機器人要具備多少種傳感器才能如人類般靈敏呢？

ID:156214 · 發表于 2017-4-18 12:00

如今的機器人已具有類似人一樣的肢體及感官功能，有一定程度的智能，動作程序靈活，在工作時可以不依賴人的操縱。而這一切都少不了傳感器的功勞，傳感器是機器人感知外界的重要幫手，它們猶如人類的感知器官，機器人的視覺、力覺、觸覺、嗅覺、味覺等對外部環境的感知能力都是由傳感器提供的，同時，傳感器還可用來檢測機器人自身的工作狀態，以及機器人智能探測外部工作環境和對象狀態。并能夠按照一定的規律轉換成可用輸出信號的一種器件，為了讓機器人實現盡可能高的靈敏度，在它的身體構造里會裝上各式各樣的傳感器，那么機器人究竟要具備多少種傳感器才能盡可能的做到如人類一樣靈敏呢？

根據檢測對象的不同可將機器人用傳感器分為內部傳感器和外部傳感器。

內部傳感器主要用來檢測機器人各內部系統的狀況，如各關節的位置、速度、加速度溫度、電機速度、電機載荷、電池電壓等，并將所測得的信息作為反饋信息送至控制器，形成閉環控制。

而外部傳感器是用來獲取有關機器人的作業對象及外界環境等方面的信息，是機器人與周圍交互工作的信息通道，用來執行視覺、接近覺、觸覺、力覺等傳感器，比如距離測量、聲音、光線等。

具體介紹如下：

1、視覺傳感器

機器視覺是使機器人具有感知功能的系統，其通過視覺傳感器獲取圖像進行分析，讓機器人能夠代替人眼辨識物體，測量和判斷，實現定位等功能。業界人士指出，目前在中國使用簡便的智能視覺傳感器占了機器視覺系統市場60%左右的市場份額。視覺傳感器的優點是探測范圍廣、獲取信息豐富，實際應用中常使用多個視覺傳感器或者與其它傳感器配合使用，通過一定的算法可以得到物體的形狀、距離、速度等諸多信息。

以深度攝像頭為基礎的計算視覺領域已經成為整個高科技行業最熱門的投資和創業熱點之一。有意思的是，這一領域的許多尖端成果都是由初創公司先推出，再被巨頭收購發揚光大，例如Intel收購RealSense實感攝像頭、蘋果收購Kinect的技術供應商PrimeSense， Oculus又收購了一家主攻高精確度手勢識別技術的以色列技術公司Pebbles Interfaces。在國內計算視覺方面的創業團隊雖然還沒有大規模進入投資者的主流視野，但當中的佼佼者已經開始取得了令人矚目的成績。

深度攝像頭早在上世紀 80 年代就由 IBM 提出相關概念，這家持有過去、現在和未來幾乎所有硬盤底層數據的超級公司，可謂是時代領跑者。2005年創建于以色列的 PrimeSense 公司可謂該技術民用化的先驅。當時，在消費市場推廣深度攝像頭還處在概念階段，此前深度攝像頭僅使用在工業領域，為機械臂、工業機器人等提供圖形視覺服務。由它提供技術方案的微軟Kinect成為深度攝像頭在消費領域的開山之作，并帶動整個業界對該技術的民用開發。

2、聲覺傳感器

聲音傳感器的作用相當于一個話筒（麥克風）。它用來接收聲波，顯示聲音的振動圖象。但不能對噪聲的強度進行測量。聲覺傳感器主要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。聲波傳感器復雜程度可以從簡單的聲波存在檢測到復雜的聲波頻率分析，直到對連續自然語言中單獨語音和詞匯的辨別。

據悉，從20世紀50年代開始，BELL實驗室開發了世界上第一個語音識別Audry系統，可以識別10個英文數字。到20世紀70年代聲音識別技術得到快速發展，動態時間規整（ＤＴＷ）算法、矢量量化（ＶＱ）以及隱馬爾科夫模型（ＨＭＭ）理論等相繼被提出，實現了基于ＤＴＷ技術的特定人孤立語音識別系統。近年來，聲音識別技術已經從實驗室走向實用，國內外很多公司都利用聲音識別技術開發出相應產品。比較知名的企業有思必馳、科大訊飛以及騰訊、百度等巨頭，共闖語音技術領域。

