机器人传感及临场感技术

14.4　机器人传感及临场感技术

14.4.1　机器人传感器的功能、分类和特点

机器人传感器是一类具有特定用途的仿生传感器，它的作用是使机器人可像人一样具有理解环境，掌握外界情况，并作出决策以适应外界环境变化而进行工作的能力。

表14-3　机器人传感器的分类、功能和应用目的

从生理学的观点来看，人的感觉可分为外部感觉和内部感觉。前者包括视觉、听觉、嗅觉、味觉和皮肤感觉；后者包括本体感觉和脏腑感觉。本体感觉有力感觉、位置感觉、运动感觉和振动感觉；脏腑感觉有痛压觉、化学感觉、压力感觉、温度感觉和渗透压感觉。

类似的，机器人传感器一般也可分为外部传感器和内部传感器两大类。机器人外部传感器又可分为视觉和非视觉两类。表14-3给出了机器人传感器的分类、功能和应用目的。

图14-20是一个安装有多种机器人传感器的机器人手腕控制系统，这是一个典型的智能型机械手。

与一般传感器相比，机器人传感器的特点在于:

（1）具有和人的五官对应的功能，因此，种类众多，高度集成化和综合化。

（2）各种传感器之间联系密切，信息融合技术是多种传感器之间协同工作的基础。

（3）传感器和信息处理之间联系密切，实际上传感器包括信息获取和处理两部分。

（4）传感器不仅要求体积小、易于安装，而且对敏感材料的柔性和功能有特定的要求。

由于机器人视觉传感器本质上就是可安装在机器人上的图像传感器，而有关图像传感器的知识，在本书第8章中已有详细介绍，因此本节只介绍机器人非视觉传感器。

图14-20　机器人传感器的应用（智能型机械手系统）

14.4.2　机器人力觉传感器

1.力觉传感器的作用和分类

机器人力觉感知是机器人完成接触性作业任务（如抓取、研磨、装配等）的保障。力觉传感器的主要作用是通过检测接触力来控制装配、研磨、抛光等接触性作业的质量；为装配提供信息，产生后续的修正补偿运动，以保证装配质量和速度；防止碰撞和卡死，以保证安全。

根据测量部位的不同，机器人力传感器可分为关节力传感器、腕力传感器、握力传感器、和基座力传感器等。以下主要介绍机器人六维腕力传感器，这是一种最重要和典型的机器人力觉传感器。

2.机器人六维腕力传感器

腕力传感器是一个两端分别与机器人腕部和手爪相连接的力觉传感器。当机械手夹住工件进行操作时，通过腕力传感器可以输出六维（三维力和三维力矩）分量反馈给机器人控制系统，以控制或调节机械手的运动，完成所要求的作业。国内最典型的产品是由中科院合肥智能所和东南大学在国家863高技术计划资助下完成的SAFMS型系列六维腕力传感器。

（1）六维腕力传感器弹性体的结构及其测量原理

六维腕力传感器的敏感元件大都为整体轮辐式十字梁结构的弹性体，如图14-21所示，十字交叉梁可分为4个正方棱柱形，主梁1、2、3、4，其长度是宽度或厚度的5～10倍。在每个主梁和轮缘的联结处是一个薄板状的浮动梁5、6、7、8。

图14-21　六维腕力传感器弹性体结构

在进行弹性体结构的力学分析时，认为各分力的作用线都通过轮毂的中心点，并认为弹性体的轮毂和轮辐为理想刚体，对于浮动梁而言，当作用力作用其表面的垂直方向上时，浮动梁在该方向上的变形量很大，故可看作为柔性环节；当作用力作用于其表面的水平或平行方向上时，浮动梁在该方向上变形量很小，故可看作为理想的刚体。例如:当x方向的力通过轮毂的中心点作用于弹性体时，浮动梁5、7可看作为柔性环节，而浮动梁6、8可看作为理想的刚体。主梁2、4则可简化为悬臂梁结构进行分析（主梁1、3此时的变化量很小，可忽略不计）。

设作用在腕力传感器上沿x、y，z轴的力F_x、F_y、F_z和力矩M_x、M_y、M_z，其中F_x、F_y和Mz的受力分析情况相似，它们都是引起贴在主梁左右或上下侧面的应变片变形，而M_x、M_y和F_z的受力分析情况也相似，它们都是引起贴在主梁前、后侧面的应变片变形。因此，我们以F_x和M_x为例来分析受力情况。在图14-21中当沿x轴有F_x力作用时，主梁1、3产生拉压变形，而主梁2、4产生弯曲变形，由于浮动梁5、7此时为柔性环节，主梁2、4可看成是悬臂梁，这样F_x就可由贴在主梁2、4的左右侧面的应变片组成的电桥测得。同理F_y和M_z也可类似测得。在图14-22当中有M_x作用时，浮动梁6、8受到平行于表面方向的作用力，故可看作为理想的刚体；而主梁1、3产生扭转变形，主梁2、4产生弯曲变形。主梁1、3的扭转变形量远小于主梁2、4产生的弯曲变形量，故可以忽略，但此时浮动梁5、7的弯曲变形与主梁2、4的弯曲变形差不多，主梁2、4已不能看成是悬臂梁，即M_x不能直接测得，需要经过解耦才能得到。

