機器人感知智能第四章機器人接近覺感知4.1機器人接近覺感知的介紹4.1.1接近覺感知的定義及功能隨著科學技術的發(fā)展，機器人的發(fā)展逐漸呈現智能化，這要求覆蓋在機器人表面的大面積、多功能傳感系統能夠完美地實現交互過程中各類信息的量化。在日常生活中，接近覺感知傳感器最常見的使用場景就是各個場所的自動感應裝置。圖4.1日常生活中接近覺感知傳感器的常見使用場景常見的接近覺感知傳感器光電式接近覺感知傳感器光電式接近覺感知傳感器種類多、用途廣，能檢測直徑小至1mm或距離大至幾米的目標，有測速度快、抗干擾能力強、測量點小、適用范圍廣等優(yōu)點。電容式接近覺感知傳感器電容式接近覺感知傳感器可以檢測粉末、顆粒、液體和固體形式的金屬和非金屬目標。電感式接近覺感知傳感器電感式接近覺感知傳感器由四個主要部分組成：帶線圈的鐵氧體磁芯，一個振蕩器，一個施密特觸發(fā)器和一個輸出放大器。超聲波式接近覺感知傳感器超聲波接近覺感知傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，超聲波在碰到雜質或者是處于分界面的時候能產生顯著的反射形成回波，當碰到運動的物體時會產生多普勒效應。4.1機器人接近覺感知的介紹4.1.2接近覺感知傳感器的發(fā)展自1916年法國朗之萬發(fā)明了世界上第一部超聲波傳感器到現在，超聲波傳感器己經完成從簡單的借助回聲定位到能夠分析處理復雜信號的轉變，其測量精度和可靠性都非常的高。超聲波傳感器自身的缺陷，如：鏡面反射、有限的波束角

交叉相關聯和正弦發(fā)生器技術應用在超聲波測距系統中，將超聲測距系統的分辨率進一步的提高，將超聲波測距技術繼續(xù)向前推進。圖4.12超聲系統裝置的示意圖4.1機器人接近覺感知的介紹4.1.2接近覺感知傳感器的發(fā)展在實際應用中，電容式接近覺感知傳感器具有對光線、噪音、待測物的顏色、表面紋理等不敏感、檢測范圍較大等優(yōu)點，這使得電容式接近覺感知傳感器機器人的實際操作場景下具有極大的穩(wěn)定性。單一性能的傳感器不能滿足高性能機器人的需求，兼?zhèn)溆|覺和接近覺感知能力的電容-電感雙模式接近覺感知傳感器應運而生圖4.13兼具觸覺與接近覺感知的傳感器4.1機器人接近覺感知的介紹4.1.2接近覺感知傳感器的發(fā)展隨著制作工藝的提高，現有工藝可以滿足更精細的加工需求。因此，采用MEMS工藝制作加工的垂直結構的雙模式電容電感接近式傳感器逐漸被使用。為了讓具備電容式接近傳感器的服務型機器人安全完成與人交互的任務，需要提高傳感器的柔性。柔性的器件能夠在發(fā)生碰撞時，產生減震緩沖，提高安全性，還能夠在曲面、被拉伸等苛刻環(huán)境中正常工作。圖4.14垂直結構的電容圖4.15絲網印刷多功能傳感器4.1機器人接近覺感知的介紹4.1.3接近覺感知傳感器的現狀在過去的幾十年里，接近覺感知傳感器的發(fā)展并不如力覺傳感器、視覺傳感器樂觀，除了發(fā)展緩慢外，目前還存在一些有待于解決的問題，如光電式容易受到對象物顏色、粗糙度和環(huán)境亮度的限制。我國開展機器人接近覺感知傳感器的研究時間并不長，在研究水平上與國外相比，還有一段差距。因此，我國接近覺傳感器重點應放在提高現有傳感器的性能穩(wěn)定性、可靠性上，并將成本降低到可接受的程度。在此基礎上，要進一步提高傳感器的其他性能，如探測精度等，并進一步增加傳感器的功能。在今后的兩到三年內，隨著人工智能機器人的快速發(fā)展，市場對于接近覺感知傳感器的需求將達到一個新的高度。4.1機器人接近覺感知的介紹4.2.1概述和系統組成接近覺感知傳感器的主要優(yōu)點是無接觸，而由于所有的物質都會在溫度的作用下將內能轉化為電磁波向外輻射能量。所以為了實現電磁波的無接觸測量，紅外檢測傳感器應運而生。紅外檢測技術借助紅外線對溫度的敏感性，實現對目標物無接觸檢測，成為接近覺傳感器的重要分類，被廣泛應用于距離測試、溫度測試、氣體檢測、生物監(jiān)測等方面。4.2紅外傳感器4.2.1概述和系統組成普朗克定律說明溫度、能量和波長三者之間存在對應關系，紅外總能量與溫度呈正相關，峰值波長與溫度呈負相關。