1．概述

為了檢測作業(yè)對象及環(huán)境或機(jī)器人與它們的關(guān)系,在機(jī)器人上安裝了觸覺

傳感器、視覺傳感器哟俩、力覺傳感器碉讯、接近覺傳感器、超聲波傳感器和聽覺傳感器,大大改善了機(jī)器人工作狀況,使其能夠更充分地完成復(fù)雜的工作咸壮。由于外部傳感器為集多種學(xué)科于一身的產(chǎn)品,有些方面還在探索之中,隨著外部傳感器的進(jìn)一步完善,機(jī)器人的功能越來越強(qiáng)大,將在許多領(lǐng)域為人類做出更大貢獻(xiàn)拿奥。

2．外部傳感器按功能分類

(1)觸覺傳感器觸覺是接觸、沖擊漆究、壓迫等機(jī)械刺激感覺的綜合,觸覺可以用來進(jìn)行機(jī)器人抓取,利用觸覺可進(jìn)一步感知物體的形狀母滤、軟硬等物理性質(zhì)。對機(jī)器人觸覺的研究,只能集中于擴(kuò)展機(jī)器人能力所必需的觸覺功能,一般把檢測感知和外部直接接觸而產(chǎn)生的接觸覺钉榔、壓力城砖、觸覺及接近覺的傳感器稱為機(jī)器人觸覺傳感器。

1)接觸覺:接觸覺是通過與對象物體彼此接觸而產(chǎn)生的,所以最好使用手指表面高密度分布觸覺傳感器陣列,它柔軟易于變形,可增大接觸面積,并且有一定的強(qiáng)度,便于抓握圣钝。接觸覺傳感器可檢測機(jī)器人是否接觸目標(biāo)或環(huán)境,用于尋找物體或感知碰撞廷诺。

①機(jī)械式傳感器:利用觸點的接觸斷開獲取信息,通常采用微動開關(guān)來識別(物體的二維輪廓,由于結(jié)構(gòu)關(guān)系無法高密度列陣。

②彈性式傳感器:這類傳感器都由彈性元件肖喂、導(dǎo)電觸點和絕緣體構(gòu)成簇抵。如采用導(dǎo)電性石墨化碳纖維、氨基甲酸乙酯泡沫射众、印制電路板和金屬觸點構(gòu)成的傳感器,碳纖維被壓后與金屬觸點接觸,開關(guān)導(dǎo)通碟摆。也可由彈性海綿、導(dǎo)電橡膠和金屬觸點構(gòu)成,導(dǎo)電橡膠受壓后,海綿變形,導(dǎo)電橡膠和金屬觸點接觸,開關(guān)導(dǎo)通叨橱。也可由金屬和鉸青銅構(gòu)成,被絕緣體覆蓋的青銅箔片被壓后與金屬接觸,觸點閉合典蜕。

③光纖傳感器:這種傳感器包括由一束光纖構(gòu)成的光纜和一個可變形的反射表面。光通過光纖束投射到可變形的反射材料上,反射光按相反方向通過光纖束返回罗洗。如果反射表面是平的,則通過每條光纖所返回的光的強(qiáng)度是相同的愉舔。如果反射表面因與物體接觸受力而變形,則反射的光強(qiáng)度不同钢猛。用高速光掃描技術(shù)進(jìn)行處理,即可得到反射表面的受力情況。

2)接近覺:接近覺是一種粗略的距離感覺,接近覺傳感器的主要作用是在接觸對象之前獲得必要的信息,用來探測在一定距離范圍內(nèi)是否有物體接近轩缤、物體的接近距離和對象的表面形狀及傾斜等狀態(tài),一般用“1”和“0”兩種態(tài)表示命迈。在機(jī)器人中,主要用于對物體的抓取和躲避。接近覺一般用非接觸式測量元件,如霍爾效應(yīng)傳感器典奉、電磁式接近開關(guān)和光學(xué)接近傳感器躺翻。

以光學(xué)接近傳感器為例,其結(jié)構(gòu)如下圖1所示丧叽。由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成卫玖。發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)過反射被光敏晶體管接收,接收到的光強(qiáng)和傳感器與目標(biāo)的距離有關(guān),輸出信號Uout是距離x的函數(shù):Uout＝f(x)。紅外信號被調(diào)制成某一特定頻率,可大大提高信噪比宴忱。

3)滑覺:機(jī)器人在抓取不知屬性的物體時,其自身應(yīng)能確定最佳握緊力的給定值辐胆。當(dāng)握緊力不夠時,要檢測被握緊物體的滑動,利用該檢測信號,在不損害物體的前提下,考慮最可靠的夾持方法,實現(xiàn)此功能的傳感器稱為滑覺傳感器。

滑覺傳感器有滾動式和球式,還有一種通過振動檢測滑覺的傳感器巾妇。物體在傳感器表面上滑動時,和滾輪或環(huán)相接觸,把滑動變成轉(zhuǎn)動卸研。

磁力式滑覺傳感器中,滑動物體引起滾輪滾動,用磁鐵和靜止的磁頭,或用光傳感器進(jìn)行檢測,這種傳感器只能檢測到一個方向的滑動。球式傳感器用球代替滾輪,可以檢測各個方向的滑動,振動式滑覺傳感器表面伸出的觸針能和物體接觸,物體滾動時,觸針與物體接觸而產(chǎn)生振動,這個振動由壓點傳感器或磁場線圈結(jié)構(gòu)的微小位移計檢測哥甲。滾輪式滑覺傳感器如圖2所示多盅。

