機(jī)器人感覺(jué)信息處理技術(shù)研究

序論：寫(xiě)作是一種深度的自我表達(dá)。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內(nèi)心深處的真相，好投稿為您帶來(lái)了一篇機(jī)器人感覺(jué)信息處理技術(shù)研究范文，愿它們成為您寫(xiě)作過(guò)程中的靈感催化劑，助力您的創(chuàng)作。

０引言

機(jī)器人是集機(jī)械工程、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)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(jī)電一體化技術(shù)的最高成就，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)之一［１］。機(jī)器人是廣泛用于社會(huì)發(fā)展各個(gè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，具有一定的自動(dòng)性，可依靠自身的動(dòng)力能源和控制能力實(shí)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(jī)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(jué)并適應(yīng)作物種類或環(huán)境變化，有信息自動(dòng)檢測(cè)（如視覺(jué)、觸覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)等）和自動(dòng)控制等人工智能的新一代無(wú)人自動(dòng)操作機(jī)械。目前，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，已經(jīng)研發(fā)出施肥機(jī)器人、除草機(jī)器人、采摘機(jī)器人、分揀機(jī)器人等。進(jìn)入２１世紀(jì)后，新型多功能農(nóng)業(yè)機(jī)器人得到日益廣泛應(yīng)用，智能化機(jī)器人也會(huì)在廣闊的田野上越來(lái)越多地代替手工完成各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，第二次農(nóng)業(yè)革命將深入發(fā)展［２］。區(qū)別于工業(yè)機(jī)器人，是一種新型多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)勞動(dòng)方式，提高了生產(chǎn)力，促進(jìn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展與轉(zhuǎn)型。機(jī)器人身上安裝了許多傳感器接收外部信息，目前常見(jiàn)的機(jī)器人傳感器主要包括視覺(jué)傳感器、觸覺(jué)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(jī)器人體內(nèi)的計(jì)算機(jī)，將相關(guān)信息處理后，機(jī)器人就會(huì)像人類一樣擁有各種感覺(jué)，如聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)和視覺(jué)，比如機(jī)器人有距離的感覺(jué)，有力氣大小的感覺(jué)，能識(shí)別物體和顏色，能感知外界溫度變化等［３］。

１機(jī)器人的基本概念與結(jié)構(gòu)

１．１機(jī)器人的概念在第一屆機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)議中給出了機(jī)器人的基本概念與定義，機(jī)器人是一種具有移動(dòng)性、個(gè)體性、智能型、通用性、信息性、柔性的機(jī)器，機(jī)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(jī)器人的基本特征與應(yīng)用優(yōu)勢(shì)１）機(jī)器人是模仿人或者動(dòng)物肢體運(yùn)動(dòng)的機(jī)器，能夠像人一樣使用工具和機(jī)械，能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間的運(yùn)動(dòng)。２）機(jī)器人具有智力和判別能力，可以直接對(duì)外界工作。３）能夠高強(qiáng)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(dòng)，使人類從單一、枯燥和繁重的勞動(dòng)中解放出來(lái)。４）對(duì)各種工作環(huán)境有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，能夠代替人從事危險(xiǎn)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(dú)特的柔性，可以通過(guò)軟件調(diào)整等手段加工多種零件。７）動(dòng)作準(zhǔn)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(jī)器人的機(jī)構(gòu)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)主要包括機(jī)器人的關(guān)節(jié)、自由度和驅(qū)動(dòng)數(shù)。機(jī)器人的重要特征是在三維空間運(yùn)動(dòng)的空間結(jié)構(gòu)。空間結(jié)構(gòu)主要包括并聯(lián)機(jī)構(gòu)、串聯(lián)機(jī)構(gòu)和串聯(lián)并聯(lián)混合機(jī)構(gòu)，空間結(jié)構(gòu)主要由低副機(jī)構(gòu)組成。常見(jiàn)的低副機(jī)構(gòu)主要包括轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副、螺旋副、圓柱副等。轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副、螺旋副為基本的低副機(jī)構(gòu)，其自由度ｄ＝１。各種低副機(jī)構(gòu)和自由度ｄ及用多個(gè)單自由度等效的形式如表１所示。

２機(jī)器人感覺(jué)信息核心技術(shù)

２．１內(nèi)部傳感器機(jī)器人內(nèi)部傳感器可以按照一定規(guī)律實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)，并將檢測(cè)信息，如物理信號(hào)、化學(xué)信號(hào)和生物信號(hào)等，通過(guò)變送器變換為另一種物理量，通常為電壓或者電流。

