什么是仿人傳感器設(shè)計?

?仿人傳感器設(shè)計?是指模仿人類感官系統(tǒng)的傳感器設(shè)計，旨在使傳感器能夠像人類一樣感知和理解周圍環(huán)境。這種設(shè)計理念在多個領(lǐng)域都有應(yīng)用，包括視覺、聽覺、觸覺等。

仿人眼設(shè)計

在視覺方面，仿人眼設(shè)計的傳感器能夠模仿人類視網(wǎng)膜的功能，實現(xiàn)高精度的圖像識別。例如，美國俄勒岡州立大學(xué)研發(fā)的鈣鈦礦型視網(wǎng)膜傳感器能夠在圖像識別、機(jī)器人和人工智能等領(lǐng)域取得重大突破?1。這種傳感器通過模仿人眼的感知能力，提高了圖像處理的精度和效率。

仿人耳設(shè)計

在聽覺方面，仿人耳設(shè)計的傳感器可以模仿人類耳朵對聲音的感知和處理能力。這種設(shè)計可以應(yīng)用于噪聲過濾、語音識別等領(lǐng)域，提高聲音處理的準(zhǔn)確性和魯棒性。

仿人觸覺設(shè)計

在觸覺方面，仿人觸覺設(shè)計的傳感器能夠模仿人類皮膚的觸感，實現(xiàn)對物體的壓力、溫度等感知。這種設(shè)計在機(jī)器人領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，例如人形機(jī)器人中的觸覺傳感器可以通過模擬人類的觸覺，實現(xiàn)更自然的物體交互和操作反饋?2。

仿人嗅覺和味覺設(shè)計

在嗅覺和味覺方面，雖然目前技術(shù)相對不成熟，但也有一些研究嘗試模仿人類的嗅覺和味覺系統(tǒng)。例如，通過電子鼻和電子舌技術(shù)，可以模擬人類對氣味的敏感度和對味道的辨別能力，應(yīng)用于食品安全檢測等領(lǐng)域。

應(yīng)用領(lǐng)域

仿人傳感器設(shè)計在多個領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，包括：

?圖像識別?：用于高精度圖像處理和機(jī)器視覺。

?語音識別?：用于噪聲過濾和自然語言處理。

?機(jī)器人技術(shù)?：用于提高機(jī)器人的環(huán)境感知和交互能力。

?醫(yī)療應(yīng)用?：用于輔助診斷和治療。

?安全檢測?：用于食品安全和環(huán)境監(jiān)測。

DF-1機(jī)器人是我院自主研制的一款仿人機(jī)器人.本文首先對DF-1機(jī)器人總系統(tǒng)進(jìn)行了介紹,然后根據(jù)DF-1機(jī)器人需要實現(xiàn)的功能,設(shè)計DF-1機(jī)器人的傳感器系統(tǒng),然后實現(xiàn)傳感器系統(tǒng)的具體工作電路,利用arm9實現(xiàn)了傳感器系統(tǒng)信息的采集,最后對傳感器系統(tǒng)的效果進(jìn)行了試驗驗證.

1 DF-1仿人機(jī)器人簡介

DF-1機(jī)器人模仿人體外形結(jié)構(gòu),利用舵機(jī)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)人類關(guān)節(jié)的功能,如圖1所示.DF-1身長45 cm,共設(shè)有17個自由度,具體分配為:踝關(guān)節(jié)2×2=4個自由度,膝關(guān)節(jié)2×1=2個自由度,胯關(guān)節(jié)2×2=4個自由度,肩關(guān)節(jié)2×2=4個自由度,肘關(guān)節(jié)2×1=2個自由度,頭部1個自由度.DF-1機(jī)器人內(nèi)部采用arm9微處理器,主要用來完成信息的融合、決策和規(guī)劃等任務(wù).DF-1機(jī)器人已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能有步行、做俯臥撐、上樓梯、打太極拳,這些功能的實現(xiàn)是建立在:DF-1機(jī)器人具有良好機(jī)械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的,通過人工調(diào)試,設(shè)定具體程序完成的.為提高機(jī)器人動作的穩(wěn)定性,實現(xiàn)DF-1機(jī)器人的智能控制,需要對機(jī)器人配置傳感器系統(tǒng),使機(jī)器人能夠感知自身狀態(tài)和外界環(huán)境.

