移动机器人的传感器和执行器

移动机器人视觉传感器的工作过程可分为四个步骤：检测、 分析、绘制和识别。
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（1）视觉检测 视觉信息一般通过光电检测转化成电信号。常用的光电检 测器有摄像管和固态图像传感器。 在处理三维空间问题时，位置信息必不可少。获得距离信 息的方法有光投影法、立体视法。
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按应用场合分类
根据应用场合不同 ， 可分为家用机器人 、 工业机器人 、 水下 机器人等 。
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随着机器人性能不断地完善，移动机器人的应用 范围大为扩展，不仅在工业，农业，国防，医疗， 服务等行业中得到广泛的应用，而且在排雷，搜 捕，救援，辐射和空间领域等有害与危险场合得 到很好的应用。因此，移动机器人技术已经得到 世界各国的普遍关注。移动机器人要想替人去进 行各种工作，就必须通过传感器感知环境信息和 自身状态，综合各传感器信息并做出判断，再由 执行器执行判断的结果。本文论述移动机器人主 要体系机构，详细介绍了移动机器人的传感器和 执行器，最后指出了移动机器人研究热点和发展 趋势。
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（2） 压觉传感器 压觉用于握力控制与手的支撑力检测，实际是接触觉的延 伸。现有压觉传感器一般有以下几种：
1.利用某些材料的压阻效应制成压阻器件，将它们密集配 置成阵列，即可检测压力的分布； 2.利用压电晶体的压电效应检测外界压力； 3.利用半导体压敏器件与信号电路构成集成压敏传感器；
度传感器等组成。
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位置传感器用来测量机器人自身位置的传感器。位置传
感器可分为两种，直线位移传感器和角位移传感器。其中 直线位移传感器常用的有直线位移定位器等，具有工作原 理简单、测量精度高、可靠性强的特点；角位移传感器则 可选旋转式电位器，具有可靠性高、成本低的优点。
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传感器使得移动机器人初步具有类似于人的感知能力，不 同类型的传感器组合构成了机器人的感觉系统。机器人传
感器主要可以分为视觉、听觉、触觉、力觉和接近觉五大
类。不过从人类生理学观点来看，人的感觉可分为内部感 觉和外部感觉，类似的，移动机器人传感器也可分为内部 传感器和外部传感器。
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对于速度传感器来说，用编码器是最合理的.它有两种方 式:①计算一定时间内产生的脉冲数;②测量脉冲间隔时间 再取其倒数等.但是据使用资料表明，低速特性还存在某 些问题.需要确立在低速时计算速度的方式，还要把处理 装置装入编码器。
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光投影法 光投影法是向被测物体投射特殊形状的光束并检测其反射 光，即可获得位置信息。目前常用的是采用激光扫描法。
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立体视法 立体视法(Stereoscopy)就是指同一物体的两张具有轻微角 度差别的照片放在一起（分别用左右双眼）观看，得到一种深 度的感觉，从而产生常规立体视觉的方法。那么（最基本的） 立体摄影就是（模拟双眼的位置）从左右两个具有轻微角度差 异的观察点分别拍摄同一个物体，然后将这两幅照片以同样的
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加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。可以是 常量，也可以是变量。加速度计有两种：一种是角加速度 计，是由陀螺仪（角速度传感器）的改进的。另一种就是 线加速度计。加速度传感器可以帮助你的机器人了解它现 在身处的环境。是在爬山？还是在走下坡，摔倒了没有？ 或者对于飞行类的机器人来说，对于控制姿态也是至关重 要的。更要确保的是，你的机器人没有带着炸弹自己前往 人群密集处。一个好的程序员能够使用加速度传感器来回 答所有上述问题。加速度传感器甚至可以用来分析发动机 的振动。
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角度传感器是用来检测角度的。当在机器人身上连接上轮 子（或通过齿轮传动来移动机器人）时，可以依据旋转的 角度和轮子圆周数来推断机器人移动的距离。然后就可以
把距离转换成速度，你也可以用它除以所用时间。实际上，
计算距离的基本方程式为： 距离=速度×时间
•
• 传感器和信息处理之间联系密切,实际上传感器包括信息获
取和处理两部分
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传感器和执行器之间联系密切,传感器检测的信息处理后 直接用于反馈控制, 从而决定机器人的行动 且对
• 传感器不仅要求体积小, 易于安装, 过载能力强, 敏感材料的柔性和功能有特定的要求
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（4）图像识别技术 就是让机器人知道自己所看到的物体就是物体本身而不是 其他物体。如不会把扳手当作榔头。显然这需要将事先物体的 特征信息存储起来，然后将此信息与所看到的物体信息进行比 对。打个比方，就是用摄像头拍摄下你的面部，然后在电脑里 面安装相应的软件进行记忆，当你下次开机的时候，摄像头会 根据现在的图象以及存储的图象来判断使用者身份，符合要求 的就可以开机进入页面，否则进不去，就像密码一样。不过目 前的图象识别技术还不是很完善，识别率还不是很高。
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对于移动机器人传感器来说，位置、速度传感器是比较稳 定、可靠的.位置传感器几乎都是数字式的，但在分辨率 上还有些问题.因现在的工业用机器人在使用时，电动机 的旋转速度降低到了1/100，所以若把编码器与电动机直 接连接，则可以获得高分辨率.从机器人设计的角度出发， 正在探讨进一步降低减速比问题，甚至还进行了把电动机 轴和机器人传动轴直接联结的尝试.此时的普通编码器使 用每转512~4096个脉冲，其控制精度就不太能满足要求了. 现在美国市场上已出现了每转100万脉冲的编码器[7]，但 是只限于特殊用途，尚未达到任意使用的阶段.而一般市 场上出售的编码器的分辨率还有待提高.
