机器人感觉信息处理技术研究思维导图

０引言

机器人是集机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制技术和人工智能技术等学科的最新技术产物，代表了机电一体化技术的最高成就，是当代科学技术发展的研究热点之一［１］。机器人是广泛用于社会发展各个领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，具有一定的自动性，可依靠自身的动力能源和控制能力实现各种操作功能，目前被广泛应用于电子、物流、化工、农业和医学等领域。如在农业生产中，农业机器人是一种可由不同程序软件控制，以适应各种作业，能感觉并适应作物种类或环境变化，有信息自动检测（如视觉、触觉和听觉等）和自动控制等人工智能的新一代无人自动操作机械。目前，在农业生产中，已经研发出施肥机器人、除草机器人、采摘机器人、分拣机器人等。进入２１世纪后，新型多功能农业机器人得到日益广泛应用，智能化机器人也会在广阔的田野上越来越多地代替手工完成各种农业生产活动，第二次农业革命将深入发展［２］。区别于工业机器人，是一种新型多功能农业机械。农业机器人的广泛应用，改变了传统的农业劳动方式，提高了生产力，促进了现代农业的发展与转型。机器人身上安装了许多传感器接收外部信息，目前常见的机器人传感器主要包括视觉传感器、触觉传感器、位移传感器、气敏传感器、光敏传感器和声敏传感器等，外界信息由传感器传给机器人体内的计算机，将相关信息处理后，机器人就会像人类一样拥有各种感觉，如听觉、触觉和视觉，比如机器人有距离的感觉，有力气大小的感觉，能识别物体和颜色，能感知外界温度变化等［３］。

１机器人的基本概念与结构

１．１机器人的概念在第一届机器人学术会议中给出了机器人的基本概念与定义，机器人是一种具有移动性、个体性、智能型、通用性、信息性、柔性的机器，机器人的基本三要素为脑、手、脚，配备有非接触传感器和接触传感器［４］。

１．２机器人的基本特征与应用优势１）机器人是模仿人或者动物肢体运动的机器，能够像人一样使用工具和机械，能够实现三维空间的运动。２）机器人具有智力和判别能力，可以直接对外界工作。３）能够高强度、持久性地在各种生产和工作环境中从事单调重复的劳动，使人类从单一、枯燥和繁重的劳动中解放出来。４）对各种工作环境有很强的适应能力，能够代替人从事危险工作。５）具有广泛的通用性，既能够满足大批量生产需要，又能满足灵活多变的小批量生产作业。６）具有独特的柔性，可以通过软件调整等手段加工多种零件。７）动作准确性高，可以保证产品质量的稳定性。８）能够显著提高生产率和大幅度降低产品生产成本。

１．３机器人的机构机器人的机构主要包括机器人的关节、自由度和驱动数。机器人的重要特征是在三维空间运动的空间结构。空间结构主要包括并联机构、串联机构和串联并联混合机构，空间结构主要由低副机构组成。常见的低副机构主要包括转动副、移动副、螺旋副、圆柱副等。转动副、移动副、螺旋副为基本的低副机构，其自由度ｄ＝１。各种低副机构和自由度ｄ及用多个单自由度等效的形式如表１所示。

２机器人感觉信息核心技术

２．１内部传感器机器人内部传感器可以按照一定规律实现信号检测，并将检测信息，如物理信号、化学信号和生物信号等，通过变送器变换为另一种物理量，通常为电压或者电流。

２．１．１位移（角度）传感器位移（角度）传感器主要用于检测机器人的直线运动（角运动）。位移传感器主要分为电阻式、电感式、电容式和编码器等。

２．１．２测速发电机测速发电机主要是利用发电机原理测定速度。按照其构造可以分为直流测速发电机、交流测速发电机和感应式交流测速发电机。

２．１．３光学编码器光学编码器是机器人关节伺服系统中常用的一种检测装置，其本质是一种量化式的模拟数字转换器，将机械运动过程中的转角值或者运动位移转换成相应的电脉冲，一般分为增量式和绝对式两种。增量式光学编码器是在编码盘上，其读数起始点是不固定的，从读数起始点开始，将机器人运动的位移量进行累计检测，所以只能检测数值的增量。绝对式光学编码器的读数起始点是固定的，可以同时检测机器人的位移初始量和增量。

２．２触觉传感器机器人的触觉主要是获取接触信息，如压力信息、滑觉信息等。触觉信息一般分为点信息识别、平面信息识别和空间信息识别（图２）。１）接触传感器主要是当规定的位移或者作用力作用到可动部分时，基础开关接通或者断开，并发出相应的信号。主要为单向微动开关。２）非接触开关，又被称为接近开关，主要包括高频振荡式、磁感应式、电容感应式、超声波式、气动式、光纤式等多种接近开关。３）触须传感器，主要是由须状触头及其检测部件组成。触头主要由一定长度的柔性软条丝构成，与接触物体所产生的弯曲由在根部的检测单元检测。触须传感器的主要功能是识别接近的物体，用于确认所设定的动作结束，并根据接触发出相关回避信号确定搜索物体是否存在。

２．３力觉传感器力和力矩传感器主要适用于检测机器人内部或者外部环境之间的相互作用力。力不是直接测量的物理量，主要是通过其他物理量间接测量。其测量方式主要如下：１）通过检测相关物体的弹性变形测量力，如应变片、弹簧的变形等；２）通过检测物体压电效应测定；３）通过检测物体压磁效应测定；４）对于速度传感器、液压马达驱动等设备，可以通过检测电动机电流和液压马达油压等方式测量力。

２．４视觉传感器机器人视觉系统基本结构与组成如图３所示。机器人视觉系统类似于人的视觉信息系统，主要包括图像传感器、数据处理系统及计算机处理技术等。其主要工作过程是基于视觉传感器获取图像信息，通过视觉处理器对图像进行处理与分析，得到相关图像的描述，并根据特定的任务提供有效信息，进而指导机器人进行相关动作。

３多传感器信息融合技术

多传感器信息融合（ＭＳＩＦ）是利用计算机技术将来自多传感器或多源的信息和数据，在一定的准则下加以自动分析和综合，以完成所需要的决策和估计而进行的信息处理过程。多传感器信息融合是用于包含处于不同位置的多个或者多种传感器的信息处理技术。随着传感器应用技术、数据处理技术、计算机软硬件技术和工业化控制技术的发展成熟，多传感器信息融合技术已形成一门热门新兴学科和技术。我国对多传感器信息融合技术的研究已经应用于信息的定位和识别等工程领域。以农业机器人为例，分析多传感器信息融合技术的主要应用案例如表２所示。

４结论

机器人是集机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制技术和人工智能技术等学科的最新技术产物，是当代科学技术发展的研究热点之一，被广泛应用于电子、物流、化工、农业和医学等各个工业领域之中。本研究基于机器人基本结构与工作原理，开展机器人感觉信息系统的研究，系统论述了机器人的感觉信息核心技术。研究结果以期为机器人感觉信息处理技术的进一步发展提供新的思路。

参考文献：