2 傳感器系統(tǒng)設(shè)計

DF-1機(jī)器人的胸腔部位安裝了三個超聲傳感器,分別用來測量機(jī)器人正前、左前和右前方向的障礙物.在該傳感器系統(tǒng)中,采用了arm9微處理器作為信息的采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理和通信單元.由于超聲波傳感器存在多次反射問題,在超聲波相對應(yīng)的位置安裝了三個紅外測距傳感器用來解決這一問題.傳感器系統(tǒng)獲取的信息采用定長字節(jié)格式通過RS 232接口傳送給上位機(jī).傳感器系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示.

2.1 加速度計傳感器

判定機(jī)器人姿態(tài)的傳感器有陀螺儀和加速度計等傳感器,由于陀螺成本較高,而DF-1機(jī)器人在運動變化上較為緩慢,故本文采用了成本較低的加速度計來感知機(jī)器人的姿態(tài).加速度計是物體運動測試中的重要元件,它的輸出與物體的加速度成比例.傳感器系統(tǒng)所采用加速度計的具體型號為AD公司生產(chǎn)的雙軸加速度計ADXL202.ADXL202具有兩種輸出,一種是從XFILT和YFILT引腳輸出模擬信號;另一種是直接從XOUT和YOUT引腳輸出經(jīng)調(diào)制后的DCM信號.在具體使用中,選用了加速度計的DCM信號輸出,這樣就可省去使用模擬信號需要引入的A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),簡化了電路設(shè)計難度.

2.2 超聲傳感器

用來測距的傳感器主要有紅外傳感器、超聲波傳感器、激光測距儀等,為了能在測量距離的同時判斷出物體的大致形狀,應(yīng)設(shè)計成多傳感器測距系統(tǒng).考慮到機(jī)器人的安裝空間以及成本問題,主要選用了超聲波傳感器進(jìn)行距離的測量.

超聲波傳感器主要用來完成機(jī)器人到周圍障礙距離信息的測量,超聲波在測距過程中存在多次反射問題,即超聲波遇到障礙物體時,沒有沿著原路返回發(fā)射接收點,而是經(jīng)過多次反射后才返回發(fā)射接收點,這樣測量到的距離信息不再真實,情況嚴(yán)重時會“丟失”目標(biāo).本文選用DEVANTECH公司生產(chǎn)的SFR05.SFR05的體積小,信號穩(wěn)定,便于在機(jī)器人中安裝,而且SFR05的測量距離為1 cm~4 m,在最小測量距離上可認(rèn)為該傳感器不存在盲區(qū).

2.3 紅外傳感器

為了彌補(bǔ)超聲傳感器在測距中多次反射的問題,在超聲波相對應(yīng)的位置安裝了三個紅外測距傳感器.當(dāng)超聲波傳感器測量的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同方向上紅外傳感器測量的距離時,可以據(jù)此推斷出超聲波已經(jīng)進(jìn)行了多次反射,并用紅外傳感器測量的距離信息來取代超聲波傳感器的信息.本文使用的紅外傳感器為SHARP公司生產(chǎn)的GP2D12,可測距離為10~80 cm.GP2D12加上電源就可工作,輸出電壓為0.3~2.8 V.GP2D12傳感器在測量距離時受外界光強(qiáng)度、物體外表反射率及物體顏色的影響較小.

3 軟件實現(xiàn)

傳感器系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理單元采用arm9微處理器,主要完成以下功能:實現(xiàn)對加速度計的控制和加速度的測量,并根據(jù)加速度值,計算機(jī)器人的傾角;實現(xiàn)對超聲波傳感器的控制,完成距離信息的計算;實現(xiàn)對紅外傳感器的控制,完成距離信息的獲取;對獲得的傾角、超聲波測距和紅外測距數(shù)據(jù),按照規(guī)定的通信協(xié)議發(fā)送給上位機(jī),程序主流程如圖3所示.