它給出輻射場能量密度按頻率的分布，式中T是熱力學溫度,k是玻耳茲曼常數。普朗克公式在高頻范圍hvkT的極限條件下，過渡到維恩公式4.2紅外傳感器4.2.1概述和系統組成在現代社會中，遠距離實現目標物的檢測是發(fā)展熱點輻射計：主要用于檢測微波輻射和光譜測量。微波輻射檢測通常用于雷達和衛(wèi)星通信等領域，而光譜測量則常用于化學和環(huán)境監(jiān)測等領域。搜索和跟蹤系統：主要用于跟蹤目標并確定其位置，能夠持續(xù)跟蹤目標運動軌跡。熱成像系統：主要用于獲取目標物紅外輻射的分布圖像。這種傳感器能夠在夜間或低光照條件下檢測目標物體表面的溫度分布。紅外測距和通信系統：主要用于無接觸測距和實時通信。這種傳感器可以通過紅外輻射來測量距離，并能夠實現短距離通信?；旌舷到y：這種傳感器結合了多種不同的傳感器技術，能夠實現更加復雜和精確的檢測任務。圖4.16紅外檢測傳感器4.2紅外傳感器4.2.2傳感器原理1.檢測基本原理紅外光作為太陽光譜的一部分其具有光熱效應和輻射能量，相比于其他的光譜范圍，由于大氣無法吸收固定波長的紅外線，所以物體的紅外輻射能量產生的損耗小。所有的物體包括冰在內，均具有輻射能量，當紅外光穿過介質時光能量會產生衰減，其中由于金屬的固有材料損耗，使得其傳播衰減很大，在液體中也存在對紅外輻射吸收較大的情況。不同介質對紅外輻射的吸收程度不同，而在外界環(huán)境中，大氣層也對不同波長的紅外光產生不同的吸收帶。在現實生活中的任何物體，只要其溫度在絕對零度以上，都會產生紅外輻射，區(qū)別在于輻射的強度以及輻射的方式，這與介質和物體表面的粗糙程度有關。4.2紅外傳感器4.2.2傳感器原理2.紅外探測器紅外探測器本質上就是指將不同的光熱效應轉化為電信號實現檢測的裝置，是整個紅外測試系統的核心，其余為輔助電路。紅外探測器按照檢測機理可分為光電探測器和熱電探測器。光電探測器主要利用的是光電效應和光電磁效應熱電探測器主要利用的是熱輻射效應，探測敏感元件將輻射轉化為熱能，表現為溫度升高，探測器將其轉化為可處理的信號（大部分為電信號）。4.2紅外傳感器4.2.3功能與目前研究實現1.溫度檢測溫度檢測在生產生活中具有十分重要的作用，從大型設備保持正常運轉到農作物的正常生長以及人類生活的適宜程度都與溫度息息相關。國外衛(wèi)星熱紅外傳感器國內衛(wèi)星熱紅外傳感器圖4.17

AVHRR

傳感器4.2紅外傳感器4.2.3功能與目前研究實現2.故障檢測紅外無損缺陷檢測是利用紅外輻射對材料的透過、反射、散射特性進行缺陷檢測的一種方法。其機理是利用紅外輻射在材料表面與內部缺陷之間的不同反射和透過特性來檢測缺陷的存在和位置。當紅外輻射照射到材料表面時，會紅外輻射在材料表面和內部缺陷之間發(fā)生反射、透射和散射。通過檢測這些反射、透射和散射的紅外輻射，可以判斷材料內部的缺陷情況，例如裂紋、氣泡、缺陷等。圖4.18卷揚機的可見光圖與紅外熱像圖4.2紅外傳感器4.2.3功能與目前研究實現圖4.19兩種紅外無損檢測方法4.2紅外傳感器2.故障檢測有源紅外檢測法又稱主動紅外檢測其存在外部熱源，通過外部熱源向待測物體發(fā)射能量，待測物體中原本的熱平衡被打破，出現熱流的變化，而在經過內部缺陷時，這種熱流的變化會出現異常，表面溫度分布區(qū)發(fā)生變化。4.2.3功能與目前研究實現圖4.19兩種紅外無損檢測方法4.2紅外傳感器2.故障檢測無源紅外檢測法不附加熱源對待測物體進行能量注入，僅僅依靠物體本身中的熱流動異常進行檢測。紅外檢測方法最早應用在大型儀器設備的電力行業(yè)中，近年來，隨著技術的發(fā)展和進步，開始廣泛應用于其他行業(yè)例如建筑業(yè)、軋鋼、冶煉等等。4.2.3功能與目前研究實現3.氣體檢測紅外成像技術能夠實現危險氣體的遠距離非接觸探測，具有靈敏度高、響應時間短、檢測范圍大等優(yōu)點且成像動態(tài)直觀，能夠實現危險氣體泄漏的在線實時監(jiān)控，故被廣泛應用于氣體儲運、油礦開采、工業(yè)制造等領域。紅外檢測傳感器可以實現無接觸氣體檢測，其中一種方式是利用紅外吸收光譜技術。