第8章-機器人傳感器

1、Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022n 第第8 8章章 傳感器傳感器Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022n 8.1 8.1 引言引言視視 覺覺聽聽 覺覺嗅嗅 覺覺味味 覺覺觸觸 覺覺o 給機器人裝備什么樣的傳感器，對這些傳感器有什么要給機器人裝備什么樣的傳感器，對這些傳感器有什么要求，這是設(shè)計機器人感覺系統(tǒng)時遇到的首要問題。選擇機器求，這是設(shè)計機器人感覺系統(tǒng)時遇到的首要問題。選擇機器人傳感器應(yīng)當(dāng)完全取決于機器人的人傳感器應(yīng)當(dāng)完全取決于機器人的工作需要工作需要和和應(yīng)用特點應(yīng)用特點。多多傳傳感感器器在在移移動動機機器器人人中中的的應(yīng)應(yīng)用用Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/

2、1/2022采用兩級分布式計算采用兩級分布式計算機實時控制系統(tǒng)機實時控制系統(tǒng) 在機器人中，起到內(nèi)部反饋控制作在機器人中，起到內(nèi)部反饋控制作用或感知與外部環(huán)境的相互作用的用或感知與外部環(huán)境的相互作用的裝置被稱為傳感器。裝置被稱為傳感器。靈巧手靈巧手三個手指三個手指3個關(guān)節(jié)個關(guān)節(jié)微電機微電機角度傳感器角度傳感器三維力傳感器三維力傳感器概念：概念：Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022n 8.2 8.2 傳感器分類傳感器分類機器人機器人機器人信息傳感 內(nèi)傳感器是用于測量機器內(nèi)傳感器是用于測量機器人自身狀態(tài)的功能元件。人自身狀態(tài)的功能元件。 測量與機器人作業(yè)有關(guān)的測量與機器人作業(yè)有關(guān)的外部因

3、素。通常與機器人的外部因素。通常與機器人的目標(biāo)識別目標(biāo)識別、作業(yè)安全作業(yè)安全等因素等因素有關(guān)。有關(guān)。Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022傳感器如何選擇？傳感器如何選擇？Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022n 傳感器特性傳感器特性Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/20228.3 8.3 內(nèi)傳感器：內(nèi)傳感器： 內(nèi)傳感器是用于測量機器人自身狀態(tài)的功能元內(nèi)傳感器是用于測量機器人自身狀態(tài)的功能元件。件。 具體檢測的對象有：具體檢測的對象有： 關(guān)節(jié)的線位移、角位移等幾何量；關(guān)節(jié)的線位移、角位移等幾何量； 速度、角速度、加速度等運動量；速度、角速度、加速度等運動量； 傾斜角、方

4、位角、振動等物理量。傾斜角、方位角、振動等物理量。 內(nèi)傳感器常用于控制系統(tǒng)中，用作內(nèi)傳感器常用于控制系統(tǒng)中，用作反饋元件反饋元件，檢測機器人自身的狀態(tài)參數(shù)。檢測機器人自身的狀態(tài)參數(shù)。常用的有：常用的有： Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/20221 1規(guī)定位置檢測的內(nèi)傳感器：規(guī)定位置檢測的內(nèi)傳感器：應(yīng)用場合：應(yīng)用場合： 檢測規(guī)定的位置，常用檢測規(guī)定的位置，常用ON/OFF兩個狀態(tài)值。這兩個狀態(tài)值。這種方法用于檢測機器人的種方法用于檢測機器人的起始原點起始原點、終點位置終點位置或或某某個確定的位置個確定的位置。典型元器件：典型元器件：給定位置檢測常用的檢測元件有給定位置檢測常用的檢測元件有

5、微型開關(guān)、光電開關(guān)微型開關(guān)、光電開關(guān)等。等。1）微型開關(guān)微型開關(guān) 規(guī)定的位移量或力作用在微型開關(guān)的可動部分上，開規(guī)定的位移量或力作用在微型開關(guān)的可動部分上，開關(guān)的電氣觸點斷開（常閉）或接通（常開）并向控制回關(guān)的電氣觸點斷開（常閉）或接通（常開）并向控制回路發(fā)出動作信號。路發(fā)出動作信號。Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022一般在限位開關(guān)的執(zhí)行器上安裝滾輪。一般在限位開關(guān)的執(zhí)行器上安裝滾輪。 限位開關(guān)限位開關(guān)就是用以限定機械設(shè)備的運動極限位就是用以限定機械設(shè)備的運動極限位置的電氣開關(guān)。置的電氣開關(guān)。 這種開關(guān)有這種開關(guān)有接觸式的和非接觸式接觸式的和非接觸式兩種。兩種。 接觸式的比較直觀

