机器人感知智能 课件 第4章 机器人接近觉感知

机器人感知智能第四章机器人接近觉感知4.1机器人接近觉感知的介绍4.1.1接近觉感知的定义及功能随着科学技术的发展，机器人的发展逐渐呈现智能化，这要求覆盖在机器人表面的大面积、多功能传感系统能够完美地实现交互过程中各类信息的量化。在日常生活中，接近觉感知传感器最常见的使用场景就是各个场所的自动感应装置。图4.1日常生活中接近觉感知传感器的常见使用场景常见的接近觉感知传感器光电式接近觉感知传感器光电式接近觉感知传感器种类多、用途广，能检测直径小至1mm或距离大至几米的目标，有测速度快、抗干扰能力强、测量点小、适用范围广等优点。电容式接近觉感知传感器电容式接近觉感知传感器可以检测粉末、颗粒、液体和固体形式的金属和非金属目标。电感式接近觉感知传感器电感式接近觉感知传感器由四个主要部分组成：带线圈的铁氧体磁芯，一个振荡器，一个施密特触发器和一个输出放大器。超声波式接近觉感知传感器超声波接近觉感知传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器，超声波在碰到杂质或者是处于分界面的时候能产生显著的反射形成回波，当碰到运动的物体时会产生多普勒效应。4.1机器人接近觉感知的介绍4.1.2接近觉感知传感器的发展自1916年法国朗之万发明了世界上第一部超声波传感器到现在，超声波传感器己经完成从简单的借助回声定位到能够分析处理复杂信号的转变，其测量精度和可靠性都非常的高。超声波传感器自身的缺陷，如：镜面反射、有限的波束角

交叉相关联和正弦发生器技术应用在超声波测距系统中，将超声测距系统的分辨率进一步的提高，将超声波测距技术继续向前推进。图4.12超声系统装置的示意图4.1机器人接近觉感知的介绍4.1.2接近觉感知传感器的发展在实际应用中，电容式接近觉感知传感器具有对光线、噪音、待测物的颜色、表面纹理等不敏感、检测范围较大等优点，这使得电容式接近觉感知传感器机器人的实际操作场景下具有极大的稳定性。单一性能的传感器不能满足高性能机器人的需求，兼备触觉和接近觉感知能力的电容-电感双模式接近觉感知传感器应运而生图4.13兼具触觉与接近觉感知的传感器4.1机器人接近觉感知的介绍4.1.2接近觉感知传感器的发展随着制作工艺的提高，现有工艺可以满足更精细的加工需求。因此，采用MEMS工艺制作加工的垂直结构的双模式电容电感接近式传感器逐渐被使用。为了让具备电容式接近传感器的服务型机器人安全完成与人交互的任务，需要提高传感器的柔性。柔性的器件能够在发生碰撞时，产生减震缓冲，提高安全性，还能够在曲面、被拉伸等苛刻环境中正常工作。图4.14垂直结构的电容图4.15丝网印刷多功能传感器4.1机器人接近觉感知的介绍4.1.3接近觉感知传感器的现状在过去的几十年里，接近觉感知传感器的发展并不如力觉传感器、视觉传感器乐观，除了发展缓慢外，目前还存在一些有待于解决的问题，如光电式容易受到对象物颜色、粗糙度和环境亮度的限制。我国开展机器人接近觉感知传感器的研究时间并不长，在研究水平上与国外相比，还有一段差距。因此，我国接近觉传感器重点应放在提高现有传感器的性能稳定性、可靠性上，并将成本降低到可接受的程度。在此基础上，要进一步提高传感器的其他性能，如探测精度等，并进一步增加传感器的功能。在今后的两到三年内，随着人工智能机器人的快速发展，市场对于接近觉感知传感器的需求将达到一个新的高度。4.1机器人接近觉感知的介绍4.2.1概述和系统组成接近觉感知传感器的主要优点是无接触，而由于所有的物质都会在温度的作用下将内能转化为电磁波向外辐射能量。所以为了实现电磁波的无接触测量，红外检测传感器应运而生。红外检测技术借助红外线对温度的敏感性，实现对目标物无接触检测，成为接近觉传感器的重要分类，被广泛应用于距离测试、温度测试、气体检测、生物监测等方面。