duzj01@第八章機器人傳感技術主編：金發(fā)慶8.1傳感器概述8.2外部傳感器8.3內部傳感器8.4多傳感器融合傳感器技術是材料學、力學、電學、磁學、微電子學、光學、聲學、化學、生物學、精密機械、仿生學、測量技術、半導體技術、計算機技術、信息處理技術、乃至系統(tǒng)科學、人工智能、自動化技術等眾多學科相互交叉的綜合性高新技術密集型前沿技術。傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量件并按照一定的規(guī)律(數(shù)學函數(shù)法則)轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成引言傳感器技術廣泛應用于航空航天、兵器、信息產業(yè)、機械、電力、能源、交通、冶金、石油、建筑、郵電、生物、醫(yī)學、環(huán)保、材料、災害預測預防、農林漁業(yè)、食品、煙酒制造、建筑、汽車、艦船、機器人、家電、公共安全等領域。引言物聯(lián)網技術在機器人中，起到內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機器人傳感器。給機器人裝備什么樣的傳感器？對這些傳感器有什么要求？這是設計機器人感覺系統(tǒng)時遇到的首要問題。選擇機器人傳感器應當完全取決于機器人的工作需要和應用特點。（機器人分類）引言引言視覺聽覺嗅覺味覺觸覺采用兩級分布式計算機實時控制系統(tǒng)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目前，機器人一般具有視覺、聽覺、觸覺和接近覺，這些感覺都是是通過相應的傳感器得到的。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。引言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。引言duzj01@8.1傳感器概述1、傳感器定義及組成傳感器定義：按一定規(guī)律實現(xiàn)信號檢測并將被測量(物理的、化學的和生物的信息)通過變送器變換為另一種物理量(通常是電壓或電流量)。它既能把非電量變換為電量，也能實現(xiàn)電量之間或非電量之間的互相轉換。總而言之，一切獲取信息的儀表器件都可稱為傳感器。國際上將傳感技術被列為六大核心技術(計算機、激光、通訊、半到體、超導和傳感)之一。傳感技術也是現(xiàn)代信息技術的三大基礎(傳感技術、通訊技術、計算機技術)之一。傳感器組成：一般由敏感元件、轉換元件、基本轉換電路組成，如圖所示。敏感元件轉換元件基本轉換電路被測量信號常用傳感器一覽2、傳感器分類傳感器可以按不同的方式進行分類。例如：按被測物理量、按傳感器的工作原理、按傳感器轉換能量的情況、按傳感器的工作機理、按傳感器輸出信號的形式(模擬信號、數(shù)字信號)等分類。按機器人用傳感器功能可分為檢測內部狀態(tài)信息傳感器和檢測外部對象和外部環(huán)境狀態(tài)的外部信息傳感器。內部傳感器：是用于測量機器人自身狀態(tài)的功能元件。其功能是測量運動學和力學參數(shù)，使機器人能夠按照規(guī)定的位置、軌跡和速度等參數(shù)進行工作，并加以調整和控制。主要包括：位置、角度、速度、力、力矩以及溫度傳感器等。外部傳感器：用來檢測機器人所處環(huán)境及目標狀況，從而使得機器人能夠與環(huán)境發(fā)生交互作用并對環(huán)境具有自我校正和適應能力。主要包括：視覺、觸覺、力覺、接近覺、角度覺(平衡覺)傳感器等。具有多種外部傳感器是先進機器人的重要標志。