其具體實現方式如下：發(fā)射紅外輻射：將發(fā)射器發(fā)出的紅外輻射照射到被測氣體中。氣體吸收紅外輻射：被測氣體中的分子會吸收部分紅外輻射，吸收量與氣體濃度成正比。接收紅外輻射：利用接收器接收被測氣體吸收后的紅外輻射。分析處理：分析接收到的紅外輻射，計算出被測氣體的濃度。4.2紅外傳感器4.2.3功能與目前研究實現3.氣體檢測這種無接觸氣體檢測方式具有以下幾個特點：非接觸式測量，避免了接觸式測量可能帶來的污染和損傷等問題。可以實現實時測量，能夠及時監(jiān)測被測氣體的濃度變化。精度高，可以檢測到非常小的氣體濃度變化。圖4.20非分光型紅外氣體傳感器檢測原理示意圖4.2紅外傳感器4.2.3功能與目前研究實現3.氣體檢測AdilShah等人提出一種NDIR甲烷氣體傳感器。該傳感器被應用于向大氣中排放甲烷氣體的測試點。2019年，意大利的VincenzoSpagnolo和山西大學的董磊課題組開發(fā)了一種多通道石英光聲光譜傳感器，可同時檢測近紅外和中紅外波段。光腔衰蕩光譜（CRDS）技術是一種基于光腔衰蕩現象的紅外傳感器技術，用于氣體檢測。圖4.21NIDR傳感器及無人機系統圖4.22多氣體QEPAS傳感器圖4.23基于CRDS原理的氣體傳感器的檢測原理4.2紅外傳感器4.2.3功能與目前研究實現4.生物監(jiān)測人體動作識別指的是對目標的動作方式進行識別。從人體散發(fā)的紅外熱輻射信號上尋找與人體運動和位置相關的隱含信息的方法被提出?；赑assiveInfrared（PIR）傳感器的室內定位PIR（被動式紅外檢測技術”或“熱釋電傳感器技術）是指通過感應人體的紅外輻射來實現人體檢測和控制的技術。PIR傳感器可以感應靜態(tài)或移動的熱源，例如人體、動物、車輛等，通過檢測其輻射的紅外能量來判斷其是否存在?；赑IR傳感器的室內人體動作識別PIR傳感器除了能檢測到某區(qū)域的人體目標，還可以發(fā)現人體在檢測區(qū)域中的運動特征信息，包括動作頻率、幅度和姿態(tài)等多種信息。4.2紅外傳感器4.3.1概述和系統組成微波是一種電磁波，具有易于集聚成束、高度定向性以及直線傳播的特性，可用來在無阻擋的視線自由空間傳輸高頻信號。微波作為一種電磁波具有波粒二象性。微波相對于波長較長的電磁波具有下列特點：①定向輻射的裝置容易制造；②碰到各種障礙物易于反射；③繞射能力較差；④傳輸特性良好，傳輸過程中受煙、灰塵、強光等的影響很小；⑤介質對微波的吸收與介質的介電常數成正比例、水對微波的吸收作用最強。4.3微波傳感器4.3.2微波特點微波的基本性質通常呈現為穿透、反射、吸收三個特性。從電子學和物理學觀點來看，微波這段電磁頻譜具有不同于其他波段的重要特點：穿透性微波比其他用于輻射加熱的電磁波，如紅外線、遠紅外線等波長更長，因此具有更好的穿透性。選擇性加熱物質吸收微波的能力，主要由其介質損耗因數來決定。介質損耗因數大的物質對微波的吸收能力就強，相反，介質損耗因數小的物質吸收微波的能力也弱。熱慣性小微波對介質材料是瞬時加熱升溫，升溫速度快，消耗能量低。似光性微波波長很短，比地球上的一般物體（如飛機，艦船，汽車建筑物等）尺寸相對要小得多，或在同一量級上。使得微波的特點與幾何光學相似，即所謂的似光性。4.3微波傳感器4.3.3微波傳感器原理1.微波傳感器原理與分類微波傳感器是利用微波特性來檢測某些物理量，如物體的存在、運動速度、距離、濃度等信息。反射式：發(fā)生天線和接收天線位于檢測物體的同一側，反射式微波傳感器通過檢測微波信號從發(fā)出到接收到的時間間隔或者相位偏移來檢測被測物體的位置、厚度和位移等參數。遮斷式：發(fā)射天線和接受天線位于檢測物體的兩邊，間斷式微波傳感器通過接收天線接收到的微波信號功率的大小，判斷發(fā)射天線和接收天線之間是否有被測物體、被測物體的厚度和位置等參數信息。圖4.25西門子微波物位計圖4.26西門子智能雷達物位計工作原理:由微波發(fā)射器定向發(fā)出微波信號，遇到被測物體時，微波信號部分被檢測物體吸收，部分則被反射，使微波功率發(fā)生變化。4.3微波傳感器4.3.3微波傳感器原理2.微波傳感器組成與特點微波傳感器通常由微波振蕩器（微波發(fā)射器）、微波天線及微波檢測器三部分組成。