传感器技术在机器人上的应用研究

摘要：作为现代信息产业三大支柱之一的传感器技术，在机器人上的应用是核心技术之一。传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律变换成可用输出信号的器件或装置，传感器是机器人获取信息的主要部分，类似于人的“五官”，基于仿生学的：视觉、嗅觉、听觉、触觉、味觉对传感器技术在机器人上的应用状况进行阐述。

关键词：传感器；机器人；仿生学

中图分类号：TH89 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2012.07.058

引言

在人类社会的发展进程中，科学技术起着重要地位，在科技发展的带动下，机器人技术也在不断的发展及其应用领域越来越广，从传统的机器制造业，机器人主要用作上、下料的万能传送装置，扩展到能进行各种作业，诸如弧焊、点焊、喷漆、刷胶、清理铸件以及各种各样的简单装配工作，到非制造领域的应用，诸如采掘、水下、空间、核工业、土木施工、救灾、作战、战地后勤及各种服务等，机器人的应用不仅改善了劳动者的工作环境，渐渐的向完全取代人类劳动以及服务于人类的研究发展进行，这一切能得以实现，跟传感器技术、微电子技术、通信技术等有着密切的关系，传感器技术在机器人技术中是核心技术之一，传感器是机器人获取信息的主要部分，基于仿生学的仿人机器人的诞生，传感器技术在机器人上类似于人的“五官”：视觉、嗅觉、听觉、味觉、触觉，在现代机器人研制中得到了很好的应用与开发，本文依据国内外机器人的研究状况，从“五官”的角度来阐述传感器技术在机器人上的应用。

1.传感器技术

1.1视觉功能

现代的“五官”传感器技术中，视觉传感器技术的发展以及研究相比之下较成熟，特别是在机器人的应用上，并且不断的推进着机器人的发展研究，工业、农业、服务业等，视觉传感器技术是机器人不可或缺的重要部分，视觉传感器的性能在不同的应用中有不同的要求，性能的好坏会影响机器人的操作任务，为此，科研工作者们进行了一系列的研究，如一种由激光器、CCD和滤光片组成的视觉传感器系统，体积小巧、结构紧凑、性价比高、质量轻，由于机器视觉系统采集到的数据量庞大以及实时性的要求，可用多核DSP并行处理的架构方式可以解决大量图像数据，为了提高机器人视觉系统的图像处理速度，可以将光学小波变换应用于视觉系统，实现图像和信息的快速处理，针对高温、辐射及飞溅等恶劣环境对传感器的影响，可以采用带冷却系统的结构光视觉传感器。

视觉传感器在机器人上主要应用于方向定位、避障、目标跟踪等，中科院采用视觉系统（单目摄像机）测量得到水下机器人与被观察目标之间的三维位姿关系，通过路径规划、位置控制和姿态控制分解的动力定位方法实现机器人对被观察目标的自动跟踪，浙江工业大学采用一种单目视觉结合红外线测距传感器共同避障的策略，对采集的图像序列信息使用光流法处理，获得移动机器人前方障碍物的信息，为了增强了传感器的光自适应能力，四川大学以主从双视觉传感器实现目标识别和定位任务，采用嵌入式结构技术集成相机和处理机的采摘视觉传感器实现了多传感器、多视角的协调采集和数据处理，与双目视觉传感器相比，三维视觉传感器在计算目标物的三维坐标时不需要复杂的立体匹配过程，其核心就是三角测量技术，定位算法简单，中国农业大学根据作物的反射光谱特性，选择敏感波长的激光源，构建三维视觉传感器。南京农业大学基于立体视觉系统，在图像空间利用Hough变换检测出果实目标，进而获得目标质心的空间位置坐标。中国科学院沈阳自动化研究所采用光学原理的全方位位置传感器系统，通过观测路标和视角定位的方法，确定出机器人在世界坐标系中的位置和方向。哈尔滨工程大学采用一个全景镜头和一个全景摄像机的全境图像全景视觉系统，利用StepForward策略的模糊推理机制的运动决策，实现机器人在动态环境中快速、准确的找到一条无碰撞的路径，最终达到目标点。

科学研究的最终目的都是要应用到实际生活中，视觉传感器的研究在现代工业、农业、以及服务业等方面都得到了体现。中科院采用叠加式构架的视觉传感器在焊接机器人上的应用，实现焊接机器人的自动焊接任务。天津师范工程学院采用全局视觉系统应用在全自主服务机器人上，能够准确地为服务机器人的专家决策系统实时提供位置信息，实现了在光照连续变化的部分结构化环境中进行颜色识别。为了老年人/残疾人提供各种复杂的辅助操作，研制智能陪护机器人，哈尔滨工业大学研制了一个基于两个CCD摄像头组成双目系统的服务机器人。上海交通大学采用视觉传感器获得目标的图像并进行文字识别的读书机器人，以及一种医用机器人，通过人体肛门进入肠道进行检查，携带微型摄像头、压力传感器、温度传感器、pH值传感器等，从而实现肠道生理参数的检测和治疗，携带微型操作手进行微型手术，携带药物喷洒装置进行疾病无创诊疗等。湖南大学采用多传感器结合微处理器技术与智能控制的整个系统设计，将智能安全报警及消防灭火、嵌入式语音识别、自主回归充电、家庭娱乐及家务工作等多项功能集于一身的现代智能家居机器人。北京理工大学利用安装在车体前方摄像头，通过无线传输方式可以反馈视频和音频信号，根据反馈信息，利用航模遥控器控制机器人前进、后退、变速及转弯等的侦查机器人。