可見光和紅外傳感器接觸和視覺傳感器語音識別裝置語音合成器視覺傳感器嗅覺傳感器測距儀接近覺傳感器控制器內部傳感外部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姿態(tài)傳感器機器人機器人信息傳感傳感器分類機器人對傳感器的一般要求是：(1)精度高，重復性好；(2)穩(wěn)定性好，可靠性高；(3)抗干擾能力強；(4)易于調整，輸入、輸出回路相互獨立；(5)重量輕，體積小，安裝方便可靠；(6)價格便宜，壽命長。1．從機器人對傳感器的需要來選擇3、傳感器的類型選擇機器人被用于執(zhí)行各種加工任務，其中比較常見的加工任務有物料搬運、裝配、噴漆、焊接、檢驗等。不同的任務對機器人提出了不同的要求，例如：2．從任務的要求來選擇傳感器的類型選擇（1）搬運：位置（力，觸覺，視覺）（2）裝配：位置（力，觸覺，視覺）（3）噴漆：位置檢測，對象識別（4）焊接：位置（點焊：接近覺；弧焊：視覺）機器人控制需要采用傳感器檢測機器人的運動位置、速度、加速度。除了較簡單的開環(huán)控制機器人外，多數(shù)機器人都采用了位置傳感器作為閉環(huán)控制器的反饋元件。機器人根據(jù)位置傳感器反饋的位置信息，對機器人的運動誤差進行補償。不少機器人還裝備有速度傳感器和加速度傳感器。加速度傳感器可以檢測機器人構件受到的慣性力，使控制能夠補償慣性力引起的變形誤差。速度檢測可以用于預測機器人的運動時間，計算和控制由離心力引起的變形誤差。3．從機器人控制的要求來選擇傳感器的類型選擇工業(yè)機器人在從事某些輔助工作時，也要求有一定的感覺能力。這些輔助工作包括產品的檢驗和工件的準備等。機器人在外觀檢驗中的應用日益增多。機器人在這方面的主要用途有檢查毛刺、裂縫或孔洞的存在，確定表面粗糙度和裝飾質量，檢查裝配體的完成等。在外觀檢驗中，機器人主要需要視覺能力，有時也需要其他類型的傳感器。4．從輔助工作的要求來選擇傳感器的類型選擇例如（1）外觀檢測：視覺（2）工件定位：視覺，觸覺，力從安全方面考慮，機器人對傳感器的要求包括以下兩個方面：為了使機器人安全地工作而不受損壞，機器人的各個構件都不能超過其受力極限。從保護機器人使用者的安全出發(fā)，也要考慮對機器人傳感器的要求。5．從安全方面的要求來選擇傳感器的類型選擇(1)靈敏度(2)線性度(3)測量范圍(4)精度(5)重復性(6)分辨力(7)響應時間(8)可靠性(1)尺寸(2)重量(3)輸出形式(4)接口形式(5)可插接性(6)成本傳感器的類型選擇性能指標的確定物理特征的選擇duzj01@8.2內部傳感器——機器人自身狀態(tài)感知內部傳感器電位器：電位器是—種典型的位置傳感器，可分為直線型(測量位移)和旋轉型(測量角度)。電位器由環(huán)狀或棒狀電阻絲和滑動片(或稱為電刷)組成，滑動片接觸電阻絲取出電信號。電刷與驅動器連成—體，將其線位移或角位移轉換成電阻的變化，在電路中以電壓或電流的變化形式輸出。可分為導電塑料、線繞式、混合式等滑片型和磁阻式、光標式等非接觸型。導電塑料型（1）電位器線圈型常用電位器形式內部傳感器E：輸入電壓

L：觸頭最大移動距離

x：向左端移動的距離

e：電阻右側的輸出電壓電位器測量原理的位置傳感器（1）電位器位置測量原理：滑動觸點受到被檢測量控制，當位置發(fā)生變化，滑動觸點發(fā)生位移，改變觸點到電阻器各端的阻值和輸出電壓，根據(jù)測得的電壓變化可得位移變化。優(yōu)點：線性度好、輸出信號選擇范圍大，性能穩(wěn)定、結構簡單、尺寸小、質量輕、精度高、成本低等。缺點：易于磨損內部傳感器光電位置傳感器：事先求出光源（LED）和感光部分（光敏晶體管）之間的距離同感光量的關系（標定），就能從測量時的感光量檢測出位移量。