第五章-机器人的感官

机器人技术概论IntroductiontoRoboticTechnology01机器人的“刺激-反应”02机器人的眼睛和视觉03机器人的耳朵和听觉04机器人的鼻子和嗅觉05机器人的舌头和味觉06机器人的身和触觉07机器人的内部传感器08GPS与机器人的绝对坐标位置第四章机器人的感官(RoboticSensoryOrgans)机器人或机器生命，是Nilsson所说的“刺激－反应”体，而“刺激－反应”源于感官。01关于机器人的感官1.1回顾：“刺激-反应”与反射弧“刺激-反应”，是生命体活性的基本特征，是生命体最基本的感知活动。在生物系统“刺激-反应”的过程中，最为基本的神经活动是反射（Reflex）。反射活动形成于一种被称为反射弧的结构01关于机器人的感官1.1回顾：“刺激-反应”与反射弧反射弧（ReflexArc）是最基本的和最小的“刺激-反应”体，包含五个组成部分：感受器：感受刺激的感觉器官传入神经：传送感觉信号的神经线路神经中枢：调节特定机能的神经结构传出神经：传送效应信号的神经线路效应器：表现反应的运动器官其中，感受器即感官（感觉器官）。感官（感觉器官）对于生命体的重要性在于：没用感官，就感受不到刺激，反射弧就不可能形成反射，生命体就不会有“刺激-反应”的行为，生命体因而就不会有活性。01关于机器人的感官机器人，是一种机器生命，是对自然生命的模拟（模仿），需要表现类似人和动物的“刺激-反应”行为和“感知-行动”机能，因而，也有自己的感官（感觉器官）。1.2回顾：机器人的反射弧实际上，机器人也是一种“刺激-反应”体，并且，也具有形成“刺激-反应”过程的“反射弧”，当然，是机电式反射弧。机器人的机电式反射弧01关于机器人的感官1.2回顾：机器人的反射弧机电式反射弧是机器生命的反射弧，是自治移动式机器人的反射弧。机电式反射弧也包含着五个组成部分：感受器：感受刺激的传感器传入神经：传送传感信号的电子输入线路神经中枢：计算机或电脑传出神经：传送控制信号的电子输出线路效应器：表现反应的执行机构机电式反射弧01关于机器人的感官机器人的感官（感觉器官），一般称为：传感器（Sensor），或称“敏感元件”，其功能和作用，与人和动物的感受器是相似的或相同的。机器人，是一种机器生命，是对自然生命的模拟（模仿），需要表现类似人和动物的“刺激-反应”行为和“感知-行动”机能，因而，也有自己的感官（感觉器官）。不同的是，人和动物的感觉器官是有机组织，而机器人的感觉器官是电子电气元件。1.3传感器：机器人的感官传感器，作为机器人的感官（感觉器官），对于机器人的重要性，与感官对于人和动物的重要性是一样的。有了传感器，机器人就可能产生“刺激-反应”现象，进而形成“感知-行动”机能。01关于机器人的感官外部传感器（ExternalSensors）：即感知外部环境的传感器，感知来自客体（外部环境）信息或刺激，如：我们的眼睛，耳朵，鼻子，舌头，身体等器官，主要功能或作用在于获取环境的信息。传感器是一种机电元件，它将被测物理量变换为电信号（一般为模拟量），这种电信号经由模数电路（相当于机器人的传入神经）转换为数字信号后，可由计算机或电子计算器件（电脑）识别和处理。机器人的感官（传感器），可以划分为两类：1.4机器人感官（传感器）的分类内部传感器（InternalSensors）：即感知自身状态的传感器，感知主体的内在状态，如：惯性测量单元感知身体姿态，光电码盘感知电机速度等。02机器人的眼睛和视觉2.1感知光照强度的视觉传感器机器生命（自治移动式机器人）的视觉来自光电传感器，如光敏电阻、光电管、红外传感器、激光传感器、数字摄像仪等，它们是机器生命的眼睛。光敏电阻和光电管是基于半导体光电效应的光电传感器，是最基本的感光元件，可用于感知光的强度。Wiener的机器蠕虫拟采用光电管作为视觉器官。光电管基于半导体的光生伏特效应。光电二极管：正极由p型半导体构成，而负极是n型半导体，其连接处形成一个pn结。