传感器在机器人上的应用

第 3章 传 感 器 在 机 器 人 上 的 应 用v3.1 机 器 人 常 用 传 感 器 简 介v3.2 机 器 人 的 要 求 与 选 择v3.3 常 用 机 器 人 内 部 传 感 器v3.4 常 用 机 器 人 外 部 传 感 器v3.5 多 传 感 器 信 息 融 合 3.1 机 器 人 常 用 传 感 器 简 介3.1.1 机 器 人 需 要 的 感 觉 能 力1、 触 觉 能 力 触 觉 是 智 能 机 器 人 实 现 与 外 界 环 境 直 接 作 用 的 必 需 媒 介 ， 是 仅 次 于视 觉 的 一 种 重 要 感 知 形 式 。 作 为 视 觉 的 补 充 ， 触 觉 能 感 知 目 标 物 体 的 表面 性 能 和 物 理 特 性 ： 柔 软 性 、 硬 度 、 弹 性 、 粗 糙 度 和 导 热 性 等 。 触 觉 能保 证 机 器 人 可 靠 地 抓 住 各 种 物 体 ， 也 能 使 机 器 人 获 取 环 境 信 息 ， 识 别 物体 形 状 和 表 面 的 纹 路 ， 确 定 物 体 空 间 位 置 和 姿 态 参 数 等 。 检 测 感 知 和 外 部 直 接 接 触 而 产 生 的 接 触 觉 、 压 觉 、 滑 觉 等 传 感 器 称 为机 器 人 触 觉 传 感 器 。 1） 接 触 觉 传 感 器 2） 压 觉 传 感 器 3） 滑 觉 传 感 器 2、 力 觉 能 力 力 觉 传 感 器 是 机 器 人 最 基 本 ， 最 重 要 的 一 种 ， 也 是 发 展 比 较 成 熟 的 传 感器 。 没 有 力 传 感 器 ， 机 器 人 就 不 能 获 取 它 与 外 界 环 境 之 间 的 相 互 作 用 力 ，从 而 难 以 完 成 机 器 人 在 环 境 约 束 下 的 各 种 作 业 。3、 接 近 觉 能 力 接 近 觉 传 感 器 是 机 器 人 用 来 控 制 自 身 与 周 围 物 体 之 间 的 相 对 位 置 或 距 离的 传 感 器 。 用 来 探 测 在 一 定 距 离 范 围 内 是 否 有 物 体 接 近 、 物 体 的 接 近 距 离和 对 象 的 表 面 形 状 及 倾 斜 等 状 态 。 它 一 般 都 装 在 机 器 人 手 部 ， 起 两 方 面 作用 。 接 近 觉 一 般 用 非 接 触 式 测 量 元 件 ， 如霍尔效应传感器、电磁式接近开关、光学接近传感器和超声波式。4、 视 觉 能 力 视 觉 信 息 可 分 为 图 形 信 息 、 立 体 信 息 、 空 间 信 息 和 运 动 信 息 视 觉 传 感 器 获 取 的 信 息 量 要 比 其 它 传 感 器 获 取 的 信 息 量 多 得 多 视 觉 传 感 器 把 光 学 图 像 转 换 为 电 信 号 视 觉 传 感 器 摄 取 的 图 像 经 空 间 采 样 和 模 数 转 换 后 变 成 一 个 灰 度 矩 阵 ， 送 入 计 算 机存 储 器 中 ， 形 成 数 字 图 像 5、 听 觉 能 力 （ 1） 特 定 人 的 语 音 识 别 系 统 （ 2） 非 特 定 人 的 语 音 识 别 系 统6、 嗅 觉 能 力 主 要 采 用 了 三 种 方 法 来 实 现 机 器 人 嗅 觉 功 能 ： 在 机 器 人 上 安 装 单 个 或 多 个 气 体 传 感 器 ， 再 配 置 相 应 处 理 电 路 来 实 现嗅 觉 功 能 。 研 究 者 自 行 研 制 简 易 的 嗅 觉 装 置 采 用 商 业 的 电 子 鼻 产 品 ， 如 A Loutfi用 机 器 人 进 行 的 气 味 识 别 研 究 。 3.1.2 机 器 人 传 感 器 分 类1、 内 部 传 感 器 内 部 传 感 器 是 用 于 测 量 机 器 人 自 身 状 态 的 功 能 元 件 。 具 体 检 测 的 对象 有 关 节 的 线 位 移 、 角 位 移 等 几 何 量 ； 速 度 、 加 速 度 、 角 速 度 等 运 动 量 ；还 要 倾 斜 角 和 振 动 等 物 理 量 。2、 外 部 传 感 器 用 来 检 测 机 器 人 所 处 环 境 及 状 况 的 传 感 器 。 一 般 与 机 器 人 的 目 标 识别 和 作 业 安 全 等 因 素 有 关 。 具 体 有 触 觉 传 感 器 、 视 觉 传 感 器 、 接 近 觉 传感 器 、 距 离 传 感 器 、 力 觉 传 感 器 ， 听 觉 传 感 器 等 。 传 感 器 分 类 3.2 机 器 人 传 感 器 的 要 求 与 选 择 3.2.2 选 择 机 器 人 传 感 器 应 考 虑 的 因 素3.2.1 机 器 人 与 传 感 器 的 关 系 传 感 器 处 于 连 接 外 界 环 境 与 机 器 人 的 接 口 位 置 ， 是 机 器 人获 取 信 息 的 窗 口 。 