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1、11.4 机器人传感器 “obot”一词源出自捷克语 “robota”，意谓“强迫劳动”。 1920年捷克斯洛伐克作家萨佩克写 了一个名为洛桑万能机器人公司 的剧本,他把在洛桑万能机器人 公司生产劳动的那些家伙取名 “Robot”,汉语音译为“罗伯特” ，捷克语意为“奴隶”萨佩克 把机器人的地位确定为只管埋头干 活、任由人类压榨的奴隶，它们存 在的价值只是服务于人类。一个极 其偶然的原因,机器人开始有了知 觉,它们不堪忍受人类的统治,向人 类发动攻击,最后彻底毁灭了人类 。“机器人”的名字也正式由此而 生。 1 能踢球的机器人 11.4 机器人传感器 2 对运动的球类有正确反应的机器人 能打网
2、球的机器 人 机器人足球比赛 11.4 机器人传感器 3 能行走的机器人 11.4 机器人传感器 4 服务机器人 机器人伴舞 机器人奏乐 11.4 机器人传感器 5 可爱的小机器人 能上台阶并避开 障碍物的机器人 能自己站起来 的机器人 11.4 机器人传感器 6 排爆机器人 我国沈阳自动化 所研制的PXJ-2 机器人也加入了 公安部队的行 列 。 11.4 机器人传感器 7 消防机器人 消防机器人作为特 种消防设备可代替消防 队员接近火场实施有效 的灭火救援、化学检验 和火场侦察。它的应用 将提高消防部队扑灭特 大恶性火灾的实战能力 ，对减少国家财产损失 和灭火救援人员的伤亡 将产生重要的作
3、用。 11.4 机器人传感器 8 机器人轮椅主要 有口令识别与语音合 成、机器人自定位、 动态随机避障、多传 感器信息融合、实时 自适应导航控制等功 能。 11.4 机器人传感器 9 军事机器人 我国引进的排 爆机器人 进攻型机器人 11.4 机器人传感器 10 工业机器人 核工业机器人 汽车喷漆机器人 11.4 机器人传感器 11 机器人的手 11.4 机器人传感器 12 机械手在汽车加工中的应用 机械手能按照程序焊接和安装汽车部件，是机器人的雏形 。 11.4 机器人传感器 13 激光焊接机械手 11.4 机器人传感器 14 机器人大脑主板 机器人思想程序 机器人感知传感器 机器人手脚马达
4、 机器人骨架机械结构 机器人食物电池 1.机器人的组成 11.4 机器人传感器 15 2.传感器在机器人中的应用 机器人是由计算机控制的复杂机器，它 具有类似人的肢体及感官功能；动作程序灵活 ；有一定程度的智能；在工作时可以不依赖人 的操纵。机器人传感器在机器人的控制中起了 非常重要的作用，正因为有了传感器，机器人 才具备了类似人类的知觉功能和反应能力。 11.4 机器人传感器 16 l11.4 机器人传感器 l11.4.1 机器人与传感器 l 机器人可以被定义为计算机控制的能模拟人 的感觉、手工操纵，具有自动行走能力而又足以 完成有效工作的装置。 l 按照其功能，机器人已经发展到了第三代，
5、而传感器在机器人的发展过程中起着举足轻重的 作用。 l 机器人传感器可以定义为一种能将机器人目 标物特性（或参量）变换为电量输出的装置。被 称为机器人的电五官。 17 l11.4.2 机器人传感器的分类 l 内部检测传感器是以机器人本身的坐标轴来 确定其位置，它通常由位置、加速度、速度及压 力传感器组成。 l 外界检测传感器用于机器人对周围环境、目 标物的状态特征获取信息，从而使机器人对环境 有自校正和自适应能力。 l 外界检测传感器通常包括触觉、接近觉、视 觉、听觉、嗅觉、味觉等传感器。 18 l11.4.3 触觉传感器 l1. 人的皮肤的感觉 l 皮肤内分布着多种感受器，能产生多种感觉 。