1.2嗅觉功能

目前具有嗅觉功能的拟人机器人尚不多见，主要原因是人们对于机器人嗅觉的研究仍处于初级阶段，技术尚未成熟，更多的是关于机器人嗅觉的研究集中在移动机器人的嗅觉定位领域。

机器人嗅觉问题的研究中，主要采用了三种方法来实现机器人嗅觉功能：一是在机器人上安装单个或多个气体传感器，再配置相应处理电路来实现嗅觉功能，Ishidal等人采用四个气体传感器和四个风速传感器制成了气味方向探测装置，充分利用气味信息和风向信息完成味源搜索，Pyk研制了一个装有六阵列金属氧化物气体传感器和风向标式风向传感器的移动人工蛾，并利用它在风洞中模拟了飞蛾横越风向和逆风而上的跟踪信息素的运动方式，类似的研究是在移动机器人上安装一对气体传感器，比较两个传感器的输出，令机器人向着浓度高的方向移动；曹为等人在煤矿救灾机器人上安装了瓦斯传感器、O₂、CO传感器，庄哲民等人将半导体气体传感器阵列与神经网络相结合，构建了一个用于临场感机器人的人工嗅觉系统，用于气体的定性识别；二是自行研制的嗅觉装置，Kuwana使用活的蚕蛾触角配上电极构造了两种能感知信息素的机器人嗅觉传感器，并在信息素导航移动机器人上进行了信息素烟羽的跟踪试验，德国蒂宾根大学的Achim Lifientha和瑞典厄勒布鲁大学的Tom Duckett合作研制了Mark III型立体式电子鼻，和一台Koala移动机器人构成了移动电子鼻；三是采用电子鼻（亦称人工鼻）产品，Rozas等将人工鼻装在一个移动机器人上，通过追踪测试环境中的气体浓度而找到气味源。

1.3听觉功能

在某些环境中，要求机器人能够测知声音的音调、响度，区分左右声源，有的甚至可以判断声源的大致方位，有时我们甚至要求与机器进行语音交流，使其具备“人-机”对话功能，听觉传感器的存在，使得机器人能更好的完成任务。

机器人的听觉功能通过听觉传感器采集声音信号，经声卡输入到机器人大脑。机器人拥有了听觉，就能够听懂人类语言，既实现语音的人工识别和理解，因此机器人听觉传感器可分为两类：一是声检测型，主要用于测量距离等。由于超声波传感器处理信息简单、成本低、速度快，广泛的被应用于机器人听觉传感器，南京信息工程大学利用超声波传感器信息进行栅格地图的创建方法，基于Bayes法则对多个超声波传感器信息进行融合，有效地解决了信息间的冲突问题，提高了地图创建的准确性，福州大学采用扩展卡尔曼滤波器对多个超声波传感器和光电编码器测量值的进行融合，保证机器人的较高行走速度。北京科技大学将16个超声传感分别安装在机器人本体侧板的16个柱面上，等间隔角度22.5度，当陷入死角时能够凭借机器人本体后方的传感器来检测障碍，以实现继续运行。Huang等利用3个麦克风组成平面三角阵列定位声源的全向轴向，也有利用搭载在移动机器人平台上的二维平面4通道十字型麦克风阵列定位说话人的轴向角和距，Valind等放置8个麦克风阵列搭在Pioneer2机器人上，用来进行声源轴向角和仰角定位，Tamai等利用搭载在Nomad机器人上的平面圆形32通道麦克风阵列定位1～4个声源的水平方向和垂直方向。Rodemann等利用仿人耳蜗和双麦克风进行声源的3-D方向定。

二是语音识别：建立人和机器之问的对话。语音识别实质上是通过模式识别技术识别未知的输入声音，通常分为特定话者和非特定话者两种方式，特定语音识别是预先提取特定说话者发音的单词或音节的各种特征参数并记录在存储器中，后者为自然语音识别，目前处于研究阶段。从上世纪50年代AT&TBell实验室开发出可识别10个英文单词的Audy系统开始，许多发达国家家如美国、日本、韩国以及IBM、Apple、NTT等著名公司都为语音识别系统的实用化开发研究投以巨资，国内有关这一领域研究的大学和研究机构相对较少，大部分都是从信号处理的角度对声源定位技术进行研究，而将其应用于机器人上的相对较少。近年来，哈尔滨工业大学、河北工业大学和华北电力大学都在开展机器人听觉技术研究工作。北京航空航天大学机器人研究所也设计了一种可以按照声音的方向向左转或向右转的机器人，当声音太刺耳时，机器人会抬起脑袋，设法躲避它。由于听觉传感器可弥补其他传感器视场有限且不能穿过非透光障碍物的局限，将语音识别技术融合在移动机器人听觉系统中有很好的实用性，河北工业大学在开发救援机器人导航系统中就涉及到了语音识别技术的应用。

