資料介紹
隨著機(jī)器人熱不斷升溫,人們也加大了對(duì)智能機(jī)器人的研究與追求。智能機(jī)器人主要有交互機(jī)器人、傳感機(jī)器人和自主機(jī)器人3種。它們之所以被認(rèn)為具有智能,是因?yàn)樗鼈兡軐?duì)自身內(nèi)部以及周邊環(huán)境進(jìn)行感受并做出反應(yīng)。其中,對(duì)內(nèi)部、外部環(huán)境的信息感受是通過(guò)形形色色的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的?,F(xiàn)在,從擬人功能出發(fā)的視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)已進(jìn)入實(shí)用階段,機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)也有較大進(jìn)展,傳感器的智能化程度決定了機(jī)器人的智能化程度。
那么讓我們一起來(lái)看看有哪些傳感器吧!
傳感器分類(lèi)
內(nèi)傳感器
機(jī)器介機(jī)電一體化的產(chǎn)品,內(nèi)傳感器和電機(jī)、軸等機(jī)械部件或機(jī)械結(jié)構(gòu)如手臂(Arm)、手腕(Wrist)等安裝在一起,完成位置、速度、力度的測(cè)量,實(shí)現(xiàn)伺服控制。
位置(位移)傳感器
直線(xiàn)移動(dòng)傳感器有電位計(jì)式傳感器和可調(diào)變壓器兩種。角位移傳感器有電位計(jì)式、可調(diào)變壓器(旋轉(zhuǎn)變壓器)及光電編碼器三種,其中光電編碼器有增量式編 碼器和絕對(duì)式編碼器。增量式編碼器一般用于零位不確定的位置伺服控制,絕對(duì)式編碼器能夠得到對(duì)應(yīng)于編碼器初始鎖定位置的驅(qū)動(dòng)軸瞬時(shí)角度值,當(dāng)設(shè)備受到壓力 時(shí),只要讀出每個(gè)關(guān)節(jié)編碼器的讀數(shù),就能夠?qū)λ欧刂频慕o定值進(jìn)行調(diào)整,以防止機(jī)器人啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生過(guò)劇烈的運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人傳感器分類(lèi)
速度和加速度傳感器
速度傳感器有測(cè)量平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度兩種,但大多數(shù)情況下,只限于測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度。利用位移的導(dǎo)數(shù),特別是光電方法讓光照射旋轉(zhuǎn)圓盤(pán),檢測(cè)出旋轉(zhuǎn)頻率 和脈沖數(shù)目,以求出旋轉(zhuǎn)角度, 及利用圓盤(pán)制成有縫隙,通過(guò)二個(gè)光電二極管辨別出角速度,即轉(zhuǎn)速,這就是光電脈沖式轉(zhuǎn)速傳感器。此外還有測(cè)速發(fā)電機(jī)用于測(cè)速等。
應(yīng)變儀即伸縮測(cè)量?jī)x,也是一種應(yīng)力傳感器,用于加速度測(cè)量。加速度傳感器用于測(cè)量工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)控制信號(hào)。一般有由速度測(cè)量進(jìn)行推演、已知質(zhì)量物體加速度所產(chǎn)生動(dòng)力,即應(yīng)用應(yīng)變儀測(cè)量此力進(jìn)行推演,還有就是下面所說(shuō)的方法:
與被測(cè)加速度有關(guān)的力可由一個(gè)已知質(zhì)量產(chǎn)生。這種力可以為電磁力或電動(dòng)力,最終簡(jiǎn)化為對(duì)電流的測(cè)量,這就是伺服返回傳感器,實(shí)際又能有多種振動(dòng)式加速度傳感器。
力覺(jué)傳感器
力覺(jué)傳感器用于測(cè)量?jī)晌矬w之間作用力的三個(gè)分量和力矩的三個(gè)分量。機(jī)器人中理想的傳感器是粘接在依從部件的半導(dǎo)體應(yīng)力計(jì)。具體有金屬電阻型力覺(jué)傳感器、半導(dǎo)體型力覺(jué)傳感器、其它磁性壓力式和利用弦振動(dòng)原理制作的力覺(jué)傳感器。
還有轉(zhuǎn)矩傳感器(如用光電傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)矩)、腕力傳感器(如國(guó)際斯坦福研究所的由6個(gè)小型差動(dòng)變壓器組成,能測(cè)量作用于腕部X、Y和Z三個(gè)方向的動(dòng)力及各軸動(dòng)轉(zhuǎn)矩)等。
由于機(jī)器人發(fā)展歷史較長(zhǎng),近年來(lái)普遍采用以交流永磁電動(dòng)機(jī)為主的交流伺服系統(tǒng),對(duì)應(yīng)位置、速度等傳感器大量應(yīng)用的是:各種類(lèi)型的光電編碼器、磁編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器。
外傳感器
以往一般工業(yè)機(jī)器人是沒(méi)有外部感覺(jué)能力的,而新一代機(jī)器人如多關(guān)節(jié)機(jī)器人,特別是移動(dòng)機(jī)器人、智能機(jī)器人則要求具有校正能力和反應(yīng)環(huán)境變化的能力,外傳感器就是實(shí)現(xiàn)這些能力的。
