接近覺傳感器是機(jī)器人用以探測(cè)自身與周圍物體之間相對(duì)位置和距離的傳感器。接近覺原本不是人的專門感覺，故沒有專司其職的接近覺器官。人是依靠自己各種感覺器官的綜合感覺能力來(lái)感覺自己和周圍物體之間的相對(duì)位置和距離的大致感覺的。因此，在仿照人的功能來(lái)使機(jī)器人具有接近覺，其復(fù)雜程度可想而知，而利用一些特定的物理現(xiàn)象來(lái)研制專門的接近覺傳感器，相對(duì)而言就顯得簡(jiǎn)單易行了。
機(jī)器人安裝接近覺傳感器主要目的有以下三個(gè)：其一，在接觸對(duì)象物體之前，獲得必要的信息，為下一步運(yùn)動(dòng)做好準(zhǔn)備工作；其二，探測(cè)機(jī)器人手和足的運(yùn)動(dòng)空間中有無(wú)障礙物。如發(fā)現(xiàn)有障礙，則及時(shí)采取一定措施，避免發(fā)生碰撞；其三，為獲取對(duì)象物體表面形狀的大致信息。
目前使用的接近覺傳感器主要有光電式、超聲波式和渦流式三種。
1.光電式接近覺傳感器是一種比較簡(jiǎn)單有效的傳感器，把它裝在機(jī)器人手（或足）上，能夠檢測(cè)機(jī)器人手臂（或腿）運(yùn)動(dòng)路線上的各種物體。它是利用紅外發(fā)光二極管作為發(fā)送體，向物體發(fā)射一束紅外光，紅外光通過透鏡照射于物體上；物體反射紅外光，然后，通過接收電路進(jìn)行接收和處理。一般其作用距離比較小，檢測(cè)距離為幾厘米。
2.超聲波是人耳不能聽見的一種機(jī)械波。人耳能聽到的聲音，振動(dòng)頻率范圍只是20Hz～20000Hz。超聲波因其波長(zhǎng)較短、繞射小，而能成為超聲波射線并定向傳播，機(jī)器人采用超聲傳感器的目的是用來(lái)探測(cè)周圍物體的存在與測(cè)量物體的距離。一般用來(lái)探測(cè)周圍環(huán)境中較大的物體，不能測(cè)量距離小于30mm的物體。
3.電渦流傳感器主要用于檢測(cè)由金屬材料制成的對(duì)象物體。它是利用一個(gè)導(dǎo)體在非均勻磁場(chǎng)中移動(dòng)或處在交變磁場(chǎng)內(nèi)，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流這一基本電學(xué)原理工作的。這種感應(yīng)電流稱為電渦流。通過電渦流的大小可以檢測(cè)物體的有無(wú)和距離，電渦流傳感器的尺寸小，檢測(cè)精度高，能檢測(cè)到0.02mm，工作可靠，價(jià)格便宜。缺點(diǎn)是作用距離小，一般不能超過13mm。
本章主要介紹超聲波式傳感器和光電式傳感器。
2.1 超聲波式傳感器
2.1.1 超聲波傳感器工作原理
超聲波是指頻率在20000Hz以上，不能引起正常人聽覺反應(yīng)的機(jī)械振動(dòng)波。其波長(zhǎng)很短，可以集成狹小的發(fā)射線束，呈束狀直線傳播，傳播具有一定的方向性。同時(shí)超聲波作為一種非接觸的檢測(cè)方式，和紅外、激光及無(wú)線電測(cè)距相比，不受光線、被測(cè)對(duì)象的顏色等的影響，在惡劣的環(huán)境中（如含粉塵時(shí)）具有一定的適應(yīng)能力，比激光測(cè)距更容易獲得近距離信息，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器�？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；非機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。
壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。
超聲波測(cè)距原理很簡(jiǎn)單，一般采用渡越時(shí)間法（Time of Flight，TOF），即檢測(cè)超聲波往返距離的時(shí)間，由于所用的時(shí)間與超聲波通過距離成正比，當(dāng)超聲波發(fā)射極發(fā)出一個(gè)短暫的脈沖時(shí)，計(jì)時(shí)開始；當(dāng)超聲波接收器接收到第一個(gè)返回脈沖后，計(jì)時(shí)立即停止。此時(shí)，記錄得到的值為D=CT/2，其中D為機(jī)器人與被測(cè)物之間的距離，C為聲波在介質(zhì)中的傳播速度（，t為攝氏溫度），T為超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間間隔。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，但其中傳播速度隨介質(zhì)溫度的上升而加快，氣溫增高10℃，速度加快0.6m/s。圖2-2給出了超聲波傳感器的構(gòu)成原理圖。
|