6、，機械設(shè)備的運動部件上，接觸式的比較直觀，機械設(shè)備的運動部件上，安裝行程開關(guān)，與其相對運動的固定點上安裝極限安裝行程開關(guān)，與其相對運動的固定點上安裝極限位置的擋塊，或者是相反安裝位置。當(dāng)行程開關(guān)的位置的擋塊，或者是相反安裝位置。當(dāng)行程開關(guān)的機械觸頭碰上擋塊時，切斷了（或改變了）控制電機械觸頭碰上擋塊時，切斷了（或改變了）控制電路，機械就停止運行或改變運行。由于機械的慣性路，機械就停止運行或改變運行。由于機械的慣性運動，這種行程開關(guān)有一定的運動，這種行程開關(guān)有一定的“超行程超行程”以保護開以保護開關(guān)不受損壞。關(guān)不受損壞。 非接觸式的形式很多，常見的有干簧管、光電非接觸式的形式很多，常見的有干簧管

7、、光電式、感應(yīng)式等，這幾種形式在電梯中都能夠見到。式、感應(yīng)式等，這幾種形式在電梯中都能夠見到。當(dāng)然還有更多的先進形式。當(dāng)然還有更多的先進形式。執(zhí)行器形狀不同的限位開關(guān)Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/20222 2）光電開關(guān)）光電開關(guān) 光電開關(guān)是通過把光強度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實光電開關(guān)是通過把光強度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的現(xiàn)控制的。光電開關(guān)在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分。光電開關(guān)在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。 光電開關(guān)的原理光電開關(guān)的原理是根據(jù)投光器發(fā)出的光束是根據(jù)投光器發(fā)出的光束,被物體阻斷或被物體

8、阻斷或部分反射部分反射,受光器最終據(jù)此作出判斷反應(yīng)，啟動開關(guān)作用。受光器最終據(jù)此作出判斷反應(yīng)，啟動開關(guān)作用。 光電開關(guān)的原理光電開關(guān)的原理特點：非接觸性檢特點：非接觸性檢測，精度達測，精度達0.5mm.Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/20222位置、角度測量 測量機器人測量機器人關(guān)節(jié)線位移關(guān)節(jié)線位移和和角位移角位移的傳感器是的傳感器是機器人位置反饋控制中必不可少的元件。常機器人位置反饋控制中必不可少的元件。常用的有用的有電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器、編碼器電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器、編碼器等。其等。其中編碼器既可以檢測直線位移，又可以檢測中編碼器既可以檢測直線位移，又可以檢測角位移。角位移。Roboti

9、cs濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022 1）光電編碼器）光電編碼器： 光電編碼器由光電編碼器由發(fā)光元件、聚光鏡、漏光盤、光欄板、光敏發(fā)光元件、聚光鏡、漏光盤、光欄板、光敏管管等構(gòu)成。燈泡發(fā)出的光線經(jīng)過聚焦后變成平行光束，當(dāng)?shù)葮?gòu)成。燈泡發(fā)出的光線經(jīng)過聚焦后變成平行光束，當(dāng)漏光盤上的條紋與光欄板上的條紋重合時，光敏管便接受漏光盤上的條紋與光欄板上的條紋重合時，光敏管便接受一次光的信號并記數(shù)，由此可以測試旋轉(zhuǎn)速度。一次光的信號并記數(shù)，由此可以測試旋轉(zhuǎn)速度。光電編碼器工作原理圖光電編碼器工作原理圖1-光源光源 2-聚光鏡聚光鏡 3-漏光盤漏光盤 4-光敏管光敏管 5-光攔板光攔板Robotics濟南大學(xué)

10、濟南大學(xué)1/1/2022l2）電位器）電位器 由環(huán)狀或棒狀電阻絲和滑動片（電刷）組成由環(huán)狀或棒狀電阻絲和滑動片（電刷）組成。將線位移或角位移轉(zhuǎn)化。將線位移或角位移轉(zhuǎn)化成電阻的變化，以電壓或電流形式輸出。檢測的是以電阻中心為基準(zhǔn)位成電阻的變化，以電壓或電流形式輸出。檢測的是以電阻中心為基準(zhǔn)位置的移動距離。置的移動距離。 E：輸入電壓輸入電壓 L：觸頭最大移動距離觸頭最大移動距離 X：向：向左端移動的距離左端移動的距離 e：電阻右側(cè)的輸出電壓電阻右側(cè)的輸出電壓EEeL)2(Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022l 3）編碼器）編碼器檢測細微運動，輸出數(shù)字信號檢測細微運動，輸出數(shù)字信號根據(jù)

