機(jī)器人傳感器的類別及應(yīng)用原理

一般機(jī)器人系統(tǒng)由機(jī)械手、環(huán)境、任務(wù)和控制器四個(gè)互相作用的部分組成。我們稱一般安裝在機(jī)器人機(jī)械手上的傳感器為內(nèi)傳感器(Inner Sensons)，而稱作為環(huán)境的一部分的傳感器為外傳感器(External Sensons)。下面將以此為主，結(jié)合機(jī)器人傳感器其它分類方法進(jìn)行闡述。

機(jī)器人產(chǎn)業(yè)近年來(lái)發(fā)展很快，2012年全球產(chǎn)量為16萬(wàn)臺(tái)，歐、美、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家機(jī)器人市場(chǎng)已比較成熟，已處于平增長(zhǎng)階段。其機(jī)器人密度(萬(wàn)名員工使用機(jī)器人臺(tái)數(shù))韓國(guó)為347臺(tái)，日本為339臺(tái)，法國(guó)為261臺(tái)，而我國(guó)為10臺(tái)(有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)稱為21臺(tái)， 僅供參考)。而我國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)也發(fā)展很快，工業(yè)機(jī)器人每年裝機(jī)量增長(zhǎng)速度均超過(guò)20%，2010年裝機(jī)量為52290臺(tái)，2011年上漲到74317臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了42%的增長(zhǎng)率。在2012年，我國(guó)出臺(tái)了《智能制造科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》，2013年4月21日還成立了“中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”，這些均證明了我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將會(huì)有更大的發(fā)展。

機(jī)器人產(chǎn)品目前分類為工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人兩大類。國(guó)內(nèi)也有分為工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人兩大類的;或分為一般機(jī)器人和智能機(jī)器人兩大類;或分為一般機(jī)器人和移動(dòng)機(jī)器人兩類;或分為一般機(jī)器人和擬人機(jī)器人兩類等。目前工業(yè)機(jī)器人多用于搬運(yùn)、分揀、上下料、包裝、碼垛、焊接、噴涂、打磨、拋光、切割、擺放、裝配等方面。

隨著智能化的程度提高，機(jī)器人傳感器應(yīng)用越來(lái)越多。智能機(jī)器人主要有交互機(jī)器人、傳感機(jī)器人和自主機(jī)器人3種。從擬人功能出發(fā)，視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)最為重要，早已進(jìn)入實(shí)用階段，聽(tīng)覺(jué)也有較大進(jìn)展，其它還有嗅覺(jué)、味覺(jué)、滑覺(jué)等，對(duì)應(yīng)有多種傳感器，所以機(jī)器人傳感產(chǎn)業(yè)也形成了生產(chǎn)和科研力量。

機(jī)器人的控制系統(tǒng)相當(dāng)于人類大腦，執(zhí)行機(jī)構(gòu)相當(dāng)于人類四肢，傳感器相當(dāng)于人類的五官。因此，要讓機(jī)器人像人一樣接收和處理外界信息，機(jī)器人傳感器技術(shù)是機(jī)器人智能化的重要體現(xiàn)。

傳感器是機(jī)器人完成感覺(jué)的必要手段，通過(guò)傳感器的感覺(jué)作用，將機(jī)器人自身的相關(guān)特性或相關(guān)物體的特性轉(zhuǎn)化為機(jī)器人執(zhí)行某項(xiàng)功能時(shí)所需要的信息。根據(jù)傳感器在機(jī)器人上應(yīng)用的目的和使用范圍不同，可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。

內(nèi)部傳感器用于檢測(cè)機(jī)器人自身狀態(tài)(如手臂間角度、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)工程中的位置、速度和加速度等);外部傳感器用于檢測(cè)機(jī)器人所處的外部環(huán)境和對(duì)象狀況等，如抓取對(duì)象的形狀、空間位置、有沒(méi)有障礙、物體是否滑落等。

機(jī)器人傳感器主要類別：

內(nèi)傳感器

機(jī)器介機(jī)電一體化的產(chǎn)品，內(nèi)傳感器和電機(jī)、軸等機(jī)械部件或機(jī)械結(jié)構(gòu)如手臂(Arm)、手腕(Wrist)等安裝在一起，完成位置、速度、力度的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)伺服控制。

位置(位移)傳感器

直線移動(dòng)傳感器有電位計(jì)式傳感器和可調(diào)變壓器兩種。角位移傳感器有電位計(jì)式、可調(diào)變壓器(旋轉(zhuǎn)變壓器)及光電編碼器三種，其中光電編碼器有增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器。增量式編碼器一般用于零位不確定的位置伺服控制，絕對(duì)式編碼器能夠得到對(duì)應(yīng)于編碼器初始鎖定位置的驅(qū)動(dòng)軸瞬時(shí)角度值，當(dāng)設(shè)備受到壓力時(shí)，只要讀出每個(gè)關(guān)節(jié)編碼器的讀數(shù)，就能夠?qū)λ欧刂频慕o定值進(jìn)行調(diào)整，以防止機(jī)器人啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生過(guò)劇烈的運(yùn)動(dòng)。