4.2红外传感器4.2.1概述和系统组成普朗克定律说明温度、能量和波长三者之间存在对应关系，红外总能量与温度呈正相关，峰值波长与温度呈负相关。它给出辐射场能量密度按频率的分布，式中T是热力学温度,k是玻耳兹曼常数。普朗克公式在高频范围hvkT的极限条件下，过渡到维恩公式4.2红外传感器4.2.1概述和系统组成在现代社会中，远距离实现目标物的检测是发展热点辐射计：主要用于检测微波辐射和光谱测量。微波辐射检测通常用于雷达和卫星通信等领域，而光谱测量则常用于化学和环境监测等领域。搜索和跟踪系统：主要用于跟踪目标并确定其位置，能够持续跟踪目标运动轨迹。热成像系统：主要用于获取目标物红外辐射的分布图像。这种传感器能够在夜间或低光照条件下检测目标物体表面的温度分布。红外测距和通信系统：主要用于无接触测距和实时通信。这种传感器可以通过红外辐射来测量距离，并能够实现短距离通信。混合系统：这种传感器结合了多种不同的传感器技术，能够实现更加复杂和精确的检测任务。图4.16红外检测传感器4.2红外传感器4.2.2传感器原理1.检测基本原理红外光作为太阳光谱的一部分其具有光热效应和辐射能量，相比于其他的光谱范围，由于大气无法吸收固定波长的红外线，所以物体的红外辐射能量产生的损耗小。所有的物体包括冰在内，均具有辐射能量，当红外光穿过介质时光能量会产生衰减，其中由于金属的固有材料损耗，使得其传播衰减很大，在液体中也存在对红外辐射吸收较大的情况。不同介质对红外辐射的吸收程度不同，而在外界环境中，大气层也对不同波长的红外光产生不同的吸收带。在现实生活中的任何物体，只要其温度在绝对零度以上，都会产生红外辐射，区别在于辐射的强度以及辐射的方式，这与介质和物体表面的粗糙程度有关。4.2红外传感器4.2.2传感器原理2.红外探测器红外探测器本质上就是指将不同的光热效应转化为电信号实现检测的装置，是整个红外测试系统的核心，其余为辅助电路。红外探测器按照检测机理可分为光电探测器和热电探测器。光电探测器主要利用的是光电效应和光电磁效应热电探测器主要利用的是热辐射效应，探测敏感元件将辐射转化为热能，表现为温度升高，探测器将其转化为可处理的信号（大部分为电信号）。4.2红外传感器4.2.3功能与目前研究实现1.温度检测温度检测在生产生活中具有十分重要的作用，从大型设备保持正常运转到农作物的正常生长以及人类生活的适宜程度都与温度息息相关。国外卫星热红外传感器国内卫星热红外传感器图4.17

AVHRR

传感器4.2红外传感器4.2.3功能与目前研究实现2.故障检测红外无损缺陷检测是利用红外辐射对材料的透过、反射、散射特性进行缺陷检测的一种方法。其机理是利用红外辐射在材料表面与内部缺陷之间的不同反射和透过特性来检测缺陷的存在和位置。当红外辐射照射到材料表面时，会红外辐射在材料表面和内部缺陷之间发生反射、透射和散射。通过检测这些反射、透射和散射的红外辐射，可以判断材料内部的缺陷情况，例如裂纹、气泡、缺陷等。图4.18卷扬机的可见光图与红外热像图4.2红外传感器4.2.3功能与目前研究实现图4.19两种红外无损检测方法4.2红外传感器2.故障检测有源红外检测法又称主动红外检测其存在外部热源，通过外部热源向待测物体发射能量，待测物体中原本的热平衡被打破，出现热流的变化，而在经过内部缺陷时，这种热流的变化会出现异常，表面温度分布区发生变化。4.2.3功能与目前研究实现图4.19两种红外无损检测方法4.2红外传感器2.故障检测无源红外检测法不附加热源对待测物体进行能量注入，仅仅依靠物体本身中的热流动异常进行检测。红外检测方法最早应用在大型仪器设备的电力行业中，近年来，随着技术的发展和进步，开始广泛应用于其他行业例如建筑业、轧钢、冶炼等等。4.2.3功能与目前研究实现3.气体检测红外成像技术能够实现危险气体的远距离非接触探测，具有灵敏度高、响应时间短、检测范围大等优点且成像动态直观，能够实现危险气体泄漏的在线实时监控，故被广泛应用于气体储运、油矿开采、工业制造等领域。