小編與大家一起了解了機(jī)器人的起源發(fā)展和常見的種類。隨著機(jī)器人越來(lái)越多地參與到我們的生產(chǎn)生活中，它們的“類人”屬性逐漸凸顯，有時(shí)我們甚至產(chǎn)生它們擁有人的感官和思維的錯(cuò)覺(jué)。它們可以靈巧躲避障礙物，甚至能聽會(huì)看可交流，逐漸成為了我們工作生活中不可或缺的伙伴。其實(shí)，機(jī)器人這一系列類人能力的背后離不開日益成熟的感知技術(shù)。今天與大家一起了解下機(jī)器人那些“神奇”的感知技術(shù)。

一、機(jī)器人是什么?你不知道的那些事兒二、形態(tài)各異、功能多樣，機(jī)器人種類知多少?

機(jī)器人感知系統(tǒng)的基礎(chǔ)硬件單元是由不同種類的傳感器構(gòu)成的，它們作為機(jī)器人身上的感覺(jué)器官，充當(dāng)了眼睛、耳朵、鼻子等重要角色。不同類型的傳感器用于收集不同的測(cè)量信息，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理階段，輸送到不同的感知算法，為機(jī)器人后續(xù)的規(guī)劃、控制階段提供支持。

感知技術(shù)是機(jī)器人獲取和理解環(huán)境信息的基礎(chǔ)，它可以給應(yīng)用層帶來(lái)更多可能。一般可分為視覺(jué)感知、聽覺(jué)感知和觸覺(jué)感知等大類。

視覺(jué)感知

機(jī)器人視覺(jué)感知技術(shù)包括硬件傳感器的研發(fā)、軟件算法的研發(fā)等。主流視覺(jué)傳感器系統(tǒng)包括單目、雙目立體、全景、混合等。依據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的傳感器配置，從而得到目標(biāo)視覺(jué)信息的全周期、全覆蓋。

單目視覺(jué)系統(tǒng)僅使用一個(gè)攝像頭，由于三維空間的深度信息在成像過(guò)程中丟失，這種系統(tǒng)無(wú)法直接測(cè)量物體的距離，通常依靠其他技術(shù)或算法間接估計(jì)深度。單目系統(tǒng)的視角取決于攝像頭鏡頭的參數(shù)，通常視角有限，但可以通過(guò)調(diào)整鏡頭來(lái)改變，廣泛應(yīng)用于目標(biāo)跟蹤、室內(nèi)定位導(dǎo)航等不需要非常高精度深度信息的場(chǎng)合。

雙目視覺(jué)系統(tǒng)通過(guò)兩個(gè)攝像頭模仿人眼的體視功能，利用三角測(cè)量原理獲得場(chǎng)景的深度信息，可以比較準(zhǔn)確地恢復(fù)視覺(jué)場(chǎng)景的三維形狀和位置。雙目系統(tǒng)的視角較寬，因?yàn)閮蓚€(gè)攝像頭從不同角度捕獲圖像，有助于深度信息的獲取。用于需要高精度深度信息的應(yīng)用，如移動(dòng)機(jī)器人的定位導(dǎo)航、避障和地圖構(gòu)建。

全景視覺(jué)系統(tǒng)是具有較大水平視場(chǎng)的多方向成像系統(tǒng)，突出的優(yōu)點(diǎn)是有較大的視場(chǎng)，可以達(dá)到360度，全景視覺(jué)系統(tǒng)可以通過(guò)圖像拼接的方法或者通過(guò)折反射光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)，適合需要大范圍監(jiān)測(cè)的應(yīng)用，但本質(zhì)上是一種單目系統(tǒng)，無(wú)法直接獲取深度信息。適用于機(jī)器人導(dǎo)航和某些監(jiān)控任務(wù)，需要大范圍監(jiān)視但不需深度信息的場(chǎng)景。

