機器人感覺信息處理技術分析

張衛東

(定西中醫藥科技中等專業學校，甘肅 定西 748100)

0 引言

機器人是集機械工程、電子技術、計算機技術、自動控制技術和人工智能技術等學科的最新技術產物，代表了機電一體化技術的最高成就，是當代科學技術發展的研究熱點之一[1]。

機器人是廣泛用于社會發展各個領域的多關節機械手或多自由度的機器裝置，具有一定的自動性，可依靠自身的動力能源和控制能力實現各種操作功能，目前被廣泛應用于電子、物流、化工、農業和醫學等領域。如在農業生產中，農業機器人是一種可由不同程序軟件控制，以適應各種作業,能感覺并適應作物種類或環境變化，有信息自動檢測(如視覺、觸覺和聽覺等)和自動控制等人工智能的新一代無人自動操作機械。目前，在農業生產中，已經研發出施肥機器人、除草機器人、采摘機器人、分揀機器人等。進入21世紀后，新型多功能農業機器人得到日益廣泛應用，智能化機器人也會在廣闊的田野上越來越多地代替手工完成各種農業生產活動，第二次農業革命將深入發展[2]。區別于工業機器人，是一種新型多功能農業機械。農業機器人的廣泛應用，改變了傳統的農業勞動方式，提高了生產力，促進了現代農業的發展與轉型。

機器人身上安裝了許多傳感器接收外部信息，目前常見的機器人傳感器主要包括視覺傳感器、觸覺傳感器、位移傳感器、氣敏傳感器、光敏傳感器和聲敏傳感器等，外界信息由傳感器傳給機器人體內的計算機，將相關信息處理后，機器人就會像人類一樣擁有各種感覺，如聽覺、觸覺和視覺，比如機器人有距離的感覺,有力氣大小的感覺,能識別物體和顏色，能感知外界溫度變化等[3]。

1 機器人的基本概念與結構

1.1 機器人的概念

在第一屆機器人學術會議中給出了機器人的基本概念與定義，機器人是一種具有移動性、個體性、智能型、通用性、信息性、柔性的機器，機器人的基本三要素為腦、手、腳，配備有非接觸傳感器和接觸傳感器[4]。

1.2 機器人的基本特征與應用優勢

1)機器人是模仿人或者動物肢體運動的機器，能夠像人一樣使用工具和機械，能夠實現三維空間的運動。

2)機器人具有智力和判別能力，可以直接對外界工作。

3)能夠高強度、持久性地在各種生產和工作環境中從事單調重復的勞動，使人類從單一、枯燥和繁重的勞動中解放出來。

4)對各種工作環境有很強的適應能力，能夠代替人從事危險工作。

5)具有廣泛的通用性，既能夠滿足大批量生產需要，又能滿足靈活多變的小批量生產作業。

6)具有獨特的柔性，可以通過軟件調整等手段加工多種零件。

7)動作準確性高，可以保證產品質量的穩定性。

8)能夠顯著提高生產率和大幅度降低產品生產成本。

1.3 機器人的機構

機器人的機構主要包括機器人的關節、自由度和驅動數。機器人的重要特征是在三維空間運動的空間結構。空間結構主要包括并聯機構、串聯機構和串聯并聯混合機構，空間結構主要由低副機構組成。常見的低副機構主要包括轉動副、移動副、螺旋副、圓柱副等。轉動副、移動副、螺旋副為基本的低副機構，其自由度d=1。各種低副機構和自由度d及用多個單自由度等效的形式如表1所示。

表1 低副機構的自由度和用多個單自由度等效的形式

2 機器人感覺信息核心技術

2.1 內部傳感器

機器人內部傳感器可以按照一定規律實現信號檢測，并將檢測信息，如物理信號、化學信號和生物信號等，通過變送器變換為另一種物理量，通常為電壓或者電流。傳感器一般由敏感元件、轉換元件、基本轉換電路等組成，如圖1所示。