红外检测传感器可以实现无接触气体检测，其中一种方式是利用红外吸收光谱技术。其具体实现方式如下：发射红外辐射：将发射器发出的红外辐射照射到被测气体中。气体吸收红外辐射：被测气体中的分子会吸收部分红外辐射，吸收量与气体浓度成正比。接收红外辐射：利用接收器接收被测气体吸收后的红外辐射。分析处理：分析接收到的红外辐射，计算出被测气体的浓度。4.2红外传感器4.2.3功能与目前研究实现3.气体检测这种无接触气体检测方式具有以下几个特点：非接触式测量，避免了接触式测量可能带来的污染和损伤等问题。可以实现实时测量，能够及时监测被测气体的浓度变化。精度高，可以检测到非常小的气体浓度变化。图4.20非分光型红外气体传感器检测原理示意图4.2红外传感器4.2.3功能与目前研究实现3.气体检测AdilShah等人提出一种NDIR甲烷气体传感器。该传感器被应用于向大气中排放甲烷气体的测试点。2019年，意大利的VincenzoSpagnolo和山西大学的董磊课题组开发了一种多通道石英光声光谱传感器，可同时检测近红外和中红外波段。光腔衰荡光谱（CRDS）技术是一种基于光腔衰荡现象的红外传感器技术，用于气体检测。图4.21NIDR传感器及无人机系统图4.22多气体QEPAS传感器图4.23基于CRDS原理的气体传感器的检测原理4.2红外传感器4.2.3功能与目前研究实现4.生物监测人体动作识别指的是对目标的动作方式进行识别。从人体散发的红外热辐射信号上寻找与人体运动和位置相关的隐含信息的方法被提出。基于PassiveInfrared（PIR）传感器的室内定位PIR（被动式红外检测技术”或“热释电传感器技术）是指通过感应人体的红外辐射来实现人体检测和控制的技术。PIR传感器可以感应静态或移动的热源，例如人体、动物、车辆等，通过检测其辐射的红外能量来判断其是否存在。基于PIR传感器的室内人体动作识别PIR传感器除了能检测到某区域的人体目标，还可以发现人体在检测区域中的运动特征信息，包括动作频率、幅度和姿态等多种信息。4.2红外传感器4.3.1概述和系统组成微波是一种电磁波，具有易于集聚成束、高度定向性以及直线传播的特性，可用来在无阻挡的视线自由空间传输高频信号。微波作为一种电磁波具有波粒二象性。微波相对于波长较长的电磁波具有下列特点：①定向辐射的装置容易制造；②碰到各种障碍物易于反射；③绕射能力较差；④传输特性良好，传输过程中受烟、灰尘、强光等的影响很小；⑤介质对微波的吸收与介质的介电常数成正比例、水对微波的吸收作用最强。4.3微波传感器4.3.2微波特点微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。从电子学和物理学观点来看，微波这段电磁频谱具有不同于其他波段的重要特点：穿透性微波比其他用于辐射加热的电磁波，如红外线、远红外线等波长更长，因此具有更好的穿透性。选择性加热物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。热惯性小微波对介质材料是瞬时加热升温，升温速度快，消耗能量低。似光性微波波长很短，比地球上的一般物体（如飞机，舰船，汽车建筑物等）尺寸相对要小得多，或在同一量级上。使得微波的特点与几何光学相似，即所谓的似光性。4.3微波传感器4.3.3微波传感器原理1.微波传感器原理与分类微波传感器是利用微波特性来检测某些物理量，如物体的存在、运动速度、距离、浓度等信息。反射式：发生天线和接收天线位于检测物体的同一侧，反射式微波传感器通过检测微波信号从发出到接收到的时间间隔或者相位偏移来检测被测物体的位置、厚度和位移等参数。遮断式：发射天线和接受天线位于检测物体的两边，间断式微波传感器通过接收天线接收到的微波信号功率的大小，判断发射天线和接收天线之间是否有被测物体、被测物体的厚度和位置等参数信息。