1.4触觉功能

机器人中的触觉传感器主要包括：接触觉、压力觉、滑觉和接近觉。初期的Spraw lettes机器人和后期的六足机器人可以依靠一只长而粗的触角进行墙的探测，以及近墙疾走，基于位置敏感探测器（PSD）的触须传感系统进行测量物体外形、物体表面纹理信息以及利用触须沿墙行走，类似的研究北京航空航天大学利用二维PSD设计了一种新型的触须结构可测量机器人本体与墙之间的夹角。

针对机器人角膜移植显微手术，北京航空航天大学选择微力传感器和微型电感式位移传感器集成在机器人末端环钻上，采用适合于PC机和传感器数据采集卡的数字滤波算法排除干扰，从而计算机获取实时采集钻切深度和力信息，刘伊威等人在设计机器人灵巧手一文中，使用了霍尔传感器（位置感觉）、力/力矩感觉以及集成的温度传感器芯片（温度感觉）等，该手指集传感器、机械本体、驱动及电路为一体，最大限度地实现了灵巧手手指的集成化、模块化，类似的采用刚柔结合式结构式的应用于HIT/DLR II五指仿人型机器人灵巧手的新式微型触觉传感器，而东南大学在灵巧手设计的一文中，采用模糊控制的带有阵列式电触觉传感器和力传感器。

以及基于电容、PVDF（聚偏二氟乙烯）、光波导等技术的三维力触觉传感器的研究等到了广泛的应用，例如南安普敦大学研发出的基于厚膜压电式传感器的仿真手是滑觉传感器较成功的体现，用PVDF薄膜制作的像皮肤一样粘贴在假手的手指表面触滑觉传感器，可以安全地握取易碎或者比较柔软的物体，一种基于聚偏氟乙烯（PVDF）膜的三向力传感技术的触觉和基于光电原理的滑觉结合的新型触滑觉传感器，可实现机器人的物体抓，而哈尔滨工程大学基于光纤的光强内调制原理设计了一种用于水下机器人的滑觉传感器，采用特殊的调理电路和智能化的信息处理方法，适用于水下机器人进行作业，西安交通大学设计了基于单片机控制的光电反射式接近觉传感器和光纤微弯力觉传感器的机器人。

1.5味觉功能

整体味觉传感器在机器人上的应用相对于其他传感器很少。当口腔含有食物时，舌头表面的活性酶有选择地跟某些物质起反应，引起电位差改变，刺激神经组织而产生味觉，基于上述机理，人们研制了味觉传感器，人工味觉传感器主要由传感器阵列和模式识别系统组成，传感器阵列对液体试样作出响应并输出信号，信号经计算机系统进行数据处理和模式识别后，得到反映样品味觉特征的结果。目前运用广泛的生物模拟味觉和味觉传感系统根据对接触味觉物质溶液的类脂/高聚物膜产生的电势差的原理制成一多通道味觉传感器。日本九州大学Toko K等设计的能鉴别12种啤酒的多通道类脂膜味觉传感器，瑞典Linkpoing大学Fredrik Winquist课题小组采用的则是伏安型的三电极结构惰性贵金属传感器阵列。

生物的嗅觉是用来检测具有挥发性的气体分子的，而味觉传感器是用来检测液态中的非挥发性的离子和分子的感受器官，味觉传感器的研究取得了一些发展，已经成功提取并量化了米饭、酱油、饮料和酒的味觉信号。南昌大学采用铂工作电极（PtE）为基底，传感器阵列由8个固态PPP味觉传感器与217型饱和双盐桥甘汞电极组成，采用主成分分析和聚类分析等模式识别工具识别与分析不同样品的味觉特征。尽管目前机器人的味觉功能的研究还不成熟，但是国内外的研究机构都在努力的进行这实验研究，特点是在未来家居机器人的构想下，已有相应的机构开发出了烹饪机器人等家居机器人，味觉传感器技术在家居机器人的发展空间很大。

2.总结与展望

“五官”传感器技术，视觉、嗅觉、听觉、触觉、味觉传感器在机器人技术中的广泛应用，在不同的应用环境下，由于不同的技术要求，“五官”传感器的应用都不是独立作用的，而是相互密切相关的，多传感器的信息融合技术与智能控制技术的结合推进了仿人机器人研究开发，开发领域涉及到生活的各个方面，移动机器人、焊接机器人、救灾/救援机器人、采摘机器人、管道机器人、水下机器人、医用机器人、服务机器人、家居机器人、军事机器人等，由于交叉学科的相互影响、技术水平、经济等各种原因，目前的机器人并没有在人们生活中得到实用，所以机器人的研发到实用之路还很长，未来机器人的实现有待于科研工作者们的不懈努力。

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