實時避障是實現(xiàn)智能化機器人自主工作能力的關(guān)鍵技術(shù)，也是國內(nèi)外智能機器人近期發(fā)展的一個熱點。其顯著特征是具有傳感器信息反饋。目前，為了能在未知環(huán)境下自主地工作，多關(guān)節(jié)機器人應具有感受作業(yè)環(huán)境和規(guī)劃自身動作的能力。而其中的關(guān)鍵問題之一是：在運動過程中如何利用傳感器對環(huán)境的感知。
在機器人運動規(guī)劃過程中傳感器主要為系統(tǒng)提供兩種信息：機器人附近障礙物的存在信息；障礙物與機器人間的距離。近幾年，應用到機器人運動規(guī)劃的傳感器一般分為兩大類：無源式傳感器和有源式傳感器。超聲波傳感器和紅外傳感器作為一種有源式傳感器，
在多關(guān)節(jié)機器人系統(tǒng)實時避障中具有以下應用：
超聲波傳感器
超聲波傳感器是靠發(fā)射某種頻率的聲波信號，利用物體界面上超聲反射，散射檢測物體的存在與否。超聲波在空氣中傳播時如果遇到其它媒介，則因兩種媒質(zhì)的聲阻抗不同而產(chǎn)生反射。因此，向空氣中的被測物體發(fā)射超聲波，檢測反射波并進行分析，從而獲到障礙物的信息。
超聲波傳感器由于信息處理簡單、快速并且價格低，被廣泛用在機器人測距、定位及環(huán)境建模等任務中。但在多關(guān)節(jié)機器人實時避障系統(tǒng)中存在一定的局限性，主要表現(xiàn)在四個方面：
?。?）因為超聲波的波長相對長一些，對于稍大的扁平的障礙物可以發(fā)生鏡面反射，傳感器由于接收不到反射信號，使此障礙物不能被檢測到。
（2）盲區(qū)較大，因為每個超聲換能器既作超聲發(fā)射器又作超聲接收器，因此不能同時發(fā)射超聲和接收超聲。在發(fā)射超聲后必須經(jīng)過一段時間才能處理返回的聲波。如果障礙物距離太近(<30左右)，則傳感器收不到返回的聲波，所以該類傳感器存在測量盲區(qū)。
?。?）表現(xiàn)在探測波束角過大，方向性差，往往只能獲得目標的距離信息，不能準確地提供目標的邊界信息，單一傳感器的穩(wěn)定性不理想等。在實際應用中，往往采用其它傳感器來補償，或采用多傳感器融合技術(shù)提高檢測精度等。
?。?）由于超聲波受環(huán)境溫度，濕度等條件的影響，以及超聲固有的寬波束角，超聲波傳感器在測距時，所測量的值與實際的值的誤差較大。
蛇形多關(guān)節(jié)機器人（資料圖）
紅外傳感器
紅外傳感器，經(jīng)常被國內(nèi)外學者應用在多關(guān)節(jié)機器人避障系統(tǒng)中，用來構(gòu)成大面積機器人“敏感皮膚”。紅外傳感器覆蓋在機器人手臂表面，可以檢測機器人手臂運行過程中的各種物體。傳感器發(fā)出的光的波長大約在幾百納米范圍內(nèi)，是短波長的電磁波。
紅外傳感器具有以下特點：不受電磁波的干擾、非噪聲源、可實現(xiàn)非接觸性測量。另外，紅外線(指中、遠紅外線)不受周圍可見光的影響，故可在晝夜進行測量。
同聲納傳感器相似，紅外傳感器工作處于發(fā)射/接收狀態(tài)。這種傳感器由同一發(fā)射源發(fā)射紅外線，并用兩個光檢測器測量反射回來的光量。由于這些儀器測量光的差異，它們受環(huán)境的影響非常大，物體的顏色、方向、周圍的光線都能導致測量誤差。但由于發(fā)射光線是光而不是聲音，可以希望在相當短的時間內(nèi)獲得較多的紅外傳感器測量值。測距范圍較近，大致為30cm以內(nèi)。
傳感器的選擇
另外，在這一領(lǐng)域?qū)鞲衅鬟M行采購時，需注意的是，任何類型的傳感器都有各自的優(yōu)點和不足，選用時務必要仔細考慮各種因素。傳感器的選擇好壞直接關(guān)系到多關(guān)節(jié)機器人采集周圍環(huán)境信息量的多少，因此目前機器人避障系統(tǒng)選擇傳感器類型和數(shù)量有兩種不同的方法：基于環(huán)境的優(yōu)化原則選擇法和基于任務選擇法。
(1)基于環(huán)境的優(yōu)化原則選擇法：設(shè)計階段的預選擇以及適合環(huán)境和系統(tǒng)狀態(tài)變化的實時選擇，前者給出了恰當?shù)膫鞲衅鲾?shù)量和操作速度之間的關(guān)系，該關(guān)系可決定多傳感器避障系統(tǒng)中傳感器單元的優(yōu)化排列，后者通過貝葉斯方法利用任何先驗的物體信息決定傳感器的定位，使傳感器對障礙物體假設(shè)不確定性最小。
(2)基于任務的選擇法：此方法主要思想是基于避障的任務，將完成該任務的過程按時間及感知范圍劃分為若干段，即將任務分解，根據(jù)每個階段所需的傳感器信息合理地選擇傳感器的種類和數(shù)量。