图14-22　电阻应变电桥

（2）六维腕力传感器的组桥电路

每个弹性体主梁上贴有8个应变片，四个主梁上共有32个应变片，这32个应变片一般可组成6个电桥，每个电桥对应一个输出分量，见图14-22所示，其中E为桥路供电电压，R′₁～R′₁₂为平衡桥路的微调电阻，在分析电路时可忽略它们的影响。

当传感器受到F_x、F_y、F_z和M_x、M_y、M_z的作用后，应变片的零位阻值R₀将发生变化，6个电桥将产生分别对应于上述6个力/力矩的6个电压信号输出。

值得指出的是，上述输出的6个电压信号存在着一定的维间干扰误差。在实际应用中，腕力传感器必须经过维间解耦才能得到准确的六维分量输出。

14.4.3　机器人广义触觉传感器

1.机器人触觉传感器的功能和分类

从广义上说，机器人触觉包括接触觉、压觉、力觉、滑动觉、接近觉、冷热觉等与接触有关的感觉。从狭义上说，机器人的触觉是指接触觉和压觉，即垂直于机器人夹持器或执行器（如手爪等）和对象物接触面上的力感觉。

机器人的触觉传感器主要有两个方面的功能:

（1）检测功能　对机械手与操作对象的接触状态进行检测，如接触与否、接触部位、接触力的大小、接触面上压力的分布等，对操作对象的物理性质进行检测，如光滑性、硬度、纹理特性等；对操作对象的状态进行检测，如对象物存在与否、对象物的形状、位置和姿态等。

（2）识别功能　在检测的基础上，对操作对象的形状、大小、刚度等特性进行特征提取，从而对操作对象进行分类和目标识别。

触觉传感器从功能上，可分为点式触觉传感器、阵列式触觉传感器和触觉图像传感器；从输出信号的量化水平上，可分为二值型触觉传感器和灰度型触觉传感器。

2.机器人接触觉传感器

接触觉传感器主要由以下三个部分组成:触觉表面、转换介质、控制和接口电路。触觉表面由多个敏感单元按一定的方式排列配置而成，与对象物直接接触；转换介质由敏感材料或机构组成，它将触觉表面传递来的力或位置偏移转换为可检测的电信号；控制和接口电路按一定的方式和次序收集转换介质输出的电信号，并将它们传送给处理装置进行解释。

下面介绍一种典型的硅电容式触觉传感器。

硅电容式触觉传感器着重感受触觉表面上所受到的压力大小和对象物的形状，再通过进一步处理输出信号，最终可识别对象物。硅电容式触觉传感器采用由半导体电容敏感单元组成的阵列型结构，由于形状信息是将对象物对触觉表面的压力转换处理后得到的，所以这种传感器实际上同时体现了“接触觉”和“压觉”这两种功能。

（1）敏感层　在触觉传感器中，半导体压阻式和半导体电容式常用于敏感层的设计。压阻器件与电容器件相比有较高的线性度和简单的封装。但是对于同样的器件尺寸，电容压力传感器的压力灵敏度大约要高一个数量级，而温度灵敏度则要小一个数量级。

硅电容压觉传感器采用大规模集成电路工艺制成。它具有分辨率高，稳定性好，以及接口电路简单，测量范围较宽等优点。

图14-23为硅电容触觉传感器阵列结构示意图。基本电容单元的两极构成如下:在局部蚀刻的硅薄膜上有电容单元的一块金属化极板，二氧化硅用来将硅薄膜上的金属电容极板与硅薄膜绝缘，与之对应的玻璃衬底上有另一块金属化极板。硅膜片随作用力而向下弯曲变形，从而导致电容容量的改变。采用静电作用把整个硅片封贴在玻璃衬底上，硅薄膜上的电容极板通过行导线一行行连接起来，行与行之间是绝缘的。在图中，行导线在槽里自左而右平行地穿过硅片。玻璃衬底上的金属电容极板通过列导线一列列连接起来，金属列导线垂直地分布在硅膜片槽上，它同金属电容极板是一个相连的整体。这样就形成了一个简单的X—Y电容阵列，它的灵敏度由极板尺寸和硅膜片厚度决定。