２．１．１位移（角度）傳感器位移（角度）傳感器主要用于檢測(cè)機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)（角運(yùn)動(dòng)）。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(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)主要是利用發(fā)電機(jī)原理測(cè)定速度。按照其構(gòu)造可以分為直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、交流測(cè)速發(fā)電機(jī)和感應(yīng)式交流測(cè)速發(fā)電機(jī)。

２．１．３光學(xué)編碼器光學(xué)編碼器是機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)中常用的一種檢測(cè)裝置，其本質(zhì)是一種量化式的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，將機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)角值或者運(yùn)動(dòng)位移轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖，一般分為增量式和絕對(duì)式兩種。增量式光學(xué)編碼器是在編碼盤(pán)上，其讀數(shù)起始點(diǎn)是不固定的，從讀數(shù)起始點(diǎn)開(kāi)始，將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的位移量進(jìn)行累計(jì)檢測(cè)，所以只能檢測(cè)數(shù)值的增量。絕對(duì)式光學(xué)編碼器的讀數(shù)起始點(diǎn)是固定的，可以同時(shí)檢測(cè)機(jī)器人的位移初始量和增量。

２．２觸覺(jué)傳感器機(jī)器人的觸覺(jué)主要是獲取接觸信息，如壓力信息、滑覺(jué)信息等。觸覺(jué)信息一般分為點(diǎn)信息識(shí)別、平面信息識(shí)別和空間信息識(shí)別（圖２）。１）接觸傳感器主要是當(dāng)規(guī)定的位移或者作用力作用到可動(dòng)部分時(shí)，基礎(chǔ)開(kāi)關(guān)接通或者斷開(kāi)，并發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)。主要為單向微動(dòng)開(kāi)關(guān)。２）非接觸開(kāi)關(guān)，又被稱為接近開(kāi)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(dòng)式、光纖式等多種接近開(kāi)關(guān)。３）觸須傳感器，主要是由須狀觸頭及其檢測(cè)部件組成。觸頭主要由一定長(zhǎng)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(cè)單元檢測(cè)。觸須傳感器的主要功能是識(shí)別接近的物體，用于確認(rèn)所設(shè)定的動(dòng)作結(jié)束，并根據(jù)接觸發(fā)出相關(guān)回避信號(hào)確定搜索物體是否存在。

２．３力覺(jué)傳感器力和力矩傳感器主要適用于檢測(cè)機(jī)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(cè)量的物理量，主要是通過(guò)其他物理量間接測(cè)量。其測(cè)量方式主要如下：１）通過(guò)檢測(cè)相關(guān)物體的彈性變形測(cè)量力，如應(yīng)變片、彈簧的變形等；２）通過(guò)檢測(cè)物體壓電效應(yīng)測(cè)定；３）通過(guò)檢測(cè)物體壓磁效應(yīng)測(cè)定；４）對(duì)于速度傳感器、液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)等設(shè)備，可以通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)電流和液壓馬達(dá)油壓等方式測(cè)量力。

２．４視覺(jué)傳感器機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與組成如圖３所示。機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)類似于人的視覺(jué)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(jì)算機(jī)處理技術(shù)等。其主要工作過(guò)程是基于視覺(jué)傳感器獲取圖像信息，通過(guò)視覺(jué)處理器對(duì)圖像進(jìn)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(jìn)而指導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作。

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(jì)算機(jī)技術(shù)將來(lái)自多傳感器或多源的信息和數(shù)據(jù)，在一定的準(zhǔn)則下加以自動(dòng)分析和綜合，以完成所需要的決策和估計(jì)而進(jìn)行的信息處理過(guò)程。多傳感器信息融合是用于包含處于不同位置的多個(gè)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(jì)算機(jī)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(mén)熱門(mén)新興學(xué)科和技術(shù)。我國(guó)對(duì)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(shí)別等工程領(lǐng)域。以農(nóng)業(yè)機(jī)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。

４結(jié)論

機(jī)器人是集機(jī)械工程、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)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(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)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(gè)工業(yè)領(lǐng)域之中。本研究基于機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)與工作原理，開(kāi)展機(jī)器人感覺(jué)信息系統(tǒng)的研究，系統(tǒng)論述了機(jī)器人的感覺(jué)信息核心技術(shù)。研究結(jié)果以期為機(jī)器人感覺(jué)信息處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供新的思路。

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作者:張衛(wèi)東 單位:定西中醫(yī)藥科技中等專業(yè)學(xué)校