微波振蕩器和微波天線是微波傳感器的重要組成部分。微波振蕩器是一種產生微波的裝置。微波檢測器：電磁波作為空間的微小電場變動而傳播，所以使用電流-電壓特性呈現非線性的電子元件作為探測它的敏感探頭，敏感探頭在其工作頻率范圍內必須有足夠快的響應速度。作為非線性的電子元件，在幾兆赫茲以下的頻率通?？捎冒雽wPN結，而對于頻率比較高的可使用肖特基結。圖4.27常用的微波天線4.3微波傳感器4.3.4微波傳感器的常見應用1.微波測距利用接收天線接收被測物反射回來的微波信號，檢測其電磁參數，再由測量電路處理，就實現了微波檢測。將微波發(fā)射器和微波接收器架設在相距為d的位置，當發(fā)射器發(fā)出移動功率的微波信號，該微波信號到接收器將有一部分功率損耗，微波接收天線接收到的微波功率大小即可換算出待測面和微波發(fā)射器的距離h，從而實現了微波測距。圖4.28微波測距原理4.3微波傳感器4.3.4微波傳感器的常見應用1.微波測距雷達是微波最早的應用之一。多普勒和干涉測量雷達系統通常，多普勒雷達發(fā)出頻率為f_t的單音無線電信號。當擊中一個物體時，根據物體移動時的多普勒效應，相關的返回信號頻率從發(fā)射頻率偏移。調頻連續(xù)波系統FMCW雷達能夠確定系統與目標之間的絕對距離。發(fā)射信號的各種調制是可能的，發(fā)射頻率能夠作為正弦波、鋸齒波、三角波或方波向上和向下倒轉。圖4.29用于位移監(jiān)測的干涉測量操作圖4.30FMCW操作用于距離檢測4.3微波傳感器4.3.4微波傳感器的常見應用1.微波測距德國羅伯特-博世公司于2013年推出中程雷達，自2016年以來，該公司已向市場交付了超過1000萬部毫米波雷達。德國大陸集團是全球最大的汽車零部件供應商之一。大陸集團的毫米波雷達產品涵蓋24GHz和77GHz，以77GHz產品為主。森斯泰克是國內專業(yè)從事毫米波雷達和激光雷達智能傳感器產品研發(fā)、生產和銷售的高新技術企業(yè)。圖4.31博世遠程雷達傳感器：LRR4圖4.32德國大陸ARS411長距離毫米波雷達圖4.33STA79-2近程雷達4.3微波傳感器4.3.4微波傳感器的常見應用1.微波測距德國ADC公司依據脈沖測距法制造出ASR1100毫米波雷達，NISSAN，Ford和Mercedes-Benz等汽車品牌公司積極研制了汽車主動避撞系統VCAS(VehicleCollisionAvoidanceSystem)和自適應巡航系統ACC(AdaptiveCruiseControl)。圖4.34使用微波雷達對人行天橋及其運動進行成像4.3微波傳感器4.3.4微波傳感器的常見應用2.微波液位計液位是各種工業(yè)過程中的一個重要參數。液位測量方法很多，如：差壓式、浮力式、磁翻轉式、磁致伸縮式、射頻電容式、超聲波式等。微波液位計可分為天線式微波液位計和導波式微波液位計。通過天線來發(fā)射微波并接收回波，為非接觸式測量，也稱自由空間雷達(FreeSpaceRadar)，是微波液位計的主要形式。圖4.35雷達液位計4.3微波傳感器4.3.4微波傳感器的常見應用3.微波探測儀微波探測儀會持續(xù)發(fā)射微波，并接收反射回的微波信號，根據時間差就可以求出物體的運動速度與位移。當探測區(qū)內的目標移動時，原發(fā)射信號與反射的信號之間會有頻率差異，即觸發(fā)報警，通常稱為多普勒效應。圖4.36微波探測儀4.3微波傳感器4.3.4微波傳感器的常見應用4.微波無損檢測系統微波無損檢測技術始于20世紀60年代，現在微波無損檢測技術已經在大多數復合材料和非金屬內部的缺陷檢測和和各種非電量測量等方面獲得了廣泛的應用。微波無損檢測主要有穿透法、反射法、干涉法、散射法、全息法以及CT法等。穿透法：將發(fā)射和接收天線分別放在試件的兩邊，通過檢測接收的微波波束相位或幅值的變化，可得到被檢測量的情況。反射法：發(fā)射法是指利用被檢試件表面和內部所反射的微波對試件進行檢測的方法。散射法：散射法是通過測試回波強度變化來確定散射特性。微波全息技術：微波干涉法與光導全息照相技術結合可以形成微波全息技術。