触觉与视觉.doc

机器人触觉与视觉 大连华锐重工集团股份有限公司 刘晓飞 摘要：机器人触觉传感技术是实现智能机器人的关键技术之一，触觉传感器是机器人与环境直接作用的必要媒介，是模仿人手使之具有接触觉、滑动觉、热觉等感知功能。首先，在深入了解各种触觉传感器设计原理和方法的基础上，利用压电原理和光电原理设计一种体积小、结构简单、工作可靠、柔韧性好，并可同时检测触觉和滑动信号的三维力机器人触滑觉传感器。其次，对触觉传感头的压电层和结构进行有限元建模分析。最后，引入自适应模糊控制方法，通过对滑动信号的模糊控制器设计，控制机械手与接触界面的夹持力。?机器人视觉是指使机器人具有视觉感知功能的系统，是机器人系统组成的重要部分之一。机器人视觉可以通过视觉传感器获取环境的二维图像，并通过视觉处理器进行分析和解释，进而转换为符号，让机器人能够辨识物体，并确定其位置。 关键词：机器人触觉、触觉传感器、压电原理? 1.?机器人触觉概述 ?触觉是一种复合传感，通过人体表面的温度觉、力觉传感器等提供的复合信息可以识别物体的冷热、尺寸、柔软度、表面形状、表面纹理等特征，为人类感知世界提供了大量有用的信息。在机器人领域使用触觉传感器的目的在于获取机械手与工作空间中物体接触的有关信息。例如，触觉信息可以用于物体的定位和识别以及控制机械手加在物体上的力。? 2.?触觉传感器的种类 ?触觉信息是通过传感器与目标物体的实际接触而得到的，因此，触觉传感器的输出信号基本上是由两者接触而产生的力以及位置偏移的函数。一般来说，触觉传感器可以分为简单的接触传感器和复杂的触觉传感器。前者只能探测和周围物体的接触与否，只传递一种信息，如限位开关、接触开关等；后者不仅能够探测是否和周围物体接触，而且能够感知被探测物体的外轮廓。? 1)?压电式触觉传感器 ?压电式触觉传感器是利用晶体的压电效应进行触觉测量的触觉传感器。通常，这种传感器可以采用多个压电晶体来检测物体的表面轮廓。其工作原理是把多个压电晶体压在被测物体上，如果物体表面的高度不同，各个压电晶体的变形也不同，因此，压电晶体产生的电量和输出电压也不同，检测各压电晶体的输出电压就可以检测物体的表面轮廓。? 2)?压阻式阵列触觉传感器 ?对于开关式触觉传感器，阵列密度难以提高，阵列数增加时外接引线也是一个很大的问题。利用敏感材料和硅工艺制作的阵列触觉传感器可使阵列数及阵列密度得到很大的提高，并且减少外界引线，但这种传感器往往缺少应有的柔性，很难较通用地安装到不同形状的应用载体上。? 3)?成像型触觉传感器 ?成像型触觉传感器由若干个感知单元组成阵列结构，主要用于感知目标物体的形状。? 4)?超大规模集成计算传感器阵列 ?在这种触觉传感器的同一个基体上集成若干个传感器及其计算逻辑控制单元。? 3.?触觉的立体信息识别 ?智能机器人要求感知外界环境的物理特性。因此需要触觉感知能力，同时也要求手爪和被抓取物。这种具有类似人类皮肤触觉功能和柔顺特性的机器人触觉传感器，为类皮肤型传感器。类皮肤型触觉传感器具有以下几项功能和特性 ?1)?触觉敏感能力，包括接触觉、分布压觉、接触力觉和滑觉； ?2)?柔性接触表面，以避免硬性碰撞和适应不同形状的表面； ?3)?小巧的片状外形，以利于安装在机器人手爪上。 ?4.?机器人视觉广义上称为机器视觉，其基本原理与计算机视觉类似。计算机视觉研究视觉感知的通用理论，研究视觉过程的分层信息表示和视觉处理各功能模块的计算方法。而机器视觉侧重于研究以应用为背景的专用视觉系统，只提供对执行某一特定任务相关的景物描述。机器人视觉硬件主要包括图像获取和视觉处理两部分，而图像获取由照明系统、视觉传感器、模拟－数字转换器和帧存储器等组成。根据功能不同，机器人视觉可分为视觉检验和视觉引导两种，广泛应用于电子、汽车、机械等工业部门和医学、军事领域。通过对机器人触觉传感器的研究，发现视觉借助光的作用完成，当光照受限制时，仅靠触觉也能完成一些简单的识别功能。更为重要的是，触觉还能感知物体的表面特征和物理性能，如柔软性、硬度、弹性、粗糙度、材质等。因此触觉传感器是机器人感知系统中最重要的研究课题之一。 但机器仍然缺乏一些至关重要的能力，因此短期内依旧难以在很多功能上赶超人类——精密而完善的触觉便是其中之一。 例如，斯坦福医院头颈外科医生尼古拉斯·布雷文思(Nikolas Blevins)经常进行耳部手术，在手术过程中，他必须掌握熟练的技巧，才能将耳骨与薄如蝉翼的内表面剥离开来。 布雷文思正在与机器人学家肯尼斯·萨利博瑞(J. Kenneth Salibury)和萨尼·陈(Sonny Chan)合作设计一款软件，使之可以在正式手术前进行“排练”。这款程序能将X射线与磁共振成像数据进行融合，从而创造出栩栩如生的3D内耳模型，供外科医生练习之用。还可以借此对病