速度和加速度傳感器

速度傳感器有測(cè)量平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度兩種，但大多數(shù)情況下，只限于測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度。利用位移的導(dǎo)數(shù)，特別是光電方法讓光照射旋轉(zhuǎn)圓盤，檢測(cè)出旋轉(zhuǎn)頻率和脈沖數(shù)目，以求出旋轉(zhuǎn)角度， 及利用圓盤制成有縫隙，通過(guò)二個(gè)光電二極管辨別出角速度，即轉(zhuǎn)速，這就是光電脈沖式轉(zhuǎn)速傳感器。

此外還有測(cè)速發(fā)電機(jī)用于測(cè)速等。

應(yīng)變儀即伸縮測(cè)量?jī)x，也是一種應(yīng)力傳感器，用于加速度測(cè)量。加速度傳感器用于測(cè)量工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)控制信號(hào)。一般有由速度測(cè)量進(jìn)行推演、已知質(zhì)量物體加速度所產(chǎn)生動(dòng)力，即應(yīng)用應(yīng)變儀測(cè)量此力進(jìn)行推演，還有就是下面所說(shuō)的方法：

與被測(cè)加速度有關(guān)的力可由一個(gè)已知質(zhì)量產(chǎn)生。這種力可以為電磁力或電動(dòng)力，最終簡(jiǎn)化為對(duì)電流的測(cè)量，這就是伺服返回傳感器，實(shí)際又能有多種振動(dòng)式加速度傳感器。

力覺(jué)傳感器

力覺(jué)傳感器用于測(cè)量?jī)晌矬w之間作用力的三個(gè)分量和力矩的三個(gè)分量。機(jī)器人中理想的傳感器是粘接在依從部件的半導(dǎo)體應(yīng)力計(jì)。具體有金屬電阻型力覺(jué)傳感器、半導(dǎo)體型力覺(jué)傳感器、其它磁性壓力式和利用弦振動(dòng)原理制作的力覺(jué)傳感器。

還有轉(zhuǎn)矩傳感器(如用光電傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)矩)、腕力傳感器(如國(guó)際斯坦福研究所的由6個(gè)小型差動(dòng)變壓器組成， 能測(cè)量作用于腕部X、Y和Z三個(gè)方向的動(dòng)力及各軸動(dòng)轉(zhuǎn)矩)等。

由于機(jī)器人發(fā)展歷史較長(zhǎng)，近年來(lái)普遍采用以交流永磁電動(dòng)機(jī)為主的交流伺服系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)位置、速度等傳感器大量應(yīng)用的是：各種類型的光電編碼器、磁編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器。

外傳感器

以往一般工業(yè)機(jī)器人是沒(méi)有外部感覺(jué)能力的，而新一代機(jī)器人如多關(guān)節(jié)機(jī)器人，特別是移動(dòng)機(jī)器人、智能機(jī)器人則要求具有校正能力和反應(yīng)環(huán)境變化的能力，外傳感器就是實(shí)現(xiàn)這些能力的。

觸覺(jué)傳感器

微型開(kāi)關(guān)是接觸傳感器最常用型式，另有隔離式雙態(tài)接觸傳感器(即雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體電路)、單模擬量傳感器、矩陣傳感器(壓電元件的矩陣傳感器、人工皮膚——變電導(dǎo)聚合物、光反射觸覺(jué)傳感器等)。

應(yīng)力傳感器

如多關(guān)節(jié)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作時(shí)需要知道實(shí)際存在的接觸、接觸點(diǎn)的位置(定位)、接觸的特性即估計(jì)受到的力(表征)這三個(gè)條件，所以用上節(jié)已指出的應(yīng)變儀，結(jié)合具體應(yīng)力檢測(cè)的基本假設(shè)，如求出工作臺(tái)面與物體間的作用力，具體有對(duì)環(huán)境裝設(shè)傳感器、對(duì)機(jī)器人腕部裝設(shè)測(cè)試儀器用傳動(dòng)裝置作為傳感器等方法。

接近度傳感器

由于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度提高及對(duì)物體裝卸可能引起損壞等原因需要知道物體在機(jī)器人工作場(chǎng)地內(nèi)存在位置的先驗(yàn)信息以及適當(dāng)?shù)能壽E規(guī)劃，所以有必要應(yīng)用測(cè)量接近度的遙感方法。接近傳感器分為無(wú)源傳感器和有源傳感器，所以除自然信號(hào)源外，還可能需要人工信號(hào)的發(fā)送器和接收器。