11、信號輸出形式分為根據(jù)信號輸出形式分為增量式和絕對式增量式和絕對式A 增量式增量式簡單旋轉(zhuǎn)式增量編碼器簡單旋轉(zhuǎn)式增量編碼器簡單直線增量編碼器簡單直線增量編碼器Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022 旋轉(zhuǎn)式增量編碼器旋轉(zhuǎn)式增量編碼器通過內(nèi)部兩個光通過內(nèi)部兩個光敏接收管轉(zhuǎn)化其角度碼盤的敏接收管轉(zhuǎn)化其角度碼盤的時序時序和和相相位位關(guān)系關(guān)系，得到其角度碼盤角度位移量，得到其角度碼盤角度位移量增加（正方向）或減少（負(fù)方向）。增加（正方向）或減少（負(fù)方向）。順時針運動逆時針運動A B1 10 10 01 0A B1 11 00 00 1S2S1S0 S1S0順時針順時針逆時針逆時針S0S0S2S2

12、Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022無法輸出軸轉(zhuǎn)動無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息的絕對位置信息 增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖原理輸出三組方波脈沖A A、B B和和Z Z相；相；A A、B B兩組脈沖相位差兩組脈沖相位差9090，從而可方，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而Z Z相為每轉(zhuǎn)相為每轉(zhuǎn)一個脈沖，用于基準(zhǔn)點定位。一個脈沖，用于基準(zhǔn)點定位。優(yōu)優(yōu)點點原理構(gòu)造簡單原理構(gòu)造簡單壽命長，可靠性高壽命長，可靠性高抗干擾能力強抗干擾能力強缺缺點點Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022B B 絕對式絕對式#格雷碼二

13、進制碼#格雷碼二進制碼00000000060101011010001000170100011120011001081100100030010001191101100140110010010111110105011101011111101011 每個位置都對應(yīng)著透每個位置都對應(yīng)著透光與不透光弧段的惟一確光與不透光弧段的惟一確定組合，這種確定組合有定組合，這種確定組合有惟一的特征。通過這特征，惟一的特征。通過這特征，在任意時刻都可以確定碼在任意時刻都可以確定碼盤的精確位置。盤的精確位置。絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器根據(jù)讀出碼盤上的編碼檢測絕對位置。絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器根據(jù)讀出碼盤上的編碼檢測絕對位置。Roboti

14、cs濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/20223 3）旋轉(zhuǎn)變壓器）旋轉(zhuǎn)變壓器原理：原理：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動引起磁通量旋轉(zhuǎn)，在次級線圈產(chǎn)生變化轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動引起磁通量旋轉(zhuǎn)，在次級線圈產(chǎn)生變化的電壓。從而可以用來測量角位移。的電壓。從而可以用來測量角位移。 旋轉(zhuǎn)變壓器又稱分解器旋轉(zhuǎn)變壓器又稱分解器，是一種控制用的微電機，它將機械轉(zhuǎn)角變是一種控制用的微電機，它將機械轉(zhuǎn)角變換成與該轉(zhuǎn)角呈某一函數(shù)關(guān)系的電信號的一種間接測量裝置換成與該轉(zhuǎn)角呈某一函數(shù)關(guān)系的電信號的一種間接測量裝置。 在結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上與二相線繞式異步電動機相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子繞組為變壓上與二相線繞式異步電動機相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子繞組為變壓器的原邊，轉(zhuǎn)子

15、繞組為變壓器的副邊。激磁電壓接到轉(zhuǎn)子繞組上，感應(yīng)器的原邊，轉(zhuǎn)子繞組為變壓器的副邊。激磁電壓接到轉(zhuǎn)子繞組上，感應(yīng)電動勢由定子繞組輸出。電動勢由定子繞組輸出。 旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)簡單，動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維護方便，輸出信號旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)簡單，動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維護方便，輸出信號幅度大，抗干擾性強，工作可靠。幅度大，抗干擾性強，工作可靠。 Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/20223 、速度傳感器速度傳感器編碼器編碼器原理原理：在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，編碼器的反饋脈沖個數(shù)和系統(tǒng)所在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，編碼器的反饋脈沖個數(shù)和系統(tǒng)所走位置的多少成正比。走位置的多少成正比。對任意給定的角位移，編