（2）光電位置傳感器內部傳感器（3）光電編碼器光電編碼器：光電編碼器是機器人關節(jié)伺服系統(tǒng)中常用的一種檢測裝置；它實際是一種量化式的模擬數(shù)字轉換器。將機械軸的轉角值或直線運動的位移值轉換成相應的電脈沖或數(shù)字量。內部傳感器（3）光電編碼器光電編碼器工作原理圖光電編碼器：光電編碼器由光源、聚光透鏡、基準光柵、掃描光柵、光電轉換元件及信號放大整形電路等部件組成。光源發(fā)出的光線經過聚焦后變成平行光束，當掃描光柵上的條紋與基準光柵上的條紋重合時，光敏管便接受一次光的信號并記數(shù)，由此可以測試旋轉速度。旋轉方向可通過掃描光柵提供的兩路脈沖信號的相位差判斷。光電編碼器可分為增量式和絕對式兩種。內部傳感器（3）光電編碼器——增量式編碼器增量式編碼器：即在編碼盤上的讀數(shù)起始點是不固定的，它從讀數(shù)起始點開始，把角位移或線位移的變化量進行累積檢測。它只能檢測角值或線值的變化量(增量)，故稱為增量式編碼器。旋轉式增量編碼器（用于測量角位移）直線增量編碼器(光柵尺)（用于測量直線位移）內部傳感器增量式光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號。通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當前電動機的轉速。受增量式編碼器測量原理的限制，它只能測量機器人關節(jié)相對于初始位置的轉動量，而無法測得其所處的絕對位置。（3）光電編碼器——增量式編碼器以轉動時輸出脈沖，通過計數(shù)設備來知道其位置，當編碼器不動或停電時，依靠計數(shù)設備的內部記憶來記住位置。內部傳感器絕對式編碼器：其讀數(shù)起始點是給定的，它以編碼盤固有的某圖案為起始點，檢測角位移或線位移。它能同時檢測角值或線值的初始量和增量，也就是能取出總量(絕對量)，故稱為絕對式編碼器。絕對式編碼器每個位置都對應著透光與不透光弧段的惟一確定組合，這種確定組合有惟一的特征。通過這特征，在任意時刻都可以確定碼盤的精確位置。（3）光電編碼器——絕對式編碼器內部傳感器絕對式編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進制數(shù)碼的位數(shù)碼道越多,分辨率越高。目前,碼盤碼道可做到十八條,能分辨的最小角度為（3）光電編碼器——絕對式編碼器絕對式編碼器不僅可以測量角位移，還可通過比較編碼器的當前位置和初始位置，得出機器人關節(jié)的角速度。內部傳感器（4）旋轉變壓器旋轉變壓器又稱分解器，是一種控制用的微電機，它將機械轉角變換成與該轉角呈某一函數(shù)關系的電信號的一種間接測量裝置。在結構上與二相線繞式異步電動機相似，由定子和轉子組成。定子繞組為變壓器的原邊，轉子繞組為變壓器的副邊。激磁電壓接到轉子繞組上，感應電動勢由定子繞組輸出。原理：轉子轉動引起磁通量旋轉，在次級線圈產生變化的電壓。從而可以用來測量角位移。旋轉變壓器結構簡單，動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維護方便，輸出信號幅度大，抗干擾性強，工作可靠。內部傳感器測速發(fā)電機：是利用發(fā)電機原理的速度傳感器或角速度傳感器。按其構造分為直流測速發(fā)電機、交流測速發(fā)電機。（5）測速發(fā)電機直流測速發(fā)電機實際就是一種微型直流發(fā)電機，按定子磁極的勵磁方式分為電磁式和永磁式。直流測速發(fā)電機的輸出電壓與轉速要嚴格保持正比關系,這在實際中是難以做到的，直流測速發(fā)電機輸出的是一個脈動電壓，其交變分量對速度反饋控制系統(tǒng)、高精度的解算裝置有較明顯的影響。