觸覺(jué)傳感器
微型開(kāi)關(guān)是接觸傳感器最常用型式,另有隔離式雙態(tài)接觸傳感器(即雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體電路)、單模擬量傳感器、矩陣傳感器(壓電元件的矩陣傳感器、人工皮膚——變電導(dǎo)聚合物、光反射觸覺(jué)傳感器等)。
應(yīng)力傳感器
如多關(guān)節(jié)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作時(shí)需要知道實(shí)際存在的接觸、接觸點(diǎn)的位置(定位)、接觸的特性即估計(jì)受到的力(表征)這三個(gè)條件,所以用上節(jié)已指出的應(yīng)變 儀,結(jié)合具體應(yīng)力檢測(cè)的基本假設(shè),如求出工作臺(tái)面與物體間的作用力,具體有對(duì)環(huán)境裝設(shè)傳感器、對(duì)機(jī)器人腕部裝設(shè)測(cè)試儀器用傳動(dòng)裝置作為傳感器等方法。
接近度傳感器
由于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度提高及對(duì)物體裝卸可能引起損壞等原因需要知道物體在機(jī)器人工作場(chǎng)地內(nèi)存在位置的先驗(yàn)信息以及適當(dāng)?shù)能壽E規(guī)劃,所以有必要應(yīng)用測(cè)量接近度的遙感方法。接近傳感器分為無(wú)源傳感器和有源傳感器,所以除自然信號(hào)源外,還可能需要人工信號(hào)的發(fā)送器和接收器。
超聲波接近度傳感器用于檢測(cè)物體的存在和測(cè)量距離。它不能用于測(cè)量小于30~50cm的距離,而測(cè)距范圍較大,它可用在移動(dòng)機(jī)器人上,也可用于大型機(jī)器人的夾手上。還可做成超聲導(dǎo)航系統(tǒng)。
紅外線(xiàn)接近度傳感器,其體積很小,只有幾立方厘米大,因此可以安裝在機(jī)器人夾手上。
聲覺(jué)傳感器
用于感受和解釋在氣體(非接觸感受)、液體或固體(接觸感受)中的聲波。聲波傳感器復(fù)雜程度可以從簡(jiǎn)單的聲波存在檢測(cè)到復(fù)雜的聲波頻率分析, 直到對(duì)連續(xù)自然語(yǔ)言中單獨(dú)語(yǔ)音和詞匯的辨別。
接觸式或非接觸式溫度傳感器
近年在機(jī)器人中應(yīng)用較廣,除常用的熱電阻(熱敏電阻)、熱電偶等外,熱電電視攝像機(jī)測(cè)及感覺(jué)溫度圖像方面也取得進(jìn)展。
滑覺(jué)傳感器
用于檢測(cè)物體的滑動(dòng)。當(dāng)要求機(jī)器人抓住特性未知的物體時(shí),必須確定最適當(dāng)?shù)奈樟χ?,所以要求檢測(cè)出握力不夠時(shí)所產(chǎn)生的物體滑動(dòng)信號(hào)。
目前有利用光學(xué)系統(tǒng)的滑覺(jué)傳感器和利用晶體接收器的滑覺(jué)傳感器,后者的檢測(cè)靈敏度與滑動(dòng)方向無(wú)關(guān)。
距離傳感器
用于智能移動(dòng)機(jī)器人的距離傳感器有:激光測(cè)距儀(兼可測(cè)角)、聲納傳感器等,近幾年得到發(fā)展。
視覺(jué)傳感器
這是應(yīng)用很廣泛的外傳感器,有鑒于它的內(nèi)容很豐富,而且機(jī)器視覺(jué)經(jīng)常獨(dú)立形成產(chǎn)品,與軟件技術(shù)關(guān)系很密切。
傳感器的具體應(yīng)用介紹
從上圖可以看出,傳感器的技術(shù)走向?yàn)閺臏囟取毫?、光電,逐漸發(fā)展到麥克風(fēng)、IMU、陀螺儀,再到激光雷達(dá)、紅外、聲吶、3D攝像頭。傳感器的應(yīng)用范圍從各種工業(yè)機(jī)器人到民用各種功能機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、自動(dòng)駕駛汽車(chē)。在未來(lái),傳感器將有無(wú)限種可能。
以下是機(jī)器人網(wǎng)(jqr.com)搜集的一些熱門(mén)智能機(jī)器人用傳感器資料:
掃地機(jī)器人
掃地機(jī)器人又稱(chēng)自動(dòng)打掃機(jī)、智能吸塵、機(jī)器人吸塵器等,是智能家用電器的一種,憑借一定的人工智能自動(dòng)在房間內(nèi)完成地板清理工作。智能掃地機(jī)器人完成自動(dòng)打掃,其中一個(gè)重要的功能就是要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。
為了實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)器人的避障功能,機(jī)器人身上會(huì)裝有很多傳感器,最常規(guī)的有紅外傳感器、超聲波測(cè)距、碰撞傳感器、攝像頭+圖像識(shí)別等。其中最常用、最經(jīng)濟(jì)的方案就是利用紅外光反射原理來(lái)避障。
紅外光避障原理如下圖所示,LED發(fā)射紅外光,由障礙物反射到接收器。通過(guò)計(jì)算接收到光強(qiáng)度的大小,從而判斷障礙物的距離。
紅外光避障原理
無(wú)人機(jī)(消費(fèi)級(jí))
