第12章机器人传感器

12.1概述—机器人与机器人传感器12.2触觉传感器12.3接近觉传感器12.4视觉传感器12.5听觉传感器第12章机器人传感器Thegreatestprideinlifeisexplorationanddedication12.1概述—机器人与机器人传感器一、机器人的定义在科技界，科学家会给每一个科技术语一个明确的定义，机器人问世已有几十年，但对机器人的定义仍然没有一个统一的意见，主要是因为机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。其实并不是人们不想给机器人一个完整的定义，自机器人诞生之日起人们就不断地尝试着说明到底什么是机器人。而随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来，机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断充实和创新。1920年捷克作家卡雷尔·卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》。在剧本中，卡佩克把捷克语“Robota”写成了“Robot”，“Robota”是奴隶的意思。该剧预告了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响，引起了大家的广泛关注，被当成了机器人一词的起源。在该剧中，机器人按照其主人的命令默默地工作；没有感觉和感情，以呆板的方式从事繁重的劳动。后来，罗萨姆公司取得了成功，使机器人具有了感情，机器人发觉人类十分自私和不公正，终于造反了，机器人的体能和智能都非常优异，因此消灭了人类。）但是机器人不知道如何制造它们自己，认为它们自己很快就会灭绝，所以它们开始寻找人类的幸存者，但没有结果。最后，一对感知能力优于其他机器人的男女机器人相爱了。这时机器人进化为人类，世界又起死回生了。卡佩克提出的是机器人的安全、感知和自我繁殖问题。科学技术的进步很可能引发人类不希望出现的问题。虽然科幻世界只是一种想像，但人类社会将可能面临这种现实。为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫1950年在《我是机器人》一书中提出了“机器人三原则”：1．机器人不应伤害人类；2．机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；3．机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。”联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”人们已经发展了具有感知、决策、行动和交互能力的智能机器，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。这些机器人从外观上已远远脱离了最初仿人形机器人和工业机器人所具有的形状，其功能和智能程度也大大增强，从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人。春秋后期，我国著名的木匠鲁班，在机械方面也是一位发明家，据《墨经》记载，他曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下”，体现了我国劳动人民的聪明智慧。公元前2世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人──自动机。它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的雕像，它可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。1800年前的汉代，大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车。计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其运送军粮，支援前方战争。1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶，并在大阪的道顿堀演出。1.古代机器人二、机器人的发展史1738年，法国天才技师杰克·戴·瓦克逊发明了一只机器鸭，它会嘎嘎叫，会游泳和喝水，还会进食和排泄。瓦克逊的本意是想把生物的功能加以机械化而进行医学上的分析。现在保留下来的最早的机器人是瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，它制作于二百年前，两只手的十个手指可以按动风琴的琴键而弹奏音乐，现在还定期演奏供参观者欣赏，展示了古代人的智慧。19世纪中叶自动玩偶分为2个流派，即科学幻想派和机械制作派，并各自在文学艺术和近代技术中找到了自己的位置。1831年歌德发表了《浮士德》，塑造了人造人“荷蒙克鲁斯”；1870年霍夫曼出版了以自动玩偶为主角的作品《葛蓓莉娅》；1883年科洛迪的《木偶奇遇记》问世；1886年《未来的夏娃》问世。在机械实物制造方面，1893年摩尔制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。进入20世纪后，机器人的研究与开发得到了更多人的关心与支持，一些实用化的机器人相继问世，1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”，并在纽约举行的世界博览会上展出。它是一个电动机器人，装有无线电发报机，可以回答一些问题，但该机器人不能走动。现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念：借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外形特征迥异，主要由类似人的手和臂组成。1965年，MIT的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统。