交流測速發(fā)電機交流異步測速發(fā)電機與交流伺服電動機的結構相似，其轉子結構有籠型的，也有杯型的，在自動控制系統(tǒng)中多用空心杯轉子異步測速發(fā)電機。交流同步測速發(fā)電機因感應電勢頻率隨轉速而變，致使電機本身的阻抗及負載阻抗均隨轉速而變化，因此，輸出電壓不再與轉速成正比關系。故同步測速發(fā)電機應用較少。duzj01@8.3外部傳感器——機器人環(huán)境及對象識別外部傳感器1、機器人的觸覺機器人的觸覺廣義上可獲取的信息是：接觸信息；狹小區(qū)域上的壓力信息；分布壓力信息；力和力矩信息；滑覺信息。這些信息分別用于觸覺識別和觸覺控制。從檢測信息及等級考慮，觸覺識別可分為點信息識別、平面信息識別和空間信息識別3種。單向微動開關：當規(guī)定的位移或力作用到可動部分(稱為執(zhí)行器)時，開關的接點斷開或接通而發(fā)出相應的信號。外部傳感器機器人的觸覺——接近開關接近開關：非接觸式接近傳感器有高頻振蕩式、磁感應式、電容感應式、超聲波式、氣動式、光電式、光纖式等多種接近開關。當金屬類被檢測體接近傳感器的感應區(qū)域，開關就能在無接觸、無壓力、無火花的情況下迅速發(fā)出電氣指令，準確反應出運動機構的位置和行程。其定位精度、操作頻率、使用壽命、安裝調整的方便性和對惡劣環(huán)境的適用能力，是一般機械式行程開關所不能相比的。常用的有：兩線制接近傳感器：兩線制接近傳感器安裝簡單，接線方便；應用比較廣泛，但卻有殘余電壓和漏電流大的缺點。三線式接近傳感器：輸出型有NPN和PNP兩種，70年代日本產品絕大多數(shù)是NPN輸出，西歐各國NPN、PNP兩種輸出型都有。外部傳感器機器人的觸覺——光電開關、觸須傳感器光電開關是由LED光源和光電二極管或光電三極管等光敏元件，相隔一定距離間構成的透光式開關。當充當基準位置的遮光片通過光源和光敏元件間的縫隙時，光射不到光敏元件上，而起到開關的作用。光電開關的特點是非接觸檢測，精度可達0.5mm左右。

觸須傳感器由須狀觸頭及其檢測部構成，觸頭由具有一定長度的柔空軟條絲構成，它與物體接觸所產生的彎曲由在根部的檢測單元檢測。與昆蟲的觸角的功能一樣，觸須傳感器的功能是識別接近的物體．用于確認所設定的動作的結束，以及根據(jù)接觸發(fā)出回避動作的指令或搜索對象物的存在。外部傳感器機器人的觸覺——滑覺傳感器滑覺傳感器是檢測垂直加壓方向的力和位移的傳感器，可用來監(jiān)測機器人與抓握對象間滑移程度。用手爪抓取處于水平位置的物體時，手爪對物體施加水平壓力，如果壓力較小，垂直方向作用的重力會克服這個壓力使物體下滑。能夠克服重力的手抓把持力稱為最小把持力。滑覺傳感器按被測物體滑動方向可分為三類：無方向性、單方向性和全方向性傳感器。其中無方向性傳感器只能檢測是否產生滑動，無法判別方向；單方向性傳感器只能檢測單一方向的滑移；全方向性傳感器可檢測個方向的滑動情況。這種傳感器一般制成球形以滿足需要。滑覺傳感器：（a）力的平衡（b）重心的移動滾輪式滑覺傳感器外部傳感器機器人的觸覺——滑覺傳感器滾輪式傳感器只能檢測一個方向的滑動。為此，南斯拉夫貝爾格萊德大學研制的機器人專用滑覺傳感器（如所圖）。它由一個金屬球和觸針組成,金屬球表面分成許多個相間排列的導電和絕緣小格。觸針頭很細,每次只能觸及一格。當工件滑動時,金屬球也隨之轉動,在觸針上輸出脈沖信號。脈沖信號的頻率反映了滑移速度,脈沖信號的個數(shù)對應滑移的距離。接觸器觸頭面積小于球面上露出的導體面積,它不僅可做得很小,而且提高了檢測靈敏度。球與被握物體相接觸,無論滑動方向如何,只要球一轉動,傳感器就會產生脈沖輸出。該球體在沖擊力作用下不轉動,因此抗干擾能力強。被加持物體球形滑覺傳感器外部傳感器機器人的觸覺——觸覺傳感器陣列人類的觸覺能力是相當強的。人們不但能夠揀起一個物體，而且不用眼睛也能識別它的外形，并辨別出它是什么東西。