16、碼器將產(chǎn)生對任意給定的角位移，編碼器將產(chǎn)生確定數(shù)量的脈沖信號，通過統(tǒng)計指定時間內(nèi)脈沖信號的數(shù)量，確定數(shù)量的脈沖信號，通過統(tǒng)計指定時間內(nèi)脈沖信號的數(shù)量，能計算出相應(yīng)的角速度。能計算出相應(yīng)的角速度。 速度、角速度的測量是驅(qū)動器反饋控制中必不可少的環(huán)速度、角速度的測量是驅(qū)動器反饋控制中必不可少的環(huán)節(jié)?？衫们懊嫠龅奈灰苽鞲衅骰蚓幋a器測量，也可用測節(jié)?？衫们懊嫠龅奈灰苽鞲衅骰蚓幋a器測量，也可用測速發(fā)電機測量。速發(fā)電機測量。Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022 從工作原理上講從工作原理上講,它屬于它屬于“發(fā)電機發(fā)電機”的范疇。測速發(fā)電機的范疇。測速發(fā)電機在控制系統(tǒng)中主要作為在控制系統(tǒng)中

17、主要作為阻尼元件、微分元件、積分元件和測阻尼元件、微分元件、積分元件和測速元件速元件來使用。測速發(fā)電機是一種測量轉(zhuǎn)速的微型發(fā)電機，來使用。測速發(fā)電機是一種測量轉(zhuǎn)速的微型發(fā)電機，它它把輸入的機械轉(zhuǎn)速變換為電壓信號輸出把輸入的機械轉(zhuǎn)速變換為電壓信號輸出，并要求輸出的電，并要求輸出的電壓信號與轉(zhuǎn)速成正比，即壓信號與轉(zhuǎn)速成正比，即 測速發(fā)電機分直流測速發(fā)電機和交流測速發(fā)電機兩大類。測速發(fā)電機分直流測速發(fā)電機和交流測速發(fā)電機兩大類。 測速發(fā)電機測速發(fā)電機Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022 1）直流測速發(fā)電機直流測速發(fā)電機 直流測速發(fā)電機實際就是一種微型直流發(fā)電機直流測速發(fā)電機實際就是一種微

18、型直流發(fā)電機，按定子磁極的勵磁方式，按定子磁極的勵磁方式分為電磁式和永磁式。分為電磁式和永磁式。直流測速發(fā)電機直流測速發(fā)電機的輸出電壓與轉(zhuǎn)速要嚴(yán)格保持正比的輸出電壓與轉(zhuǎn)速要嚴(yán)格保持正比關(guān)系關(guān)系,這在實際中是難以做到的，直流測速發(fā)電機輸出的是一個這在實際中是難以做到的，直流測速發(fā)電機輸出的是一個脈動電壓脈動電壓，其交變分量對速度反饋控制系統(tǒng)、高精度的解算裝置有較明顯的影響。其交變分量對速度反饋控制系統(tǒng)、高精度的解算裝置有較明顯的影響。2）交流測速發(fā)電機交流測速發(fā)電機 交流異步測速發(fā)電機交流異步測速發(fā)電機與交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)相似，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有籠型與交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)相似，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有籠型的，也

19、有杯型的，在自動控制系統(tǒng)中多用的，也有杯型的，在自動控制系統(tǒng)中多用空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機。 交流同步測速發(fā)電機交流同步測速發(fā)電機因感應(yīng)電勢頻率隨轉(zhuǎn)速而變，致使電機本身的阻抗因感應(yīng)電勢頻率隨轉(zhuǎn)速而變，致使電機本身的阻抗及負(fù)載阻抗均隨轉(zhuǎn)速而變化，因此，輸出電壓不再與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。故及負(fù)載阻抗均隨轉(zhuǎn)速而變化，因此，輸出電壓不再與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。故同步測速發(fā)電機應(yīng)用較少。同步測速發(fā)電機應(yīng)用較少。 測速發(fā)電機的作用是將機械速度轉(zhuǎn)換為電氣信號，常用作測速發(fā)電機的作用是將機械速度轉(zhuǎn)換為電氣信號，常用作測速元件、測速元件、校正元件、解算元件校正元件、解算元件，與伺服電機配合，廣泛使