超聲波接近度傳感器用于檢測(cè)物體的存在和測(cè)量距離。它不能用于測(cè)量小于30~50cm的距離，而測(cè)距范圍較大，它可用在移動(dòng)機(jī)器人上，也可用于大型機(jī)器人的夾手上。還可做成超聲導(dǎo)航系統(tǒng)。

紅外線接近度傳感器，其體積很小，只有幾立方厘米大，因此可以安裝在機(jī)器人夾手上。

聲覺(jué)傳感器

用于感受和解釋在氣體(非接觸感受)、液體或固體(接觸感受)中的聲波。聲波傳感器復(fù)雜程度可以從簡(jiǎn)單的聲波存在檢測(cè)到復(fù)雜的聲波頻率分析， 直到對(duì)連續(xù)自然語(yǔ)言中單獨(dú)語(yǔ)音和詞匯的辨別。

接觸式或非接觸式溫度傳感器

近年在機(jī)器人中應(yīng)用較廣，除常用的熱電阻(熱敏電阻)、熱電偶等外，熱電電視攝像機(jī)測(cè)及感覺(jué)溫度圖像方面也取得進(jìn)展。

滑覺(jué)傳感器

用于檢測(cè)物體的滑動(dòng)。當(dāng)要求機(jī)器人抓住特性未知的物體時(shí)，必須確定最適當(dāng)?shù)奈樟χ?，所以要求檢測(cè)出握力不夠時(shí)所產(chǎn)生的物體滑動(dòng)信號(hào)。利用這一信號(hào)，在不損壞物體的情況下，牢牢抓住物體。

目前有利用光學(xué)系統(tǒng)的滑覺(jué)傳感器和利用晶體接收器的滑覺(jué)傳感器，后者的檢測(cè)靈敏度與滑動(dòng)方向無(wú)關(guān)。

距離傳感器

用于智能移動(dòng)機(jī)器人的距離傳感器有：激光測(cè)距儀(兼可測(cè)角)、聲納傳感器等，近幾年得到發(fā)展。

視覺(jué)傳感器

20世紀(jì)50年代后期出現(xiàn)，發(fā)展十分迅速，是機(jī)器人中最重要的傳感器之一。機(jī)器視覺(jué)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始首先處理積木世界，后來(lái)發(fā)展到處理室外的現(xiàn)實(shí)世界。20世紀(jì)70年代以后，實(shí)用性的視覺(jué)系統(tǒng)出現(xiàn)了。視覺(jué)一般包括三個(gè)過(guò)程：圖像獲取、圖像處理和圖像理解。相對(duì)而言，圖像理解技術(shù)還很落后。

傳感器的主要指標(biāo)：

動(dòng)態(tài)范圍：是指?jìng)鞲衅髂軝z測(cè)的范圍。比如電流傳感器能夠測(cè)量1mA-20A的電流，那么這個(gè)傳感器的測(cè)量范圍就是10log(20/0.001)=43dB. 如果傳感器的輸入超出了傳感器的測(cè)量范圍，那么傳感器就不會(huì)顯示正確的測(cè)量值了。比如超聲波傳感器對(duì)近距離的物體無(wú)法測(cè)量。

分辨率：分辨率是指?jìng)鞲衅髂軠y(cè)量的最小差異。比如電流傳感器，它的分辨率可能是5mA，也就是說(shuō)小于5mA的電流差異，它沒(méi)法檢測(cè)出。當(dāng)然越高分辨率的傳感器價(jià)格就越貴。

線性度：這是一個(gè)非常重要的指標(biāo)來(lái)衡量傳感器輸入和輸出的關(guān)系。

頻率：是指?jìng)鞲衅鞯牟蓸铀俣?。比如一個(gè)超聲波傳感器的采樣速度為20HZ，也就是說(shuō)每秒鐘能掃描20次。

機(jī)器人傳感器的要求和選擇

機(jī)器人傳感器的選擇取決于機(jī)器人工作需要和應(yīng)用特點(diǎn)，對(duì)機(jī)器人感覺(jué)系統(tǒng)的要求時(shí)選擇傳感器的基本依據(jù)。

精度高、重復(fù)性好;

穩(wěn)定性和可靠性好

抗干擾能力強(qiáng);

重量輕、體積小、安裝方便。

小結(jié)

所有機(jī)器人傳感器均與信號(hào)的檢測(cè)以后的信號(hào)變換、處理關(guān)系非常密切， 而且變換處理的軟件工作量很大，又與人工智能等信息技術(shù)融合，所以本文只是拋磚引玉，有待深入探討。