消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)自出現(xiàn)以來(lái)就受到了大量消費(fèi)者的追捧,無(wú)人機(jī)作為一種通用設(shè)備,可以滿(mǎn)足很多娛樂(lè)需求。通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍,人可以到達(dá)平時(shí)無(wú)法到達(dá)的位置,高空,海面,山洞等,更好地滿(mǎn)足了攝像愛(ài)好者的需求。無(wú)論是綜藝節(jié)目、影視作品都開(kāi)始廣泛利用無(wú)人機(jī);在國(guó)外甚至有公司使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行送貨服務(wù)。
空氣流量傳感器
空氣流量傳感器,也稱(chēng)空氣流量計(jì),是電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的重要傳感器之一。它將吸入的空氣流量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送至電控單元(ECU),作為決定噴油的基本信號(hào)之一,是測(cè)定吸入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量的傳感器??梢杂糜谟行У乇O(jiān)測(cè)電力無(wú)人機(jī)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的微小空氣流速。
加速度計(jì)
加速度計(jì)是測(cè)量運(yùn)載體線(xiàn)加速度的儀表,其中,在測(cè)量飛機(jī)過(guò)載的加速度計(jì)是最早獲得應(yīng)用的飛機(jī)儀表之一。這種傳感器可以有多種方式感知運(yùn)動(dòng)姿態(tài),從而更好地獲取無(wú)人機(jī)的位置及運(yùn)行姿態(tài)。
慣性測(cè)量單元
慣性測(cè)量單元是測(cè)量物體三軸姿態(tài)角(或角速率)以及加速度的裝置。一般的,一個(gè)慣性測(cè)量單元包含了三個(gè)單軸的加速度計(jì)和三個(gè)單軸的陀螺,加速度計(jì)檢測(cè)物體在載體坐標(biāo)系統(tǒng)獨(dú)立三軸的加速度信號(hào),而陀螺檢測(cè)載體相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度信號(hào),測(cè)量物體在三維空間中的角速度和加速度,并以此解算出物體的姿態(tài)。在導(dǎo)航中用著很重要的應(yīng)用價(jià)值。
無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)所處的飛行環(huán)境復(fù)雜,大部分情況下沒(méi)有任何先驗(yàn)信息,此時(shí)基于實(shí)時(shí)地圖生成的視覺(jué)導(dǎo)航研究變得更為重要。計(jì)算機(jī)視覺(jué)即通過(guò)在硬件端配置攝像頭和傳感器,將這兩個(gè)設(shè)備同時(shí)連接到無(wú)人機(jī)上,再結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬類(lèi)似人眼和大腦的作用,可以讓無(wú)人機(jī)擁有 “視覺(jué)” 能力,即識(shí)別物體、判斷物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。(一般包含光傳感器、激光測(cè)距、RGBD傳感器)
協(xié)作機(jī)器人
六維力傳感器
六維力傳感器是智能機(jī)器人重要的傳感器,它能同時(shí)檢測(cè)三維空間(笛卡爾坐標(biāo)系)的全力信息,即三個(gè)力分量和三個(gè)力矩分量。六維力傳感器廣泛應(yīng)用于精密裝配,自動(dòng)磨削、輪廓跟蹤、雙手協(xié)調(diào)、零力示教等作業(yè)中,在航空、航天及機(jī)械加工,汽車(chē)等行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用。
視覺(jué)傳感器
視覺(jué)傳感器是整個(gè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)信息的直接來(lái)源,主要由一個(gè)或者兩個(gè)圖形傳感器組成,有時(shí)還要配以光投射器及其他輔助設(shè)備。視覺(jué)傳感器的主要功能是獲取足夠的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)要處理的最原始圖像。圖像傳感器可以使用激光掃描器、線(xiàn)陣和面陣CCD攝像機(jī)或者TV攝像機(jī),也可以是最新出現(xiàn)的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等。
觸覺(jué)傳感器
接觸覺(jué)傳感器用以判斷機(jī)器人(主要指四肢)是否接觸到外界物體或測(cè)量被接觸物體的特征的傳感器。接觸覺(jué)傳感器有微動(dòng)開(kāi)關(guān)、導(dǎo)電橡膠、含碳海綿、碳素纖維、氣動(dòng)復(fù)位式裝置等類(lèi)型。
隨著機(jī)器人在世界范圍內(nèi)的蓬勃發(fā)展,傳感器也將迎來(lái)新的發(fā)展高峰,圖像識(shí)別、深度學(xué)習(xí)等新型技術(shù)也正在尋求與傳感器融合使用的新方式。傳感器領(lǐng)域潛力無(wú)限、前景無(wú)限。
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