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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。
（1）接触觉传感器 用来检测移动机器人的某些部位与外界物体接触与否， 例如感觉是否抓住零件，是否接触地面等。
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接触觉传感器实例
分析算法常分为两大类：边缘检测和门限化或区域法。
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（3）视觉图像绘制 机器人视觉传感器的视觉图像绘制是指为了识别的目的而 从物体图像中提取特征。理论上这些特征应该与物体的位置和 取向无关，并包含足够的绘制信息，以便能唯一的把一个物体 从其他物体中鉴别出来。
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压阻式阵列触觉传感器
碳毡 （CSA）
碳毡（CSA）灵敏度高，具有较强的耐过载能力。缺点是有迟滞，线性差。 导电橡胶的电阻也会随压力的变化而变化，因此也常用来作为触觉传感器的敏 感材料。
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接触觉传感器信号处理
对于非阵列接触觉传感器，信号的处理主要是为了感知物体 的有无。由于信息量较少，处理技术相对比较简单、成熟； 对于阵列式接触觉传感器，其目的是辨识物体接触面的 轮廓。这种信号的处理将涉及到图像处理、计算机图形学、人工 智能、模式识别等学科，目前还不成熟，有待进一步研究。
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外部传感器取决于机器人所要完成的任务，常用的外部传
感器有视觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器、力觉传
感器等。
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视觉传感器是组成智能机器人最重要的传感器之一。目前
机器人视觉多数是用电视摄像机和对信号进行处理的运算 装置来实现的，由于其主体是计算机，所以又称为计算机
视觉。
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移动机器人常用传感器分类
外部传感器 用于检测机器 人所处的环境和对 象状况等 内部传感器 用于机器人 自身状态
目的 / 使用范围 在移动机器人上 应用传感器
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具有和人的五官对应的功能,因此,种类众多,高度集成化和 综合化 各种传感器之间联系紧密,信息融合技术是多种传感器之 间协同工作的基础
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传感器 种类 特定位置, 角度传感器 微型开关 , 光电子开关 任意位置, 角度传感器 电位器, 旋转变压器, 码盘,关节角传感器 速度, 角速度传感器 加速度传感器 测速发电机 , 码盘 应变片式 , 伺服式, 压电式 , 电动式
倾斜角传感器
方位角传感器
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液体式 , 垂直振子式
陀螺仪 , 地磁传感器
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外部传感器主要用来检测机器人所处环境及目标状况，如 是什么物体，离物体的距离有多远，抓取的物体是否滑落
等。从而使得机器人能够与环境发生交互作用并对环境具
有自我校正和适应能力。

广义来看，机器人外部传感器就是具有人类五官的感知 能力的传感器。
1、2 移动机器人的分类
机器人自问世以来，其技术的发展就受到各国的重视，被认为是
对未来新兴产业发展具有重要意义的高技术之一，近些年来，随着计算
机技术的不断发展，机器人技术也逐渐趋于成熟，机器人的种类繁多， 根据不同的分类方式可以将机器人进行如下分类：
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按结构分类
按结构分，一般可分为轮式、腿足式、履带式、吸盘式以及复合式 机器人、或根据车轮数目对轮式机器人进行了分类，将其分为单轮、双 轮、三轮及四轮移动机器人和复合式（车轮/履带式）移动机器人等四 类 。也可以在综合分析了国内外研究的履带式移动机器人基础上，将 其分为单节双履带式、双节四履带式、多节多履式、多节轮履复合式及 自重构式移动机器人等五类。 尽管机器人的机构和种类很多，但无论 是轮式、腿式还是履带式都不能完全满足人们在某一方面的需要，因此 人们往往将上述的两种或几种机构组合成复合式结构。目前， 复合式 移动机器人主要有轮履式、轮腿式、轮履腿式等，通过将不同的行走方 式加以结合，从而满足机器人设计高性能的要求。
主讲人：
一、移动机器人 二、移动机器人的传感器 三、移动机器人的执行器 四、多传感器信息融合 五、移动机器人的发展趋势
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1、1 移动机器人的定义
移动机器人是一种由传感器、遥控操作器和自动控制的移动载体组成 的机器人系统。移动机器人具有移动功能，在代替人从事危险、恶劣（如 辐射、有毒等）环境下作业和人所不及的（如宇宙空间、水下等）环境作 业方面，比一般机器人有更大的机动性、灵活性。
方式展示出来，让左右摄像机分别采集左视觉和右视觉的照片，
通过计算机的合成处理，我们就获得了与人眼直接观看被摄物 体完全一致的、有立体深度的立体画面。
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（2）视觉图像分析 成像图像中的像素含有杂波，而且不是每一个像素都有意 义，因此必须进行（预）处理。通过处理消除杂波，把全部像 素重新按线段或区域排列成有效像素集合。根据所考虑的对象 Biblioteka Baidu求，把不必要的像素除去，把被测图像划分成各组成部分的 过程称为分析或分割。
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单位时间内位移的增量就是速度。速度包括线速度和角速 度，与之相对应的就有线速度传感器和角速度传感器，我 们都统称为速度传感器。
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所谓内部传感器是完成机器人运动所必需的那些传感器， 如位置、速度传感器等，它们是构成机器人不可缺少的基 本元件。移动机器人内部传感器的功能是测量运动学和力 学参数，使机器人能够按照规定的位置、轨迹和速度等参 数进行工作，感知自己的状态并加以调整和控制。内部传
感器通常由位置传感器、角度传感器、速度传感器、加速