第五章 机器人的感官

04 机器人的鼻子和嗅觉
4.2 以半导体气敏传感器为例
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。 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。
机 电 式 反 射 弧
01 关于机器人的感官
1.3 传感器：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）。 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。 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。 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。
内部传感器（Internal Sensors）：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
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。
Reflex
01 关于机器人的感官
1.1 回顾：“刺激-反应”与反射弧
反射弧（Reflex Arc）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）。
02 机器人的眼睛和视觉
2.1 感知光照强度的视觉传感器
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。 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。
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
1.2 回顾：机器人的反射弧
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）。 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。
2.1 感知光照强度的视觉传感器
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。
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）。
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。
03 机器人的耳朵和听觉
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。
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：
03 机器人的耳朵和听觉
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。
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。
机器人技术概论
Introduction to Robotic Technology
第四章 机器人的感官
(Robotic Sensory Organs)
01 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
VOUT
Vcc R L RS R L
f 0.5nc / d
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。 波的 形 加 应 超 的交 成 超 ， 声 强变 频 声 在 波 度电 率 波 压 接 成流 与 ， 电 收 正， 超 使 晶 器 比其 声 轴 体 ： 。幅 波 的 轴 基 值频两的于 无线电波难以在水中传播，而声波在水 与率个两压 中却无传播的困难。因此，声纳对于水 超相端端电 下机器人尤为重要。 声同面施效
03 机器人的耳朵和听觉
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。 复置 从 反 波 界 物 蝙 杂、 而 射 的 ， 依 蝠 的形 确 回 器 它 靠 和 特状 定 来 官 们 耳 海 征， 的 ， 有 朵 豚 。甚 物 超 耳 发 “ 等 至体声朵射看哺 其的波接超”乳 它位，收声世动
02 机器人的眼睛和视觉
2.2 红外视觉传感器
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。
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。
02 机器人的眼睛和视觉
2.3 数字摄像视觉系统
红外传感器所能获得的影像信息是微弱的和模糊的。 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。
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。
07 机器人的内部传感器
08 GPS与机器人的绝对坐标位置
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。 活的 在 动过 生 是程 物 反中 系 射， 统 （最 “ 为刺 基激 本 ）的 反 。神 应 经” 反反 射射 弧活 的动 结形 构成 于 一 种 被 称 为
02 机器人的眼睛和视觉
2.2 红外视觉传感器
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。 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
2.3 数字摄像视觉系统
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
2.4 三维视觉系统
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）。 获取立体影像的方式和多： 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。
04 机器人的鼻子和嗅觉
4.1 机器人的鼻子：气敏传感器
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。 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。
01 关于机器人的感官
1.4 机器人感官（传感器）的分类
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： 外部传感器（ External Sensors ）：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。
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。
03 机器人的耳朵和听觉
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。
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。
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： 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。
式机 反器 射人 弧的 机 电
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