图4.25西门子微波物位计图4.26西门子智能雷达物位计工作原理:由微波发射器定向发出微波信号，遇到被测物体时，微波信号部分被检测物体吸收，部分则被反射，使微波功率发生变化。4.3微波传感器4.3.3微波传感器原理2.微波传感器组成与特点微波传感器通常由微波振荡器（微波发射器）、微波天线及微波检测器三部分组成。微波振荡器和微波天线是微波传感器的重要组成部分。微波振荡器是一种产生微波的装置。微波检测器：电磁波作为空间的微小电场变动而传播，所以使用电流-电压特性呈现非线性的电子元件作为探测它的敏感探头，敏感探头在其工作频率范围内必须有足够快的响应速度。作为非线性的电子元件，在几兆赫兹以下的频率通常可用半导体PN结，而对于频率比较高的可使用肖特基结。图4.27常用的微波天线4.3微波传感器4.3.4微波传感器的常见应用1.微波测距利用接收天线接收被测物反射回来的微波信号，检测其电磁参数，再由测量电路处理，就实现了微波检测。将微波发射器和微波接收器架设在相距为d的位置，当发射器发出移动功率的微波信号，该微波信号到接收器将有一部分功率损耗，微波接收天线接收到的微波功率大小即可换算出待测面和微波发射器的距离h，从而实现了微波测距。图4.28微波测距原理4.3微波传感器4.3.4微波传感器的常见应用1.微波测距雷达是微波最早的应用之一。多普勒和干涉测量雷达系统通常，多普勒雷达发出频率为f_t的单音无线电信号。当击中一个物体时，根据物体移动时的多普勒效应，相关的返回信号频率从发射频率偏移。调频连续波系统FMCW雷达能够确定系统与目标之间的绝对距离。发射信号的各种调制是可能的，发射频率能够作为正弦波、锯齿波、三角波或方波向上和向下倒转。图4.29用于位移监测的干涉测量操作图4.30FMCW操作用于距离检测4.3微波传感器4.3.4微波传感器的常见应用1.微波测距德国罗伯特-博世公司于2013年推出中程雷达，自2016年以来，该公司已向市场交付了超过1000万部毫米波雷达。德国大陆集团是全球最大的汽车零部件供应商之一。大陆集团的毫米波雷达产品涵盖24GHz和77GHz，以77GHz产品为主。森斯泰克是国内专业从事毫米波雷达和激光雷达智能传感器产品研发、生产和销售的高新技术企业。图4.31博世远程雷达传感器：LRR4图4.32德国大陆ARS411长距离毫米波雷达图4.33STA79-2近程雷达4.3微波传感器4.3.4微波传感器的常见应用1.微波测距德国ADC公司依据脉冲测距法制造出ASR1100毫米波雷达，NISSAN，Ford和Mercedes-Benz等汽车品牌公司积极研制了汽车主动避撞系统VCAS(VehicleCollisionAvoidanceSystem)和自适应巡航系统ACC(AdaptiveCruiseControl)。图4.34使用微波雷达对人行天桥及其运动进行成像4.3微波传感器4.3.4微波传感器的常见应用2.微波液位计液位是各种工业过程中的一个重要参数。液位测量方法很多，如：差压式、浮力式、磁翻转式、磁致伸缩式、射频电容式、超声波式等。微波液位计可分为天线式微波液位计和导波式微波液位计。通过天线来发射微波并接收回波，为非接触式测量，也称自由空间雷达(FreeSpaceRadar)，是微波液位计的主要形式。图4.35雷达液位计4.3微波传感器4.3.4微波传感器的常见应用3.微波探测仪微波探测仪会持续发射微波，并接收反射回的微波信号，根据时间差就可以求出物体的运动速度与位移。当探测区内的目标移动时，原发射信号与反射的信号之间会有频率差异，即触发报警，通常称为多普勒效应。图4.36微波探测仪4.3微波传感器4.3.4微波传感器的常见应用4.微波无损检测系统微波无损检测技术始于20世纪60年代，现在微波无损检测技术已经在大多数复合材料和非金属内部的缺陷检测和和各种非电量测量等方面获得了广泛的应用。微波无损检测主要有穿透法、反射法、干涉法、散射法、全息法以及CT法等。穿透法：将发射和接收天线分别放在试件的两边，通过检测接收的微波波束相位或幅值的变化，可得到被检测量的情况。