3、距離傳感器

用于智能移動機器人的距離傳感器有激光測距儀（兼可測角）、聲納傳感器等，近年來發展起來的激光雷達傳感器是目前比較主流的一種，可用于機器人導航和回避障礙物，比如SLAMTEC-思嵐科技研發的RPLIDAR A2激光雷達可進行360度全方面掃描測距，來獲取周圍環境的輪廓圖，采樣頻率高達每秒4000次，成為目前業內低成本激光雷達最高的測量頻率。配合SLAMTEC-思嵐科技的SLAMWARE自主定位導航方案可幫助機器人實現自主構建地圖、實時路勁規劃與自動避開障礙物。

4、觸覺傳感器

觸覺傳感器主要是用于機器人中模仿觸覺功能的傳感器。觸覺是人與外界環境直接接觸時的重要感覺功能，研制滿足要求的觸覺傳感器是機器人發展中的技術關鍵之一。隨著微電子技術的發展和各種有機材料的出現，已經提出了多種多樣的觸覺傳感器的研制方案，但目前大都屬于實驗室階段，達到產品化的不多。

5、接近覺傳感器

接近覺傳感器介于觸覺傳感器和視覺傳感器之間，可以測量距離和方位，而且可以融合視覺和觸覺傳感器的信息。接近覺傳感器可以輔助視覺系統的功能，來判斷對象物體的方位、外形，同時識別其表面形狀。因此，為準確抓取部件，對機器人接近覺傳感器的精度要求是非常高的。這種傳感器主要有以下幾點作用：

發現前方障礙物，限制機器人的運動范圍，以避免不障礙物収生碰撞。

在接觸對象物前得到必要信息，比如與物體的相對距離，相對傾角，以便為后續動作做準備。獲取物體表面各點間的距離，從而得到有關對象物表面形狀的信息。

6、滑覺傳感器

滑覺傳感器主要是用于檢測機器人與抓握對象間滑移程度的傳感器。為了在抓握物體時確定一個適當的握力值，需要實時檢測接觸表面的相對滑動，然后判斷握力，在不損傷物體的情況下逐漸增加力量，滑覺檢測功能是實現機器人柔性抓握的必備條件。通過滑覺傳感器可實現識別功能，對被抓物體進行表面粗糙度和硬度的判斷。滑覺傳感器按被測物體滑動方向可分為三類：無方向性、單方向性和全方向性傳感器。其中無方向性傳感器只能檢測是否產生滑動，無法判別方向；單方向性傳感器只能檢測單一方向的滑移；全方向性傳感器可檢測個方向的滑動情況。這種傳感器一般制成球形以滿足需要。

7、力覺傳感器

力覺傳感器是用來檢測機器人自身力與外部環境力之間相互作用力的傳感器。力覺傳感器經常裝于機器人關節處，通過檢測彈性體變形來間接測量所受力。裝于機器人關節處的力覺傳感器常以固定的三坐標形式出現，有利于滿足控制系統的要求。目前出現的六維力覺傳感器可實現全力信息的測量，因其主要安裝于腕關節處被稱為腕力覺傳感器。腕力覺傳感器大部分采用應變電測原理，按其彈性體結構形式可分為兩種，筒式和十字形腕力覺傳感器。其中筒式具有結構簡單、彈性梁利用率高、靈敏度高的特點；而十字形的傳感器結構簡單、坐標建立容易，但加工精度高。

8、速度和加速度傳感器

速度傳感器有測量平移和旋轉運動速度兩種，但大多數情況下，只限于測量旋轉速度。利用位移的導數，特別是光電方法讓光照射旋轉圓盤，檢測出旋轉頻率和脈沖數目，以求出旋轉角度，及利用圓盤制成有縫隙，通過二個光電二極管辨別出角速度，即轉速，這就是光電脈沖式轉速傳感器。

加速度傳感器是一種能夠測量加速度的傳感器。通常由質量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調電路等部分組成。傳感器在加速過程中，通過對質量塊所受慣性力的測量，利用牛頓第二定律獲得加速度值。根據傳感器敏感元件的不同，常見的加速度傳感器包括電容式、電感式、應變式、壓阻式、壓電式等。

機器人要想做到如人類般的靈敏，視覺傳感器、聲覺傳感器、距離傳感器、觸覺傳感器、接近覺傳感器、力覺傳感器、滑覺傳感器、速度和加速度傳感器這8種傳感器對機器人極為重要，尤其是機器人的5大感官傳感器是必不可少的，從擬人功能出發，視覺、力覺、觸覺最為重要，目前已進入實用階段，但它的感官，如聽覺、嗅覺、味覺、滑覺等對應的傳感器還等待一一攻克。

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