混合視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)合了多種視覺(jué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，例如單目或雙目視覺(jué)系統(tǒng)與其他傳感器如激光雷達(dá)的結(jié)合，能夠同時(shí)提供寬廣的視場(chǎng)和精確的深度信息。混合系統(tǒng)的視角取決于組合的各個(gè)傳感器，可以實(shí)現(xiàn)廣角監(jiān)測(cè)同時(shí)也能精確測(cè)距?；旌舷到y(tǒng)結(jié)構(gòu)配置復(fù)雜，需要多種傳感器的配合，多用于復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，如自動(dòng)駕駛，既需要廣闊的視野又需精確的障礙物檢測(cè)與測(cè)距。

觸覺(jué)感知

機(jī)器人的觸覺(jué)感知能力是實(shí)現(xiàn)與物體之間柔性交互的重要部分。觸覺(jué)感知技術(shù)是現(xiàn)代機(jī)器人領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)步，它模擬人類的觸覺(jué)，使機(jī)器人能夠更智能地與環(huán)境和人類進(jìn)行交互。觸覺(jué)傳感器根據(jù)其信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)制的不同，可以分為多種類型，每種類型具有不同的工作原理和應(yīng)用場(chǎng)景：

壓阻型傳感器：利用彈性體材料的電阻率隨壓力變化的性質(zhì)制成。當(dāng)外力作用在傳感器上時(shí)，彈性體發(fā)生形變，導(dǎo)致電阻變化，進(jìn)而將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

電容型傳感器：利用兩極板間電容的變化來(lái)檢測(cè)受力信息。當(dāng)外力作用于傳感器時(shí)，兩極板間的相對(duì)位置或介質(zhì)厚度發(fā)生變化，導(dǎo)致電容值變化，通過(guò)檢測(cè)電容變化量來(lái)獲取受力信息。

壓電型傳感器：基于壓電效應(yīng)，當(dāng)受到外力作用時(shí)，材料內(nèi)部發(fā)生電極化現(xiàn)象，從而產(chǎn)生電信號(hào)。常用的壓電材料如鋯鈦酸鉛因其高靈敏度和快速響應(yīng)被廣泛采用。

光電式傳感器：利用光學(xué)原理進(jìn)行工作，通常由光源和光電探測(cè)器構(gòu)成。當(dāng)施加在界面上的壓力發(fā)生變化時(shí)，傳感器敏感元件的反射強(qiáng)度和光源頻率也會(huì)相應(yīng)變化。

磁導(dǎo)式傳感器：在外力作用下磁場(chǎng)發(fā)生變化，并把磁場(chǎng)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以此感受接觸面上的壓力信息。

聽覺(jué)感知

機(jī)器人聽覺(jué)感知的應(yīng)用包括讓機(jī)器人能夠聽懂人說(shuō)的話，此時(shí)需要在機(jī)器人系統(tǒng)上增加聲波傳感器、語(yǔ)音接口，對(duì)應(yīng)的傳感器陣列可以全面向接受聲音信息，解析復(fù)雜的聲波頻率，提取連續(xù)自然語(yǔ)言中單獨(dú)語(yǔ)音和詞匯，結(jié)合自然語(yǔ)言處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)語(yǔ)音交互。自ChatGPT等大語(yǔ)言模型、語(yǔ)音智能、自然語(yǔ)言處理技術(shù)爆發(fā)以來(lái)，服務(wù)型機(jī)器人如引導(dǎo)服務(wù)機(jī)器人、迎賓機(jī)器人、展廳講解機(jī)器人、智能音箱等產(chǎn)品廣受推崇。

當(dāng)然機(jī)器人聽覺(jué)感知，不單單指對(duì)于人類語(yǔ)音的識(shí)別，還包括通過(guò)聲音傳感器對(duì)于一切物體發(fā)出聲音的判斷。相比較機(jī)器人視覺(jué)感知對(duì)于物體判斷的簡(jiǎn)單直接，聽覺(jué)感知確實(shí)是人們一直忽略的領(lǐng)域。

在我們的日常生活場(chǎng)景中，其實(shí)除了用視覺(jué)來(lái)判斷物體的遠(yuǎn)近、顏色和大小之外，我們通常也會(huì)用到聽覺(jué)來(lái)識(shí)別物體的距離遠(yuǎn)近、質(zhì)地，推測(cè)事件的發(fā)生。聲源定位技術(shù)也是機(jī)器人主要的聽覺(jué)感知技術(shù)之一。例如在巡檢任務(wù)中，機(jī)器人的聽覺(jué)感知可以幫助其快速定位到異常聲源，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工業(yè)設(shè)備的噪聲狀態(tài)。