許多小型物體完全可以靠人的觸覺辨認出來，如螺釘、開口銷、圓銷等。如果要求機器人能夠進行復雜的裝配工作，它也需要具有這種能力。采用多個接觸傳感器組成的觸覺傳感器陣列是辨認物體的方法之一。觸覺陣列原理：電極與柔性導電材料（條形導電橡膠）保持電氣接觸，導電材料的電阻隨壓力而變化。當物體壓在其上面時，將引起局部變形，測出連續(xù)的電壓變化，就可測量局部變形。電阻的改變很容易轉換成電信號，其幅值正比于施加在材料表面上某一點的力。外部傳感器機器人的觸覺——觸覺傳感器陣列PVF2陣列式觸覺傳感器觸覺傳陣列感器結構示意圖外部傳感器壓阻式陣列觸覺傳感器基本結構碳氈（CSA）碳氈（CSA）靈敏度高，具有較強的耐過載能力。缺點是有遲滯，線性差。導電橡膠的電阻也會隨壓力的變化而變化，因此也常用來作為觸覺傳感器的敏感材料。機器人的觸覺——觸覺傳感器陣列CSA壓阻特性外部傳感器機器人觸覺的應用外表面?zhèn)鞲衅|覺陣列觸覺陣列外表面?zhèn)鞲衅b有觸覺傳感器陣列的手爪外部傳感器機器人的力覺——力覺傳感器力覺傳感器——用來檢測機器人自身力與外部環(huán)境力之間相互作用力的傳感器。主要的使用元件：壓電晶體、力敏電阻和電阻應變片。電阻應變片是最主要的應用元件，它利用了金屬絲拉伸時電阻變大的現(xiàn)象，它被貼在加力的方向上。電阻應變片用導線接到外部電路上可測定輸出電壓，得出電阻值的變化。通常我們將機器人的力傳感器分為三類：（1）裝在關節(jié)驅動器上的力傳感器，稱為關節(jié)力傳感器。用于控制中的力反饋。（2）裝在末端執(zhí)行器和機器人最后一個關節(jié)之間的力傳感器，稱為腕力傳感器。（3）裝在機器人手爪指關節(jié)（或手指上）的力傳感器，稱為指力傳感器。外部傳感器機器人的力覺——力覺傳感器力不是直接可測量的物理量，而是通過其他物理量間接測量出的。其測試方法包括：（1）通過檢測物體彈性變形測量力，如采用應變片、彈簧的變形測量力；（2）通過檢測物體壓電效應檢測力；（3）通過檢測物體壓磁效應檢測力；（4）采用電動機、液壓馬達驅動的設備可以通過檢測電動機電流及液壓馬達油壓等方法測量力或轉矩；（5）裝有速度、加速度傳感器的設備，可以通過速度與加速度的測量推出

作用力；外部傳感器機器人的力覺——力覺傳感器壓阻式壓力傳感器采用集成電路工藝技術，在硅片上制造出四個等值的薄膜電阻并組成電橋電路，當不受力作用時，電橋處于平衡狀態(tài)，無電壓輸出;當受到壓力作用時，電橋失去平衡而輸出電壓（AB之間產生微小電位差），且輸出的電壓與壓力成比例。外部傳感器機器人的力覺——力覺傳感器原理：

如果在軸上施加力矩，力矩將在軸上產生兩個方向相反的力和兩個方向相反的形變，兩個力傳感器可以測出這兩個力，根據(jù)所測力的大小可計算出力矩。用六個傳感器測量三個彼此獨立的軸上的力和力矩外部傳感器Draper實驗室研制的筒式六維腕力傳感器機器人的力覺左圖所示為Draper實驗室研制的筒式六維腕力傳感器的結構。它將一個整體金屬環(huán)周壁銑成按120°周向分布的三根細梁。其上部圓環(huán)上有螺孔與手臂相聯(lián),下部圓環(huán)上的螺孔與手爪聯(lián)接,傳感器的測量電路置于空心的彈性構架體內。該傳感器結構比較簡單,靈敏度也較高,但六維力(力矩)的獲得需要解耦運算,傳感器的抗過載能力較差,較易受損。外部傳感器SRI研制的六維腕力傳感器機器人的力覺SRI(StanfordResearchInstitute)研制的六維腕力傳感器，是典型的二層重疊筒式腕力傳感器。如圖所示，它由一段直徑為75mm的鋁管銑削而成，具有八個窄長的彈性梁，每個梁的頸部只傳遞力，扭矩作用很小。梁的另一頭貼有應變片。圖中從Px+到Qy-代表了8根應變梁的變形信號的輸出。