6、一般认为皮肤感觉主要有四种，即触觉、冷觉 、温觉和痛觉。 l. 机器人的触觉 l 机器人触觉，实际上是人的触觉的某些模仿 。它是有关机器人和对象物之间直接接触的感觉 ，包括的内容较多，通常指以下几种： 19 l（1）触觉。手指与被测物是否接触，接触图形 的检测。 l（2）压觉。垂直于机器人和对象物接触面上的 力传感器。 l（3）力觉。机器人动作时各自由度的力感觉。 l（4）滑觉。物体向着垂直于手指把握面的方向 移动或变形。 20 l 机器人的触觉主要有两方面的功能： l（1）检测功能 l 对操作物进行物理性质检测，如光滑性、硬 度等，其目的是： l 感知危险状态，实施自我保护； l 灵活地控制
7、手爪及关节以操作对象物； l 使操作具有适应性和顺从性。 l（2）识别功能 l 识别对象物的形状（如识别接触到的表面形 状）。 21 l 人们进行了所谓“人工皮肤”的研究。这种“皮 肤”实际上也是一种由单个触觉传感器按一定形状 （如矩阵）组合在一起的阵列式触觉传感器，如 图18所示。其密度较大、体积较小、精度较高。 l “人工皮肤”传感器可用于表面形状和表面特 性的检测。 22 图18 阵列式触觉传感器 23 l 压觉指的是对于手指给予被测物的力，或者 加在手指上的外力的感觉。 l 目前，压觉传感器主要是分布型压觉传感器 ，即通过把分散敏感元件阵列排列成矩阵式格子 来设计成的。 l 导电橡胶、
8、感应高分子、应变计、光电器件 和霍尔元件常被用作敏感元件单元。 24 l 力觉传感器的作用有：感知是否夹起了工件 或是否夹持在正确部位；控制装配、打磨、研磨 抛光的质量；装配中提供信息，以产生后续的修 正补偿运动来保证装配的质量和速度；防止碰撞 、卡死和损坏机件。 l 用于力觉传感器的主要有应变式、压电式、 电容式、光电式和电磁式等。 25 l 机器人要抓住属性未知的物体时，必须确定 自己最适当的握力目标值，因此需检测出握力不 够时所产生的物体滑动。 l 利用这一信号，在不损坏物体的情况下，牢 牢抓住物体，为此目的设计的滑动检测器，叫做 滑觉传感器。 l 如图19所示为一种球形滑觉传感器。 l
9、 球与被握物体相接触，无论滑动方向如何， 只要球一转动，传感器就会产生脉冲输出。 26 球 形 滑 觉 传 感 器 图19 27 l11.4.4 接近觉传感器 l 接近觉是机器人能感知相距几毫米至几十厘米内对 象物或障碍物的距离、对象物的表面性质等的传感器。 l 其目的是在接触对象前得到必要的信息，以便后续 动作。 l1. 电磁式 l 如图20所示，加有高频信号is的励磁线圈 L产生的高 频电磁场作用于金属板，在其中产生涡流，该涡流反作用 于线圈。 l 通过检测线圈的输出可反映出传感器与被接近金属 间的距离。 28 检测线圈 励磁线圈L 金属面 涡流 磁束 图20 电磁式接近传感器 is 29
10、 l2. 电容式 l 利用电容量的变化产生接近觉。 l 电容接近觉传感器如图21所示。 l 其本身作为一个极板，被接近物作为另一个 极板。 l 将该电容接入电桥电路或RC振荡电路，利 用电容极板距离的变化产生电容的变化，可检测 出与被接近物的距离。 l 电容式接近觉传感器具有对物体的颜色、构 造和表面都不敏感且实时性好的优点。 30 图21 电容接近觉传感器 31 l3. 超声波式、红外线式、光电式 l 超声波式接近传感器适于较长距离和较大物 体的探测，一般把它用于机器人的路径探测和躲 避障碍物。 l 红外线式接近传感器可以探测到机器人是否 靠近人或其他热源，用于保护和改变机器人行走 路径。
11、l 光电式接近传感器的应答性好，维修方便， 目前应用较广，但使用环境受到一定的限制（如 对象物体颜色、粗糙度、环境亮度等）。 32 l11.4.5 视觉传感器 l1. 人的视觉 l 人的眼睛是由含有感光细胞的视网膜和作为 附属结构的折光系统等部分组成。 l 人眼的适宜刺激波长是370740nm的电磁波 。 l 在这个可见光谱的范围内，人脑通过接收来 自视网膜的传入信息，可以分辨出视网膜像的不 同亮度和色泽，因而可以看清视野内发光物体或 反光物体的轮廓、形状、颜色、大小、远近和表 面细节等情况。 33 l 人眼视网膜上有两种感光细胞，视锥细胞主 要感受白天的景象，视杆细胞感受夜间景象。 l 人的