圖1 傳感器的基本組成

2.1.1 位移(角度)傳感器

位移(角度)傳感器主要用于檢測機器人的直線運動(角運動)。位移傳感器主要分為電阻式、電感式、電容式和編碼器等。

2.1.2 測速發電機

測速發電機主要是利用發電機原理測定速度。按照其構造可以分為直流測速發電機、交流測速發電機和感應式交流測速發電機。

2.1.3 光學編碼器

光學編碼器是機器人關節伺服系統中常用的一種檢測裝置，其本質是一種量化式的模擬數字轉換器，將機械運動過程中的轉角值或者運動位移轉換成相應的電脈沖，一般分為增量式和絕對式兩種。增量式光學編碼器是在編碼盤上，其讀數起始點是不固定的，從讀數起始點開始，將機器人運動的位移量進行累計檢測，所以只能檢測數值的增量。絕對式光學編碼器的讀數起始點是固定的，可以同時檢測機器人的位移初始量和增量。

2.2 觸覺傳感器

機器人的觸覺主要是獲取接觸信息，如壓力信息、滑覺信息等。觸覺信息一般分為點信息識別、平面信息識別和空間信息識別(圖2)。

圖2 觸覺傳感器的分類

1)接觸傳感器主要是當規定的位移或者作用力作用到可動部分時，基礎開關接通或者斷開，并發出相應的信號。主要為單向微動開關。

2)非接觸開關，又被稱為接近開關，主要包括高頻振蕩式、磁感應式、電容感應式、超聲波式、氣動式、光纖式等多種接近開關。

3)觸須傳感器，主要是由須狀觸頭及其檢測部件組成。觸頭主要由一定長度的柔性軟條絲構成，與接觸物體所產生的彎曲由在根部的檢測單元檢測。觸須傳感器的主要功能是識別接近的物體，用于確認所設定的動作結束，并根據接觸發出相關回避信號確定搜索物體是否存在。

2.3 力覺傳感器

力和力矩傳感器主要適用于檢測機器人內部或者外部環境之間的相互作用力。力不是直接測量的物理量，主要是通過其他物理量間接測量。其測量方式主要如下：

1)通過檢測相關物體的彈性變形測量力，如應變片、彈簧的變形等；

2)通過檢測物體壓電效應測定；

3)通過檢測物體壓磁效應測定；

4)對于速度傳感器、液壓馬達驅動等設備，可以通過檢測電動機電流和液壓馬達油壓等方式測量力。

2.4 視覺傳感器

機器人視覺系統基本結構與組成如圖3所示。機器人視覺系統類似于人的視覺信息系統，主要包括圖像傳感器、數據處理系統及計算機處理技術等。其主要工作過程是基于視覺傳感器獲取圖像信息，通過視覺處理器對圖像進行處理與分析，得到相關圖像的描述，并根據特定的任務提供有效信息，進而指導機器人進行相關動作。

圖3 機器人視覺系統基本組成

3 多傳感器信息融合技術

多傳感器信息融合(MSIF)是利用計算機技術將來自多傳感器或多源的信息和數據，在一定的準則下加以自動分析和綜合，以完成所需要的決策和估計而進行的信息處理過程。

多傳感器信息融合是用于包含處于不同位置的多個或者多種傳感器的信息處理技術。隨著傳感器應用技術、數據處理技術、計算機軟硬件技術和工業化控制技術的發展成熟，多傳感器信息融合技術已形成一門熱門新興學科和技術。我國對多傳感器信息融合技術的研究已經應用于信息的定位和識別等工程領域。

以農業機器人為例，分析多傳感器信息融合技術的主要應用案例如表2所示。

表2 多傳感器信息融合技術在農業機器人領域應用案例

4 結論

機器人是集機械工程、電子技術、計算機技術、自動控制技術和人工智能技術等學科的最新技術產物，是當代科學技術發展的研究熱點之一，被廣泛應用于電子、物流、化工、農業和醫學等各個工業領域之中。本研究基于機器人基本結構與工作原理，開展機器人感覺信息系統的研究，系統論述了機器人的感覺信息核心技術。研究結果以期為機器人感覺信息處理技術的進一步發展提供新的思路。