傳感器技術在機器人技術中的應用研究

畢業(yè)論文班級：科目：工業(yè)機器人姓名：學號：指導老師：傳感器技術在機器人技術中的應用研究【摘要】傳感器是用來檢測機器人自身的工作狀態(tài)，以及機器人智能探測外部工作環(huán)境和對象狀態(tài)的核心部件。能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。本文首先介紹了常用傳感器的工作原理、基本結構、使用特點，并討論了傳感器在智能機器人中的應用。【關鍵詞】傳感器；機器人；視覺傳感器；力覺傳感器；觸覺傳感器1.傳感器的工作原理及典型應用傳感器在工業(yè)中的應用非常的廣泛，是當今科技產(chǎn)業(yè)是新技術革命和信息社會的重要技術基礎，是當今世界極其重要的高科技，一切現(xiàn)代化儀器、設備幾乎都離不開傳感器。它廣泛應用于各種新型技術領域中，下面列舉幾種常見的傳感器：應變式傳感器：有應變效應、壓阻效應的原理而來。力傳感器、壓力傳感器液體重量傳感器、加速度傳感器是它的典型應用；電感式傳感器：利用電磁感應(自感、互感)來工作，主要應用于測量位移、振幅、轉速和無損探傷等；電容式傳感器：將非電量轉換為電容量，它的核心部分是可變參數(shù)的電容器。把被測的機械量，如位移、壓力等轉換為電容量變化的傳感器；壓電式傳感器：是基于壓電效應應用的傳感器，它的核心部件是壓電材料。應用于測量力和能變換為力的非電物理量；磁電式傳感器：利用電磁感應來工作，適用于動態(tài)測量，例如霍爾傳感器；熱電式傳感器：基于熱電效應的原理而制造出來的傳感器，利用溫度的變化來進行測量，一般用于溫度測量、管道流量測量等；光電式傳感器：基于光電效應的傳感器，將光電信號轉換成電信號輸出，來測量位移、速度、溫度等，例如CCD固體圖像傳感器、光纖傳感器等；紅外傳感器：紅外輻射，被動式人體移動檢測儀紅外測溫儀、紅外線氣體分析儀；微波傳感器：反射原理、吸附效應，微波液位計、輻射計、物位計,微波溫度傳感器、無損探測儀、多普勒傳感器；超聲波傳感器：壓電效應、磁致伸縮效應，測量物位、流量、厚度、探傷；數(shù)字式傳感器：光柵原理、光電效應，機床定位、長度和角度的計量儀器；2.傳感器在機器人中的應用機器人能智能探測發(fā)現(xiàn)工作對象及對工作對象進行處理加工，都是因為在機器人相應部位裝備了傳感器，機器人才具備了類似于人類的視覺功能、運動協(xié)調和觸覺反饋。智能機器人能對工作對象進行檢測或在惡劣環(huán)境中工作是因為裝備了觸覺傳感器、視覺傳感器、力覺傳感器、光敏傳感器、超聲波傳感器和聲學傳感器等，有了傳感器的應用才大大改善智能機器人知覺功能和反應能力，使其能夠更靈活、更妥善地完成各種復雜的工作。根據(jù)傳感器在機器人中應用的不同可分為機器人內部檢測傳感器和機器人外部探測傳感器。（1）機器人內部傳感器是用于檢測機器人自身的工作狀態(tài)（如調整前進速度）的傳感器。多為檢測速度和角度的傳感器。（2）機器人外部傳感器檢測機器人外部工作環(huán)境（如是什么工作對象，離工作對象的距離的遠近等）及工作狀況（如機器人手臂的抓取是否成功）的傳感器。具體有工作對象識別傳感器、工作對象探測傳感器、距離感應傳感器、力覺傳感器，聲控傳感器等。2.1視覺機器人傳感器二十世紀五十年代后期出現(xiàn)，是機器人中最重要的傳感器之一。