機器人同樣需要具備在外界環(huán)境中探測踱启、識別物體的能力,為了實現(xiàn)這些任務(wù),機器人必須安裝一些傳感器,作為機器人的眼、耳蝴罪、鼻和手,其中,視覺傳感器是最常見的選擇刷航。然而,機器人往往被要求工作在各種不同的惡劣環(huán)境中,如,黑暗、骯臟培车、泥濘的環(huán)境,以及大霧天和水下環(huán)境中,這時,觸覺傳感器便成為了首選猩烘。

與視覺傳感系統(tǒng)相比,觸覺傳感器在結(jié)構(gòu)上要簡單得多,價錢也便宜得多,因此,給機器人安裝上觸覺傳感器,使機器人具有一定的觸覺感知能力,就具有了非常重要的意義。

1 觸須傳感器的工作原理觸

須作為一種有效的觸覺器官,在結(jié)構(gòu)上也較為簡單,例如:貓的觸須“栽種”在毛囊中,其根部被毛囊所包裹,毛囊的頂端被一個充滿血液的小囊所封閉割钧。當觸須被觸動時,彎曲的觸須擠壓小囊中的血液,擠壓力通過血液傳送至囊壁,經(jīng)血液放大的擠壓力信號會刺激神經(jīng),由神經(jīng)元對擠壓力的大小内会、變化率信號進行編碼,使大腦感受到那怕是最為微弱的觸碰淹郎。因此,貓能夠通過觸須來感知外部的環(huán)境,外界的信息(接觸物的位置、輪廓)都能夠通過觸須根部的彎曲來體現(xiàn)蝉嘲。

圖1 觸須傳感器的結(jié)構(gòu)

新的觸須傳感器基于了同樣的工作原理,由采樣卡實時記錄PSD輸出信號(人工觸須根部由于物體接觸所產(chǎn)生的微小位移) ,以此來判斷接觸物的位置氛硬、輪廓。微小位移量的大小痛的、變化的速率表征了目標物的位置田蔑、距離、角度位置信息,其中,微小位移的幅值大小反比于接觸物的距離,且距離近微小位移的變化較為迅速,由此機器人利用觸須傳感器可實現(xiàn)了對外界環(huán)境的感知梆栏。

2 觸須傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

觸須根部的位移量是一個微小的變化迅速的二維信號,采樣頻率要求較高,其中,高頻信號還包含有被接觸物的紋理紫磷、粗糙度等信息,為了實現(xiàn)此信號的實時采集與分析,設(shè)計了新型的基于PSD的觸須傳感器,結(jié)構(gòu)如圖1所示。

傳感器的觸須采用了彈性材料制成的細桿(長度15～20 cm) ,在長度上由粗到細以提高靈敏度做个。在接近觸須根部的位置(2～3mm) ,固連一輕質(zhì)的遮光片,在遮光片正對光源中心的位置上開了一個直徑為0.8～1.0mm的透光小孔,作為二維PSD (3 cm ×3 cm)的檢測光源鸽心。觸須根部所固連的彈性元件起到觸須復(fù)位的作用,當觸須傳感器與待測物體不接觸時,觸須傳感器會自動回復(fù)到初始位置。

與光源位置正對的為二維PSD傳感器,用來檢測由于觸須彎曲在遮光片平面所產(chǎn)生的X, Y 向的位移量大小居暖。

PSD將觸須根部機械量位移轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號輸出,信號分辨力為0.05mm顽频。

當觸須傳感器掃描待測物體表面時,檢測元件PSD實時獲取觸須所產(chǎn)生相應(yīng)的變形量,變形量信號包含了觸須所接觸被測物體的位置、輪廓信息,由主機完成信號的提取太闺、分析糯景。

3 應(yīng)用實例

隨著接觸點的位置不同,觸須根部位移量的大小、方向及變化率會有很大的差別省骂。通過與多組測試樣品的比較,就可以確定接觸點在整個觸須上的相對位置,及被測物體的位置蟀淮、輪廓信息。同樣,機器人在運動的過程中,可以根據(jù)觸須反饋的信息確定障礙與其的位置關(guān)系,進而調(diào)整運動路線,使得機器人能自主地冀宴、靈活地避開障礙灭贷。

3.1 運動路線的探尋

機器人在快速移動的時候,為避免碰撞,機器人與障礙物應(yīng)保持一定的安全距離,如機器人的沿墻體運動。一種比較簡便的控制策略,機器人移動時,觸須保持固定的狀態(tài)(觸須保持水平位置和固定的角度)略贮。此時,觸須是否彎曲甚疟、彎曲的變化過程完全取決于與周圍物體的距離、角度梯盹。

機器人沿著墻壁運動時,若觸須與墻壁未接觸,觸須不產(chǎn)生彎曲變形,觸覺傳感器PSD輸出為零,即水平X 方向的輸出信號為零,此時,機器人可保持原有的運動狀態(tài);若觸須與墻壁發(fā)生接觸,觸須會產(chǎn)生彎曲變形,觸覺傳感器PSD有輸出,采樣卡讀取X -輸出信號, X 值代表了水平位移量俗股。

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