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机器人传感器摘要：1962年左右，传感器的出现使机器人在其应用领域提高了可操作性，自此之后，研究人员开始尝试着在机器人身上安装更多的传感器，使得机器人技术向着“有感觉”的，人工智能的方向进发。而传感器也成为了机器人的一种重要组成部分。机器人传感器作为机器人的核心部件之一，不仅可以帮助机器人获取外部环境信息，而且能为机器人进行自检活动。关键词：机器人产业传感器正文一．引言美国机器人协会认为机器人是一种一种可编程和多功能的操作机，；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统，这种定义被联合国标准化组织所采用，用作机器人的定义。自二十世纪出起，机器人的概念就逐渐出现在人们的视野里，直至如今变为现实的产物并出现在我们的生产和生活当中。从军事领域到工业生产，从生活娱乐到家庭看护，机器人占据了我们越来越多的视野，替代了一部分原本人类所承担的职位，成为了我们生活中不可或缺的一部分。1962年左右，传感器的出现使机器人在其应用领域提高了可操作性，自此之后，研究人员开始尝试着在机器人身上安装更多的传感器，使得机器人技术向着“有感觉”的，人工智能的方向进发。而传感器也成为了机器人的一种重要组成部分。机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统几个主要组成部分及若干辅助部分组成。在这些组成部分里，机器人的本体即执行机构可类比于人类的骨架，驱动装置相当于人的一整套肌肉组织，检测装置即传感器相当于人类的五官即物理感知系统，而控制系统相当于人类大脑。这样是为了使机器人可以更加仿人类，使其接受信息和处理信息的能力向人类靠拢。因此，为了使机器人更加类人化，更好地实现机器人智能化，机器人传感器技术是其中不可或缺的一环。二．传感器及机器人传感器国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。这种能量转换的过程被称为换能。传感器产业发展经历了三个阶段，从1950到1969年结构型传感器的出现，1970到1999年固体型传感器逐渐发展，到2000年以后智能型传感器出现并快速发展；传感器的发展推动着机器人产业同时快速发展进入智能化时代。在传感器的各部分的零件中，占了主要部分的是敏感元件以及控制元件。敏感元件可以对外界刺激作出响应，将物理量转化为位移，然后位移经由转化元件可以改变电参数，将被测物理量转化为所需的输出信号。一个理想的传感器应当具有以下特性：1）高保真性：当被测量的波形在传感器中输出时，应当尽量贴近于真实情况，误差较小；2）传感器要对被测量量的干扰较小，在任何时候，传感器的出现都不能使被测量量发生改变；3）适宜的尺寸：传感器应该要贴合放置位置的大小，不能过于庞大，也不能小得看不见；4）传感器应当保证被测量量与传感器信号的之间形成线性关系；5）传感器应当对接受外界无关干扰的灵敏度较小，比如压力传感器经常会受到外部振动和温度的影响；6）应当选择自身的固有频率与被测量的谐波和频率不相同的传感器,以免发生干扰；传感器包括很多类别，但并非所有的传感器都适合机器人使用。机器人传感器作为机器人的核心部件之一，不仅可以帮助机器人获取外部环境信息，而且能检查机器人自身的工作状态。选择什么样的传感器，对传感器有哪些要求，这些都是设计机器人感觉系统时需要注意的问题。这种选择大多取决于机器人的工作需要和应用特点。机器人传感器的选择一般遵循以下几个方面的条件：精度高，重复性强；稳定性好，有良好的可靠性；有较强的抗干扰能力；具有较轻的重量，较小的体积，方便安装；目前，国际上传感器技术向着“三高五化”（即高敏度、高精度、高可靠性、微型化、集成化、多功能化、智能化、网络化）的方向发展。机器人传感器技术作为整个产业的非常重点的组成部分，成为了整个智能机器人产业发展的瓶颈，在其延伸应用层面有巨大的市场空间和发展潜力。