圖4.37微波檢測缺陷示意圖4.3微波傳感器4.4.1概述和系統組成1.概述激光技術的研究可以追溯到20世紀初，經過近百年的發(fā)展，激光傳感技術進展飛速，已與多個學科相結合，形成新的交叉學科，如光電子學、信息光學、激光光譜學、非線性光學、超快激光學、量子光學、光纖光學、導波光學、激光醫(yī)學、激光生物學、激光化學等。激光與普通光源相比具有以下特性：①相干性好；②方向性強；③單色性好。4.4激光傳感器4.4.1概述和系統組成2.系統組成激光傳感器是新型測量儀表，具有接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等優(yōu)點。（1）激光器作為產生激光的裝置，是激光傳感器的核心部件，最基本的組成是泵浦源、諧振腔和激光工作介質。（2）激光檢測器是利用激光掃描檢測原理而研制的設備，它主要由光學機械掃描器和掃描光學系統組成的激光掃描發(fā)射器，由接收光學系統和光電轉換電子學系統構成的激光掃描接收器，以單片機為核心的實時控制與數據處理系統構成的控制器以及半導體激光電源組成。（3）測量電路：一般來說，傳感器由敏感元件和轉化元件組成。但轉化元件輸出的電量常常難以直接進行顯示，記錄，處理和控制。這時就需要將其進一步變化成可直接利用的電信號，而傳感器中完成這一功能的部分稱為測量電路。圖4.38激光器主要部件示意圖4.4激光傳感器4.4.2傳感器原理1.激光基本原理當原子處于激發(fā)態(tài)E2時，如果有能量光子射來，在入射光子的影響下，原子會發(fā)出一個同樣的光子而躍遷到低能級E1上去，這種輻射叫做受激輻射。其中，入射光子需要滿足以下條件：受激輻射過程能夠實現相同狀態(tài)（頻率、相位、振動方向及傳播方向均相同）的光子數目的幾何級數遞增，引起光放大。為解決受激輻射與受激吸收間的矛盾，保證受激輻射占絕對優(yōu)勢，需要利用光學諧振腔來實現光的自激振蕩，即激光振蕩。圖4.39光學諧振腔示意圖4.4激光傳感器4.4.2傳感器原理2.傳感器工作原理

激光傳感器工作時，先由激光發(fā)射二極管對準目標發(fā)射激光脈沖。經目標反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學系統接收后成像到雪崩光電二極管上。圖4.40激光測距傳感器示意圖4.4激光傳感器4.4.3相關應用及研究現狀1.激光測距激光測距技術是激光應用領域中最早和最成熟的技術之一，激光自誕生以來，由于它具有普通光源無法比擬的優(yōu)良的方向性、高亮度等優(yōu)點，很快就被用于目標距離的探測。同時，因激光具有非接觸、測量精度高、作用距離遠的特點，被廣泛應用于軍事、民用和工業(yè)等眾多領域。圖4.41激光測距望遠鏡4.4激光傳感器4.4.3相關應用及研究現狀1.激光測距脈沖式激光測距技術脈沖激光測距通過激光脈沖信號進行測距。因為激光脈沖時間短，所以能夠選擇瞬時功率特別高的激光器發(fā)射能量集中的脈沖激光，所以脈沖激光測距具有良好的方向性和較強的抗干擾能力。圖4.42脈沖式激光測距原理圖4.4激光傳感器4.4.3相關應用及研究現狀1.激光測距相位式激光測距技術相位激光測距同樣是目前比較常用的一種激光測距技術，原理是利用一定的調制頻率對激光進行光強正弦調制，并測量調制光束在測量端和被測端之間往返一次產生的相位差，再根據激光的調制波長換算出這一相位差所代表的距離。圖4.43相位激光測距原理圖4.4激光傳感器4.4.3相關應用及研究現狀1.激光測距隨著激光技術的發(fā)展，激光傳感器逐漸普及向工業(yè)和民用領域，國外的代表性企業(yè)有：美國Bushnell公司在1996年成功研制的400型LD激光測距機，測量距離可達400m，后續(xù)又研發(fā)了BUSHNELLPinSeeker1500型激光測距儀。美國圖雅得Trueyard是世界領先的測量系統與設備的開發(fā)生產和銷售商。激光測距望遠鏡產品是圖雅得集團10大重要產品之一，圖雅得激光測距望遠鏡在業(yè)界以高品質、高精度、易操作而著稱，特別是SP600H測高測角測距三合一測距望遠鏡。國內的科研院所和高校在激光測距領域取得了重大的研究成果，國內相關企業(yè)也在激光測距技術領域取得重大突破，并且產出多款性能優(yōu)秀的便攜式、小型化測距產品。深達威公司推出的手持激光測距儀SW-600A，其測量范圍在3m~600m，更換高倍光學鏡頭后，其量程最大可達1500m，該類激光測距儀通常被用于電力檢修、建筑測量、地質勘探等領域。4.4激光傳感器4.4.3相關應用及研究現狀2.激光測振