用 传 感 器 采 集 信 息 是 机 器 人 智 能 化 的 第 一步 ； 其 次 ， 如 何 采 取 适 当 的 方 法 ， 将 多 个 传 感 器 获 取 的 环 境信 息 加 以 综 合 处 理 ， 控 制 机 器 人 进 行 智 能 作 业 ， 则 是 提 高 机器 人 智 能 程 度 的 重 要 体 现 。 1 成 本 2 重 量 3 尺 4 输 出 类 型 5 接 口 6 分 辨 率 7 灵 敏 度 8 线 性 度 9 量 程 10 响 应 时 间 11 可 靠 性 12 精 度 和 重 复 精 度 3.3 常 用 机 器 人 内 部 传 感 器3.3.1 机 器 人 的 位 置 检 测 传 感 器v 1） 检 测 规 定 的 位 置 ， 常 用 ON/OFF两 个 状 态 值 。 这 种 方法 用 于 检 测 机 器 人 的 起 始 原 点 、 终 点 位 置 或 某 个 确 定 的 位置 。 给 定 位 置 检 测 常 用 的 检 测 元 件 有 微 型 开 关 、 光 电 开 关等 。 规 定 的 位 移 量 或 力 作 用 在 微 型 开 关 的 可 动 部 分 上 ， 开关 的 电 气 触 点 断 开 （ 常 闭 ） 或 接 通 （ 常 开 ） 并 向 控 制 回 路发 出 动 作 信 号 。v 2） 测 量 可 变 位 置 和 角 度 ， 即 测 量 机 器 人 关 节 线 位 移 和 角位 移 的 传 感 器 是 机 器 人 位 置 反 馈 控 制 中 必 不 可 少 的 元 件 。常 用 的 有 电 位 器 、 旋 转 变 压 器 、 编 码 器 等 。 其 中 编 码 器 既可 以 检 测 直 线 位 移 ， 又 可 以 检 测 角 位 移 。 1. 光 电 开 关 光 电 开 关 是 由 LED光 源 和 光 电 二 极 管 或 光 电 三 极 管 等 光 敏 元 件 ， 相 隔一 定 距 离 而 构 成 的 透 光 式 开 关 。 光 电 开 关 的 特 点 是 非 接 触 检 测 ， 精 度 可 达到 0.5mm左 右 。（ 1） 漫 反 射 式 光 电 开 关 （ 2） 镜 反 射 式 光 电 开 关（ 3） 对 射 式 光 电 开 关 （ 4） 槽 式 光 电 开 关（ 5） 光 纤 式 光 电 开 关 几 种 光 纤 式 光 电 开 关 2. 编 码 器 编 码 器 可 分 为 光 电 式 、 磁 场 式 、 感 应 式 和 电 容 式 。 根 据 其 刻 度 方 法 及 信 号 输 出 形式 ， 可 分 为 增 量 式 、 绝 对 式 以 及 混 合 式 三 种 。 其 中 光 电 式 编 码 器 最 常 用 。 光 电 编 码 器 分 为绝对式和增量式两 种 类 型 。增量式光电编码器： 结 构 简 单 、 体 积 小 、 价 格 低 、 精 度 高 、 响 应 速 度 快 、 性能 稳 定 等 优 点 ,应 用 更 为 广 泛 ， 特 别 是 在 高 分 辨 率 和 大 量 程 角 速 率 /位 移 测 量 系 统 中 ，增 量 式 光 电 编 码 器 更 具 优 越 性 光 电 式 增 量 编 码 器 结 构 图 光 电 编 码 器 的 输 出 波 形 图 3. 旋 转 变 压 器 3.3.2 机 器 人 速 度 、 角 速 度 传 感 器1 编 码 器 如 果 用 编 码 器 测 量 位 移 ， 那 么 就 没 有 必 要 再 单 独 使 用 速 度 传 感 器 。 对 任意 给 定 的 角 位 移 ， 编 码 器 将 产 生 确 定 数 量 的 脉 冲 信 号 ， 通 过 统 计 指 定 时 间 (dt)内 脉 冲 信 号 的 数 量 ， 就 能 计 算 出 相 应 的 角 速 度 。 Dt越 短 ， 得 到 的 速 度 值 就 越准 确 ， 越 接 近 实 际 的 瞬 时 速 度 。 但 是 ， 如 果 编 码 器 的 转 动 很 缓 慢 ， 则 测 得 的速 度 可 能 会 变 的 不 准 确 。 通 过 对 控 制 器 的 编 程 ， 将 指 定 时 间 内 脉 冲 信 号 的 个数 转 化 为 速 度 信 息 就 可 以 计 算 出 速 度 。2. 测 速 发 电 机 测 速 发 电 机 是 一 种 把 输 入 的 转 速 信 号 转 换 成 输 出 的 电 压 信 号 的 机 电 式 信号 元 件 ， 它 可 以 作 为 测 速 、 校 正 和 解 算 元 件 ， 广 泛 应 用 于 机 器 人 的 关 节 速 度测 量 中 。 机 器 人 对 测 速 发 电 机 的 性 能 要 求 ： 1） 输 出 电 压 与 转 速 之 间 有 严 格 的 正 比 关 系 。 2） 输 出 电 压 的 脉 动 要 尽 可 能 小 。 3） 温 度 变 化 对 输 出 电 压 的 影 响 要 小 。 4） 在 一 定 转 速 时 所 产 生 的 电 动 势 及 电 压 应 尽 可 能 大 。 5） 正 反 转 时 输 出 电 压 应 对 称 。 测 速 发 电 机 主 要 可 分 为 直 流 测 速 发 电 机 和 交 流 测 速 发 电 机 （ 1） 直 流 测 速 发 电 机 有 永 磁 式 和 电 磁 式 两 种 。 