反射法：发射法是指利用被检试件表面和内部所反射的微波对试件进行检测的方法。散射法：散射法是通过测试回波强度变化来确定散射特性。微波全息技术：微波干涉法与光导全息照相技术结合可以形成微波全息技术。图4.37微波检测缺陷示意图4.3微波传感器4.4.1概述和系统组成1.概述激光技术的研究可以追溯到20世纪初，经过近百年的发展，激光传感技术进展飞速，已与多个学科相结合，形成新的交叉学科，如光电子学、信息光学、激光光谱学、非线性光学、超快激光学、量子光学、光纤光学、导波光学、激光医学、激光生物学、激光化学等。激光与普通光源相比具有以下特性：①相干性好；②方向性强；③单色性好。4.4激光传感器4.4.1概述和系统组成2.系统组成激光传感器是新型测量仪表，具有接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等优点。（1）激光器作为产生激光的装置，是激光传感器的核心部件，最基本的组成是泵浦源、谐振腔和激光工作介质。（2）激光检测器是利用激光扫描检测原理而研制的设备，它主要由光学机械扫描器和扫描光学系统组成的激光扫描发射器，由接收光学系统和光电转换电子学系统构成的激光扫描接收器，以单片机为核心的实时控制与数据处理系统构成的控制器以及半导体激光电源组成。（3）测量电路：一般来说，传感器由敏感元件和转化元件组成。但转化元件输出的电量常常难以直接进行显示，记录，处理和控制。这时就需要将其进一步变化成可直接利用的电信号，而传感器中完成这一功能的部分称为测量电路。图4.38激光器主要部件示意图4.4激光传感器4.4.2传感器原理1.激光基本原理当原子处于激发态E2时，如果有能量光子射来，在入射光子的影响下，原子会发出一个同样的光子而跃迁到低能级E1上去，这种辐射叫做受激辐射。其中，入射光子需要满足以下条件：受激辐射过程能够实现相同状态（频率、相位、振动方向及传播方向均相同）的光子数目的几何级数递增，引起光放大。为解决受激辐射与受激吸收间的矛盾，保证受激辐射占绝对优势，需要利用光学谐振腔来实现光的自激振荡，即激光振荡。图4.39光学谐振腔示意图4.4激光传感器4.4.2传感器原理2.传感器工作原理

激光传感器工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。图4.40激光测距传感器示意图4.4激光传感器4.4.3相关应用及研究现状1.激光测距激光测距技术是激光应用领域中最早和最成熟的技术之一，激光自诞生以来，由于它具有普通光源无法比拟的优良的方向性、高亮度等优点，很快就被用于目标距离的探测。同时，因激光具有非接触、测量精度高、作用距离远的特点，被广泛应用于军事、民用和工业等众多领域。图4.41激光测距望远镜4.4激光传感器4.4.3相关应用及研究现状1.激光测距脉冲式激光测距技术脉冲激光测距通过激光脉冲信号进行测距。因为激光脉冲时间短，所以能够选择瞬时功率特别高的激光器发射能量集中的脉冲激光，所以脉冲激光测距具有良好的方向性和较强的抗干扰能力。图4.42脉冲式激光测距原理图4.4激光传感器4.4.3相关应用及研究现状1.激光测距相位式激光测距技术相位激光测距同样是目前比较常用的一种激光测距技术，原理是利用一定的调制频率对激光进行光强正弦调制，并测量调制光束在测量端和被测端之间往返一次产生的相位差，再根据激光的调制波长换算出这一相位差所代表的距离。图4.43相位激光测距原理图4.4激光传感器4.4.3相关应用及研究现状1.激光测距随着激光技术的发展，激光传感器逐渐普及向工业和民用领域，国外的代表性企业有：美国Bushnell公司在1996年成功研制的400型LD激光测距机，测量距离可达400m，后续又研发了BUSHNELLPinSeeker1500型激光测距仪。美国图雅得Trueyard是世界领先的测量系统与设备的开发生产和销售商。