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第九章 新型传感器 本章学习的主要内容： 9.1 机器人传感器 9.2 生物传感器 9.1 机器人传感器 机器人是由计算机控制的复杂机器，他具有类似人的肢体及感官功能，动作灵活，有一定的智能化，在工作中可以不依赖人的操纵。机器人传感器在机器人的控制中起了非常重要的作用，正因为有了传感器，机器人才具备了类似人类的知觉功能和反应能力。 9.1.1 机器人传感器的分类 智能机器人的研究都是以人或动物作为模仿对象。人类通过五官，即视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉来接收外界信息并通过神经传递给大脑。大脑对多种不同的信息进行加工、综合并作出适当的决策。但计算机、电子电路却只能处理电子信号，不能像人类那样直接从外界获取信息。而传感器却具有类似人类五官感觉的功能，它们是将外界信息转换成电子信号的电子元器件。 9.1.2 常用的机器人传感器 1.听觉传感器 图9-1 家用服务型智能机器人 家用服务型机器人，如图9-1所示，它在为我们服务的时候，需要听懂主人的吩咐，按照主人的指令完成预定的工作。给智能机器人安装“耳朵”是很有必要的。 智能机器人的“耳朵”首先要具有接收声音信号的“器官”，其次需要语音识别系统。语音识别技术是人工智能和智能机器人的重要研究领域，随着IBM Via Vioce的成功，一些基于该成果的识别产品相继问世。 2.视觉传感器 视觉传感器以光电变换为壁础，是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器件。 激光视觉传感器、CCD视觉传感器和CMOS图像传感器可以作为机器人的视觉系统，监控机器人的运行。 1）激光视觉传感器 激光束以恒定的速度扫描被测物体，由于激光方向性好、亮度高，因此光束在物体边缘形成强对比度的光强分布，经光电器件转换成脉冲电信号，脉冲宽度与被测尺寸成正比，从而实现了机器人对物体尺寸的非接触测量。 a) 激光视觉传感器工作原理 b) 正反射光检测 c) 漫反射光检测 图9-4 激光视觉传感器构成原理示意图 2）红外CCD视觉传感器 混合型红外CCD视觉传感器构成原理如图9-5所示。使用固体电子扫描的红外摄像传感器，一般称为红外CCD，其成像原理与热电型红外光成像原理基本相同。红外光热电敏感元件和固体电子扫描部分均用相同半导体材料，经过一系列处理而制成单片型红外CCD。也可用不同的半导体材料经不同处理而制造、组装成混合型红外CCD。信号处理芯片用Si材料制作，柔软铟缓冲器保证对温度变化和冲击的可靠性。 图9-5 混合型红外CCD构成原理 3）CMOS图像传感器 CCD和CMOS在工作原理上没有本质的区别，主要区别是读取图像数据的方法。CMOS在每一个像素上采用有源像素传感器及几个晶体管，经光电转换后直接产生电压信号，以实现图像数据的读取，信号读取十分简单，还能同时处理各单元的图像信息，使CMOS器件能较CCD传感器更快地转换数据。 3.触觉传感器 机器人触觉可分为压觉、滑觉和接触觉等几种。 1）压觉传感器 压觉传感器位于手指握持面上，用来检测机器人手指握持面上承受的压力大小和分布。如图9-6所示，硅电容压觉传感器阵列结构示意图。 图9-6 硅电容压觉传感器阵列剖面图 1—柔性电片层 2—表皮层 3—硅片 4—衬底 5—SiO2 6—电容极板 2）滑觉传感器 机器人的手爪要抓住属性未知的物体，必须对物体作用最佳大小的握持力，以保证既能握住物体不产生滑动，而又不使被抓物滑落，还不至于因用力过大而使物体变形而损坏。在手爪间安装滑觉传感器就能检测出手爪与物体接触面之间相对运动（滑动）的大小和方向。 图9-7 球形滑觉传感器 1—滑动球 2—被抓物 3—软衬 4—接触器 该传感器有一个可自由滚动的球，球的表面是用导体和绝缘体按一定规格布置的网格，在球表面安装有接触器。当球与被握持物体相接触时，如果物体滑动，将带动球随之滚动，接触器与球的导电区交替接触从而发出一系列的脉冲信号Uf，脉冲信号的个数及频率与滑动的速度有关。球形滑觉传感器所测量的滑动不受滑动方向的限制，能检测全方位滑动。在这种滑觉传感器中，也可将两个接触器改用光电传感器代替，滚球表面制成反光和不反光的网格，可提高可靠性，减少磨损。 3）PVDF接触觉传感器 有机高分子聚二氟乙烯（PVDF）是一种具有压电效应和热释电效应的敏感材料，使用该材料可制成接触觉、滑觉、热觉的传感器，是人们用来研制仿生皮肤的主要材料，如图9-8所示。PVDF薄膜厚度只有几十微米，具有优良的柔性及压电特性。 a) 接触/滑觉传感器的人工皮肤 b) 接触/滑觉/温度传感器的人工皮肤结构