二十世紀七十年代以后，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。2.1.1超聲波傳感器超聲波傳感器是視覺傳感器的一種。它的主要用途：（1）實時地檢測自身所處空間的位置，用以進行自定位；（2）實時地檢測障礙物，為行動決策提供依據(jù)；（3）檢測目標姿態(tài)以及進行簡單形體的識別；（4）用于導航目標跟蹤。2.2力覺傳感器機器人力傳感器就安裝部位來講，可以分為關節(jié)力傳感器、腕力傳感器和指力傳感器。通常我們將機器人的力傳感器分為三類：（1）裝在關節(jié)驅動器上的力傳感器，稱為關節(jié)力傳感器。用于控制中的力反饋。（2）裝在末端執(zhí)行器和機器人最后一個關節(jié)之間的力傳感器，稱為腕力傳感器。（3）裝在機器人手爪指關節(jié)（或手指上）的力傳感器，稱為指力傳感器。2.3觸覺傳感器作為視覺的補充，觸覺能感知目標物體的表面性能和物理特性：柔軟性、硬度、彈性、粗糙度和導熱性等。對它的研究從20世紀80年代初開始，到20世紀90年代初已取得了大量的成果。一般認為觸覺包括接觸覺、壓覺、滑覺、力覺四種，狹義的觸覺按字面上來看是指前三種感知接觸的感覺。2.3.1接觸覺傳感器接觸覺傳感器可以分為：（1）開關式觸覺傳感器；（2）壓阻式陣列觸覺傳感器；（3）光學式觸覺傳感器；（4）電容式陣列觸覺傳感器等。2.3.2壓覺傳感器壓覺傳感器又稱為壓力覺傳感器，可分為：（1）單一輸出值壓覺傳感器；（2）多輸出值的分布式壓覺傳感器。3.3.3滑覺傳感器機械手一般采用兩種抓取方式：硬抓取和軟抓取。硬抓?。o感知時采用）：末端執(zhí)行器利用最大的夾緊力抓取工件。軟抓?。ㄓ谢X傳感器時采用）：末端執(zhí)行器使夾緊力保持在能穩(wěn)固抓取工件的最小值，以免損傷工件。2.4接近覺傳感器研究它的目的是是使機器人在移動或操作過程中獲知目標（障礙）物的接近程度，移動機器人可以實現(xiàn)避障，操作機器人可避免手爪對目標物由于接近速度過快造成的沖擊。如果線圈沿著與磁場垂直的方向運動，在線圈中便可產(chǎn)生與線圈速度成正比的感應電壓，通過測量電路測得其電壓的大小，便可得出速度的大小。壓電式加速度傳感器它也稱為壓電式加速度計，他是利用壓電效應制成的一種加速度傳感器。常見的結構形式有基于壓電元件厚度變形的壓縮式加速度傳感器、基于壓電元件剪切變形的剪切式和復合型加速度傳感器。機器人外部傳感器力或力矩傳感器機器人在工作時，需要有合理的握力，握力太小或太大都不合適。力或力矩傳感器的種類很多，有電阻應變片式、壓電式、電容式、電感式以及各種外力傳感器。力或力矩傳感器通過彈性敏感元件將被測力或力矩轉換成某種位移量或變形量，然后通過各自的敏感介質把位移量或變形量轉換成能夠輸出的電量。機器人常用的力傳感器分以下三類。裝在關節(jié)驅動器上的力傳感器，稱為關節(jié)傳感器。它測量驅動器本身的輸出力和力矩。用于控制中力的反饋。裝在末端執(zhí)行器和機器人最有一個關節(jié)之間的力傳感器，稱為腕力傳感器。它直接測出作用在末端執(zhí)行器上的力和力矩。裝在機器人手爪指（關節(jié)）上的力傳感器，稱為指力傳感器，它用來測量夾持物體時的受力情況。觸覺傳感器人的觸覺包括接觸覺、壓覺、力覺、冷熱覺、滑動覺、痛覺等。