传感器技术在机器人技术中的应用研究

毕业论文班级：科目：工业机器人姓名：学号：指导老师：传感器技术在机器人技术中的应用研究【摘要】传感器是用来检测机器人自身的工作状态，以及机器人智能探测外部工作环境和对象状态的核心部件。能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。本文首先介绍了常用传感器的工作原理、基本结构、使用特点，并讨论了传感器在智能机器人中的应用。【关键词】传感器；机器人；视觉传感器；力觉传感器；触觉传感器1.传感器的工作原理及典型应用传感器在工业中的应用非常的广泛，是当今科技产业是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是当今世界极其重要的高科技，一切现代化仪器、设备几乎都离不开传感器。它广泛应用于各种新型技术领域中，下面列举几种常见的传感器：应变式传感器：有应变效应、压阻效应的原理而来。力传感器、压力传感器液体重量传感器、加速度传感器是它的典型应用；电感式传感器：利用电磁感应(自感、互感)来工作，主要应用于测量位移、振幅、转速和无损探伤等；电容式传感器：将非电量转换为电容量，它的核心部分是可变参数的电容器。把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器；压电式传感器：是基于压电效应应用的传感器，它的核心部件是压电材料。应用于测量力和能变换为力的非电物理量；磁电式传感器：利用电磁感应来工作，适用于动态测量，例如霍尔传感器；热电式传感器：基于热电效应的原理而制造出来的传感器，利用温度的变化来进行测量，一般用于温度测量、管道流量测量等；光电式传感器：基于光电效应的传感器，将光电信号转换成电信号输出，来测量位移、速度、温度等，例如CCD固体图像传感器、光纤传感器等；红外传感器：红外辐射，被动式人体移动检测仪红外测温仪、红外线气体分析仪；微波传感器：反射原理、吸附效应，微波液位计、辐射计、物位计,微波温度传感器、无损探测仪、多普勒传感器；超声波传感器：压电效应、磁致伸缩效应，测量物位、流量、厚度、探伤；数字式传感器：光栅原理、光电效应，机床定位、长度和角度的计量仪器；2.传感器在机器人中的应用机器人能智能探测发现工作对象及对工作对象进行处理加工，都是因为在机器人相应部位装备了传感器，机器人才具备了类似于人类的视觉功能、运动协调和触觉反馈。智能机器人能对工作对象进行检测或在恶劣环境中工作是因为装备了触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、光敏传感器、超声波传感器和声学传感器等，有了传感器的应用才大大改善智能机器人知觉功能和反应能力，使其能够更灵活、更妥善地完成各种复杂的工作。根据传感器在机器人中应用的不同可分为机器人内部检测传感器和机器人外部探测传感器。（1）机器人内部传感器是用于检测机器人自身的工作状态（如调整前进速度）的传感器。多为检测速度和角度的传感器。（2）机器人外部传感器检测机器人外部工作环境（如是什么工作对象，离工作对象的距离的远近等）及工作状况（如机器人手臂的抓取是否成功）的传感器。具体有工作对象识别传感器、工作对象探测传感器、距离感应传感器、力觉传感器，声控传感器等。2.1视觉机器人传感器二十世纪五十年代后期出现，是机器人中最重要的传感器之一。二十世纪七十年代以后，实用性的视觉系统出现了。视觉一般包括三个过程：图像获取、图像处理和图像理解。2.1.1超声波传感器超声波传感器是视觉传感器的一种。它的主要用途：（1）实时地检测自身所处空间的位置，用以进行自定位；（2）实时地检测障碍物，为行动决策提供依据；（3）检测目标姿态以及进行简单形体的识别；（4）用于导航目标跟踪。2.2力觉传感器机器人力传感器就安装部位来讲，可以分为关节力传感器、腕力传感器和指力传感器。通常我们将机器人的力传感器分为三类：（1）装在关节驱动器上的力传感器，称为关节力传感器。用于控制中的力反馈。（2）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。（3）装在机器人手爪指关节（或手指上）的力传感器，称为指力传感器。2.3触觉传感器作为视觉的补充，触觉能感知目标物体的表面性能和物理特性：柔软性、硬度、弹性、粗糙度和导热性等。对它的研究从20世纪80年代初开始，到20世纪90年代初已取得了大量的成果。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。2.3.1接触觉传感器接触觉传感器可以分为：（1）开关式触觉传感器；（2）压阻式阵列触觉传感器；（3）光学式触觉传感器；（4）电容式阵列触觉传感器等。2.3.2压觉传感器压觉传感器又称为压力觉传感器，可分为：（1）单一输出值压觉传感器；（2）多输出值的分布式压觉传感器。3.3.3滑觉传感器机械手一般采用两种抓取方式：硬抓取和软抓取。硬抓取（无感知时采用）：末端执行器利用最大的夹紧力抓取工件。