其 结 构 与 直 流 发 电 机 相 近 。 永 磁 式 采 用 高 性 能 永久 磁 钢 励 磁 ， 受 温 度 变 化 的 影 响 较 小 ,输 出 变 化 小 ， 斜 率 高 ,线 性 误 差 小 。 这 种 电机 在 80年 代 因 新 型 永 磁 材 料 的 出 现 而 发 展 较 快 。 电 磁 式 采 用 他 励 式 ， 不 仅 复 杂且 因 励 磁 受 电 源 、 环 境 等 因 素 的 影 响 ， 输 出 电 压 变 化 较 大 ， 用 得 不 多 。 如 图 为直 流 测 速 发 电 机 基 本 结 构 图 。 a) 电 磁 式 b) 永 磁 式 （ 2） 交 流 测 速 发 电 机 交 流 测 速 发 电 机 分 为 同 步 测 速 发 电 机 和 异 步 测 速 发 电 机 。 根 据 转 子 的 结 构 型 式 ， 异 步 测 速 发 电 机 又 可 分 为 笼 型 转 子 异 步 测 速 发 电机 和 杯 型 转 子 异 步 测 速 发 电 机 ， 前 者 结 构 简 单 ， 输 出 特 性 斜 率 大 ， 但 特 性 差 ，误 差 大 ， 转 子 惯 量 大 ， 一 般 仅 用 于 精 度 要 求 不 高 的 系 统 中 ； 后 者 转 子 采 用 非磁 性 空 心 杯 ， 转 子 惯 量 小 ， 精 度 高 ， 是 目 前 应 用 最 广 泛 的 一 种 交 流 测 速 发 电机 。 1杯 型 结 构 2外 定 子 3内 定 子 4机 壳 5端 盖 杯 型 转 子 异 步 测 速 发 电 机 基 本 结 构 位 置 信 号 中 噪 音 较 小 位 置 信 号 应 尽 可 能 的 连 续 inout dtdVV RC out in1V V dtRC 3、 位 置 信 号 微 分 3.4 常 用 机 器 人 外 部 传 感 器3.4.1 机 器 人 接 触 觉 传 感 器 机 器 人 接 触 觉 传 感 器 用 来 判 断 机 器 人 是 否 接 触 物 体 的 测 量 传 感 器 。 传感 器 输 出 信 号 常 为 0或 1， 最 经 济 适 用 的 形 式 是 各 种 微 动 开 关 。 常 用 的 微 动开 关 由 滑 柱 、 弹 簧 、 基 板 和 引 线 构 成 ， 具 有 性 能 可 靠 、 成 本 低 、 使 用 方 便等 特 点 。 简 单 的 接 触 式 传 感 器 以 阵 列 形 式 排 列 组 合 成 触 觉 传 感 器 ， 它 以 特 定 次序 向 控 制 器 发 送 接 触 和 形 状 信 息 。 如 图 所 示 当 有 力 作 用 在 聚 合 物 上 时 ， 力 就 会 被传 给 周 围 的 一 些 传 感 器 ， 这 些 传 感 器 会 产生 与 所 受 力 成 正 比 的 信 号 。 对 于 分 辨 率 要求 较 低 的 场 合 ， 使 用 这 些 传 感 器 会 产 生 令人 满 意 的 效 果 。 类 皮 肤 触 觉 传 感 器 接 触 觉 传 感 器 可 提 供 的 物 体 信 息 3.4.2 接 近 觉 传 感 器1 电 磁 式 接 近 传 感 器 如 图 所 示 为 电 磁 式 接 近 传 感 器 。 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 。 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 。2 光 学 接 近 传 感 器 光 学 接 近 觉 传 感 器 由 用 做 发 射 器 的 光 源 和 接 收 器 两 部 分 组 成 ， 光 源 可 在 内 部 ，也 可 在 外 部 ， 接 收 器 能 够 感 知 光 线 的 有 无 。 发 射 器 及 接 受 器 的配置准则是 ：发射器发出的光只有在物体接近时才能被接收器接收。除非能反射光的物体处在传感器作用范围内，否则接收器就接受不到光线，也就不能产生信号。 3 超 声 波 接 近 觉 传 感 器 超 声 波 传 感 器 有 两 种 工 作 模 式 ， 即 对 置 模 式 和 回 波 模 式 。 下 图 为 超 声 波 接 近 觉传 感 器 原 理 图 。4 感 应 式 接 近 觉 传 感 器 感 应 式 接 近 觉 传 感 器 用 于 检 测 金 属 表 面 。 这 种 传 感 器 其 实 就 是 一 个 带 有 铁 氧体 磁 心 、 振 荡 器 检 测 器 和 固 态 开 关 的 线 圈 。 5 电 容 式 接 近 觉 传 感 器利 用 电 容 量 的 变 化 产 生 接 近 觉 。 电 容 接 近 觉 传 感 器 如 图 所 示 。 其 本 身 作 为 一个 极 板 ， 被 接 近 物 作 为 另 一 个 极 板 。 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 。 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 。 6. 