SRI傳感器力和力矩計算方式如下：式中：為比例常數(shù)外部傳感器林純一研制的腕力傳感器機器人的力覺日本大和制衡株式會社林純一研制的腕力傳感器是一種整體輪輻式結構，傳感器在十字梁與輪緣聯(lián)接處有一個柔性環(huán)節(jié)，在四根交叉梁上總共貼有32個應變片(圖中以小方塊表示),組成8路全橋輸出，六維力的獲得須通過解耦計算。這一傳感器一般將十字交叉主桿與手臂的聯(lián)接件設計成彈性體變形限幅的形式，可有效起到過載保護作用,是一種較實用的結構。外部傳感器基于Stewart并聯(lián)機構的六維腕力傳感器并聯(lián)機構的六維腕力傳感器：該結構利用上下平臺之間的6根彈性梁受力變化產生應變，應變片貼于彈性梁圓環(huán)處，由應變片組成的橋路輸出可得到力的六個分量。與前述的兩種豎梁結構不同之處在于：該結構并非整體式結構，上下平臺與6根彈性梁之間由球形鉸鏈相連接。由于采用了并聯(lián)機構，該傳感器的負載能力相對更高。機器人的力覺——腕力傳感器外部傳感器機器人的接近覺接近覺傳感器：是檢測對象物體與傳感器距離信息的一種傳感器。利用距離信息測出對象物體的表面狀態(tài)。接近覺是視覺傳感器功能的一部分，但它只給出距離信息，接近覺傳感器有電磁感應式、光電式、電容式、氣壓式、超聲波和激光式等多種。實際使用應根據(jù)對象物體性質而定。接近覺感知對象接近的情況，其作用為：(1)在接觸到對象前獲取信息，為后續(xù)動作先做準備；(2)發(fā)現(xiàn)障礙物，規(guī)定行程范圍，以免碰撞；(3)得到關于對象表面形狀的信息。外部傳感器機器人的接近覺由于這類傳感器可用以感知對象位置，故也被稱為位置覺傳感器。傳感器越接近物體越能精確地確定物體位置，因此常安裝于機器人的手部。根據(jù)感知范圍(或距離)，接近覺傳感器大致可分為三類：感知近距離物體（mm級）：電磁感應式、氣壓式、電容式感知中距離物體（30cm以內）：紅外光電式感知遠距離物體（30cm以外）：超聲式、激光式外部傳感器機器人的接近覺電磁式接近傳感器：這種傳感器不大受光、熱、物體表面特征影響，可小型化與輕量化。但只能探測金屬對象。日立公司將其用于孤焊機器人上，用以跟蹤焊縫。在200℃以下探測距離0～8mm，誤差只有4％。氣壓式接近傳感器：這種傳感器具有較強防火、防磁、防輻射能力，但要求氣源保持一定程度的凈化。紅外式接近傳感器：其特點在于發(fā)送器與接受器尺寸都很小，因此可以方便地安裝于機器人手部。紅外線傳感器能根容易地檢測出工作空間內某物體的存在與否，但作為距離的測量仍有很復雜的問題。外部傳感器機器人的接近覺——超聲波距離傳感器超聲波距離傳感器：超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波對液體、固體的穿透能力很大，尤其是在不透光的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。以超聲波作為檢測手段，必須產生超聲波和接收超聲波。在機器人領域，用于機器人對周圍物體的存在與距離的探測。尤其對移動式機器人，安裝這種傳感器可隨時探測前進道路上是否出現(xiàn)障礙物，以免發(fā)生碰撞。超聲測距是一種非接觸的檢測方式，在近距離范圍內有不受外界光線影響、硬件結構簡單、容易操作、成本低等優(yōu)點,在高性能自主移動機器人上獲得了廣泛應用。缺點是速度慢，存在較大的波束角，且對光滑表面存在鏡面反射；測量精度受溫度影響較大。外部傳感器超聲波距離傳感器及其應用機器人的接近覺——超聲波距離傳感器外部傳感器機器人的接近激光距離傳感器：利用激光傳輸時間來測量距離的基本原理是，通過測量激光往返目標所需時間來確定目標距離。