激光测距望远镜产品是图雅得集团10大重要产品之一，图雅得激光测距望远镜在业界以高品质、高精度、易操作而著称，特别是SP600H测高测角测距三合一测距望远镜。国内的科研院所和高校在激光测距领域取得了重大的研究成果，国内相关企业也在激光测距技术领域取得重大突破，并且产出多款性能优秀的便携式、小型化测距产品。深达威公司推出的手持激光测距仪SW-600A，其测量范围在3m~600m，更换高倍光学镜头后，其量程最大可达1500m，该类激光测距仪通常被用于电力检修、建筑测量、地质勘探等领域。4.4激光传感器4.4.3相关应用及研究现状2.激光测振

激光多普勒测振仪是利用激光多普勒效应对物体振动进行测量的一种测量仪器，与传统的加速度计等传感器相比具有可以远距离测量，非侵入性，空间分辨率高，测量时间短，响应频带宽，速度分辨率高等优点。其物理原理在于从运动物体反射回来的反射光会带有运动着的物体本身的振动特性，即多普勒频移。激光多普勒测振原理就是基于测量从物体表面微小区域反射回的相干激光光波的多普勒频率，进而可以确定该测点的振动速度，公式为：4.4激光传感器4.4.3相关应用及研究现状2.激光测振基于上述光学基本理论，激光多普勒测振仪的典型光路如图所示。激光多普勒测振仪自研发后逐渐成为传统接触式振动传感器的有效替代品，被广泛应用于农业和结构健康监测等领域。图4.49激光多普勒测振仪测振光路图4.4激光传感器4.4.3相关应用及研究现状2.激光测振在农业的应用：农产品质量评价是种植者、经销商和消费者都十分重视的一个问题。而在水果的运输、储存和销售过程中，根据质量对其进行分类是很重要的。近年来，国内外已有许多研究人员采用激光多普勒测振仪检测水果的品质。图4.50基于激光多普勒测振仪的硬度检测实验系统图4.4激光传感器4.4.3相关应用及研究现状2.激光测振在结构监测的应用：结构健康和施工安全是土木工程中的重要问题，与人民的安全密切相关，更换基础设施或部分结构是昂贵的，因此工程师们开发了各种监测技术，以确保这些结构的安全和结构完整性，并减少事故造成的经济和生命损失。图4.51测量系统4.4激光传感器4.4.3相关应用及研究现状3.激光雷达激光雷达（Lidar）是传统雷达与激光技术相结合的产物。以微波雷达原理为基础，将激光束作为新的探测信号，充分发挥了激光亮度高，具有良好的方向性、单色性和相干性的特点，使激光雷达具备了频率快、峰值功率高、波长范围广、体积小等技术优势。4.4激光传感器图4.52激光雷达分类4.4.3相关应用及研究现状3.激光雷达自动驾驶方面的应用：车辆自动驾驶技术融合了人工智能系统、传感器、汽车电子系统、网络计算机等多种技术，是目前汽车技术革命中最为热点的研究问题，处于科技最前沿。从低端汽车到高端汽车，都配备了激光雷达，多家企业为自动驾驶车辆开发了独特的激光雷达系统。大气检测方面的应用：激光雷达作为一种先进的大气和气象环境监测仪器，已经在大气探测和气象监测中广泛应用于大气温度、湿度、风速、能见度、云层高度、城市上空污染物浓度等测量。4.4激光传感器4.5.1智能化1.集成化随着微电子工艺和大规模集成电路的发展，集成式微型智能传感器成为世界范围内热点的研究课题，具有巨大的潜在价值和广阔的应用市场，接近觉传感器也不例外。利用集成技术，可以在一个传感器上，使用多种原理实现对障碍物的感知，大大增强接近觉传感器的精度和可靠性，并且集成化传感器具有高信噪比、高性能和信号统一等优点。图4.53TMD2636评估套件4.5机器人接近觉感知的未来发展趋势4.5.1智能化2.微功耗和无源化随着低功耗超大规模集成电路（VLSI）设计技术的发展，现利用先进电源管理技术可将微型传感器及低功耗数字信号处理器的功耗控制到极低。微功耗使得收集周围环境能量为微型传感器及其他电子器件供电（即自供能技术）成为可能。图4.54MT3101接近觉传感器4.5机器人接近觉感知的未来发展趋势4.5.2网络化1.人机交互

