外部傳感器
1．概述
為了檢測作業(yè)對象及環(huán)境或機器人與它們的關(guān)系，在機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一步完善，機器人的功能越來越強大，將在許多領(lǐng)域為人類做出更大貢獻。
2．外部傳感器按功能分類
（1）觸覺傳感器 觸覺是接觸、沖擊、壓迫等機械刺激感覺的綜合，觸覺可以用來進行機器人抓取，利用觸覺可進一步感知物體的形狀、軟硬等物理性質(zhì)。對機器人觸覺的研究，只能集中于擴展機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，可增大接觸面積，并且有一定的強度，便于抓握。接觸覺傳感器可檢測機器人是否接觸目標或環(huán)境，用于尋找物體或感知碰撞。
① 機械式傳感器：利用觸點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構(gòu)成的傳感器，碳纖維被壓后與金屬觸點接觸，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，則反射的光強度不同。用高速光掃描技術(shù)進行處理，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，接收到的光強和傳感器與目標的距離有關(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：機器人在抓取不知屬性的物體時，其自身應(yīng)能確定最佳握緊力的給定值。當握緊力不夠時，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，考慮最可靠的夾持方法，實現(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)動。
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，這個振動由壓點傳感器或磁場線圈結(jié)構(gòu)的微小位移計檢測。滾輪式滑覺傳感器如圖2所示。
（2）力覺傳感器 力覺是指對機器人的指、肢和關(guān)節(jié)等運動中所受力的感知，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用位移計測量負載產(chǎn)生的位移的差動變壓器、電容位移計式，其中應(yīng)變片被機器人廣泛采用。
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，在機器人上實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。這對實驗者的人身安全、對保證機器人及外圍設(shè)備不受損害有重要意義。
（3）距離傳感器 距離傳感器可用于機器人導(dǎo)航和回避障礙物，也可用于機器人空間內(nèi)的物體進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是波束較寬，其分辨力受到嚴重的限制，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射向被測物體，反射鏡固定在電動機軸上，電動機連續(xù)旋轉(zhuǎn)，使激光點穩(wěn)定地對被測目標掃描。由CCD（電荷耦合器件）攝像機接受反射光，采用圖像處理的方法檢測出激光點圖像，并根據(jù)位置坐標及攝像機光學(xué)特點計算出激光反射角。利用三角測距原理即可算出反射點的位置。
（4）其他外部傳感器 除以上介紹的機器人外部傳感器外，還可根據(jù)機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，有待于更進一步完善，以豐富機器人專用功能。
（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，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算法定位系統(tǒng)（利用速度、方向等記錄數(shù)據(jù)進行計算）或陸標（如交叉路口、人行道等參照物）觀測確定。若陸標觀測成功，則用陸標觀測的結(jié)果，并對計算法的值進行修正，否則利用計算法所得的結(jié)果。
2）互補性的：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。利用彩色攝像機和激光測距儀確定一段階梯道路，彩色攝像機提供圖像（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。
（轉(zhuǎn)載）