涡 流 接 近 觉 传 感 器 涡 流 ： 当 导 体 放 置 在 变 化 的 磁 场 中 时 ， 内 部 就 会 产 生 电 动 势 ， 导 体 中 就 会 有 电流 流 过 ， 这 种 电 流 称 为 涡 流 。 涡 流 传 感 器 具 有 两 个 线 圈 ， 第 一 个 线 圈 产 生 作 为 参 考 用 的 变 化 磁 通 ， 在 有 导 电材 料 接 近 时 ， 其 中 将 会 感 应 出 涡 流 ， 感 应 出 的 涡 流 又 会 产 生 与 第 一 个 线 圈 反 向 的 磁通 使 总 的 磁 通 减 少 。 总 磁 通 的 变 化 与 导 电 材 料 的 接 近 程 度 成 正 比 ， 它 可 由 第 二 组 线圈 检 测 出 来 。 涡 流 传 感 器 不 仅 能 检 测 是 否 有 导 电 材 料 ， 而 且 能 够 对 材 料 的 空 隙 、 裂缝 、 厚 度 等 进 行 非 破 坏 性 检 测 。7. 霍 尔 式 传 感 器 当 一 块 通 有 电 流 的 金 属 或 半 导 体 薄 片 垂 直 地 放 在 磁 场 中 时 ， 薄 片 的 两 端 就 会产 生 电 位 差 ， 这 种 现 象 就 称 为 霍 尔 效 应 。 当 磁 性 物 件 移 近 霍 尔 开 关 时 ， 开 关 检 测 面 上 的 霍 尔 元 件 因 产 生 霍 尔 效 应 而 使开 关 内 部 电 路 状 态 发 生 变 化 ， 由 此 识 别 附 近 有 磁 性 物 体 存 在 ， 进 而 控 制 开 关 的 通或 断 。 这 种 接 近 开 关 的 检 测 对 象 必 须 是 磁 性 物 体 3.4.3 测 距 仪测 距 仪 用 于 测 量 较 长 的 距 离 ， 它 可 以 探 测 障 碍 物 和 物 体 表 面 的 形 状 ， 并 且 用 于 向 系统 提 供 早 期 信 息 。 测 距 仪 一 般 是 基 于 光 （ 可 见 光 、 红 外 光 或 激 光 ） 和 超 声 波 的 。 常 用的 测 量 方 法 是 三 角 法 和 测 量 传 输 时 间 法 。用 单 束 光 线 照 射 物 体 ， 会 在 物 体 上 形 成一 个 光 斑 ， 形 成 的 光 斑 用 摄 像 机 或 光 敏 三 极管 等 接 收 器 接 受 。 距 离 或 深 度 可 根 据 接 收 器 ，光 源 及 物 体 上 的 光 斑 所 形 成 的 三 角 形 计 算 。如 图 所 示 从 图 a可 以 清 楚 地 看 出 ： 物 体 、光 源 和 接 收 器 之 间 的 布 局 只 在 某 一 瞬 间 能 使接 收 器 接 收 到 光 斑 ， 此 时 距 离 d可 依 下 式 计 算 。 2. 测 量 传 输 时 间 法 信 号 传 输 的 距 离 包 括 从 发 射 器 到 物 体 和 被 物 体 反 射 到 接 收 器 两 部 分 。 传 感 器 与 物体 之 间 的 距 离 是 信 号 行 进 距 离 的 一 半 ， 知 道 了 传 播 速 度 ， 通 过 测 量 信 号 的 往 返 时 间 即可 算 出 距 离 。 3.4.4 超 声 波 测 距 仪1、 优 点超 声 波 系 统 结 构 坚 固 、 简 单 、 廉 价 并 且 能 耗 低 ， 可 以 很 容 易 地 用 于 摄 像 机 调 焦 、运 动 探 测 报 警 、 机 器 人 导 航 和 测 距 。2、 缺 点分 辨 率 和 最 大 工 作 距 离 受 到 限 制 ， 分 辨 率 的 限 制 是 来 自 声 波 的 波 长 、 传 输 介 质中 的 温 度 和 传 播 速 度 的 不 一 致 。 最 大 距 离 的 限 制 来 自 于 介 质 对 超 声 波 能 量 的 吸 收 。3、 工 作 原 理绝 大 部 分 的 超 声 波 测 距 设 备 采 用 测 量 时 间 的 方 法 进 行 测 距 。 工 作 原 理 是 ， 发 射器 发 射 高 频 超 声 波 脉 冲 ， 它 在 介 质 中 型 近 一 段 距 离 ， 遇 到 障 碍 物 后 返 回 ， 由 接 收器 接 收 ， 发 射 器 和 物 体 之 间 的 距 离 等 于 超 声 波 行 进 距 离 的 一 半 ， 行 进 距 离 则 等 于传 输 时 间 与 声 速 的 乘 积 。4、 测 量 精 度 测 量 精 度 不 仅 与 信 号 的 波 长 有 关 ， 还 与 时 间 测 量 精 度 和 声 速 精 度 有 关 。 超 声 波在 介 质 中 的 传 播 速 度 与 声 波 的 频 率 、 介 质 密 度 及 介 质 温 度 有 关 。 3.4.5 红 外 测 距 仪1、 定 义 红 外 线 是 介 于 可 见 光 和 微 波 之 间 的 一 种 电 磁 波 ， 因 此 ， 它 不 仅 具 有 可 见 光直 线 传 播 、 反 射 、 折 射 等 特 性 ， 还 具 有 微 波 的 某 些 特 性 ， 如 较 强 的 穿 透 能 力 和能 贯 穿 某 些 不 透 明 物 质 等 。 红 外 传 感 器 包 括 红 外 发 射 器 件 和 红 外 接 收 器 件 。 