激光多普勒測振儀是利用激光多普勒效應對物體振動進行測量的一種測量儀器，與傳統的加速度計等傳感器相比具有可以遠距離測量，非侵入性，空間分辨率高，測量時間短，響應頻帶寬，速度分辨率高等優(yōu)點。其物理原理在于從運動物體反射回來的反射光會帶有運動著的物體本身的振動特性，即多普勒頻移。激光多普勒測振原理就是基于測量從物體表面微小區(qū)域反射回的相干激光光波的多普勒頻率，進而可以確定該測點的振動速度，公式為：4.4激光傳感器4.4.3相關應用及研究現狀2.激光測振基于上述光學基本理論，激光多普勒測振儀的典型光路如圖所示。激光多普勒測振儀自研發(fā)后逐漸成為傳統接觸式振動傳感器的有效替代品，被廣泛應用于農業(yè)和結構健康監(jiān)測等領域。圖4.49激光多普勒測振儀測振光路圖4.4激光傳感器4.4.3相關應用及研究現狀2.激光測振在農業(yè)的應用：農產品質量評價是種植者、經銷商和消費者都十分重視的一個問題。而在水果的運輸、儲存和銷售過程中，根據質量對其進行分類是很重要的。近年來，國內外已有許多研究人員采用激光多普勒測振儀檢測水果的品質。圖4.50基于激光多普勒測振儀的硬度檢測實驗系統圖4.4激光傳感器4.4.3相關應用及研究現狀2.激光測振在結構監(jiān)測的應用：結構健康和施工安全是土木工程中的重要問題，與人民的安全密切相關，更換基礎設施或部分結構是昂貴的，因此工程師們開發(fā)了各種監(jiān)測技術，以確保這些結構的安全和結構完整性，并減少事故造成的經濟和生命損失。圖4.51測量系統4.4激光傳感器4.4.3相關應用及研究現狀3.激光雷達激光雷達（Lidar）是傳統雷達與激光技術相結合的產物。以微波雷達原理為基礎，將激光束作為新的探測信號，充分發(fā)揮了激光亮度高，具有良好的方向性、單色性和相干性的特點，使激光雷達具備了頻率快、峰值功率高、波長范圍廣、體積小等技術優(yōu)勢。4.4激光傳感器圖4.52激光雷達分類4.4.3相關應用及研究現狀3.激光雷達自動駕駛方面的應用：車輛自動駕駛技術融合了人工智能系統、傳感器、汽車電子系統、網絡計算機等多種技術，是目前汽車技術革命中最為熱點的研究問題，處于科技最前沿。從低端汽車到高端汽車，都配備了激光雷達，多家企業(yè)為自動駕駛車輛開發(fā)了獨特的激光雷達系統。大氣檢測方面的應用：激光雷達作為一種先進的大氣和氣象環(huán)境監(jiān)測儀器，已經在大氣探測和氣象監(jiān)測中廣泛應用于大氣溫度、濕度、風速、能見度、云層高度、城市上空污染物濃度等測量。4.4激光傳感器4.5.1智能化1.集成化隨著微電子工藝和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，集成式微型智能傳感器成為世界范圍內熱點的研究課題，具有巨大的潛在價值和廣闊的應用市場，接近覺傳感器也不例外。利用集成技術，可以在一個傳感器上，使用多種原理實現對障礙物的感知，大大增強接近覺傳感器的精度和可靠性，并且集成化傳感器具有高信噪比、高性能和信號統一等優(yōu)點。圖4.53TMD2636評估套件4.5機器人接近覺感知的未來發(fā)展趨勢4.5.1智能化2.微功耗和無源化隨著低功耗超大規(guī)模集成電路（VLSI）設計技術的發(fā)展，現利用先進電源管理技術可將微型傳感器及低功耗數字信號處理器的功耗控制到極低。微功耗使得收集周圍環(huán)境能量為微型傳感器及其他電子器件供電（即自供能技術）成為可能。圖4.54MT3101接近覺傳感器4.5機器人接近覺感知的未來發(fā)展趨勢4.5.2網絡化1.人機交互

人機交互是一門研究系統與用戶之間的交互關系的學問，指通過計算機輸入、輸出設備，以有效的方式實現人與計算機對話的技術。系統可以是各種各樣的機器，也可以是計算機化的系統和軟件。

