机器狗

传感器在机器人中的应用——机器狗1机器狗设计所要实现的基本功能宠物机器人在国外已经有了很大的发展，它们有的可以表演，有的具有丰富的情感及表情，有的甚至可以达到和人类交流的目的。

日本SONY公司的“AIBO”、欧姆龙公司的“宠物猫咪”、三协铝业的“海豹机器人”、松下公司的“宠物精灵”都是宠物机器人的代表。

宠物机器人往往搭载了多种传感器，如加速度计、摄像头、听觉传感器、触觉传感器等等。

在国内，具有表情的宠物机器人基本上还处于研究的初级阶段。

本文的研究对象是机器狗，并为它设计了以下三种功能：（1）当你喊它名字的时候，它会发出叫声；（2）当你对它击掌时，它会向你跑来；（3）当你抚摸它的头时，它会翘起尾巴；（4）当你在它的前面一定距离放一个球时，它会走过去并抱住球。

2系统结构示意图3所用传感器以及其在机器狗中的安装位置（1）听觉传感器为了使机器狗对人类所发出的声音能产生所要求的反应，即当叫它名字时会发出叫声，当击掌时会向你跑来，需要机器狗中含有能感知声音的器件即听觉传感器。

听觉传感器是一种能把声音的大小变化转换成电压大小变化的器件，能进行特定语音识别并收到的信号进行处理，使其主控系统能接收到相应的数字信号。

特定人语音识别方法是将事先指定的人的声音中的每一个字音的特征矩阵存储起来，形成一个标准模板（或叫模板），然后再进行匹配。

它首先要记忆一个或几个语音特征，而且被指定人讲话的内容也必须是事先规定好的有限的几句话。

特定人语音识别系统可以识别讲话的人是否是事先指定的人，讲的是哪一句话。

当外部有声音(比如掌声或碰撞声)的时候，主控系统像实际生物狗的大脑一样，进行识别和判断，然后下令给机器狗的各个执行部分。

机器人听觉传感器的声音采集部分由两只型号相同的传声器构成，其安装位置应从小狗形态学出发，置于机器狗的两只耳朵内部，对于两只传感器，第一只是0入射，第二只是180入射，这样，机器人就能够通过不对称的入射条件，来区分左右声源。

因此，采用“背靠背式”的安装方式比较适宜。

（2）触觉传感器——仿生皮肤为了实现“抚摸小狗头部，小狗翘尾巴”的功能，在机器狗头顶部安装一片仿生皮肤，以使机器狗能对人类抚摸头部的动作产生反应。

人体皮肤具有接触觉、压觉、滑觉和热觉等多种传感器功能，仿生人体皮肤，是机器人的表层结构具有像人体皮肤那样的多种传感器功能，一直是人们的理想追求。

本设计中拟采用PVDF制成的多功能复合传感器来实现，有极高分子材料聚偏二氟乙烯即PVDF是一种具有压电效应、热释电效应的敏感材料，既有工作温度范围宽、体电阻高、重量轻、柔顺性好、机械强度高、频响宽等特点，很容易用热形成的方法加工成薄膜。

PVDF薄膜厚度只有几十um,具有良好的柔性及压电特性，用普通橡胶制成的有指纹状及有许多小凸点的两种表皮，将其放在PVDF薄膜上形成触觉兼滑觉的复合传感器。

当人的手指在机器狗头部抚摸时，即人手与传感器相对滑动时，指纹或凸点变形，引起诱导振动，发生应力变化，也会使PVDF膜产生电荷。

（3）接近觉传感器——超声波接近觉传感器为了实现“当你在它的前面一定距离放一个球时，它会走过去并抱住球”这一功能，在机器狗头部正前方安装一个接近觉传感器，接近觉传感器是介于触觉和视觉之间的感觉，用于感知一定距离内的场景的情况。

它是一种粗略的距离感觉，主要作用是在接触对象之前获得必要的信息，用来探测在一定距离范围内是否有物体接近、物体的接近距离和对象的表面形状及倾斜等状态，一般用“1”和“0”两种态表示。

在机器人中，主要用于对物体的抓取和躲避。

接近觉一般用非接触式测量元件，如霍尔效应传感器、电磁式接近开关和光学接近传感器。

超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。

利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。

本设计中采用超声波接近觉传感器，其主要器件是超声波换能器，换能器用树脂封装，以防止期间受潮湿或灰尘等环境因素影响，同时同时也能起到声阻抗匹配的作用。

超声波换能器由压电陶瓷构成，是双向的声电器件，它既可以将电能转换为机械能而起到超声波发射器的作用，也可以将机械能转换为电能而起到超声波接收器的作用。

超声波传感器的最大优点是不受环境因素如背景光的影响，也不受物体的材料、物体的表面特性等限制，从而可以促使机器狗能准确判断球的距离和位置，而不受外界环境的干扰产生错误的信号。