20、用于許多速度控制或位置，與伺服電機配合，廣泛使用于許多速度控制或位置控制系統(tǒng)中，如在穩(wěn)速控制系統(tǒng)中，測速發(fā)電機將速度轉(zhuǎn)換為電壓信號作控制系統(tǒng)中，如在穩(wěn)速控制系統(tǒng)中，測速發(fā)電機將速度轉(zhuǎn)換為電壓信號作為速度反饋信號，可達到較高的穩(wěn)定性和較高的精度，在計算解答裝置中，為速度反饋信號，可達到較高的穩(wěn)定性和較高的精度，在計算解答裝置中，常作為微分、積分元件。常作為微分、積分元件。Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/20228.4 8.4 典型外傳感器典型外傳感器 用來檢測機器人所處環(huán)境（如是什么物體，離物體的距離有用來檢測機器人所處環(huán)境（如是什么物體，離物體的距離有多遠等）及狀況（如抓取的物體是否滑

21、落）的傳感器。多遠等）及狀況（如抓取的物體是否滑落）的傳感器。主要有：主要有：物體識別傳感器、物體探傷傳感器、接近覺傳感器、距離傳感器、物體識別傳感器、物體探傷傳感器、接近覺傳感器、距離傳感器、力覺傳感器，聽覺傳感器等。力覺傳感器，聽覺傳感器等。Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/20228.4.1 8.4.1 外部狀況的感覺外部狀況的感覺 1、物體識別傳感器 典型的是視覺傳感器，如攝像機。視覺是利用典型的是視覺傳感器，如攝像機。視覺是利用 光（機器人可用紅外線等）的非接觸方式。光（機器人可用紅外線等）的非接觸方式。 觸覺也能識別物體。機器人可以用觸覺傳感器觸覺也能識別物體。機器人可以用觸

22、覺傳感器 來實現(xiàn)這種機能。來實現(xiàn)這種機能。 2、物體探測傳感器 物體探測傳感器是一種識別物體而且知道其存在物體探測傳感器是一種識別物體而且知道其存在 的傳感器。例如的傳感器。例如視覺傳感器、光電開關(guān)和超聲波傳感視覺傳感器、光電開關(guān)和超聲波傳感器等器等，即使物體較遠也能探測其存在。，即使物體較遠也能探測其存在。Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/20223、極近物體探測傳感器 探測非常近的物體存在的傳感器稱為探測非常近的物體存在的傳感器稱為接近傳感器接近傳感器。 接近傳感器又稱無觸點接近傳感器，是理想的電子開關(guān)量傳感器。當(dāng)金屬類被檢測體接近傳感器的感應(yīng)區(qū)域，開關(guān)就能在無接觸、無壓力、無火花的

23、情況下迅速發(fā)出電氣指令，準(zhǔn)確反應(yīng)出運動機構(gòu)的位置和行程。即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作頻率、使用壽命、安裝調(diào)整的方便性和對惡劣環(huán)境的適用能力，是一般機械式行程開關(guān)所不能相比的。常用的有： 兩線制接近傳感器：兩線制接近傳感器安裝簡單，接線方便；應(yīng)用比較廣泛，但卻有殘余電壓和漏電流大的缺點。直流三線式接近傳感器的輸出型有NPN和PNP兩種，70年代日本產(chǎn)品絕大多數(shù)是NPN輸出，西歐各國NPN、PNP兩種輸出型都有。 PNP輸出接近傳感器一般應(yīng)用在PLC或計算機上作為控制指令的較多，NPN輸出接近傳感器用于控制直流繼電器較多，在實際應(yīng)用中要根據(jù)控制電路的特性進行選擇其輸出形式。 Robot

24、ics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022帶有帶有RS232數(shù)據(jù)接數(shù)據(jù)接口激光測距傳感器口激光測距傳感器超聲波距離傳感器超聲波距離傳感器紅外線距離傳感器紅外線距離傳感器4 4、距離傳感器、距離傳感器 攝像機距離傳感器。攝像機距離傳感器。 超聲波距離傳感器超聲波距離傳感器。 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波對液體、超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波對液體、固體的穿透能力很大，尤其是在不透光的固體中，它可穿透幾十米的深度。固體的穿透能力很大，尤其是在不透光的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射回波超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)