激光雷達(dá)

激光雷達(dá)成像可以簡(jiǎn)單理解為使用激光發(fā)射部件向一定視場(chǎng)角FOV(Field OfView)內(nèi)發(fā)射光線，同時(shí)使用接收部件接收范圍內(nèi)反射回的光線，利用已知和獲取的發(fā)射光線與反射光線的相關(guān)信息，直接計(jì)算或推導(dǎo)出反射點(diǎn)的信息(速度、距離、高度、反射強(qiáng)度等)。

激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)可以分為TOF飛行時(shí)間法與相干探測(cè)法。

飛行時(shí)間(ToF)法：通過(guò)計(jì)算光波發(fā)射與返回的時(shí)間差來(lái)測(cè)量目標(biāo)的距離。

相干探測(cè)法：與ToF直接測(cè)量時(shí)間不同，相干探測(cè)法通過(guò)測(cè)量發(fā)射電磁波與返回電磁波的頻率變化解調(diào)出目標(biāo)的距離及速度。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于其高精度和抗干擾能力，特別適用于需要長(zhǎng)距離和高精度測(cè)量的領(lǐng)域。

FOV即視場(chǎng)角，指激光雷達(dá)能夠探測(cè)到的視場(chǎng)范圍，可以從垂直和水平兩個(gè)維度以角度來(lái)衡量范圍大小。

垂直FOV:常見的車載激光雷達(dá)通常在25°，形狀呈扇形:

水平FOV:常見的機(jī)械式激光雷達(dá)可以達(dá)到360°范圍，通常布置于車頂;常見的車載半固態(tài)激光雷達(dá)通常可以達(dá)到120“范圍，形狀呈扇形，可布置于車身或車頂。

多傳感器融合

在自動(dòng)駕駛、移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用里，當(dāng)機(jī)器人處于未知環(huán)境中，移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃前提是要有精確的自主定位和環(huán)境感知，雖然攝像頭和激光雷達(dá)都可以產(chǎn)生對(duì)環(huán)境進(jìn)行信息感知，同時(shí)配置兩者在一定程度上可以做到信息互補(bǔ)，補(bǔ)完路況中不確定性。

將攝像頭與激光雷達(dá)產(chǎn)生的信息進(jìn)行融合，利用冗余互補(bǔ)的信息形成更全面、更可靠的感知結(jié)果。目前比較常見的多模態(tài)傳感器數(shù)據(jù)融合的方法有如下三種：

1、數(shù)據(jù)級(jí)融合(前融合)：直接將不同模態(tài)的原始數(shù)據(jù)在空間上對(duì)齊后進(jìn)行融合。

2、特征級(jí)融合(深度融合)：分別對(duì)不同模態(tài)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取并在特征空間中將各模態(tài)特征混合在一起。

3、目標(biāo)級(jí)融合(后融合)：在每個(gè)模態(tài)都對(duì)目標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后綜合不同模態(tài)的結(jié)果形成單一的目標(biāo)輸出。這種方法可以當(dāng)成一種集成學(xué)習(xí)方法。

機(jī)器人感知技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)指向更加智能化、綜合化的方向。多模態(tài)感知融合技術(shù)將視覺(jué)、觸覺(jué)、聽覺(jué)等多種感知方式結(jié)合起來(lái)，使機(jī)器人在復(fù)雜多變的環(huán)境中具備更強(qiáng)的適應(yīng)性和決策能力。深度學(xué)習(xí)的應(yīng)用推動(dòng)了感知技術(shù)的快速進(jìn)步，通過(guò)大量的數(shù)據(jù)訓(xùn)練，機(jī)器人可以更準(zhǔn)確地識(shí)別和處理復(fù)雜的感知信息。隨著研究的深入，未來(lái)的機(jī)器人將不僅僅是執(zhí)行命令的工具，而是成為能夠理解人類意圖和情感，與人類協(xié)同作業(yè)的智能伙伴。