自然 界 的 所 有 物 体 只 要 温 度 高 于 绝 对 零 度 都 会 辐 射 红 外 线 ， 因 而 ， 红 外 传 感 器 须具 有 更 强 的 发 射 和 接 收 能 力 。2、 原 理 红 外 测 距 传 感 器 利 用 红 外 信 号 遇 到 障 碍 物 距 离 的 不 同 反 射 的 强 度 也 不 同 的 原理 ， 进 行 障 碍 物 远 近 的 检 测 。 红 外 测 距 传 感 器 具 有 一 对 红 外 信 号 发 射 与 接 收 二极 管 ， 发 射 管 发 射 特 定 频 率 的 红 外 信 号 ， 接 收 管 接 收 这 种 频 率 的 红 外 信 号 ， 当 红 外 的 检 测 方 向 遇 到 障 碍 物 时 ， 红 外 信 号 反 射 回 来 被 接 收 管 接 收 ， 经 过 处 理 之后 ， 通 过 数 字 传 感 器 接 口 返 回 到 机 器 人 主 机 ， 机 器 人 即 可 利 用 红 外 的 返 回 信 号来 识 别 周 围 环 境 的 变 化 。 3.4.6 机 器 人 姿 态 传 感 器1、 定 义 姿 态 传 感 器 时 用 来 检 测 机 器 人 与 地 面 相 对 关 系 的 传 感 器 ， 一 般 用 在 移 动 机 器人 上 。2、 陀 螺 仪 典 型 的 姿 态 传 感 器 是 陀 螺 仪 ， 陀 螺 仪 是一 种 传 感 器 ， 它 利 用 高 速 旋 转 物 体 （ 转 子 ）经 常 保 持 其 一 定 姿 态 的 性 质 。 转 子 通 过 一个 支 撑 它 的 ， 被 称 为 万 向 接 头 的 自 由 支 持机 构 ， 安 装 在 机 器 人 上 。 如 图 所 示 为 一 个速 率 陀 螺 仪 原 理 图 。 机 器 人 围 绕 着 输 入 轴 以 角 速 度 转 动 时 ， 与 输 入 轴 正 交 的 输 出 轴仅 转 过 角 度 。 在 速 率 陀 螺 仪 中 ， 加 装 了 弹簧 。 缷 掉 这 个 弹 簧 后 的 陀 螺 仪 ， 称 为 速 率积 分 陀 螺 仪 ， 此 时 输 出 轴 以 角 速 度 旋 转 ，且 此 角 速 度 与 围 绕 输 入 轴 的 旋 转 角 速 度 成正 比 。 速 率 陀 螺 仪 原 理 图 3.4.6 机 器 人 姿 态 传 感 器 姿 态 传 感 器 设 置 在 机 器 人 的 躯 干 部 分 ， 它 用 来检 测 移 动 中 的 姿 态 和 方 位 变 化 ， 保 持 机 器 人 的 正 确姿 态 ， 并 且 实 现 指 令 要 求 的 方 位 。 除 此 以 外 ， 还 有 气 体 速 率 陀 螺 仪 、 光 陀 螺 仪 ，前 者 利 用 了 姿 态 变 化 时 ， 气 流 也 发 生 变 化 这 一 现 象 ；后 者 则 利 用 了 当 环 路 状 光 径 相 对 于 惯 性 空 间 旋 转 时 ，沿 这 种 光 径 传 播 的 光 ， 会 因 向 右 旋 转 而 呈 现 速 度 变化 的 现 象 。 3.4.7 机 器 人 力 觉 传 感 器1、 定 义 力 觉 是 指 对 机 器 人 的 指 、 肢 和 关 节 等 运 动 中 所 受 力 的 感 知 ， 用 于 感 知 夹 持 物体 的 状 态 ； 校 正 由 于 手 臂 变 形 引 起 的 运 动 误 差 ； 保 护 机 器 人 及 零 件 不 会 损 坏 。它 们 对 装 配 机 器 人 具 有 重 要 意 义 。 主 要 包 括 关 节 力 传 感 器 、 腕 力 传 感 器 、 机 座传 感 器 等 。1） 关 节 传 感 器 用 于 电 流 检 测 、 液 压 系 统 的 背 压 检 测 和 应 力 式 关 节 力 传 感 器 等 。2） 腕 力 传 感 器 可 以 采 用 应 变 式 、 电 容 式 、 压 电 式 等 。 1. 力 力 矩 传 感 器 竖 梁 式 6自 由 度 力 传 感 器 原 理 图 力 力 矩 觉 传 感 器 主 要 用 于 测 量 机 器 人 自 身 或 与 外 界 相 互 作 用 而 产 生 的 力 或力 矩 的 传 感 器 。 它 通 常 装 在 机 器 人 各 关 节 处 。 刚 体 在 空 间 的 运 动 可 以 用 6个 坐 标 来 描 述 ， 例如 用 表 示 刚 体 质 心 位 置 的 三 个 直 角 坐 标 和 分 别 绕 三个 直 角 坐 标 轴 旋 转 的 角 度 坐 标 来 描 述 。 可 用 多 种 结构 的 弹 性 敏 感 元 件 来 敏 感 机 器 人 关 节 所 受 的 6个 自由 度 的 力 或 力 矩 ， 再 由 粘 贴 其 上 的 应 变 片 （ 见 半 导体 应 变 计 、 电 阻 应 变 计 ） 将 力 或 力 矩 的 各 个 分 量 转换 为 相 应 的 电 信 号 。 常 用 弹 性 敏 感 元 件 的 形 式 有 十字 交 叉 式 、 三 根 竖 立 弹 性 梁 式 和 八 根 弹 性 梁 的 横 竖混 合 结 构 等 。 