图14-23　硅电容式触觉传感器

（a）4个触觉敏感元；（b）剖视图

阵列上覆有带孔的保护盖板，盖板上有一块带孔的、表面覆有外表皮的垫片，垫片上开有沟槽以减少相邻触觉敏感点之间的作用力耦合（即相互干扰）。盖板孔和垫片孔连通，在通孔中填满了传递力的物质（例如硅橡胶）。垫片对整个阵列的性能影响很小。决定力灵敏度的是硅膜片，它的性能可通过工艺加以改善。这种灵敏层对于各种应用都易于标定，而且滞后很小，时间稳定性高。

（2）读出系统　图14-24为硅电容触觉传感器阵列的接口电路和控制电路框图。计数器分别发出行和列的地址信号，并送至译码器和多路转换器。这些地址与从A/D转换来的压力数据同时送给微处理器。行地址选中一行，在读操作后，来自选中行的各单元信号同时经对应的列检测放大器放大。这些放大器采用电容构成负反馈回路，而放大器输出信号以并行方式送给多路转换器。图像中各敏感元件的信号通过扫描按一定的顺序以A/D变换后，由微处理器采集，并进行零位偏移补偿和灵敏度不均匀性补偿。

读出放大器必须能检测电容量的微小变化。图14-25给出了列读出方案的基本结构。设传感器电容为C_x，基准电容为C_R，放大器反馈电容为C_F，调制交流电压峰值为V_P，则放大器输出电压V_o为:

图中寄生电容C_ps约等于（N-1）C_x，N是每列中敏感单元数，C_ps是所有未选中单元的电容量之和。由于该电路利用了运算放大器虚地工作原理，使C_ps的数值对读出基本上没有影响。

图14-24　传感阵列电路原理

图14-25　读出电路

3.机器人滑觉传感器

为了防止被抓取的对象物从机器人手爪中滑落，机器人滑觉传感器是必不可少的。滑觉传感器一般通过检测手爪和对象物之间产生滑移时的相对变位来检测作用于同手爪平行方向的力，从而获得滑动信息。

图14-26　滚球式滑觉传感器

图14-26是滚球式滑觉传感器。小球可在任意方向旋转，小球的表面是导体和绝缘体配置成的网眼。当对象物滑动时，带动小球滚动，则在两个接点之间输出连续的脉冲电压信号。该滑觉传感器获取的信号通过记数电路和D/A变换器转换成模拟电压信号，可加在握持力控制系统的目标信号上，增加握持力达到消除滑动的目的。

图14-27　触须传感器

4.机器人接近觉传感器

机器人在实际工作过程中，往往需要感知正在接近、即将接触的物体，以便作出降速、回避、跟踪等反应。接近觉传感器就是机器人（或机械手）在几毫米至几十毫米距离内检测物体对象的传感器。

接近觉传感器分为接触式和非接触式两类。接触式接近觉传感器同触觉传感器较为相近，常用的接触式接近觉传感器为触须传感器。常用的非接触式接近觉传感器有电容式、电磁感应式、超声波式和光电式等类型的接近觉传感器。下面介绍一种触须传感器的工作原理。

触须传感器的原理巧妙、简单。图14-27是简易的触须传感器，当金属触须同对象物接触时，触须发生弯曲，其穿过铜板小孔的部分由于弯曲而同小孔边缘接触，从而接通电路，输出低电平信号。常用形状记忆合金制成触须，这种合金承受大的弯曲后不产生永久性变形，可以有效地保证触须传感器的长期正常工作。触须传感器可装在机器人某些表面上，以便机器人避免碰撞。触须也可安装在移动机器人的足底部，在足向前移动的整个过程中，触须都能敏感障碍物，故可提起足，以便越过障碍物。

14.4.4　机器人临场感技术

1.临场感的概念和系统组成

智能机器人研究的现状表明:要研制出能在未知或复杂环境下全自主方式工作的智能机器人，是目前乃至今后相当长的时间内难以达到的目标。20世纪90年代初，随着传感技术和计算机技术的迅速发展，工作在人机交互方式下的遥操作机器人开始得到广泛重视和研究。

交互技术包括人与机器人的交互和机器人与环境的交互。前者的意义在于可由人去实现机器人在未知或非确定性环境中难以做到的规划和决策，而后者的意义在于可用机器人去实现人所不能达到的恶劣环境（空间、深海、辐射、高温等）下的作业。临场感（Telepresence）是人-机器人-环境交互的核心。

所谓临场感就是指一方面通过各种传感器（如数据手套、数据衣、头盔显示器等）将操作者身体、四肢、头部和眼球等的位置和运动信息实时检测并作为控制指令送到远地机器人控制器中，另一方面通过各种机器人传感器将机器人和环境的交互信息（包括视觉、听觉、触觉等信息）实时地检测并以自然和真实的方式直接反馈给操作者的感觉器官，使操作者产生身临其境的感受，从而实现对机器人带感觉的控制。