人机交互是一门研究系统与用户之间的交互关系的学问，指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话的技术。系统可以是各种各样的机器，也可以是计算机化的系统和软件。

人机交互界面通常是指用户可见的部分，用户通过人机交互界面与系统交流，并进行操作。小如收音机的播放按键，大到飞机上的仪表板，或发电厂的控制室。4.5机器人接近觉感知的未来发展趋势4.5.2网络化2.主动感知（认知机器人）

人机交互的未来是向人机共存、共生或者共融发展，随着人工智能和硬件处理速度的进一步发展，在今后的信息交互过程中，人类的反应速度可能不能够满足机器的处理要求，成为人机交互技术发展的瓶颈。在此背景下，认知机器人概念被提出，该机器人的特征之一是主动感知，是一种通过有目的的行动（即探索）实现感知的方式，目前许多机器人学研究都对主动感知原理进行了研究，机器学习在主动感知任务中是必不可少的，同样是当今的一个研究热门，例如物体姿态估计或场景识别，这些任务都是基于接近感知完成的。4.5机器人接近觉感知的未来发展趋势4.6.1医疗健康1.护理机器人护理机器人属于一种特殊类型的合作机器人，直接为接受者提供护理。因此，需要更全面的策略来确保机器人的安全性和合规性。来自中国的JialeLiang和他的团队设计的机器人触觉皮肤与最先进的机器人皮肤相比，建议的皮肤更便宜、更柔软。图4.55皮肤贴片的横截面图和物理图4.6机器人接近觉感知的实际应用4.6.1医疗健康1.护理机器人该皮肤的厚度为13mm，每个展开的皮肤贴片为160mm×160mm的矩形。整个皮肤由四块总重量为860克的贴片组成。皮肤的所有部分都由柔性材料制成，使皮肤能够适应不同的曲面。图4.56护理机器人手臂上安装了敏感皮肤原理图4.6机器人接近觉感知的未来发展趋势4.6.1医疗健康1.护理机器人在接触和转移阶段，敏感皮肤的触觉信息可用于检测患者与机械臂之间的相对位置和接触力，防止患者滑脱和机械臂故障。将敏感皮肤包裹在护理机器人的前臂上，将患者重心的理想位置设置在前臂中部。图4.57接触阶段可能出现的危险情况4.6机器人接近觉感知的未来发展趋势4.6.1医疗健康1.护理机器人护理机器人的圆柱形手臂上安装这种皮肤。每个接近觉传感器阵列上有16个距离传感器模块，每个模块的激光路径是一个锥角为25的圆锥体。这意味着空间分辨率将随着距离的增加而增加。相反，由于连接到曲面，传感器的激光路径从平行变为径向，并且由于轴向阵列之间的间隔，不可检测区域随着距离的增加而增加。图4.58皮肤配备了接近传感器阵列和触觉传感器矩阵，安装在护理机器人的前臂上4.6机器人接近觉感知的未来发展趋势4.6.1医疗健康2.人体健康监测的接近觉技术监测人体的生命体征对医疗保健和医学诊断非常重要，因为它们包含关于动脉闭塞、心律失常、动脉粥样硬化、自主神经系统病理、压力水平和阻塞性睡眠呼吸暂停的宝贵信息。近年来，随着大多数健身跟踪器和智能手表提供基于光电容积脉搏波（PPG）的心率监测（HRM）功能，用于医疗应用的可穿戴光学传感器获得了发展势头。与传统的心率监护仪相比，光学系统是一体式解决方案，可以轻松集成。4.6机器人接近觉感知的未来发展趋势4.6.1医疗健康2.人体健康监测的接近觉技术SAW滤波器接近觉测量系统：振荡器的谐振频率根据与胸壁的距离而变化。振荡器的输出被送入SAW滤波器的输入端。如果振荡器的输出频率在SAW滤波器的边缘范围内，则通过SAW滤波器的信号幅度也会因呼吸和心跳而改变。图4.59SAW滤波器的传感系统框图4.6机器人接近觉感知的未来发展趋势4.6.1医疗健康2.人体健康监测的接近觉技术锁相环接近觉感知系统：将锁相环（PLL）合成器组合在一起，以防止振荡频率偏离范围，并改善信号质量。与使用SAW滤波器的系统不同，传感器振荡器设计为电压可控。当传感器振荡器的频率由呼吸和心跳频率调制时，PLL电路应用环路控制电压，使振荡器的频率与参考频率匹配，可以对其分析，以找到呼吸和心跳信。4.6机器人接近觉感知的未来发展趋势图4.61PLL接近觉感知系统