4传感器的工作原理和相关的信号处理电路（1）听觉传感器的工作原理和相关信号处理电路机器狗的听觉传感器安装于机器狗耳朵内，共两个。

分别置于左右两耳中，但两个传感器采用“背靠背式”放置方式，可以使机器狗能通过不对称的入射声波，辨别出声波的来源。

机器人狗的听觉传感器由三部分组成：声音采集部分、声音放大部分和声音处理部分，如图4.1所示图4.1 信号处理电路（2）仿生皮肤的工作原理和相关信号处理电路当人手接触到机器狗头部仿生皮肤的表面时，接触阶跃性应力使PVDF 产生电荷，经电荷放大器引出后，输出如图4.2所示的单方向脉冲信号，这种单脉冲信号就是接触觉信号。

当人手相对于传感器表层滑动时，摩擦力变化引起传感器表层的诱导振动改诱导振动使PVDF 产生如图4.3所示的交变信号，这种交替变化的信号就是滑觉信号。

该传感器原理如图4.3所示，它由表层、行PVDF 条、列PVDF 条、绝缘层、下层PVDF 、橡胶基底等组成，成三明治层状结构。

两面镀银的行、列PVDF 用细微切割的方法制成0.7mm 宽的细条，分别粘贴在表层和绝缘层上，行、列PVDF 分别有33根导线（行16+列16，一根公共导线）引出，形成16*16=256个触点，下层PVDF 两面镀银分别用两根导线引出。

若下层PVDF 收到高频激发，就会产生振动并发射超声波，上侧行列PVDF 则产生共振，输出一定幅值的信号。

当传感器接触到物体受压时，受压电极触点的振动幅值将会发生降低。

根据这一机理，经过行列采样和数据处理可以测定人手对传感器的压力大小和相对于传感器表面的滑动量。

从而产生相应的电信号进行后续驱动。

由传感器测量出的接触觉信号和滑觉信号均为幅值较小的模拟信号，且可能含有噪音，故需要经过滤波和模数转换来产生可供主控系统使用的数字信号，要产生可以控制机器狗产生动作的幅值较大的信号，则还需要经过信号放大电路来提高其信号幅度。

图4.2 接触觉传感器图4.3 滑觉信号图4.4 阵列式多功能复合传感器（3）超声波接近觉传感器的工作原理和相关信号处理电路超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射，形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

超声波传感器便是依靠超声波发射器发射一定频率的声波信号，利用超声波接收器接受物体界面上反射和散射的声波信号，并对接受的信号进行分析处理，从而获到障碍物信息。

位于机器狗的头部前面的超声波发射器向前方发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到球就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2。

超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。

由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。

测距的公式表示为：L=C×T式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。

图4.5 超声波接近式传感器5其它功能设想及相应的安装位置为了使机器狗在功能合习惯上更符合生物狗的特性，也为了使其与人类的互动性更强，还可以设计其躲避墙壁、障碍物，受到攻击时发出吼叫，能嗅出主人的气味，电力不足时，自动走到电源插座旁进行充电等功能。

（1）躲避障碍物首先需要判断障碍物的距离和大小形状，可用多个接触觉传感器置于机器狗的头部前方；（2）受到攻击时发出吼叫，需要在机器狗全身各个部位安装压觉传感器，当机器狗受到攻击时，压觉传感器会产生压电效应，从而产生可用于控制的电信号；（3）嗅出主人的气味，需要用到嗅觉传感器，通过安装在机器狗鼻头的嗅觉传感器，可以分析主人发出的气味的气体成分和浓度，主要是通过采用气体传感器来进行有效的辨别，从而分析出气味的化学成分并存储记忆，当再次检测到同样成分和浓度的气体时，即可辨认出气味的发出者是主人；（4）电力不足时，与电源相连的发光二极管变亮，而置于机器狗尾部的光敏电阻会产生作用，经过一定的信号处理后，产生驱动信号控制小狗走向插座进行充电。

6 参考文献[1]日本机器人学会编．宗光华，程实君等译．机器人技术手册【M】北京：科学出版社，2007：pp．1015．1019[2] 王元庆．新型传感器原理及应用．北京：机械工业出版社，2004.4[3]贾伯年等．传感器技术．南京：东南大学出版社，1992[4]孙迪生．机器人控制技术．北京：机械工业出版社，1997[5]唐科，宗光华．熊猫机器人听觉传感器的设计与实现．Research & Development, 2008.10：17-19[6] 蒋海林，贾哲，张国良，张维平．基于ARM9的嵌入式仿人机器人传感器系统设计．现代电子技术，2009.17.304：92-94[7] 苏聪,王荣荣．机器人传感器技术．维普资讯：216-221[8]郭少晶等．仿生六足机器人传感器系统电源管理技术的研究．计算机测量与控制，2008.16：117-120[9]基于CAN总线的仿人机器人传感器系统的设计与实现．Microcomputer Applications V ol.26,No.4,2010：15-17。