25、生顯著反射形成反射回波，碰到活動物體能碰到活動物體能產(chǎn)生產(chǎn)生多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。面。以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波?？捎糜隰~群可用于魚群探測、金屬內(nèi)部探傷等方面。探測、金屬內(nèi)部探傷等方面。 激光距離傳感器激光距離傳感器： 利用激光傳輸時間來測量距離的基本原理是，通過測量激光往返目標(biāo)利用激光傳輸時間來測量距離的基本原理是，通過測量激光往返目標(biāo)所需時間來確定目標(biāo)距離。所需時間來確定目標(biāo)距離。Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1

26、/20225. 5. 力覺傳感器力覺傳感器 力覺傳感器使用的主要元件是力覺傳感器使用的主要元件是電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片。 （3）裝在機器人手爪指關(guān)節(jié)（或手指上）的力傳感器，）裝在機器人手爪指關(guān)節(jié)（或手指上）的力傳感器，稱為稱為指力傳感器指力傳感器。 （1）裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動器上的力傳感器，稱為）裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動器上的力傳感器，稱為關(guān)節(jié)力傳感關(guān)節(jié)力傳感 器器。用于控制中的力反饋。用于控制中的力反饋。 （2）裝在末端執(zhí)行器和機器人最后一個關(guān)節(jié)之間的力）裝在末端執(zhí)行器和機器人最后一個關(guān)節(jié)之間的力傳感器，稱為傳感器，稱為腕力傳感器腕力傳感器。Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022 SRI （Stanfo

27、rd Research Institute）研制的）研制的六維腕力傳感器六維腕力傳感器，如圖所示。它由一段直徑為如圖所示。它由一段直徑為75mm的鋁管銑削而成，具有八個窄長的的鋁管銑削而成，具有八個窄長的彈性梁，每個梁的頸部只傳遞力，彈性梁，每個梁的頸部只傳遞力，扭矩作用很小。梁的另一頭貼有應(yīng)扭矩作用很小。梁的另一頭貼有應(yīng)變片。圖中從變片。圖中從Px+到到Qy-代表了代表了8根根應(yīng)變梁的變形信號的輸出。應(yīng)變梁的變形信號的輸出。SRI傳感器傳感器Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022 日本大和制衡株式會社日本大和制衡株式會社林純一研制的林純一研制的腕力傳感器腕力傳感器。它是一種整體輪輻

28、式結(jié)構(gòu)，它是一種整體輪輻式結(jié)構(gòu)，傳感器在十字梁與輪緣聯(lián)結(jié)傳感器在十字梁與輪緣聯(lián)結(jié)處有一個柔性環(huán)節(jié)，在四根處有一個柔性環(huán)節(jié)，在四根交叉梁上共貼有交叉梁上共貼有3232個應(yīng)變片個應(yīng)變片（圖中以小方塊），組成（圖中以小方塊），組成8 8路路全橋輸出全橋輸出 。Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022 非徑向中心對稱三梁腕力傳感器非徑向中心對稱三梁腕力傳感器 傳感器的內(nèi)圈和外圈分別固定于機器傳感器的內(nèi)圈和外圈分別固定于機器人的手臂和手爪，力沿與內(nèi)圈相切的三人的手臂和手爪，力沿與內(nèi)圈相切的三根梁進行傳遞。每根梁上下、左右各貼根梁進行傳遞。每根梁上下、左右各貼一對應(yīng)變片，三根梁上共有一對應(yīng)變片，三

29、根梁上共有6對應(yīng)變片，對應(yīng)變片，分別組成六組半橋，對這分別組成六組半橋，對這6組電橋信號進組電橋信號進行解耦可得到六維力（力矩）的精確解。行解耦可得到六維力（力矩）的精確解。Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/20226 6、其他類型傳感器、其他類型傳感器 語音識別傳感器語音識別傳感器。分析振動聲音探測機械故障的。分析振動聲音探測機械故障的點點傳感器傳感器。 熱傳感器：熱傳感器：溫度傳感器溫度傳感器。 通過分析敲打的聲音通過分析敲打的聲音測定果品成熟程度的傳感器測定果品成熟程度的傳感器。 根據(jù)近紅外線的糖度吸收程度根據(jù)近紅外線的糖度吸收程度測定水果甜度的測定水果甜度的 傳感器傳感器Robo