软抓取（有滑觉传感器时采用）：末端执行器使夹紧力保持在能稳固抓取工件的最小值，以免损伤工件。2.4接近觉传感器研究它的目的是是使机器人在移动或操作过程中获知目标（障碍）物的接近程度，移动机器人可以实现避障，操作机器人可避免手爪对目标物由于接近速度过快造成的冲击。如果线圈沿着与磁场垂直的方向运动，在线圈中便可产生与线圈速度成正比的感应电压，通过测量电路测得其电压的大小，便可得出速度的大小。压电式加速度传感器它也称为压电式加速度计，他是利用压电效应制成的一种加速度传感器。常见的结构形式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复合型加速度传感器。机器人外部传感器力或力矩传感器机器人在工作时，需要有合理的握力，握力太小或太大都不合适。力或力矩传感器的种类很多，有电阻应变片式、压电式、电容式、电感式以及各种外力传感器。力或力矩传感器通过弹性敏感元件将被测力或力矩转换成某种位移量或变形量，然后通过各自的敏感介质把位移量或变形量转换成能够输出的电量。机器人常用的力传感器分以下三类。装在关节驱动器上的力传感器，称为关节传感器。它测量驱动器本身的输出力和力矩。用于控制中力的反馈。装在末端执行器和机器人最有一个关节之间的力传感器，称为腕力传感器。它直接测出作用在末端执行器上的力和力矩。装在机器人手爪指（关节）上的力传感器，称为指力传感器，它用来测量夹持物体时的受力情况。触觉传感器人的触觉包括接触觉、压觉、力觉、冷热觉、滑动觉、痛觉等。在机器人中，使用触觉传感器主要有三方面的作用：i.使操作动作使用，如感知手指同对象物之间的作用力，便可判定动作是否适当，还可以用这种力作为反馈信号，通过调整，使给定的作业程序实现灵活的动作控制。这一作用是视觉无法代替的。ii.识别操作对象的属性，如规格、质量、硬度等，有时可以代替视觉进行一定程度的形状识别，在视觉无法使用的场合尤为重要。iii.用以躲避危险、障碍物等以防事故，相当于人的痛觉。接近觉传感器接近觉是指机器人能感觉到距离几毫米到十几厘米远的对象物或障碍物，能检测出物体的距离、相对倾角或对象物表面的性质。这就是非接触式感觉。滑觉传感器机器人要抓住属性未知的物体时，必须确定自己最适当的握力目标值，因此需检测出握力不够时所产生的物体滑动。利用这一信号，在不损坏物体的情况下，牢牢抓住物体。为此目地设计的滑动检测器，叫做滑觉传感器。视觉传感器每个人都能体会到，眼睛对人来说多么重要。有研究表明，视觉获得的信息占人对外界感知信息的80%。人类视觉细胞数量的数量级大约为106，时听觉细胞的300多倍，时皮肤感觉细胞的100多倍。人工视觉系统可以分为图像输入（获取）、图像处理、图像理解、图像存储和图像输出几个部分，实际系统可以根据需要选择其中的若干部件。听觉传感器智能机器人在为人类服务的时候，需要能听懂主人的吩咐，需要给机器人安装耳朵，首先分析人耳的构造。声音是由不同频率的机械振动波组成，外界声音使外耳鼓产生振动，中耳将这种振动放大、压缩和限幅、并抑制噪声。经过处理的声音传送到中耳的听小骨，再通过卵圆窗传到内耳耳蜗，由柯蒂氏器、神经纤维进入大脑。内耳耳蜗充满液体，其中有30000各长度不同的纤维组成的基底膜，它是一个共鸣器。长度不同的纤维能听到不同频率的声音，因此内耳相当于一个声音分析器。智能机器人的耳朵首先要具有接受声音信号的器官，其次还需要语音识别系统。在机器人中常用的声音传感器主要有动圈式传感器和光纤声传感器。味觉传感器味觉是指酸、咸、甜、苦、鲜等人类味觉器官的感觉。酸味是由氢离子引起的。比如盐酸、氨基酸、柠檬酸；咸味主要是由NaCl引起的；甜味主要由蔗糖、葡萄糖等引起的，苦味是由奎宁、咖啡因等引起的；鲜味是由海藻中的谷氨酸钠、鱼和肉中的肌酐酸二钠、蘑菇中的鸟苷酸二钠等引起的。在人类的味觉系统中，舌头表面味蕾上的味觉细胞的生物膜可以感受味觉。味觉物质被转换为电信号，经神经纤维传至大脑。味觉传感器与传统的、只检测某种特殊的化学物质的化学传感器不同。目前某些传感器可以实现对味觉的敏感，如PH计可以用于酸度检测、导电计可用于碱度检测、比重计或屈光度计可用于甜度检测等。但这些传感器智能检测味觉溶液的某些物理、化学特性，并不能模拟实际的生物味觉敏感功能，测量的物理值要受到非味觉物质的影响。此外，这些物理特性还不能反应各味觉之间的关系，如抑制效应等。实现味觉传感器的一种有效方法是使用类似于生物系统的材料做传感器的敏感膜，电子舌是用类脂膜作为味觉传感器，能够以类似人的味觉感受方式检测味觉物质。从不同的机理看，味觉传感器大致分为多通道类脂膜技术、基于表面等离子体共振技术、表面光伏电压技术等，味觉模式识别是由最初神经网络模式发展到混沌识别。混沌是一种遵循一定非线性规律的随机运动，它对初始条件敏感，混沌识别具有很高的灵敏度，因此应用越来越广。目前较典型的电子舌系统有新型味觉传感器芯片和SH—SAW味觉传感器。传感器对于机器人有着至关重要的作用，通过对各种机器人传感器的学习和了解，我对机器人各种传感器有了一个新的认识，使我获益匪浅，为我以后这方面的学习打下了坚定的基础。