三．机器人传感器的分类1.内部传感器：用于测量机器人自身状态的传感器。以机器人本身的坐标轴来定位，安装在机器人的体内，用于控制和调整机器人的行动。由位置传感器、速度传感器、力传感器、平衡传感器等一系列传感器组成。具体检测对象包括机器人关节的线位移和角位移等几何量；速度，加速度，角速度等运动量；方位角，振动，倾斜角等物理量等。常常用于控制系统中，作为反馈元件，检测机器人自身的参数。1）位置传感器：由位置信息转化为输出信号。如电位器式位移传感器、直线型感应同步器、圆形感应同步器等。电位器式位移传感器包含薄膜电阻或线绕电阻以及其上的滑动触点，当所测物体的值改变时，滑动触点的位移发生会变化。这样会使传感器上电位器各端之间的输出电压值和电阻值发生变化。而输出电压值的变化，反映了机器人的身体各部分的位置变化。如旋转型电位器式位移传感器，直线型电位器式位移传感器等。直线感应同步器由一对定尺和滑尺组成。定尺被固定在设备上，滑尺置于定尺表面可来回移动，两尺之间存在一段一般为0.25mm左右的的间隙。定尺和滑尺上均有铜箔制成的绕组。定尺上为单项均匀分布的平面连续绕组，滑尺上为平面分段绕组。绕组外部，绕组与基板之间均存在绝缘层，厚度约为0.1mm左右。而滑尺外部粘贴了一层铝箔用以防止静电感应，主要用于测量线位移。圆形感应同步器由钉子和转子两部分组成。主要元器件的截面构造与直线型感应同步器相似。转子上由铜箔制成导片沿圆周的半径方向分布的连续绕组，定子由铜箔制成两相扇形分段绕组。而转子绕组的表面同样粘贴一层铝箔，用以防止静电感应。这种感应同步器主要用于测量角位移。此外还有，光电式位移传感器，编码式位移传感器等2）速度/加速度传感器：由机械转速转化为输出信号如应变片加速度传感器、伺服加速度传感器、压电感应加速度传感器等压电感应加速度传感器的主要原理是压电效应制成。用于测量加速度，这种传感器大体上有基于压电元件厚度变形的压缩式加速度传感器，基于压电元件剪切变形的剪切式和由压缩式和剪切式两者复合型的加速度传感器这三种类型。3）力传感器：由力信号转化为电信号输出力传感器一般由力敏元件、转换元件和电路部分组成；按照在机器人上的安装部位来讲，关节力传感器多用力矩传感器，腕力传感器可用六维力传感器，此外还有指力传感器等。2.外部传感器：用于测量和机器人作业有关的外部环境及状态，使机器人获得和外部环境交互的能力，达到机器人自适应和自矫正的目的。外部传感器通常包括使机器人需要获得的感知能力有关的一系列传感器。这些传感器包括：1）触觉传感器：触觉这是一种仅次于视觉的重要知觉能力，触觉传感器可以用于操作动作，通过力的反馈，实现在给定程序下的适当动作调整以形成灵活的动作控制，确定工作对象的存在，识别操作对象的属性如大小尺寸以及具体的形状，以达成在视觉不可用的条件下完成各种工作的目的，在一定程度上代替视觉的使用；代替痛觉痛觉，达到躲避危险、障碍物以防事故的目的；有压阻触觉传感器，光传感式触觉传感器，电容式触觉传感器，磁导式触觉传感器，压电式触觉传感器等2）接近觉传感器：接近觉这是一种非接触式的感觉，介于触觉和视觉之间。接近觉传感器能融合视觉和触觉传感器的信息，辅助视觉传感器的功能，来判断对象物体的方位、外形，探测机器人本身与周围环境物体之间的距离和相对位置，对准确定位抓紧部件有奇效；3）视觉传感器：视觉传感器中的敏感元件是光敏元件。这种元件可以对光信号进行处理转化为电信号，然后由成像技术进行输出。输出的图像有两种，第一，将将或实时，或储存的图像传给幕后的技术人员，从而达到记录与研究的目的；第二，将观察到的环境的情况传达给机器人本身的控制系统，反馈外界信息。视觉是机器人的一种十分重要的知觉能力。现如今，视觉传感器在机器人产业上存在缺乏实时性和和稳定性的掣肘，图像采集速度和图像处理速度较为低下使系统发生较为明显的时滞。而将来这类传感器会向着多视觉传感器集成系统，图像的快速处理，主动视觉技术的方面发展。4）压觉传感器：压觉传感器的主要组成部件是敏感元器件。