30、tics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/20228.4.2 8.4.2 機器人需要的感覺能力機器人需要的感覺能力 觸覺能力觸覺能力： 主要指確定工作對象主要指確定工作對象是否存在是否存在，以及它的，以及它的尺寸大小尺寸大小和和形狀形狀等。等。接近覺接近覺能力能力： 主要用于探測機器人自身與周圍物體之間主要用于探測機器人自身與周圍物體之間相對位置相對位置或或距離距離。接近。接近覺界于觸覺與視覺之間。覺界于觸覺與視覺之間。視覺視覺能力能力： 孔、邊、拐角的孔、邊、拐角的檢測檢測及工作對象及工作對象形狀形狀的檢測等。的檢測等。壓覺壓覺能力能力： 主要用于檢測機器人與作業(yè)對象之間接觸面的主要用于檢測機器人與作

31、業(yè)對象之間接觸面的法向壓力值法向壓力值的大小。的大小?；X滑覺能力能力： 主要用于檢測物體因自主要用于檢測物體因自重相對于機器人手爪的重相對于機器人手爪的滑移量滑移量的大小。的大小。Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/20221 1接觸覺傳感器：接觸覺傳感器： 接觸覺傳感器檢測機器人是否接觸覺傳感器檢測機器人是否接觸目標(biāo)或環(huán)境接觸目標(biāo)或環(huán)境，用于尋找物體或感知碰撞。，用于尋找物體或感知碰撞。工作原理：工作原理： 在電極和柔性導(dǎo)體之間留有間隙，當(dāng)施加外力時，受壓部分的柔性導(dǎo)體在電極和柔性導(dǎo)體之間留有間隙，當(dāng)施加外力時，受壓部分的柔性導(dǎo)體和柔性絕緣體發(fā)生變形，利用柔性導(dǎo)體和電極之間的接通狀態(tài)形

32、成接觸覺。和柔性絕緣體發(fā)生變形，利用柔性導(dǎo)體和電極之間的接通狀態(tài)形成接觸覺。8.5 機器人的觸覺機器人的觸覺 一般認(rèn)為觸覺包括一般認(rèn)為觸覺包括接觸覺、壓覺、滑覺接觸覺、壓覺、滑覺、力覺四種，狹義的、力覺四種，狹義的觸覺按字面上來看是指前三種感知接觸的感覺。觸覺按字面上來看是指前三種感知接觸的感覺。Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022外形尺寸十分大外形尺寸十分大空間分辨率低空間分辨率低利用利用陣列陣列這一概這一概念已開發(fā)了許多念已開發(fā)了許多重要的傳感器。重要的傳感器。開關(guān)式觸覺傳感器開關(guān)式觸覺傳感器( 柔性絕緣體柔性絕緣體) ( 柔性導(dǎo)體柔性導(dǎo)體) Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1

33、/1/2022碳氈（碳氈（CSA）靈敏度高，具有較強的耐過載能力。缺點是有靈敏度高，具有較強的耐過載能力。缺點是有遲滯，線性差。遲滯，線性差。 導(dǎo)電橡膠導(dǎo)電橡膠的電阻也會隨壓力的變化而變化，因此也常用來作的電阻也會隨壓力的變化而變化，因此也常用來作為觸覺傳感器的為觸覺傳感器的敏感材料敏感材料。壓阻式陣列觸覺傳感器壓阻式陣列觸覺傳感器碳氈（碳氈（CSA）Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/20222 2壓覺傳感器壓覺傳感器： 壓覺傳感器檢測傳感器面上受到的作用力，壓覺傳感器檢測傳感器面上受到的作用力，它由它由彈性體彈性體及檢測彈性位移的及檢測彈性位移的敏感元件敏感元件構(gòu)成。構(gòu)成。用彈簧支承的

34、平板作為機械手的物體夾持面。用彈簧支承的平板作為機械手的物體夾持面。在平板上加負(fù)載時，平板發(fā)生位移，該位移在平板上加負(fù)載時，平板發(fā)生位移，該位移量由電位器檢測。量由電位器檢測。 如果已知彈簧的剛?cè)绻阎獜椈傻膭傂韵禂?shù)，則可根據(jù)位性系數(shù)，則可根據(jù)位移計的輸出求出力的移計的輸出求出力的大小。大小。 Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022壓覺傳感器圖例：壓覺傳感器圖例：Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/20223. 3. 滑覺傳感器滑覺傳感器 機械手一般采用兩種抓取方式：硬抓取和軟抓取。機械手一般采用兩種抓取方式：硬抓取和軟抓取。硬抓取硬抓取（無感知時采用）（無感知時采用） ：末端執(zhí)