临场感机器人系统一般由操作者、头盔显示器及数据手套和外骨架装置（主机器人）、计算机、从机器人和环境组成，如图14-28所示。

图14-28　临场感遥控作业系统的组成

视觉临场感和力觉临场感是临场感技术的主要形式。触觉临场感可以看作是广义力觉临场感的一种特殊方式。

2.视觉临场感技术

图14-29为日本机器人专家Tachi研制开发的视觉临场感系统。头盔显示器上连接着角度传感器，用于测量操作者头部的左右转动，远地转盘上安装两个MOS电视摄像机作为机器人视觉传感器，转盘根据角度传感器的信号而跟随人头部做转动。电视摄像机物镜的焦距和会聚角根据观测物的位置而自动调节。摄像机的视频信号显示在头盔显示器的双CRT显示屏上。同时，双显示屏目镜的焦距和会聚角随电视摄像机而变。这样人的两眼视野有很大部分重叠，这不但补偿了单眼视觉的部分盲区，扩大了平面视野，而且增加了深度感，产生了立体视觉。

两眼视物时，两侧视网膜各形成一个完整的物像，它们按各自的视神经通道传向中枢，再经大脑中枢综合处理后，形成一个立体物像的感觉。两眼视物产生一个立体视觉形象的条件是:由物体同一部分来的光线，应成像在双眼视网膜的相称点上（如两眼的黄斑就为相称点）。由于不同的人的眼距是不一样的，因此头盔显示器双显示屏目镜的间距可用螺钉来调节，以满足一个立体视觉形象的条件。

图14-29　视觉临场感系统

3.力觉临场感技术

人手跟踪器是实现力觉临场感的主要方式。目前典型的人手跟踪器有:Immersion公司的数据手套（Data Glove）、Exos公司的灵巧主手（Dexterous Hand Master，DHM）。

Data Glove用光纤传感器测量手指的弯曲。手指的弯曲引起光纤的弯曲，光能量发生损失，光电探测器接收到的光强变小。由于光纤传感器输出的非线性误差随着手指关节角度的增大而增加，故Data Glove测量关节转角的范围一般不大。人手空间的姿态则由三维磁场传感器检测，其测距精度为1%，测角精度0.5°，测量范围为半径1m。

图14-30　DHM的外骨架结构

DHM使用了复杂的外骨架结构，使用时将其固定在手指各关节之间（如图14-30所示）。软带和衬垫把联杆机构固定在指关节的中点，每个关节上的联杆机构装有小巧的磁霍尔传感器检测手关节的运动。该跟踪器的设计精度为0.1°，使用精度为0.5°，其测量人手空间姿态的方法与Data Glove相同。

必须指出，作为实现力觉临场感的硬件设备，不仅要测量人手的位置，更重要的是要把远地机器人手部感知的力信号反馈作用于人手。Exos公司研制了DHM的后继装置Grip Master，它在数据手套的拇指、食指和中指上装上微型气缸，用气泵向气缸内实时送入空气；当机械手碰到物体时，通过控制气缸内的气压使手指受力来产生力觉临场感的效果。Utah大学也在Data Glove上安装了液压的力觉作用装置，控制液压的大小来改变对人手指的作用力大小。

图14-31为东南大学研制的7自由度力觉临场感机器人系统。它由主机械手、从机械手、计算机控制和通讯环节组成。主从机械手具有相同的机械结构。主机械手由机械臂和外骨架式的手套机构组成。机械臂具有3个旋转自由度，手套机构具有4个旋转自由度，它由两个双关节型的指套组成，每个指套的顶端安装有基于脉冲电流刺激的触觉再现装置。机械臂和指套的每个关节安装有位置和力传感器以及直流力矩电机。从机械手由3自由度的机械臂和4自由度的手爪组成，每个手爪的顶端安装有8×8阵列式触觉传感器。机械臂和指套的每个关节安装有位置和力传感器以及直流伺服电机。

图14-31　7自由度主从式力觉临场感系统

在操作过程中，主机械手的外骨架式手套机构穿戴在操作者的手部，操作者的前臂带动主机械手运动，主机械手上的位置传感器检测主机械手各个关节的角位置，并通过计算机通讯环节传递到从机械手处，然后通过一定的控制算法保证从机械手完全跟踪主机械手的运动，也就是从机械手跟随人手和手臂的运动。当从机械手手爪抓取目标时，从机械手手爪上安装的触觉和力觉传感器分别检测手爪与目标物接触的部位和接触力的大小，手臂上六维腕力传感器则检测出手腕处受到的各个分力及力矩的大小，并通过计算机通讯环节反馈到主机械手处。然后通过一定的控制算法控制触觉再现装置对人手部产生触觉作用，控制直流力矩电机对人手部和手臂关节产生力的作用，这样人手就能身临其境地感受到远地从机械手与环境的相互作用情况，产生力觉临场感的效果。