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，在機(jī)器人上安裝了觸覺傳感器、視覺傳感器、力覺傳感器、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。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?yàn)槿祟愖龀龈筘暙I(xiàn)。

       外部傳感器按功能分類

（一）觸覺傳感器   觸覺是接觸、沖擊、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、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、壓力、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。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。① 機(jī)械式傳感器：利用觸點(diǎn)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、導(dǎo)電觸點(diǎn)和絕緣體構(gòu)成。如采用導(dǎo)電性石墨化碳纖維、氨基甲酸乙酯泡沫、印制電路板和金屬觸點(diǎn)構(gòu)成的傳感器，碳纖維被壓后與金屬觸點(diǎn)接觸，開關(guān)導(dǎo)通。也可由彈性海綿、導(dǎo)電橡膠和金屬觸點(diǎn)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(diǎn)接觸，開關(guān)導(dǎo)通。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(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。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。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。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。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、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。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、電磁式接近開關(guān)和光學(xué)接近傳感器。以光學(xué)接近傳感器為例，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。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。3、滑覺：機(jī)器人在抓取不知屬性的物體時，其自身應(yīng)能確定握緊力的給定值。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，考慮可靠的夾持方法，實(shí)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。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)， 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(diǎn)傳感器或磁場線圈結(jié)構(gòu)的微小位移計(jì)檢測。滾輪式滑覺傳感器

（二）力覺傳感器   力覺是指對機(jī)器人的指、肢和關(guān)節(jié)等運(yùn)動中所受力的感知，主要包括腕力覺、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）、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。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；②利用壓電效應(yīng)的壓電元件式；③用位移計(jì)測量負(fù)載產(chǎn)生的位移的差動變壓器、電容位移計(jì)式，其中應(yīng)變片被機(jī)器人廣泛采用。

      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(shí)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。這對實(shí)驗(yàn)者的人身安全、對保證機(jī)器人及外圍設(shè)備不受損害有重要意義。

（三）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。目前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。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，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(diǎn)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(diǎn)穩(wěn)定地對被測目標(biāo)掃描。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(diǎn)圖像，并根據(jù)位置坐標(biāo)及攝像機(jī)光學(xué)特點(diǎn)計(jì)算出激光反射角。利用三角測距原理即可算出反射點(diǎn)的位置。

（四）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、海洋資源探測或食品分析、救火等特殊用途。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。

（五）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、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。傳感器的融合技術(shù)涉及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、知識工程、模糊理論等信息、檢測、控制領(lǐng)域的新理論和新方法。

傳感器匯集類型有多種，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，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。裁決的方法有多種，如加權(quán)平均法、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(jì)算法定位系統(tǒng)（利用速度、方向等記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算）或陸標(biāo)（如交叉路口、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(jì)算法的值進(jìn)行修正，否則利用計(jì)算法所得的結(jié)果。

       2、互補(bǔ)性的：傳感器提供不同形式的數(shù)據(jù)。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、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。

       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、識別、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

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