(2)力覺傳感器力覺是指對機(jī)器人的指、肢和關(guān)節(jié)等運動中所受力的感知,主要包括腕力覺裹耗、關(guān)節(jié)力覺和支座力覺等,根據(jù)被測對象的負(fù)載,可以把力傳感器分為測力傳感器(單軸力傳感器)勤右、力矩表(單軸力矩傳感器)、手指傳感器(檢測機(jī)器人手指作用力的超小型單軸力傳感器)和六軸力覺傳感器痘宋。力覺傳感器根據(jù)力的檢測方式不同,可以分為:①檢測應(yīng)變或應(yīng)力的應(yīng)變片式虫甲；②利用壓電效應(yīng)的壓電元件式；③用位移計測量負(fù)載產(chǎn)生的位移的差動變壓器塌瑞、電容位移計式,其中應(yīng)變片被機(jī)器人廣泛采用辩块。

在選用力傳感器時,首先要特別注意額定值,其次在機(jī)器人通常的力控制中,力的精度意義不大,重要的是分辨率。另外,在機(jī)器人上實際安裝使用力覺傳感器時,一定要事先檢查操作區(qū)域,清除障礙物荆永。這對實驗者的人身安全废亭、對保證機(jī)器人及外圍設(shè)備不受損害有重要意義。

(3)距離傳感器距離傳感器可用于機(jī)器人導(dǎo)航和回避障礙物,也可用于機(jī)器人空間內(nèi)的物體進(jìn)行定位及確定其一般形狀特征具钥。目前最常用的測距法有兩種:

1)超聲波測距法:超聲波是頻率20kHz以上的機(jī)械振動波,利用發(fā)射脈沖和接收脈沖的時間間隔推算出距離豆村。超聲波測距法的缺點是波束較寬,其分辨力受到嚴(yán)重的限制,因此,主要用于導(dǎo)航和回避障礙物。

2)激光測距法:激光測距法也可以利用回波法,或者利用激光測距儀,其工作原理如下:

氦氖激光器固定在基線上,在基線的一端由反射鏡將激光點射向被測物體,反射鏡固定在電動機(jī)軸上,電動機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn),使激光點穩(wěn)定地對被測目標(biāo)掃描氓拼。由CCD(電荷耦合器件)攝像機(jī)接受反射光,采用圖像處理的方法檢測出激光點圖像,并根據(jù)位置坐標(biāo)及攝像機(jī)光學(xué)特點計算出激光反射角你画。利用三角測距原理即可算出反射點的位置。

(4)其他外部傳感器除以上介紹的機(jī)器人外部傳感器外,還可根據(jù)機(jī)器人特殊用途安裝聽覺傳感器,味覺傳感器及電磁波傳感器,而這些機(jī)器人主要用于科學(xué)研究桃漾、海洋資源探測或食品分析坏匪、救火等特殊用途拟逮。這些傳感器多數(shù)屬于開發(fā)階段,有待于更進(jìn)一步完善,以豐富機(jī)器人專用功能。

(5)傳感器融合系統(tǒng)中使用的傳感器種類和數(shù)量越來越多,每種傳感器都有一定的使用條件和感知范圍,并且又能給出環(huán)境或?qū)ο蟮牟糠只蛘麄€側(cè)面的信息,為了有效地利用這些傳感器信息,需要采用某種形式對傳感器信息進(jìn)行綜合适滓、融合處理,不同類型信息的多種形式的處理系統(tǒng)就是傳感器融合敦迄。傳感器的融合技術(shù)涉及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、知識工程番恭、模糊理論等信息奖岛、檢測、控制領(lǐng)域的新理論和新方法坠诈。

傳感器匯集類型有多種,現(xiàn)舉兩種例子淑储。

1)競爭性的:在傳感器檢測同一環(huán)境或同一物體的同一性質(zhì)時,傳感器提供的數(shù)據(jù)可能是一致的,也可能是矛盾的。若有矛盾,就需要系統(tǒng)裁決扯氯。裁決的方法有多種,如加權(quán)平均法俏堆、決策法等。在一個導(dǎo)航系統(tǒng)中,車輛位置的確定可以通過計算法定位系統(tǒng)(利用速度烟内、方向等記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行計算)或陸標(biāo)(如交叉路口篡呆、人行道等參照物)觀測確定。若陸標(biāo)觀測成功,則用陸標(biāo)觀測的結(jié)果,并對計算法的值進(jìn)行修正,否則利用計算法所得的結(jié)果面旋。

2)互補(bǔ)性的:傳感器提供不同形式的數(shù)據(jù)摇龟。例如,識別三維物體的任務(wù)就說明這種類型的融合。利用彩色攝像機(jī)和激光測距儀確定一段階梯道路,彩色攝像機(jī)提供圖像(如顏色吟沮、特征),而激光測距儀提供距離信息,兩者融合即可獲得三維信息遮乾。

目前,要使多傳感器信息融合體系化尚有困雄,而且缺乏理論依據(jù)。多傳感器信息融合的理想目標(biāo)應(yīng)是人類的感覺糙箍、識別渤愁、控制體系,但由于對后者尚無一個明確的工程學(xué)的闡述,所以機(jī)器人傳感器融合體系要具備什么樣的功能尚是一個模糊的概念。相信隨著機(jī)器人智能水平的提高,多傳感器信息融合理論和技術(shù)將會逐步完善和系統(tǒng)化深夯。

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