如 图 所 示 为 竖 梁 式 6自 由 度 力 传 感 器的 原 理 。 在 每 根 梁 的 内 侧 粘 贴 张 力 测 量 应 变 片 ， 外 侧 粘 贴 剪 切 力 测 量 应 变 片 ， 从 而 构 成 6个 自 由 度 的力 和 力 矩 分 量 输 出 。 2. 应 变 片 应 变 片 也 能 用 于 测 量 力 。 应 变 片 的 输 出 是 与 其 形 变 成 正 比 的 阻 值 ， 而 形 变 本 身 又与 施 加 的 力 成 正 比 。 于 是 ， 通 过 测 量 应 变 片 的 电 阻 ， 就 可 以 确 定 施 加 力 的 大 小 。 应 变 片 常 用 于 测 量 末 端 执 行 器 和 机 器 人 腕 部 的 作 用 力 。 应 变 片 也 可 用 于 测 量 机 器人 关 节 和 连 杆 上 的 载 荷 ， 但 不 常 用 。a） 应 变 片 b） 惠 斯 通 电 桥 应 变 片 传 感 器 3. 多 维 力 传 感 器1） 定 义 多 维 力 传 感 器 指 的 是 一 种 能 够 同 时 测 量 两 个 方 向 以 上 力 及 力 矩 分 量 的 力 传 感 器 ，在 笛 卡 尔 坐 标 系 中 力 和 力 矩 可 以 各 自 分 解 为 三 个 分 量 ， 因 此 ， 多 维 力 最 完 整 的 形式 是 六 维 力 /力 矩 传 感 器 ,即 能 够 同 时 测 量 三 个 力 分 量 和 三 个 力 矩 分 量 的 传 感 器 ， 目前 广 泛 使 用 的 多 维 力 传 感 器 就 是 这 种 传 感 器 。 在 某 些 场 合 ， 不 需 要 测 量 完 整 的 六个 力 和 力 矩 分 量 而 只 需 要 测 量 其 中 某 几 个 分 量 ， 因 此 ， 就 有 了 二 、 三 、 四 、 五 维的 多 维 力 传 感 器 ， 其 中 每 一 种 传 感 器 都 可 能 包 含 有 多 种 组 合 形 式 。2） 应 用 多 维 力 传 感 器 广 泛 应 用 于 机 器 人 手 指 、 手 爪 研究 ； 机 器 人 外 科 手 术 研 究 ； 指 力 研 究 ； 牙 齿 研 究 ； 力 反 馈 ； 刹 车 检 测 ； 精 密 装 配 、 切 削 ； 复 原 研 究 ；整 形 外 科 研 究 ； 产 品 测 试 ； 触 觉 反 馈 ； 示 教 学 习 。行 业 覆 盖 了 机 器 人 、 汽 车 制 造 、 自 动 化 流 水 线 装配 、 生 物 力 学 、 航 空 航 天 、 轻 纺 工 业 等 领 域 六 维 力 传 感 器 结 构 图 4. 机 器 人 腕 力 传 感 器1） 定 义 机 器 人 腕 力 传 感 器 测 量 的 是 三 个 方 向 的 力 （ 力 矩 ） ， 所 以 一 般 均 采 用 六 维 力 力 矩 传 感 器 。 由 于 腕 力 传 感 器 既 是 测 量 的 载 体 又 是 传 递 力 的 环 节 ， 所 以 腕 力 传 感器 的 结 构 一 般 为 弹 性 结 构 梁 ， 通 过 测 量 弹 性 体 的 变 形 得 到 3个 方 向 的 力 （ 力 矩 ） 。2） 林 纯 一 六 维 腕 力 传 感 器 林 纯 一 六 维 腕 力 传 感 器 3） 六 维 腕 力 传 感 器 六 维 腕 力 传 感 器 3.4.8 机 器 人 滑 觉 传 感 器1、 定 义 机 器 人 在 抓 取 不 知 属 性 的 物 体 时 ， 其 自 身 应 能 确 定 最 佳 握 紧 力 的 给 定 值 。 当 握紧 力 不 够 时 ， 要 检 测 被 握 紧 物 体 的 滑 动 ， 利 用 该 检 测 信 号 ， 在 不 损 害 物 体 的 前 提下 ， 考 虑 最 可 靠 的 夹 持 方 法 ， 实 现 此 功 能 的 传 感 器 称 为 滑 觉 传 感 器 滑 觉 传 感 器 。2、 分 类 有 滚 动 式 和 球 式 ， 还 有 一 种 通 过 振 动 检 测 滑 觉 的 传 感 器 。3、 工 作 原 理 物 体 在 传 感 器 表 面 上 滑 动 时 ， 和 滚 轮 或 环 相 接 触 ， 把 滑 动 变 成 转 动 。 磁 力 式 滑觉 传 感 器 中 ， 滑 动 物 体 引 起 滚 轮 滚 动 ， 用 磁 铁 和 静 止 的 磁 头 ， 或 用 光 传 感 器 进 行检 测 ， 这 种 传 感 器 只 能 检 测 到 一 个 方 向 的 滑 动 。 球 式 传 感 器 用 球 代 替 滚 轮 ， 可 以 检 测 各 个 方 向 的 滑 动 ， 振 动 式 滑 觉 传 感 器 表 面 伸 出 的 触 针 能 和 物 体 接 触 ， 物 体 滚动 时 ， 触 针 与 物 体 接 触 而 产 生 振 动 ， 这 个 振 动 由 压 点 传 感 器 或 磁 场 线 圈 结 构 的 微小 位 移 计 检 测 。 1. 光 纤 滑 觉 传 感 器1） 定 义 ： 将 光 纤 传 感 器 用 于 机 器 人 机 械 手 上 的 有 关 研 究 主 要 是 光 纤 压 觉 或 力 觉传 感 器 和 光 纤 触 觉 传 感 器 。