人機交互界面通常是指用戶可見的部分，用戶通過人機交互界面與系統交流，并進行操作。小如收音機的播放按鍵，大到飛機上的儀表板，或發(fā)電廠的控制室。4.5機器人接近覺感知的未來發(fā)展趨勢4.5.2網絡化2.主動感知（認知機器人）

人機交互的未來是向人機共存、共生或者共融發(fā)展，隨著人工智能和硬件處理速度的進一步發(fā)展，在今后的信息交互過程中，人類的反應速度可能不能夠滿足機器的處理要求，成為人機交互技術發(fā)展的瓶頸。在此背景下，認知機器人概念被提出，該機器人的特征之一是主動感知，是一種通過有目的的行動（即探索）實現感知的方式，目前許多機器人學研究都對主動感知原理進行了研究，機器學習在主動感知任務中是必不可少的，同樣是當今的一個研究熱門，例如物體姿態(tài)估計或場景識別，這些任務都是基于接近感知完成的。4.5機器人接近覺感知的未來發(fā)展趨勢4.6.1醫(yī)療健康1.護理機器人護理機器人屬于一種特殊類型的合作機器人，直接為接受者提供護理。因此，需要更全面的策略來確保機器人的安全性和合規(guī)性。來自中國的JialeLiang和他的團隊設計的機器人觸覺皮膚與最先進的機器人皮膚相比，建議的皮膚更便宜、更柔軟。圖4.55皮膚貼片的橫截面圖和物理圖4.6機器人接近覺感知的實際應用4.6.1醫(yī)療健康1.護理機器人該皮膚的厚度為13mm，每個展開的皮膚貼片為160mm×160mm的矩形。整個皮膚由四塊總重量為860克的貼片組成。皮膚的所有部分都由柔性材料制成，使皮膚能夠適應不同的曲面。圖4.56護理機器人手臂上安裝了敏感皮膚原理圖4.6機器人接近覺感知的未來發(fā)展趨勢4.6.1醫(yī)療健康1.護理機器人在接觸和轉移階段，敏感皮膚的觸覺信息可用于檢測患者與機械臂之間的相對位置和接觸力，防止患者滑脫和機械臂故障。將敏感皮膚包裹在護理機器人的前臂上，將患者重心的理想位置設置在前臂中部。圖4.57接觸階段可能出現的危險情況4.6機器人接近覺感知的未來發(fā)展趨勢4.6.1醫(yī)療健康1.護理機器人護理機器人的圓柱形手臂上安裝這種皮膚。每個接近覺傳感器陣列上有16個距離傳感器模塊，每個模塊的激光路徑是一個錐角為25的圓錐體。這意味著空間分辨率將隨著距離的增加而增加。相反，由于連接到曲面，傳感器的激光路徑從平行變?yōu)閺较?，并且由于軸向陣列之間的間隔，不可檢測區(qū)域隨著距離的增加而增加。圖4.58皮膚配備了接近傳感器陣列和觸覺傳感器矩陣，安裝在護理機器人的前臂上4.6機器人接近覺感知的未來發(fā)展趨勢4.6.1醫(yī)療健康2.人體健康監(jiān)測的接近覺技術監(jiān)測人體的生命體征對醫(yī)療保健和醫(yī)學診斷非常重要，因為它們包含關于動脈閉塞、心律失常、動脈粥樣硬化、自主神經系統病理、壓力水平和阻塞性睡眠呼吸暫停的寶貴信息。近年來，隨著大多數健身跟蹤器和智能手表提供基于光電容積脈搏波（PPG）的心率監(jiān)測（HRM）功能，用于醫(yī)療應用的可穿戴光學傳感器獲得了發(fā)展勢頭。與傳統的心率監(jiān)護儀相比，光學系統是一體式解決方案，可以輕松集成。4.6機器人接近覺感知的未來發(fā)展趨勢4.6.1醫(yī)療健康2.人體健康監(jiān)測的接近覺技術SAW濾波器接近覺測量系統：振蕩器的諧振頻率根據與胸壁的距離而變化。振蕩器的輸出被送入SAW濾波器的輸入端。如果振蕩器的輸出頻率在SAW濾波器的邊緣范圍內，則通過SAW濾波器的信號幅度也會因呼吸和心跳而改變。圖4.59SAW濾波器的傳感系統框圖4.6機器人接近覺感知的未來發(fā)展趨勢4.6.1醫(yī)療健康2.人體健康監(jiān)測的接近覺技術鎖相環(huán)接近覺感知系統：將鎖相環(huán)（PLL）合成器組合在一起，以防止振蕩頻率偏離范圍，并改善信號質量。與使用SAW濾波器的系統不同，傳感器振蕩器設計為電壓可控。當傳感器振蕩器的頻率由呼吸和心跳頻率調制時，PLL電路應用環(huán)路控制電壓，使振蕩器的頻率與參考頻率匹配，可以對其分析，以找到呼吸和心跳信。4.6機器人接近覺感知的未來發(fā)展趨勢圖4.61PLL接近覺感知系統