4.6.2工业生产1.工业机器人安全控制——分布式接近觉传感器工业机械手通常与人类工人物理隔离，并安装在不允许人类进入的专用区域。此外，由于移动机器人对人类具有固有的危险性，因此，每当工人进入机器人区域时，适当的监控系统都会发出预防性停车或显著减速的指令。基于传感器的机器人主动控制是解决安全问题最有前途的方法之一。其概念是使用能够感知机器人环境变化的传感器（外部感知传感器，如视觉、力和接近觉传感器）提供的信息，并相应地动态调整机器人行为。4.6机器人接近觉感知的未来发展趋势4.6.2工业生产1.工业机器人安全控制——分布式接近觉传感器将分布式接近觉传感器原型部署在机器人上。它使用20个关闭的红外发光二极管（LED）传感器（SharpGP2Y0A02YK型）作为传感器点。其工作原理基于三角测量，因此输出电压与传感器和障碍物之间的距离成反比。图4.63ABBIRB140机器人4.6机器人接近觉感知的未来发展趋势4.6.2工业生产1.工业机器人安全控制——分布式接近觉传感器连接到ABBIRC5控制器的外部PC还通过适当的模拟驱动器与采集板连接，模拟驱动器以250Hz的频率采样信号。通过这种方式，采集的信号可以被外部控制用作输入。实验确定了传感器电压输出与障碍物距离之间的非线性特性曲线，适用于20–80cm范围内的每个传感器点。图4.64实验硬件和软件设置图4.6机器人接近觉感知的未来发展趋势4.6.2工业生产1.工业机器人安全控制——分布式接近觉传感器通过之前描述优化程序，20个传感器点沿机器人表面分布。首先，考虑了IRB140的网格模型。在机器人的网格表面上选择了一些在尺寸和可达性方面适合放置点的候选区域，并确定了每个区域上的最大允许点位置，总共有254个可能的点位置。图4.65ABBIRB140和工人假人的三维模型4.6机器人接近觉感知的未来发展趋势4.6.2工业生产1.工业机器人安全控制——分布式接近觉传感器检测概率和代价函数的值被报告为构成分布式传感器的点的数量的函数，从最小的一个点到最大的254个点。点的数量存在一个阈值，超过该阈值分布式传感器检测假人的能力不会显著增加。图4.66通过蒙特卡罗模拟计算的成本函数和检测概率值，与构成分布式接近觉传感器的点的数量有关4.6机器人接近觉感知的未来发展趋势4.6.2工业生产1.工业机器人安全控制——分布式接近觉传感器在第一个实验中，机器人固定了一个方向参考值，主要任务是将刀尖的位置和方向（根据欧拉角φ、θ和ψ定义）保持在参考值上。第二个实验与第一个类似，一个人在机器人周围移动时携带一块卡片作为障碍物。在这个实验中，主要任务是指定工具尖端的位置和方向，这些位置和方向随时间变化，遵循笛卡儿空间中的线性路径。最后一个实验涉及从工业角度来看的人力资源信息领域的一项更重要的任务。ABBIRB140任务包括使用特定工具从桌子上的支架上取下螺钉，将螺钉移动到另一张桌子上，然后让其落入盒子中。4.6机器人接近觉感知的未来发展趋势4.6.2工业生产1.工业机器人安全控制——分布式接近觉传感器图4.67第一次实验的快照（固定参考）图4.68从第二个实验中拍摄的快照图4.69从第三个实验中拍摄的快照4.6机器人接近觉感知的未来发展趋势4.6.2工业生产2.工业机器人安全控制——电容接近检测一些最先进的传感工作原理包括红外辐射（IR）、电感和电容。每种技术都有各自的优缺点，与用于测量的物理效应有关。高性能红外近距离传感器，尽管它具有360度全方位传感能力，但由于红外传感器依赖反射进行测量，它在光吸收和反射表面方面存在问题。电感式传感器在检测应用中很有用，因为它们提供了高精度的测量。而电容式传感器，它提供了一种廉价、可靠和灵活的方法，可以原型化和实现用于人机交互的传感器系