外部傳感器

    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)系筝野，在機(jī)器人上安裝了觸覺傳感器、視覺傳感器沧奴、力覺傳感器痘括、接近覺傳感器、超聲波傳感器和聽覺傳感器滔吠，大大改善了機(jī)器人工作狀況纲菌，使其能夠更充分地完成復(fù)雜的工作。由于外部傳感器為集多種學(xué)科于一身的產(chǎn)品疮绷，有些方面還在探索之中翰舌，隨著外部傳感器的進(jìn)一步完善嚣潜，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)椅贱。

    2．外部傳感器按功能分類

    （1）觸覺傳感器   觸覺是接觸懂算、沖擊、壓迫等機(jī)械刺激感覺的綜合庇麦，觸覺可以用來進(jìn)行機(jī)器人抓取犯犁，利用觸覺可進(jìn)一步感知物體的形狀、軟硬等物理性質(zhì)女器。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岗命，一般把檢測感知和外部直接接觸而產(chǎn)生的接觸覺巨脚、壓力、觸覺及接近覺的傳感器稱為機(jī)器人觸覺傳感器品救。

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

       ① 機(jī)械式傳感器：利用觸點(diǎn)的接觸斷開獲取信息妒穷，通常采用微動開關(guān)來識別（物體的二維輪廓瓦统，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橡舟、導(dǎo)電觸點(diǎn)和絕緣體構(gòu)成金矛。如采用導(dǎo)電性石墨化碳纖維、氨基甲酸乙酯泡沫勺届、印制電路板和金屬觸點(diǎn)構(gòu)成的傳感器驶俊，碳纖維被壓后與金屬觸點(diǎn)接觸，開關(guān)導(dǎo)通免姿。也可由彈性海綿饼酿、導(dǎo)電橡膠和金屬觸點(diǎn)構(gòu)成，導(dǎo)電橡膠受壓后胚膊，海綿變形嗜湃，導(dǎo)電橡膠和金屬觸點(diǎn)接觸，開關(guān)導(dǎo)通澜掩。也可由金屬和鉸青銅構(gòu)成购披，被絕緣體覆蓋的青銅箔片被壓后與金屬接觸杖挣，觸點(diǎn)閉合。

    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刚陡。光通過光纖束投射到可變形的反射材料上惩妇，反射光按相反方向通過光纖束返回。如果反射表面是平的筐乳，則通過每條光纖所返回的光的強(qiáng)度是相同的撤掀。如果反射表面因與物體接觸受力而變形，則反射的光強(qiáng)度不同涨给。用高速光掃描技術(shù)進(jìn)行處理拂谆，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念肆，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姓纲，用來探測在一定距離范圍內(nèi)是否有物體接近、物體的接近距離和對象的表面形狀及傾斜等狀態(tài)徊疆，一般用“1”和“0”兩種態(tài)表示愕啰。在機(jī)器人中，主要用于對物體的抓取和躲避棉莹。接近覺一般用非接觸式測量元件温盅，如霍爾效應(yīng)傳感器、電磁式接近開關(guān)和光學(xué)接近傳感器梢拜。

    以光學(xué)接近傳感器為例改耽，其結(jié)構(gòu)如下圖1所示。由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成叁巨。發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)過反射被光敏晶體管接收镰矿，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）俘种。紅外信號被調(diào)制成某一特定頻率秤标，可大大提高信噪比。

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

    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。物體在傳感器表面上滑動時棵譬，和滾輪或環(huán)相接觸显蝌，把滑動變成轉(zhuǎn)動。
  
    磁力式滑覺傳感器中唠俄，滑動物體引起滾輪滾動惨浩，用磁鐵和靜止的磁頭，或用光傳感器進(jìn)行檢測杜戈，這種傳感器只能檢測到一個方向的滑動赫窄。球式傳感器用球代替滾輪，可以檢測各個方向的滑動拉拨，振動式滑覺傳感器表面伸出的觸針能和物體接觸臭脯，物體滾動時，觸針與物體接觸而產(chǎn)生振動旦坷，這個振動由壓點(diǎn)傳感器或磁場線圈結(jié)構(gòu)的微小位移計檢測谒娩。滾輪式滑覺傳感器如圖2所示。