02机器人的眼睛和视觉2.1感知光照强度的视觉传感器无光照射时，光电二极管反向电阻大，电流小，此时，光电二极管处于截止状态。受光照射时，光电二极管形成由n区指向p区的光电流，光电二极管处于导通状态，光照越强，形成的光电流越强。光敏二极管通过图(b)所示的电路将光信号LIN变换为电信号VOUT。光电三极管：由三层半导体材料组成，形成两个pn结，光电流被作为三极管基极电流而被放大，如图(c)所示。因此，光电三极管对光照强度的变化较之光电二极管更为敏感。光敏电阻：基于半导体的内光电效应。硫化镉等半导体材料在光照下，其电导率会发生变化，光照越强，电导率越高。02机器人的眼睛和视觉2.1感知光照强度的视觉传感器因此，由硫化镉等半导体材料制成的光敏电阻的电阻值会随光照强度的增大而下降，光照强度越大，其电阻值越低。光敏电阻通过图3.3(d)所示的电路将光信号LIN变换为电信号VOUT。光敏电阻和光电管只能感知光的强度，不能获得影像。机器生命（自治移动式机器人），为了获得物体的影像，可采用红外传感器。02机器人的眼睛和视觉2.2红外视觉传感器红外线非可见光，然而，基于物体色温的不同分布，基于黑色物体吸收红外光线而白色物体反射红外光线的原理，红外传感器能感知物体的轮廓，同时，根据接收到的红外光线的强度，红外传感器还能感知物体的距离。因此，选用红外传感器作为视觉器官，机器生命（自治移动式机器人）就能在一定程度上捕获物体的影像，从而识别环境或物体，跟踪目标，测定障碍物距离以避免碰撞。02机器人的眼睛和视觉2.2红外视觉传感器在自治移动式机器人的底部安装红外传感器，检测地面黑白相间的轨迹条文，可实现自治移动式机器人对期望路径的跟踪。反射式红外传感器具有红外线发射装置和红外线接收装置，其工作原理如下图所示。红外传感器所能获得的影像信息是微弱的和模糊的。02机器人的眼睛和视觉2.3数字摄像视觉系统与红外传感器相比，数字摄像系统能为机器生命（自治移动式机器人）提供更为丰富的影像信息。然而，数字摄像仪提供的影像需要经过复杂地后处理，才能被机器生命（自治移动式机器人）理解和利用。数字摄像系统捕获的影像中，物体、人物、环境等的识别是机器视觉的一大课题，需要机器视觉、模式识别和人工智能等多学科参与解决。动物和人通过眼睛观察客观世界的过程，不是单纯地看，其中，更为重要的是理解。同样地，机器人的眼睛不仅在于捕获影像，还在于理解影像。一般地，以数字摄像系统为视觉器官的自治移动式机器人，其“看”的过程包括：捕获影像，影像预处理（去除噪声或进行清晰化处理），影像变换以便于提取目标，边缘检测以勾画目标轮廓，特征提取，理解或识别。02机器人的眼睛和视觉2.3数字摄像视觉系统单目数字摄像系统，只能获得平面信息（2D信息），一般难以获得3D信息（立体信息）。02机器人的眼睛和视觉2.4三维视觉系统获取立体影像的方式和多：同样地，立体影像的理解，也是机器视觉一大课题，同样需要多学科参与解决。基于单目摄像机，依靠移动视觉和运动图像获取3D信息（立体影像），类似青蛙的方式。基于多目摄像机，双目的（类似哺乳动物的方式），三目的，复眼的（类似昆虫的方式）。机器生命（自治移动式机器人）的听觉来自声电传感器，如麦克和声纳，它们是机器生命的耳朵。03机器人的耳朵和听觉3.1麦克麦克有两种类型：电动式麦克和电容式麦克，其相似之处在于，都能将声频信号变换为电信号。电动式麦克由振动膜、音圈和永久磁体构成，其工作原理如图(a)所示：声音使膜片振动，并带动音圈在磁场中振动，音圈振荡式地切割磁场而产生对应音频的振荡电流。机器生命（自治移动式机器人）的听觉来自声电传感器，如麦克和声纳，它们是机器生命的耳朵。03机器人的耳朵和听觉3.1麦克麦克有两种类型：电动式麦克和电容式麦克，其相似之处在于，都能将声频信号变换为电信号。电容式麦克采用超薄的镀金振动膜，利用极间电容的变化，直接将振动膜的声音转换为电信号，其原理性电路如图(b)所示：与电动式麦克相比，电容式麦克具有较高的灵敏度和更好的音质，且体积小。