傳感器，具有自己固定的轉(zhuǎn)軸，一般需要被測(cè)物體也有固定的轉(zhuǎn)軸，如：測(cè)量電動(dòng)機(jī)的角位移或角速度時(shí)，電動(dòng)機(jī)的角位移量和角速度值，需要通過(guò)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸，傳遞給角位移傳感器或角速度傳感器的轉(zhuǎn)軸。然而，對(duì)于一般的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（如飛行器或機(jī)器人）的姿態(tài)角，這樣的固定轉(zhuǎn)軸是不存在的。因此，編碼器或測(cè)速發(fā)電機(jī)等，是不能用于一般物體姿態(tài)測(cè)量的。怎樣測(cè)量機(jī)器人的姿態(tài)？第五十三頁(yè)，共70頁(yè)。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.5機(jī)器人的姿態(tài)傳感器最常見(jiàn)的姿態(tài)傳感器（Posture

Sensor），是陀螺傳感器（Gyroscope

Sensor）。陀螺傳感器（Gyroscope

Sensor），是檢測(cè)隨剛體轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生角位移或角速度的傳感器，即使沒(méi)有安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，也能檢測(cè)剛體的角位移或轉(zhuǎn)動(dòng)速度，因此，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)，導(dǎo)彈，衛(wèi)星，以及機(jī)器人系統(tǒng)。姿態(tài)傳感器（Posture

Sensor），是能夠檢測(cè)重力方向或姿態(tài)角變化（角速度）的傳感器，可用于檢測(cè)轉(zhuǎn)軸不固定或無(wú)固定轉(zhuǎn)軸的物體的角位移或角速度。因此，常用于飛行器和機(jī)器人的姿態(tài)檢測(cè)。怎樣測(cè)量機(jī)器人的姿態(tài)？第五十四頁(yè)，共70頁(yè)。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.5機(jī)器人的姿態(tài)傳感器陀螺儀（Gyroscope）簡(jiǎn)介繞一個(gè)支點(diǎn)，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的剛體，被稱為陀螺（Top）。陀螺具有軸向不變的特性。這是陀螺為什么不倒的原因。同時(shí)，在一定的初始條件和一定的外力矩作用下，陀螺會(huì)在不停自轉(zhuǎn)的同時(shí)，還繞著另一個(gè)固定的轉(zhuǎn)軸不停地旋轉(zhuǎn)，這就是陀螺的旋進(jìn)（Precession），又稱為回轉(zhuǎn)效應(yīng)（GyroscopicEffect）。第五十五頁(yè)，共70頁(yè)。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.5機(jī)器人的姿態(tài)傳感器利用陀螺的力學(xué)性質(zhì)，人們制作了各種功能的陀螺裝置，稱為陀螺儀（Gyroscope）。陀螺儀（Gyroscope）簡(jiǎn)介陀螺儀在眾多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，比如：回轉(zhuǎn)羅盤(pán)，定向指示儀，炮彈的翻轉(zhuǎn)，陀螺的章動(dòng)，地球在太陽(yáng)（月球）引力矩作用下的旋進(jìn)（歲差）等。(a)機(jī)械陀螺(b)電子陀螺(c)光纖陀螺第五十六頁(yè)，共70頁(yè)。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.5機(jī)器人的姿態(tài)傳感器準(zhǔn)確地說(shuō)，一個(gè)繞對(duì)稱軸高速旋轉(zhuǎn)的飛輪或轉(zhuǎn)子（Rotor）叫陀螺（Top）；而將陀螺安裝在一定的框架上（Gyroscope

Frame），使陀螺的自轉(zhuǎn)軸有角自由度，如此構(gòu)成的裝置叫做陀螺儀（Gyroscope）。從力學(xué)的觀點(diǎn)近似的分析陀螺的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以把它看成是一個(gè)剛體，剛體上有一個(gè)萬(wàn)向支點(diǎn)，而陀螺可以繞著這個(gè)支點(diǎn)作三個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以陀螺的運(yùn)動(dòng)是屬于剛體繞一個(gè)定點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。陀螺儀的基本部件第五十七頁(yè)，共70頁(yè)。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.5機(jī)器人的姿態(tài)傳感器陀螺儀的基本部件有：陀螺儀的基本部件陀螺轉(zhuǎn)子