測量范圍：0.1~50m（自然表面，黑色表面30m）；100m以上（白色、反光表面）測量精度：mm(0.1~15m)；mm(15m以上)分辨率：0.1mmLRFS-0040-1超聲波距離傳感器機器人的接近覺——激光距離傳感器外部傳感器機器人的視覺機器人視覺系統(tǒng)：如同人類視覺系統(tǒng)的作用一樣，機器人視覺系統(tǒng)賦予機器人一種高級感覺機構，使得機器人能以“智能”和靈活的方式對其周圍環(huán)境作出反應。機器人的視覺信息系統(tǒng)類似人的視覺信息系統(tǒng)，它包括圖像傳感器、數(shù)據(jù)傳遞系統(tǒng)，以及計算機和處理系統(tǒng)。機器人視覺：利用視覺傳感器(如攝像機)獲取三維景物的二維圖像，通過視覺處理器對一幅或多幅圖像進行處理、分析和解釋，得到有關景物的符號描述，并為特定任務提供有用的信息，用于指導機器人的動作。機器人視覺可以劃分為六個主要部分：感覺與處理、分割、描述、識別、解釋。根據(jù)上述過程所涉及的方法和技術的復雜性可分為3個處理層次：低層視覺處理、中層視覺處理和高層視覺處理。外部傳感器機器人的視覺——硬件系統(tǒng)外部傳感器機器人的視覺——CCD圖像傳感器圖像傳感器是采用光電轉換原理，用來攝取平面光學圖像并使其轉換為電子圖像信號的器件。圖像傳感器必須具有兩個作用，一是有把光信號轉換為電信號的作用；二是具有將平面圖像上的像素進行點陣取樣，并把這些像素按時間取出的掃描作用。圖像傳感器又稱為攝像管。攝像管的發(fā)展很迅速，它經歷了光電攝像管、超光電攝像管、正析攝像管、光導攝像管、二次電子導電硅靶管以及新發(fā)展起來的CCD圖像傳感器——固體攝像管等。外部傳感器機器人的視覺——CCD圖像傳感器CCD（電荷耦合器件：chargecoupleddevices）的基本結構是一個間隙很小的光敏電極陣列，即無數(shù)個CCD單元組成，也稱為像素點（如448×380）。它可以是一維的線陣，也可以是二維的面陣。優(yōu)點：體積小、質量輕、壽命長、抗沖擊、耗電極少，一般只需幾十毫瓦就可以啟動。外部傳感器機器人的視覺——CCD圖像傳感器圖像處理——分辨率變化對圖像的影響共256級灰度，從圖（a）到（f）分辨率依次為512×512，256×256，128×128，64×64，32×32，16×16。外部傳感器機器人的視覺——CCD圖像傳感器圖像處理——灰度變化對圖像的影響從圖（a）到（f）分辨率為512×512，灰度級依次為256，64，16，8，4，2。外部傳感器機器人的視覺——CCD圖像傳感器圖像處理——分辨率和灰度同時變化對圖像的影響從圖（a）到（f）依次為：256×256，128級灰度；181×181，64級灰度；128×128，32級灰度；90×90，16級灰度；64×64，8級灰度；45×45，4級灰度。外部傳感器機器人的視覺——機器人的視覺技術主要應用(1)裝配機器人(機械手)視覺裝置。要求視覺系統(tǒng)必須做到：識別傳送帶上所要裝配的機械零件；確定該零件的空間位置。據(jù)此信息控制機械手的動作，做到準確裝配。對機械零件的檢查；檢查工件的完好性；量測工件的極限尺寸；檢查工件的磨損等。此外，機械手還可根據(jù)視覺的反饋信息進行自功焊接、噴漆和自動上下料等；(2)行走機器人視覺裝置。要求視覺系統(tǒng)能夠識別室內或室外的景物，進行道路跟蹤和自主導航。用以完成危險材料的搬運和野外作業(yè)等任務。外部傳感器機器人的聽覺——語音識別語音識別技術——也被稱為自動語音識別AutomaticSpeechRecognition(ASR)，其目標是將人類的語音中的詞匯內容轉換為計算機可讀的輸入，例如按鍵、二進制編碼或者字符序列。