2） 优 点 ： 由 于 光 纤 传 感 器 具 有 体 积 小 、 不 受 电 磁 干 扰 、 本 质 上 防 燃 防 爆 等 优 点 ，因 而 在 机 械 手 作 业 过 程 中 ， 可 靠 性 较 高 。3） 原 理 ： 在 光 纤 滑 觉 传 感 系 统 中 ， 利 用 滑 球 的 微 小 转 动 来 进 行 切 向 滑 觉 的 转 换 ，在 滑 球 中 心 嵌 入 一 平 面 反 射 镜 。 光 纤 探 头 由 中 心 的 发 射 光 纤 和 对 称 布 设 的 四 根 光 信号 接 收 光 纤 组 成 。 来 自 发 射 光 纤 的 出 射 光 经 平 面 镜 反 射 后 ， 被 发 射 光 纤 周 围 的 四 根光 纤 所 接 收 ， 形 成 同 一 光 场 的 四 象 限 光 探 测 ， 所 接 收 的 四 象 限 光 信 号 经 前 置 放 大 后被 送 入 信 号 处 理 系 统 。 当 传 感 器 的 滑 球 在 有 滑 动 趋 势 的 物 体 作 用 下 绕 球 心 产 生 微 小转 动 时 ， 由 此 引 起 反 射 光 场 发 生 变 化 ， 导 致 四 象 限 接 收 光 纤 所 接 收 到 的 光 信 号 受 到调 制 ， 从 而 实 现 全 方 位 光 纤 滑 觉 检 测 。 系 统 如 框 图 所 示 。 2. 机 器 人 专 用 滑 觉 传 感 器如 图 所 是 贝 尔 格 莱 德 大 学 研 制 的 球 型 机 器人 专 用 滑 觉 传 感 器 。 它 由 一 个 金 属 球 和 触 针组 成 ， 金 属 球 表 面 分 别 许 多 间 隔 排 列 的 导 电和 绝 缘 小 格 。 触 针 头 很 细 ， 每 次 只 能 触 及 一个 格 。 当 工 件 滑 动 时 ， 金 属 球 也 随 之 转 动 ，在 触 针 上 输 出 脉 冲 信 号 。 脉 冲 信 号 的 频 率 反映 了 滑 移 速 度 ， 脉 冲 信 号 的 个 数 对 应 滑 移 的距 离 。 接 触 器 触 头 面 积 小 于 球 面 上 露 出 的 导体 面 积 ， 它 不 仅 可 做 得 很 小 ， 而 且 检 测 灵 敏度 。 球 与 别 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 。 该 球 体 在 冲 击 力 作 用 下 不 转 动 ， 因 此 抗 干 扰 能 力 强 。 3.4.9 机 器 人 视 觉 传 感 器1. 人 的 视 觉 1） 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 。 2） 人 眼 的 适 宜 刺 激 波 长 是 370740nm的 电 磁 波 。 3） 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 。 4） 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 。 5） 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 。 6） 视 杆 细 胞 感 受 夜 间 景 象 。 7） 人 的 视 锥 细 胞 大 约 有 700多 万 个 ， 是 听 觉 细 胞 的 3000多 万 倍 。 2. 机 器 人 视 觉机 器 人 的 视 觉 系 统 通 常 是 利 用 光 电 传 感 器 构 成 的 。 机 器 人 的 视 觉 作 用的 过 程 如 图 所 示 。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 。 首 先 是 实 时 性 。 其 次 是 可 靠 性 。 再 次 是 要 求 有 柔 性 。 最 后 是 价 格 适 中 。 机 器 人 传 感 器 应 用 的 条 件 如 下 ： 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 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 。 明 暗 信 息 主 要 靠 电 视 摄 像 机 、 CCD固 态 摄 像 机 来 获 得 。 3. 机 器 人 视 觉 传 感 器（ 1） 人 工 网 膜人 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 3 3的 光电 管 矩 阵 ， 多 的 可 达 256 256个 像 素 的 阵 列 甚 至 更 高 。以 3 3阵 列 为 例 。 数 字 字 符 1， 得 到 的 正 、 负 像 如 图 所 示 ， 大 写 字 母 字 符 I ，所 得 正 、 负 像 如 图 3.29所 示 ， 事 先 作 为 标 准 图 像 存 储 起 来 。 