    （2）力覺傳感器   力覺是指對機(jī)器人的指宽缴、肢和關(guān)節(jié)等運(yùn)動中所受力的感知，主要包括腕力覺审服、關(guān)節(jié)力覺和支座力覺等趾迈，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）烤惊、力矩表（單軸力矩傳感器）乔煞、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。力覺傳感器根據(jù)力的檢測方式不同柒室，可以分為：①檢測應(yīng)變或應(yīng)力的應(yīng)變片式渡贾；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雄右、電容位移計式空骚，其中應(yīng)變片被機(jī)器人廣泛采用。

    在選用力傳感器時擂仍，首先要特別注意額定值囤屹，其次在機(jī)器人通常的力控制中，力的精度意義不大逢渔，重要的是分辨率肋坚。另外，在機(jī)器人上實際安裝使用力覺傳感器時肃廓，一定要事先檢查操作區(qū)域智厌，清除障礙物。這對實驗者的人身安全官澳、對保證機(jī)器人及外圍設(shè)備不受損害有重要意義尔兆。

    （3）距離傳感器   距離傳感器可用于機(jī)器人導(dǎo)航和回避障礙物予裳，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。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)械振動波少迁，利用發(fā)射脈沖和接收脈沖的時間間隔推算出距離兆婆。超聲波測距法的缺點(diǎn)是波束較寬，其分辨力受到嚴(yán)重的限制遏貌，因此婿哥，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获玻，或者利用激光測距儀酣矮，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(diǎn)射向被測物體缕兄，反射鏡固定在電動機(jī)軸上颅挟，電動機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，使激光點(diǎn)穩(wěn)定地對被測目標(biāo)掃描弓洒。由CCD（電荷耦合器件）攝像機(jī)接受反射光而芥，采用圖像處理的方法檢測出激光點(diǎn)圖像，并根據(jù)位置坐標(biāo)及攝像機(jī)光學(xué)特點(diǎn)計算出激光反射角膀值。利用三角測距原理即可算出反射點(diǎn)的位置棍丐。

    （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沧踏，味覺傳感器及電磁波傳感器歌逢，而這些機(jī)器人主要用于科學(xué)研究、海洋資源探測或食品分析翘狱、救火等特殊用途秘案。這些傳感器多數(shù)屬于開發(fā)階段，有待于更進(jìn)一步完善潦匈，以豐富機(jī)器人專用功能阱高。

    （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茬缩，并且又能給出環(huán)境或?qū)ο蟮牟糠只蛘麄€側(cè)面的信息讨惩，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)行綜合寒屯、融合處理荐捻，不同類型信息的多種形式的處理系統(tǒng)就是傳感器融合。傳感器的融合技術(shù)涉及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下桃、知識工程昨镊、模糊理論等信息、檢測、控制領(lǐng)域的新理論和新方法梁捉。

    傳感器匯集類型有多種追粉，現(xiàn)舉兩種例子。

    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)時箍属，傳感器提供的數(shù)據(jù)可能是一致的短硼，也可能是矛盾的。若有矛盾公上，就需要系統(tǒng)裁決自幕。裁決的方法有多種，如加權(quán)平均法幌扁、決策法等振袋。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)（利用速度憎茂、方向等記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行計算）或陸標(biāo)（如交叉路口珍语、人行道等參照物）觀測確定。若陸標(biāo)觀測成功竖幔，則用陸標(biāo)觀測的結(jié)果板乙，并對計算法的值進(jìn)行修正，否則利用計算法所得的結(jié)果拳氢。

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

    目前磕秤，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)捧韵。多傳感器信息融合的理想目標(biāo)應(yīng)是人類的感覺景姓、識別、控制體系社衰，但由于對后者尚無一個明確的工程學(xué)的闡述瘫盹，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桃旷，多傳感器信息融合理論和技術(shù)將會逐步完善和系統(tǒng)化也较。

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