機器人傳感器與檢測

機器人與傳感器技術

采用兩級分布式計算機實時控制系統(tǒng)在機器人中，起到內(nèi)部反饋控制作用或感知與外部環(huán)境的相互作用的裝置被稱為傳感器。機器人通過傳感器實現(xiàn)類似于人類的知覺作用。靈巧手三個手指3個關節(jié)微電機角度傳感器三維力傳感器概念：控制器內(nèi)部傳感器外部傳感器驅(qū)動器控制對象動力源（電氣、液壓）任務輸入機器人組成機器人傳感器的特點具有和人的五官對應的功能,因此,種類眾多,高度集成化和綜合化。各種傳感器之間聯(lián)系緊密,信息融合技術是多種傳感器之間協(xié)同工作的基礎。傳感器和信息處理之間聯(lián)系密切,實際上傳感器包括信息獲取和處理兩部分。傳感器和執(zhí)行器之間聯(lián)系密切,傳感器檢測的信息處理后直接用于反饋控制,從而決定機器人的行動。傳感器不僅要求體積小，易于安裝，過載能力強,且對敏感材料的柔性和功能有特定的要求。與大量使用的工業(yè)檢測傳感器相比，機器人傳感器對傳感信息的種類和智能化處理的要求更高。隨機安置物體的位置。允許改變物體的形狀。防止發(fā)生意外事故。在錯誤條件下有智能功能提高控制質(zhì)量機器人傳感器的作用傳感器分類控制器內(nèi)部傳感外部傳感機器人機器人信息傳感位置傳感器速度傳感器加速度傳感器力和壓力傳感器力矩傳感器微動開關可見光和紅外傳感器接觸和視覺傳感器接近覺傳感器測距儀嗅覺傳感器視覺傳感器語音識別裝置語音合成器

內(nèi)部傳感器是用于測量機器人自身狀態(tài)的功能元件。外部傳感器測量與機器人作業(yè)有關的外部因素。通常與機器人的目標識別、作業(yè)安全等因素有關。傳感器在機器人身上的分布

視覺

20世紀50年代后期出現(xiàn)，發(fā)展十分迅速，是機器人中最重要的傳感器之一。機器視覺從20世紀60年代開始首先處理積木世界，后來發(fā)展到處理室外的現(xiàn)實世界。20世紀70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。相對而言，圖像理解技術還很落后。力覺

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。國際上對腕力傳感器的研究是從20世紀70年代開始的，主要研究單位有美國的DRAPER實驗室、SRI研究所、IBM公司和日本的日立公司、東京大學等單位。

幾種主要的機器人傳感器簡介觸覺

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。接近覺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。Concept電磁式光電式電容式氣壓式接觸式超聲波式接近覺傳感器接近覺傳感器的分類機器人的接近覺

定義：接近覺主要感知傳感器與對象物之間的接近程度，即需要檢測對象物體與傳感器之間的距離。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、物體的接近距離和對象的表面形狀及傾斜等狀態(tài)，敏感范圍可小至幾十毫米，甚至1個毫米。在機器人中，主要用于對物體的抓取和躲避。接近覺可以認為是介于觸覺與視覺之間的感覺。

接近覺傳感器的工作基本原理一、電磁感應式接近覺傳感器

變化的磁場將在金屬體內(nèi)產(chǎn)生感應電流。這種電流的流線在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱為渦旋電流（簡稱渦流），而渦流的大小隨金屬體表面與線圈的距離大小而變化。高頻信號is施加于臨近金屬一側的電感線L上；L產(chǎn)生的高頻電磁場作用于金屬板的表面。由于趨膚效應，高頻電磁場不能透過具有一定厚度的金屬板，而僅作用于表面薄層內(nèi)。而金屬板表面感應的渦流產(chǎn)生的電磁場又反作用于線圈L上，改變了電感的大?。ù艌鰪姸鹊淖儽纫部捎昧硪唤M檢測線圈來檢測）。從而感知傳感器與被測接近物體的距離大小。二、電容式接近覺傳感器利用平板電容器的電容C與極板距離d成反比的關系。其優(yōu)點是對物體的顏色、構造和表面都不敏感且實時性好；其缺點是必須將傳感器本身作為一個極板，被接近物作為另一個極板。這就要求被測物體是導體且必須接地，大大降低了其實用性。（1）傳感器本體有兩個極板1,2構成。（2）極板1由固定頻率的正弦波電壓激勵，極板2接電荷放大器，0為被接近物。（3）在傳感器兩極板與被接近物三者間形成一交變電場。（4）當0接近1,2時，1,2之間的電場受到了影響，也可以認為0阻斷了1,2間連續(xù)的電力線。電場的變化引起1,2間電容C12間連續(xù)的電力線。由于電壓幅值恒定，所以電容的變化又反映為極板2上電荷的變化。三、超聲波接近覺傳感器

由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人研制上也得到了廣泛的應用，以檢驗前進道路上的障礙物，避免碰撞。但它不能用于測量小于30至50cm的距離。超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關系。當溫度0℃時超聲波速度是332m/s,30℃時是350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。156.3.3接近度傳感器圖3超聲測距系統(tǒng)方框圖四、接觸式接近覺傳感器

機械接觸式傳感器與觸角傳感器不同，它與昆蟲的觸須類似，在機器人上通過以微動開關和相應的機械裝置（探頭、探針等）相結合而實現(xiàn)一般非接觸測量距離的作用。這種觸須式的傳感器可以安裝在移動機器人的四周，用以發(fā)現(xiàn)外界環(huán)境中的障礙物。圖6貓鬍鬚傳感器五、光電式接近覺傳感器光學接近覺傳感器一般包括發(fā)光元件和接收元件，按測距原理，基本上分為三角法、相位法和光強法。

（1）三角測量有直射式和斜射式兩種結構。

左圖為直射式三角測量原理圖。在圖中，半導體激光器發(fā)射光束經(jīng)透射鏡會聚到待測物體上，經(jīng)物體表面反射（散射）后通過接收透鏡成像在光電探(感)測器（CCD）或（PSD）敏感面上。待測物體移動或表面變形使得入射光點沿入射光軸移動，從而導致成像面上的光點發(fā)生位移x’，按下式可求出被測面的位移量（或變形量）x。圖7三角測量法原理圖（2）光強法接近覺傳感器是其中最簡單的一種，測量原理如圖所示。發(fā)光元件一般為發(fā)光二極管或半導體激光管，接收元件一般為光電晶體管。通常情況下，傳感器還包括相應的光學透鏡。接收信號所產(chǎn)生的輸出信號大小反映了從目標物體反射回接收元件的光強。這個信號不僅僅取決于距離，同時也受被測物體表面光學特性和表面傾斜等因素的影響。（3）基于相位法原理的傳感器光源多采用紅外光，具有價格便宜、受目標反射特性的影響較小等特點。但電路復雜，不如三角法測距精度高，并且在較大距離時其精度相當?shù)?。圖8光強法原理圖六、