12、视锥细胞大约有700多万个，是听觉细 胞的3000多万倍。 l2. 机器人视觉 l 机器人的视觉系统通常是利用光电传感器构 成的。 l 机器人的视觉作用的过程如图22所示。 34 三维 实物 （立体） 二维 图像 （平面） 景象 描述 传感器 图像 处理 图22 视觉作用过程 35 l 机器人视觉系统要能达到实用，至少要满足 以下几方面的要求。 l 首先是实时性， l 其次是可靠性， l 再次是要求有柔性， l 最后是价格适中。 36 l 在空间中判断物体的位置和形状一般需要两 类信息：距离信息和明暗信息。 l 获得距离信息的方法可以有超声波、激光反 射法、立体摄像法等。 l 而明暗信息主要靠
13、电视摄像机、CCD固态摄 像机来获得。 37 l3. 视觉传感器 l（1）人工网膜 l 人工网膜是用光电管阵列代替网膜感受光信 号。其最简单的形式是33的光电管矩阵，多的可 达256256个像素的阵列甚至更高。 l 以33阵列为例。数字字符1，得到的正、负 像如图9-23所示，大写字母字符I ，所得正、负像 如图24所示。事先作为标准图像存储起来。 38 正像 负像 图 23 数字字符1的正、负像 39 正像 负像 图24 大写字母字符I的正、负像 40 l 工作时得到数字字符1的输入，其正、负像 可与已存储的1和I的正、负像进行比较，结果见表 4。 l 在两者比较中，是1的总相关值是9，等于
14、阵 列中光电管的总数，这表示所输入的图像信息与 预先存储的图像数字字符1的信息是完全一致的。 l 由此可判断输入的字符是数字字符1，不是 大写字母字符I ，也不是其它字符。 41 表4 与1比 较 与I比 较 正像相关 值 33 负像相关 值 62 总相关值95 42 l（2）光电探测器件 l 最简单的光探测器是光电管和光敏二极管。 l 固态探测器件可以排列成线性阵列和矩阵阵 列使之具有直接测量或摄像的功能。 l 目前在机器人视觉中采用的非接触测试的固 态阵列以CCD器件占多数，单个线性阵列已达到 4096单元，CCD面阵已达到512512及更高。 l 利用CCD器件制成的固态摄像机有较高的几
15、 何精度，更大的光谱范围，更高的灵敏度和扫描 速率，结构尺寸小，功耗小，耐久可靠等。 43 l11.4.6 听觉、嗅觉、味觉及其它传感器 l1. 人的听觉 l 人的听觉的外周感受器官是耳，耳的适宜刺 激是一定频率范围内的声波振动。 l 科蒂器官和其中所含的毛细胞，是真正的声 音感受装置。 l 听神经纤维就分布在毛细胞下方的基底膜中 ，对声音信息进行编码，传送到大脑皮层的听觉 中枢，产生听觉。 44 l2. 机器人的听觉 l 听觉也是机器人的重要感觉器官之一。 l 从应用的目的来看，可以将识别声音的系统 分为两大类： l（1）发音人识别系统。 l（2）语义识别系统。 l 机器人听觉系统中的听觉传
16、感器的基本形态 与麦克风相同，多为利用压电效应、磁电效应等 。识别系统借助于计算机技术和语言学编制的计 算机软件。 45 l3. 人的嗅觉 l 人的嗅觉感受器是位于上鼻道及鼻中隔后上 部的嗅上皮，两侧总面积约5cm2。 l 嗅上皮含有三种细胞，即主细胞，支持细胞 和基底细胞。 l 不同性质的气味刺激有其相对专用的感受位 点和传输线路。 l 非基本的气味则由它们在不同线路上引起的 不同数量冲动的组合，在中枢引起特有的主观嗅 觉感受。 46 l4. 机器人的嗅觉 l 嗅觉传感器主要的是采用气体传感器、射线 传感器等。 l 机器人的嗅觉： l 用于检测空气中的化学成分、浓度； l 用于检测放射线、可燃气体及有毒
