機器人感覺信息處理技術(shù)分析

張衛(wèi)東

(定西中醫(yī)藥科技中等專業(yè)學(xué)校，甘肅 定西 748100)

0 引言

機器人是集機械工程、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和人工智能技術(shù)等學(xué)科的最新技術(shù)產(chǎn)物，代表了機電一體化技術(shù)的最高成就，是當代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的研究熱點之一[1]。

機器人是廣泛用于社會發(fā)展各個領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)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(xiàn)各種操作功能，目前被廣泛應(yīng)用于電子、物流、化工、農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。如在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)業(yè)機器人是一種可由不同程序軟件控制，以適應(yīng)各種作業(yè),能感覺并適應(yīng)作物種類或環(huán)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，已經(jīng)研發(fā)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(nóng)業(yè)機器人得到日益廣泛應(yīng)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，第二次農(nóng)業(yè)革命將深入發(fā)展[2]。區(qū)別于工業(yè)機器人，是一種新型多功能農(nóng)業(yè)機械。農(nóng)業(yè)機器人的廣泛應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)勞動方式，提高了生產(chǎn)力，促進了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展與轉(zhuǎn)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(nèi)的計算機，將相關(guān)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(jié)構(gòu)

1.1 機器人的概念

在第一屆機器人學(xué)術(shù)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(yīng)用優(yōu)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?qū)崿F(xiàn)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(chǎn)和工作環(huán)境中從事單調(diào)重復(fù)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(huán)境有很強的適應(yīng)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(chǎn)需要，又能滿足靈活多變的小批量生產(chǎn)作業(yè)。

6)具有獨特的柔性，可以通過軟件調(diào)整等手段加工多種零件。

7)動作準確性高，可以保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

8)能夠顯著提高生產(chǎn)率和大幅度降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。

1.3 機器人的機構(gòu)

機器人的機構(gòu)主要包括機器人的關(guān)節(jié)、自由度和驅(qū)動數(shù)。機器人的重要特征是在三維空間運動的空間結(jié)構(gòu)?？臻g結(jié)構(gòu)主要包括并聯(lián)機構(gòu)、串聯(lián)機構(gòu)和串聯(lián)并聯(lián)混合機構(gòu)，空間結(jié)構(gòu)主要由低副機構(gòu)組成。常見的低副機構(gòu)主要包括轉(zhuǎn)動副、移動副、螺旋副、圓柱副等。轉(zhuǎn)動副、移動副、螺旋副為基本的低副機構(gòu)，其自由度d=1。各種低副機構(gòu)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(gòu)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(shù)

2.1 內(nèi)部傳感器

機器人內(nèi)部傳感器可以按照一定規(guī)律實現(xiàn)信號檢測，并將檢測信息，如物理信號、化學(xué)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(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)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(fā)電機

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

2.1.3 光學(xué)編碼器

光學(xué)編碼器是機器人關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)中常用的一種檢測裝置，其本質(zhì)是一種量化式的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，將機械運動過程中的轉(zhuǎn)角值或者運動位移轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖，一般分為增量式和絕對式兩種。增量式光學(xué)編碼器是在編碼盤上，其讀數(shù)起始點是不固定的，從讀數(shù)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(shù)值的增量。絕對式光學(xué)編碼器的讀數(shù)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(guī)定的位移或者作用力作用到可動部分時，基礎(chǔ)開關(guān)接通或者斷開，并發(fā)出相應(yīng)的信號。主要為單向微動開關(guān)。

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

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(gòu)成，與接觸物體所產(chǎn)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(shè)定的動作結(jié)束，并根據(jù)接觸發(fā)出相關(guān)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(nèi)部或者外部環(huán)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(guān)物體的彈性變形測量力，如應(yīng)變片、彈簧的變形等；

2)通過檢測物體壓電效應(yīng)測定；

3)通過檢測物體壓磁效應(yīng)測定；

4)對于速度傳感器、液壓馬達驅(qū)動等設(shè)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(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與組成如圖3所示。機器人視覺系統(tǒng)類似于人的視覺信息系統(tǒng)，主要包括圖像傳感器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及計算機處理技術(shù)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(guān)圖像的描述，并根據(jù)特定的任務(wù)提供有效信息，進而指導(dǎo)機器人進行相關(guān)動作。

圖3 機器人視覺系統(tǒng)基本組成

3 多傳感器信息融合技術(shù)

多傳感器信息融合(MSIF)是利用計算機技術(shù)將來自多傳感器或多源的信息和數(shù)據(jù)，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(shù)。隨著傳感器應(yīng)用技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、計算機軟硬件技術(shù)和工業(yè)化控制技術(shù)的發(fā)展成熟，多傳感器信息融合技術(shù)已形成一門熱門新興學(xué)科和技術(shù)。我國對多傳感器信息融合技術(shù)的研究已經(jīng)應(yīng)用于信息的定位和識別等工程領(lǐng)域。

以農(nóng)業(yè)機器人為例，分析多傳感器信息融合技術(shù)的主要應(yīng)用案例如表2所示。

表2 多傳感器信息融合技術(shù)在農(nóng)業(yè)機器人領(lǐng)域應(yīng)用案例

4 結(jié)論

機器人是集機械工程、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和人工智能技術(shù)等學(xué)科的最新技術(shù)產(chǎn)物，是當代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的研究熱點之一，被廣泛應(yīng)用于電子、物流、化工、農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)等各個工業(yè)領(lǐng)域之中。本研究基于機器人基本結(jié)構(gòu)與工作原理，開展機器人感覺信息系統(tǒng)的研究，系統(tǒng)論述了機器人的感覺信息核心技術(shù)。研究結(jié)果以期為機器人感覺信息處理技術(shù)的進一步發(fā)展提供新的思路。