2.现代机器人1967年日本成立了人工手研究会（现改名为仿生机构研究会），同年召开了日本首届机器人学术会。1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。1970年以后，机器人的研究得到迅速广泛的普及。1973年，辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人，它是液压驱动的，能提升的有效负载达45公斤。到了1980年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为“机器人元年”。随后，工业机器人在日本得到了巨大发展，日本也因此而赢得了“机器人王国”的美称。随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、空中机机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。将机器人的技术（如传感技术、智能技术、控制技术等）扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机器——机器人化机器。当前与信息技术的交互和融合又产生了“软件机器人”、“网络机器人”的名称，这也说明了机器人所具有的创新活力。三、现代机器人的分代1.第一代机器人英格伯格和德沃尔制造的工业机器人是第一代机器人，属于示教再现型，即人手把着机械手，把应当完成的任务做一遍，或者人用“示教控制盒”发出指令，让机器人的机械手臂运动，一步步完成它应当完成的各个动作。因未采用传感器，第一代机器人不具有感知和反馈能力。第二代机器人是有感觉的机器人：它们对外界环境有一定感知能力，即具有听觉、视觉、触觉等功能。机器人工作时，根据感觉器官—传感器获得的信息，灵活调整自己的工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。如：有触觉的机械手可轻松自如地抓取鸡蛋，具有嗅觉的机器人能分辨出不同饮料和酒类。2.第二代机器人第三代机器人是智能机器人，它不仅具有感觉能力，而且还具有独立判断和行动的能力，并具有记忆、推理和决策的能力，因而能够完成更加复杂的动作。中央电脑控制手臂和行走装置，使机器人的手完成作业，脚完成移动，机器人能够用自然语言与人对话。智能机器人的“智能”特征就在于它具有与外部世界——对象、环境和人相适应、相协调的工作机能。从控制方式看，智能机器人不同于工业机器人的“示教、再现”，不同于遥控机器人的“主—从操纵”，而是以一种“认知—适应”的方式自律地进行操作。智能机器人在发生故障时，通过自我诊断装置能自我诊断出故障部位，并能自我修复。3.第三代机器人探路者机遇号四、机器人传感器传感器使得机器人初步具有类似于人的感知能力，不同类型的传感器组合构成了机器人的感觉系统。机器人传感器主要可以分为视觉、听觉、触觉、力觉和接近觉五大类。不过从人类生理学观点来看，人的感觉可分为内部感觉和外部感觉，类似的，机器人传感器也可分为内部传感器和外部传感器。1.内部传感器机器人内部传感器的功能是测量运动学和力学参数，使机器人能够按照规定的位置、轨迹和速度等参数进行工作，感知自己的状态并加以调整和控制。内部传感器通常由位置传感器、角度传感器、速度传感器、加速度传感器等组成。角度传感器2.外部传感器广义来看，机器人外部传感器就是具有人类五官的感知能力的传感器。外部传感器主要用来检测机器人所处环境及目标状况，如是什么物体，离物体的距离有多远，抓取的物体是否滑落等。从而使得机器人能够与环境发生交互作用并对环境具有自我校正和适应能力。12.2机器人的触觉一般认为触觉包括接触觉、压觉、滑觉、力觉四种，狭义的触觉按字面上来看是指前三种感知接触的感觉。1.接触觉传感器接触觉传感器实例•高密度智能压觉传感器P266图14-6•硅电容压觉传感器阵列P266图14-7开关式触觉传感器接触觉传感器实例接触觉传感器实例压阻式阵列触觉传感器碳毡（CSA）灵敏度高，具有较强的耐过载能力。缺点是有迟滞，线性差。导电橡胶的电阻也会随压力的变化而变化，因此也常用来作为触觉传感器的敏感材料。碳毡（CSA）接触觉传感器实例对于非阵列接触觉传感器，信号的处理主要是为了感知物体的有无。由于信息量较少，处理技术相对比较简单、成熟；对于阵列式接触觉传感器，其目的是辨识物体接触面的轮廓。这种信号的处理将涉及到图像处理、计算机图形学、人工智能、模式识别等学科，目前还不成熟，有待进一步研究。接触觉传感器信号处理2.压觉传感器压觉用于握力控制与手的支撑力检测，实际是接触觉的延伸。现有压觉传感器一般有以下几种：1.利用某些材料的压阻效应制成压阻器件，将它们密集配置成阵列，即可检测压力的分布；2.利用压电晶体的压电效应检测外界压力；3.利用半导体压敏器件与信号电路构成集成压敏传感器；4.利用压磁传感器和扫描电路与针式接触觉传感器构成压觉传感器。压觉传感器原理这种传感器是对小型线性调整器的改进。在调整器的轴上安装了线性弹簧。一个传感器有l0mm的有效行程。在此范围内，将力的变化转换为遵从虎克定律的长度位移，以便进行俭测。在一侧手指上，每个6mm×8mm的面积分布一个传感器来计算，共排列了28个(四行七排)传感器。左右两侧总共有56个传感器输出。用四路A/D转换器，高速多路调制器对这些输出进行转换后进入计算机。下图a为手指抓住物体的状态；b为手指从a状态稍微握紧的状态。压觉传感器实例高密度智能压觉传感器（压阻式）压觉传感器实例硅电容压觉传感器阵列（电容式）3.力觉传感器力觉传感器使用的主要元件是电阻应变片。通常我们将机器人的力传感器分为三类：（1）关节力传感器装在关节驱动器上的力传感器，称为关节力传感器，用于控制运动中的力反馈。应变式关节力传感器结构（2）腕力传感器装在末端执行器和机器人最后一个关节之间的力传感器，称为腕力传感器。SRI（StanfordResearchInstitute）研制的六维腕力传感器，如图所示。它由一只直径为75mm的铝管铣削而成，具有八个窄长的弹性梁，每个梁的颈部只传递力，扭矩作用很小。梁的另一头贴有应变片。图中从Px+到Qy-代表了8根应变梁的变形信号的输出。SRI六维腕力传感