机器生命（自治移动式机器人）的听觉来自声电传感器，如麦克和声纳，它们是机器生命的耳朵。03机器人的耳朵和听觉3.1麦克麦克有两种类型：电动式麦克和电容式麦克，其相似之处在于，都能将声频信号变换为电信号。让机器人或机器生命听见声音是容易的。让机器人或机器生命理解声音，特别是理解自然语言，即理解人的语言，是困难的。自然语言理解是人工智能学科中一个专门的分支。理解声音是机器人或机器生命的一大课题，需要声学、语言学、模式识别和人工智能等多学科参与解决。03机器人的耳朵和听觉3.2声纳：超声波传感器声纳，又称超声波传感器，主要应用于轮船、潜艇和鱼雷等水中系统。实际上，声纳是一种仿生装置，是模仿蝙蝠和海豚等哺乳动物听觉器官的装置。蝙蝠和海豚等哺乳动物依靠耳朵“看”世界，它们有发射超声波的器官，耳朵接收反射回来的超声波，从而确定物体的位置、形状，甚至其它复杂的特征。03机器人的耳朵和听觉3.2声纳：超声波传感器反射式超声波传感器有超声波发射器和超声波接收器，以RS-2410器件为例，其工作原理如图所示。超声波发射器：利用压电晶体的逆压电效应，在压电晶片的两个电极面上施加交流电压，使其产生机械振动而发出超声波。超声波的频率f取决于晶片的厚度d、声波在压电晶体内的传播速度c和谐波的次数n，即：dncf/5.003机器人的耳朵和听觉3.2声纳：超声波传感器反射式超声波传感器有超声波发射器和超声波接收器，以RS-2410器件为例，其工作原理如图所示。超声波接收器：基于压电效应，在压电晶体轴的两端施加超声波，使轴的两个端面形成频率与超声波频率相同的交变电流，其幅值与超声波的强度成正比。无线电波难以在水中传播，而声波在水中却无传播的困难。因此，声纳对于水下机器人尤为重要。04机器人的鼻子和嗅觉动物的嗅觉器官是鼻子。许多动物都有敏锐的嗅觉，如狗能嗅到极低浓度的气味，能鉴别上万种不同的气味。机器人（机器生命）也可以拥有自己的鼻子和嗅觉。机器人（机器生命）的嗅觉来自气敏传感器。气敏传感器也即嗅觉传感器，是机器生命的鼻子，能感知各种有毒气体，以及易燃和易爆气体，如：一氧化碳、汞蒸汽、氢气、氟利昂、液化石油气等。4.1机器人的鼻子：气敏传感器气敏传感器可分为物理的和化学的。物理气敏传感器又可分为半导体、热传导、光和红外等不同类型。04机器人的鼻子和嗅觉实验研究发现，某些金属氧化物，如二氧化锡（SnO2）、三氧化二铁（Fe2O3）、二氧化锌（ZnO2）等，当其处于加热状态时，其电导率会因接触到某些气体分子而变化，或增大，或减小。4.2以半导体气敏传感器为例右图是SnO2气敏传感器的原理性电路，其中，SnO2相当于气敏电阻RS，当H2和CO等气体分子与加热的SnO2接触时，气敏电阻RS电阻值上升，气体分子浓度GIN越大，电阻值RS越大，于是，气体分子浓度信号可变换为电压信号VOUT。LOUTSLccRRRVV04机器人的鼻子和嗅觉具有嗅觉的机器生命可用于各种危险环境，监测异常情况，感知有害气体，例如：4.3有鼻子的机器人能做什么？在采煤井下监测瓦斯，特别地，煤矿发生瓦斯爆炸时，机器生命能深入井下，报告井下瓦斯浓度，辅助搜救工作。或许，我们还能设计出机器缉毒犬，它能嗅出毒品的气味。或许，我们还能设计出机器警犬，它能像普通的警犬一样，搜寻疑犯。05机器人的舌头和味觉动物的味觉器官是舌头。人有丰富的味觉，人的舌头能感知酸、甜、苦、辣、咸等各种味道。机器人（机器生命）也可以拥有自己的舌头和味觉。机器人（机器生命）的味觉来自于液敏传感器。液敏传感器也即味觉传感器，是机器生命的舌头，不仅能感知液体味道，还能测定液体的成份。5.1机器人的舌头：液敏传感器味觉传感器与嗅觉传感器具有相同的特征，均在于测定物质成份及其含量。嗅觉传感器测定气体成份，而味觉传感器测定液体成份。05机器人的舌头和味觉测定液体的成份并不难。然而，欲将液体成份及其含量的信息迅速地，或实时地，转变为电信号，并不是一件容易的