常采用同步電機(jī)，磁滯電機(jī)，三相交流電機(jī)等拖動(dòng)方法，來(lái)使陀螺轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，并使其轉(zhuǎn)速近似為常值。(2) 內(nèi)環(huán)和外環(huán)（平衡環(huán)）

是使陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的框架結(jié)構(gòu)。(3) 附件

力矩馬達(dá)和信號(hào)傳感器等。第五十八頁(yè)，共70頁(yè)。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.5機(jī)器人的姿態(tài)傳感器陀螺儀的基本原理是：高速旋轉(zhuǎn)的物體具有軸向不變的特性，即，一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向，在不受外力影響時(shí)，是不會(huì)改變的。陀螺儀的原理陀螺儀啟動(dòng)時(shí)，需要一個(gè)力，使它快速旋轉(zhuǎn)起來(lái)，一般需要達(dá)到每分鐘幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)，然后，用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動(dòng)將數(shù)據(jù)信號(hào)傳給控制系統(tǒng)。陀螺儀中的轉(zhuǎn)子具有軸向穩(wěn)定性（軸向不變性），當(dāng)飛機(jī)或?qū)椈驒C(jī)器人姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)，必定與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸形成角度差（角位移），這樣，我們就能觀察到（檢測(cè)到）飛機(jī)或?qū)椈驒C(jī)器人的姿態(tài)變化。第五十九頁(yè)，共70頁(yè)。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.5機(jī)器人的姿態(tài)傳感器有各種不同類型的陀螺儀，機(jī)械陀螺儀是最古老的，并且，已經(jīng)逐漸地被淘汰。然而，通過(guò)機(jī)械陀螺儀理解陀螺儀的原理，仍然是學(xué)習(xí)和理解陀螺儀原理的最佳途徑。陀螺儀的原理第六十頁(yè)，共70頁(yè)。07機(jī)器人的內(nèi)部傳感器7.5機(jī)器人的姿態(tài)傳感器根據(jù)框架的數(shù)目和支承的形式以及附件的性質(zhì)決定陀螺儀的類型有：(1) 三自由度陀螺儀：具有內(nèi)環(huán)和外兩個(gè)框架，使轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；(2) 二自由度陀螺儀：只有一個(gè)框架，轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸因而只具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。陀螺儀的不同類型機(jī)械陀螺儀是最古老的，在它之后，發(fā)展出了許多新型的陀螺儀，如：電氣陀螺，電子陀螺，微機(jī)電陀螺，靜電式自由轉(zhuǎn)子陀螺儀，撓性陀螺儀，光纖陀螺儀，以及激光陀螺儀等。第六十一頁(yè)，共70頁(yè)。08GPS

與絕對(duì)坐標(biāo)位置內(nèi)部傳感器（Internal

Sensor）與外部傳感器（External

Sensor）不是絕對(duì)的。內(nèi)部傳感器與外部傳感器之間，沒(méi)有絕然的界限。有一種傳感器，即可歸屬內(nèi)部傳感器，又可歸屬外部傳感器，這就是GPS系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)，即“全球定位系統(tǒng)”（Global

Positioning

System，GPS）。GPS系統(tǒng)，利用人造衛(wèi)星進(jìn)行定位，可以測(cè)量和標(biāo)定移動(dòng)物體在地球上的絕對(duì)坐標(biāo)位置。如果我們把被測(cè)定的位置視為環(huán)境的坐標(biāo)，那么，GPS系統(tǒng)可視為機(jī)器人的外部傳感器；如果我們把被測(cè)定的位置視為機(jī)器人地