数 字 字 符 1的 正 、 负 像大 写 字 符 I的 正 、 负 像 与 1比 较 与 I比 较正 像 相 关 值 3 3负 像 相 关 值 6 2总 相 关 值 9 5 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 下 表 在 两 者 比 较 中 ， 是 1的 总 相 关 值 是 9， 等 于 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 。 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 他 字 符 。 （ 2） 光 电 探 测 器 件 最 简 单 的 光 探 测 器 是 光 电 管 和 光 敏 二 极 管 。 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 。 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 512 512及 更 高 。 利 用 CCD器 件 制 成 的 固 态 摄 像 机 有 较 高 的 几 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 3.4.10 听 觉 、 嗅 觉 传 感 器1. 人 的 听 觉 人 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 。 2. 机 器 人 的 听 觉按 应 用 的 分 为 两 大 类 ：1） 发 音 人 识 别 系 统 。2） 语 义 识 别 系 统 。 机 器 人 听 觉 系 统 中 的 听 觉 传 感 器 的 基 本 形 态 与 传 声 器 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 。3. 人 的 嗅 觉 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。 嗅 上 皮 含 有 三种 细 胞 ， 即 主 细 胞 ， 支 持 细 胞 和 基 底 细 胞 。 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 。 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 。 4. 机 器 人 的 嗅 觉 嗅 觉 传 感 器 主 要 的 是 采 用 气 体 传 感 器 、 射 线 传 感 器 等 。 主 要 应 用 ： 检 测 空 气 中 的 化 学 成 分 、 浓 度 。 检 测 放 射 线 、 可 燃 气 体 及 有 毒 气 体 。了 解 环 境 污 染 、 预 防 火 灾 和 毒 气 泄 漏 报 警 。 3.5 多 传 感 器 信 息 融 合1、 定 义将 经 过 集 成 处 理 的 多 传 感 器 信 息 进 行 合 成 ， 形 成 一 种 对 外 部 环 境 或 被 测 对 象 某一 特 征 的 表 达 方 式 。 单 一 传 感 器 只 能 获 得 环 境 或 被 测 对 象 的 部 分 信 息 段 ， 而 多 传感 器 信 息 经 过 融 合 后 能 够 完 善 地 、 准 确 地 反 映 环 境 的 特 征 。 经 过 融 合 后 的 传 感 器信 息 具 有 以 下 特 征 ： 信 息 冗 余 性 、 信 息 互 补 性 、 信 息 实 时 性 、 信 息 获 取 的 低 成 本性 。2. 信 息 融 合 的 核 心1） 信 息 融 合 是 在 几 个 层 次 上 完 成 对 多 源 信 息 的 处 理 过 程 ， 其 中 各 个 层 次 都 表示 不 同 级 别 的 信 息 抽 象 。2） 信 息 融 合 处 理 包 括 探 测 、 互 联 、 相 关 、 估 计 以 及 信 息 组 合 。 3） 信 息 融 合 包 括 较 低 层 次 上 的 状 态 和 身 份 估 计 ， 以 及 较 高 层 次 上 的 整 个 战 术态 势 估 计 。 3. 多 传 感 器 信 息 融 合 过 程如 图 ， 为 典 型 的 多 传 感 器 信 息 融 合 过 程 框 图 4. 信 息 融 合 的 分 类 （ 1） 组 合（ 2） 综 合（ 3） 融 合（ 4） 相 关 5. 信 息 融 合 的 结 构信 息 融 合 的 结 构 分 为 串 联 、 并 联 和 混 合 三种 C1， C2， ， Cn表 示 n个 传 感 器 ； S1，S2， ， Sn表 示 来 自 各 个 传 感 器 信 息融 合 中 心 的 数 据 ； Y1， Y2， ， Yn表示 融 合 中 心 。 6. 融 合 方 法 融 合 处 理 方 法 是 将 多 维 输 入 数 据 根 据 信 息 融 合 的 功 能 ， 在 不 同 融 合 层 次 上采 用 不 同 的 数 学 方 法 ， 对 数 据 进 行 综 合 处 理 ， 最 终 实 现 融 合 。 7 多 信 息 融 合 的 典 型 应 用如 图 所 示 为 多 传 感 器 信 息 融 合 自 主 移 动 装 配 机 器 人 。