程序首先要初始化,主要包括系統(tǒng)時鐘的選擇、管腳的分配、中斷優(yōu)先級、定時器時鐘和工作方式的選定等.在arm9內(nèi)部資源中,具有PCA定時器單元和A/D單元,這些方便了對本傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集.防止超聲波傳感器之間發(fā)生串?dāng)_,對超聲波傳感器采用輪流測量的方式.由于超聲波傳感器的工作周期為50 ms,當(dāng)工作時間少于50 ms時,超聲波傳感器會誤認(rèn)為下次測量發(fā)送超聲波產(chǎn)生的干擾為本次的回波,造成距離測量上的失真,而紅外傳感器建立電壓的時間只需要5 ms,所以在編程上,利用定時器0產(chǎn)生50 ms延遲,依次對3對超聲波傳感器和紅外傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.由于加速度傳感器和紅外、超聲傳感器之間是獨立的,而且數(shù)量只有一個,它的采集過程只依賴于PCA捕捉模塊捕捉到的時刻,所以加速度計信息的采集和預(yù)處理工作可貫穿于150 ms以內(nèi).在完成對傳感器系統(tǒng)的信息采集和預(yù)處理后,還要將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī),為上位機(jī)的決策提供必要的數(shù)據(jù).

4 實驗驗證

4.1 加表實驗

由于當(dāng)機(jī)器人傾斜的時候,重力加速度會在加速度兩軸上產(chǎn)生分量,這時加速度值為Ax=gsin α和Ay=gsinβ.在加速度計水平放置的時候,Ax=gsin α,由于條件的限制,很難使加速度計達(dá)到絕對水平.在α=0附近,sin α變化幅度大,這樣會影響標(biāo)定效果,而在a=π/2附近,sin α變化幅度較小.為了得到較好的加速度計標(biāo)定效果,采用了豎直標(biāo)定的方法,即將PCB電路板用細(xì)線懸掛起來,分別得到g和-g時的值,通過計算就可得到加速度在0g時的值.由于ADXL202的輸出含有高斯白噪聲,應(yīng)用直接采來的數(shù)據(jù)會有較大的誤差,因而需要對采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后再加以應(yīng)用.

通過平均值濾波可降低噪聲的影響,假設(shè)Xi為直接采集來的數(shù)據(jù),Yi為平均值濾波后的數(shù)據(jù),Yi=(∑xi)/n,由概率論知識可知,EYi=EXi,DYi=DXi/n.從中可看出平均值濾波的效果與平均點數(shù)n有關(guān),n越大,濾波效果越好.考慮到機(jī)器人的運動情況,可取n=15,即噪聲的方差變?yōu)樵瓉淼?/15.圖4是DF-1機(jī)器人在運動過程中獲取的傾斜角度值.其中L1表示了機(jī)器人的俯仰角度,L2表示了機(jī)器人的橫滾角度.

由于DF-1仿人機(jī)器人體型較小，運動較為緩慢，在障礙距離測量上，能夠?qū)Ω? m以內(nèi)的障礙就可滿足應(yīng)用要求。在2 m以內(nèi)不同距離上放置平面障礙，利用超聲波和紅外傳感器測量這些距離信息，測得的距離與實際距離如表1所示。

從表中可以看出,超聲波測量距離的誤差在2%以內(nèi),紅外傳感器測量距離的誤差在4%以內(nèi),可以滿足DF-1仿人機(jī)器人的應(yīng)用要求.

傳感器技術(shù)是仿人機(jī)器人研究的關(guān)鍵技術(shù)之一.仿人機(jī)器人之所以能在已知或未知的環(huán)境中完成一定的作業(yè)功能,是因為它能夠通過傳感器感知外部環(huán)境信息和自身狀態(tài),獲得反饋信息,實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制.目前在仿人機(jī)器人中應(yīng)用的傳感器種類繁多,例如視覺傳感器、電子羅盤、加速度計和超聲波傳感器等都是仿人機(jī)器人中常用的傳感器.