預處理測度估計輸入語音識別結果模板庫特征提取失真測度識別訓練參考模式語音識別原理圖外部傳感器機器人的聽覺——語音識別語音識別系統(tǒng)實質上是一種模式識別系統(tǒng)，與常規(guī)模式識別系統(tǒng)一樣包括有特征提取、模式匹配、參考模式庫等三個基本單元。特征提取輸入語音識別結果模式匹配參考模式庫訓練語音識別系統(tǒng)基本結構語音識別的關鍵技術包括語音特征參數(shù)提取技術、語音識別算法、模式匹配準則及模型訓練技術。語音識別系統(tǒng)可分為：特定人語音識別系統(tǒng)和非特定人語音識別系統(tǒng)。其中后者大致可以分為語言識別系統(tǒng)，單詞識別系統(tǒng)，及數(shù)字音（0~9）識別系統(tǒng)。外部傳感器機器人的聽覺——語音識別第二步是語音識別的核心,采用選擇的語音識別方法進行模式匹配。語音識別核心部分又分別表現(xiàn)為模型的建立、訓練和識別三個部分。第三步，語音識別可以進行后處理，后處理通常是一個音字轉換過程，還有可能包括更高層次的詞法、句法和文法處理，另外也有可能作為某個具體的任務語法的輸入。第一步是根據(jù)識別系統(tǒng)的類型選擇一種識別方法，采用語音分析方法分析出這種識別方法所要求的語音特征參數(shù)，這些參數(shù)作為標準模式由機器存儲起來，形成參考模式庫。語音識別的步驟分為三步外部傳感器機器人的聽覺——語音識別50年代，基于元音共振峰、語音波形頻譜和譜序列信息的語音識別。1952年，AT&T貝爾實驗室成功開發(fā)了了世界上第一個語音識別系統(tǒng)Audry系統(tǒng)，可以識別10個英文數(shù)字發(fā)音。1956年，在RCA實驗室研制了可以識別一個說話人的10個單音節(jié)的系統(tǒng)。1959年，英國的Fry和Denes研制了能夠識別4個元音和9個輔音的識別器，采用了譜分析儀和模式匹配器。60年代，計算機技術推動了語音識別技術的發(fā)展，語音信號線性預測編碼（LPC）技術和動態(tài)時間規(guī)整（DTW）技術的提出。這一時期的語音識別主要基于模板匹配原理，研究的領域局限在特定人，小詞匯表的孤立詞識別，實現(xiàn)了基于線性預測倒譜和DTW技術的特定人孤立詞語音識別系統(tǒng)，有效的解決了語音信號的特征提取和不等長匹配問題。外部傳感器機器人的聽覺——語音識別70年代，伴隨著自然語言理解的研究以及微電子技術的發(fā)展,語音識別領域取得了突破性進展。這一時期的語音識別方法基本上是采用傳統(tǒng)的模式識別策略，研究多集中于非特定人語音識別的實驗。同時,這個時期還提出了矢量量化(VQ)和隱馬爾可夫模型(HMM)理論。80年代，是HMM模型和人工神經元網絡(ANN)在語音識別中的成功應用，使語音識別研究進一步走向深入。終于在實驗室突破了大詞匯量、連續(xù)語音和非特定人這三大障礙，第一次把這三個特性都集成在一個系統(tǒng)中，比較典型的是卡耐基梅隆大學的Sphinx系統(tǒng)，它是第一個高性能的非特定人、大詞匯量連續(xù)語音識別系統(tǒng)。HMM模型的廣泛應用應歸功于AT&TBell實驗室Rabiner等科學家的努力，他們把原本艱澀的HMM純數(shù)學模型工程化,從而為更多研究者了解和認識，從而使統(tǒng)計方法成為了語音識別技術的主流。外部傳感器機器人的聽覺——語音識別90年代，語音識別技從實驗室走向實用，在應用及商品化開發(fā)方面取得巨大進展

。許多著名的大公司如IBM、蘋果、AT&T和NTT都對語音識別系統(tǒng)的實用化研究投以巨資。語音識別技術有一個很好的評估機制，那就是識別的準確率，而這項指標在20世紀90年代中后期實驗室研究中得到了不斷的提高。比較有代表性的系統(tǒng)有：IBM公司推出的ViaVoice