这种敏感元件可以检测弹性体的位移。在平板上假负载时，平板发生位移，由电位器检测，由此可计算出力的大小。用于检测机器人和工作对象之间的接触面的法向的压力值得大小；5）滑觉传感器：滑觉传感器用于检测物体由于自身自重的原因，相对于机器人手爪的滑移量的大小。有滚轮式和球式，将物体在传感器表面的滑动转化为滚动。6）听觉传感器：听觉传感器是一种换能设备可以将采集到的声波里的信息转化为电信号，具有语音识别功能，是机器人具有人机对话的功能。基本原理为音频检测，信号放大，语音信息处理。目前主要的听觉传感器有电阻变换型听觉传感器，压电式听觉传感器，电容式听觉传感器和动圈式听觉传感器等。7）嗅觉传感器：嗅觉传感器是一种换能设备,可以由气敏元件感受气体,并将气体的有关信息转化为电信号，也被称作电子鼻。由气敏传感器阵列，信号预处理，模式识别组成，能够鉴别一些气味和大多数挥发性成分的物质。有气相型嗅觉传感器，金属氧化物型嗅觉传感器，光传感型嗅觉传感器等8）味觉传感器：也被称作电子舌。由传感器阵列和模式识别系统组成，用于鉴别味道和检测液体成分。三．机器人传感器技术的现状以及未来的发展趋势在2014年的两院院士大会上，习近平总书记谈到“机器人革命”在“第三次工业革命”中的重要意义，表示我国将成为全球最大的机器人市场，要大力扶持机器人有关项目及产业。然而我国机器人相关产业及研究项目起步较晚，仍然巨大的市场发展潜力，而中国的机器人产业目前也十分广泛，对机器人产业的而需求逐年持续上涨。而机器人传感器作为机器人的核心部件之一，不仅可以帮助机器人获取外部环境信息，而且能为机器人进行自检活动。成为了整个智能机器人产业发展的瓶颈，在其延伸应用层面有巨大的市场空间和发展潜力。可以说，机器人技术的发展很大程度上依赖于传感器。大量的机器人产业需求带来了机器人传感器技术的广大市场，但是我国传感器直到近年来才形成完整的产业链。在诸多国外厂商如飞思卡尔，HBM，MEAS等的压力下，我国开展了新一代传感器技术的研究，重点突破新材料新工艺，多功能集成化，IO-link工业化标准接口等。在未来，机器人传感技术的研究会侧重于以下几个方面的内容：第一，进一步提高传感器的精度范围，深入细致地搜集更多的信息；提高传感器的可靠性并降低成本以提升其在应用领域的应用广度。第二，由于机器人技术的应用领域从工业环境拓展至太空，深海，人类器官组织等人类难以到达的非结构性环境之中，机器人发展趋向更加微型化、智能化，机器人传感器技术的研究在向着微电子机械系统、虚拟现实技术，电子成像系统，高强度抗压方面深入发展。机器人传感器的研究近年来多侧重于对多传感器的融合技术以及其算法的改进方面。在同一外界条件下,多个不同的传感器可以感知到的信息中大多存在着一定的内在的联系。假如孤立地在同一个机器人上使用不同的传感器,就会使信息之间的内在联系被割断,使一些被蕴含在信息内部的关联丢失。而同一个机器人身上的传感器数量越多，每种传感器所需的适用范为和感知范围就会越复杂，这非常不利于机器人的设计与制造。多传感器融合技术可以对这种情况进行信息的整理与融合处理。另一方面，人脑对于信息的处理是十分复杂的，在基础的看听嗅味感等感知之外，大脑会将以上种种信息进行融合处理以获得在时间和空间上的以及关于知识，记忆和学习的比较高级的感知能力，从而使机器人能对周围环境进行判断。多传感器融合技术是机器人类人化处理信息的重要的一次进步和尝试，可以使“人工智能”这一技术更进一步。第三，多传感器融合技术将会涉及到不仅仅只是单纯的机械工程和信息工程领域，还有可能是事关生物工程，知识程工，神经网络的新理论和新方法，有助于学科融合创新。比如视觉传感器的多视觉传感器集成系统比单一传感器系统的测量视觉范围扩大，减少了测量盲区；可一次性获取大量数据，避免在物体或者传感器旋转过程中多次测量带来的无法避免的系统误差。以及使得机器人达到视觉实时性目的地图像的快速采集和处理数据的图像快速处理技术。强调视觉系统与其所处环境之间的交互作用能力的主动视觉技术，在视觉信息获取的过程中，更主动的调