4.6.2工業(yè)生產1.工業(yè)機器人安全控制——分布式接近覺傳感器工業(yè)機械手通常與人類工人物理隔離，并安裝在不允許人類進入的專用區(qū)域。此外，由于移動機器人對人類具有固有的危險性，因此，每當工人進入機器人區(qū)域時，適當的監(jiān)控系統都會發(fā)出預防性停車或顯著減速的指令?；趥鞲衅鞯臋C器人主動控制是解決安全問題最有前途的方法之一。其概念是使用能夠感知機器人環(huán)境變化的傳感器（外部感知傳感器，如視覺、力和接近覺傳感器）提供的信息，并相應地動態(tài)調整機器人行為。4.6機器人接近覺感知的未來發(fā)展趨勢4.6.2工業(yè)生產1.工業(yè)機器人安全控制——分布式接近覺傳感器將分布式接近覺傳感器原型部署在機器人上。它使用20個關閉的紅外發(fā)光二極管（LED）傳感器（SharpGP2Y0A02YK型）作為傳感器點。其工作原理基于三角測量，因此輸出電壓與傳感器和障礙物之間的距離成反比。圖4.63ABBIRB140機器人4.6機器人接近覺感知的未來發(fā)展趨勢4.6.2工業(yè)生產1.工業(yè)機器人安全控制——分布式接近覺傳感器連接到ABBIRC5控制器的外部PC還通過適當的模擬驅動器與采集板連接，模擬驅動器以250Hz的頻率采樣信號。通過這種方式，采集的信號可以被外部控制用作輸入。實驗確定了傳感器電壓輸出與障礙物距離之間的非線性特性曲線，適用于20–80cm范圍內的每個傳感器點。圖4.64實驗硬件和軟件設置圖4.6機器人接近覺感知的未來發(fā)展趨勢4.6.2工業(yè)生產1.工業(yè)機器人安全控制——分布式接近覺傳感器通過之前描述優(yōu)化程序，20個傳感器點沿機器人表面分布。首先，考慮了IRB140的網格模型。在機器人的網格表面上選擇了一些在尺寸和可達性方面適合放置點的候選區(qū)域，并確定了每個區(qū)域上的最大允許點位置，總共有254個可能的點位置。圖4.65ABBIRB140和工人假人的三維模型4.6機器人接近覺感知的未來發(fā)展趨勢4.6.2工業(yè)生產1.工業(yè)機器人安全控制——分布式接近覺傳感器檢測概率和代價函數的值被報告為構成分布式傳感器的點的數量的函數，從最小的一個點到最大的254個點。點的數量存在一個閾值，超過該閾值分布式傳感器檢測假人的能力不會顯著增加。圖4.66通過蒙特卡羅模擬計算的成本函數和檢測概率值，與構成分布式接近覺傳感器的點的數量有關4.6機器人接近覺感知的未來發(fā)展趨勢4.6.2工業(yè)生產1.工業(yè)機器人安全控制——分布式接近覺傳感器在第一個實驗中，機器人固定了一個方向參考值，主要任務是將刀尖的位置和方向（根據歐拉角φ、θ和ψ定義）保持在參考值上。第二個實驗與第一個類似，一個人在機器人周圍移動時攜帶一塊卡片作為障礙物。在這個實驗中，主要任務是指定工具尖端的位置和方向，這些位置和方向隨時間變化，遵循笛卡兒空間中的線性路徑。最后一個實驗涉及從工業(yè)角度來看的人力資源信息領域的一項更重要的任務。ABBIRB140任務包括使用特定工具從桌子上的支架上取下螺釘，將螺釘移動到另一張桌子上，然后讓其落入盒子中。4.6機器人接近覺感知的未來發(fā)展趨勢4.6.2工業(yè)生產1.工業(yè)機器人安全控制——分布式接近覺傳感器圖4.67第一次實驗的快照（固定參考）圖4.68從第二個實驗中拍攝的快照圖4.69從第三個實驗中拍攝的快照4.6機器人接近覺感知的未來發(fā)展趨勢4.6.2工業(yè)生產2.工業(yè)機器人安全控制——電容接近檢測一些最先進的傳感工作原理包括紅外輻射（IR）、電感和電容。每種技術都有各自的優(yōu)缺點，與用于測量的物理效應有關。高性能紅外近距離傳感器，盡管它具有360度全方位傳感能力，但由于紅外傳感器依賴反射進行測量，它在光吸收和反射表面方面存在問題。電感式傳感器在檢測應用中很有用，因為它們提供了高精度的測量。而電容式傳感器，它提供了一種廉價、可靠和靈活的方法，可以原型化和實現用于人機交互的傳感器系