在機器人中，使用觸覺傳感器主要有三方面的作用：i.使操作動作使用，如感知手指同對象物之間的作用力，便可判定動作是否適當，還可以用這種力作為反饋信號，通過調整，使給定的作業(yè)程序實現(xiàn)靈活的動作控制。這一作用是視覺無法代替的。ii.識別操作對象的屬性，如規(guī)格、質量、硬度等，有時可以代替視覺進行一定程度的形狀識別，在視覺無法使用的場合尤為重要。iii.用以躲避危險、障礙物等以防事故，相當于人的痛覺。接近覺傳感器接近覺是指機器人能感覺到距離幾毫米到十幾厘米遠的對象物或障礙物，能檢測出物體的距離、相對傾角或對象物表面的性質。這就是非接觸式感覺?；X傳感器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?，因此需檢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。為此目地設計的滑動檢測器，叫做滑覺傳感器。視覺傳感器每個人都能體會到，眼睛對人來說多么重要。有研究表明，視覺獲得的信息占人對外界感知信息的80%。人類視覺細胞數(shù)量的數(shù)量級大約為106，時聽覺細胞的300多倍，時皮膚感覺細胞的100多倍。人工視覺系統(tǒng)可以分為圖像輸入（獲取）、圖像處理、圖像理解、圖像存儲和圖像輸出幾個部分，實際系統(tǒng)可以根據(jù)需要選擇其中的若干部件。聽覺傳感器智能機器人在為人類服務的時候，需要能聽懂主人的吩咐，需要給機器人安裝耳朵，首先分析人耳的構造。聲音是由不同頻率的機械振動波組成，外界聲音使外耳鼓產(chǎn)生振動，中耳將這種振動放大、壓縮和限幅、并抑制噪聲。經(jīng)過處理的聲音傳送到中耳的聽小骨，再通過卵圓窗傳到內耳耳蝸，由柯蒂氏器、神經(jīng)纖維進入大腦。內耳耳蝸充滿液體，其中有30000各長度不同的纖維組成的基底膜，它是一個共鳴器。長度不同的纖維能聽到不同頻率的聲音，因此內耳相當于一個聲音分析器。智能機器人的耳朵首先要具有接受聲音信號的器官，其次還需要語音識別系統(tǒng)。在機器人中常用的聲音傳感器主要有動圈式傳感器和光纖聲傳感器。味覺傳感器味覺是指酸、咸、甜、苦、鮮等人類味覺器官的感覺。酸味是由氫離子引起的。比如鹽酸、氨基酸、檸檬酸；咸味主要是由NaCl引起的；甜味主要由蔗糖、葡萄糖等引起的，苦味是由奎寧、咖啡因等引起的；鮮味是由海藻中的谷氨酸鈉、魚和肉中的肌酐酸二鈉、蘑菇中的鳥苷酸二鈉等引起的。在人類的味覺系統(tǒng)中，舌頭表面味蕾上的味覺細胞的生物膜可以感受味覺。味覺物質被轉換為電信號，經(jīng)神經(jīng)纖維傳至大腦。味覺傳感器與傳統(tǒng)的、只檢測某種特殊的化學物質的化學傳感器不同。目前某些傳感器可以實現(xiàn)對味覺的敏感，如PH計可以用于酸度檢測、導電計可用于堿度檢測、比重計或屈光度計可用于甜度檢測等。但這些傳感器智能檢測味覺溶液的某些物理、化學特性，并不能模擬實際的生物味覺敏感功能，測量的物理值要受到非味覺物質的影響。此外，這些物理特性還不能反應各味覺之間的關系，如抑制效應等。實現(xiàn)味覺傳感器的一種有效方法是使用類似于生物系統(tǒng)的材料做傳感器的敏感膜，電子舌是用類脂膜作為味覺傳感器，能夠以類似人的味覺感受方式檢測味覺物質。從不同的機理看，味覺傳感器大致分為多通道類脂膜技術、基于表