35、行器利用最大的夾緊力抓取工件。：末端執(zhí)行器利用最大的夾緊力抓取工件。軟軟抓取抓取（有滑覺傳感器時采用）：末端執(zhí)行器使夾緊力保持在能穩(wěn)（有滑覺傳感器時采用）：末端執(zhí)行器使夾緊力保持在能穩(wěn)固抓取工件的最小值，以免損傷工件。固抓取工件的最小值，以免損傷工件。采用壓覺傳感器實現(xiàn)滑覺感知采用壓覺傳感器實現(xiàn)滑覺感知檢測垂直加壓方向的檢測垂直加壓方向的力和位移力和位移Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022 滑覺傳感器有滑覺傳感器有滾輪式滾輪式和和球式球式。物體在傳感。物體在傳感器表面上滑動時，和滾輪或球相接觸，把器表面上滑動時，和滾輪或球相接觸，把滑動變成轉(zhuǎn)動?；瑒游矬w引起滾輪的轉(zhuǎn)動，滑動變成轉(zhuǎn)動

36、?；瑒游矬w引起滾輪的轉(zhuǎn)動，用磁鐵和靜止的磁頭進行檢測。用磁鐵和靜止的磁頭進行檢測。Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022它它由一個金屬球和觸針組成由一個金屬球和觸針組成，金屬球表面分成許多個相間排，金屬球表面分成許多個相間排列的導(dǎo)電和絕緣小格。觸針頭很細，每次只能觸及一格。當(dāng)工件列的導(dǎo)電和絕緣小格。觸針頭很細，每次只能觸及一格。當(dāng)工件滑動時，金屬球也隨之轉(zhuǎn)動，在觸針上輸出脈沖信號，脈沖信號滑動時，金屬球也隨之轉(zhuǎn)動，在觸針上輸出脈沖信號，脈沖信號的頻率反映了滑移速度，個數(shù)對應(yīng)滑移的距離。的頻率反映了滑移速度，個數(shù)對應(yīng)滑移的距離。Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022根據(jù)振動原

37、理制成的滑覺傳感器根據(jù)振動原理制成的滑覺傳感器。鋼球指針與被抓物體接觸。鋼球指針與被抓物體接觸。若工件滑動，則指針振動，線圈輸出信號。若工件滑動，則指針振動，線圈輸出信號。Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/20228.6 力和壓力傳感器力和壓力傳感器 壓電晶體：壓電材料受壓后會產(chǎn)生一定電壓。壓電晶體：壓電材料受壓后會產(chǎn)生一定電壓。1.力敏電阻：阻值隨垂直施加在表面的力的增加而力敏電阻：阻值隨垂直施加在表面的力的增加而降低。降低。力敏電阻力敏電阻3.3.應(yīng)變片應(yīng)變片Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/20223.3.應(yīng)變片應(yīng)變片惠斯通電橋惠斯通電橋 壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器采用

38、集成電路工藝技采用集成電路工藝技術(shù)，在硅片上制造出四個等值的薄膜電阻并術(shù)，在硅片上制造出四個等值的薄膜電阻并組成電橋電路，當(dāng)不受力作用時，電橋處于組成電橋電路，當(dāng)不受力作用時，電橋處于平衡狀態(tài)，無電壓輸出平衡狀態(tài)，無電壓輸出;當(dāng)受到壓力作用時，當(dāng)受到壓力作用時，電橋失去平衡而輸出電壓（電橋失去平衡而輸出電壓（AB之間產(chǎn)生微小之間產(chǎn)生微小電位差），且輸出的電壓與壓力成比例。電位差），且輸出的電壓與壓力成比例。 壓力使得圓形金屬筒以及電阻壓力使得圓形金屬筒以及電阻應(yīng)變片變形，從而使電阻應(yīng)變應(yīng)變片變形，從而使電阻應(yīng)變片的電阻值產(chǎn)生變化。片的電阻值產(chǎn)生變化。Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/20

39、228.7 8.7 力矩傳感器力矩傳感器原理：原理： 如果在軸上施加力矩，如果在軸上施加力矩，力矩將在軸上產(chǎn)生兩個方力矩將在軸上產(chǎn)生兩個方向相反的力和兩個方向相反的形變向相反的力和兩個方向相反的形變，兩個力傳感器可，兩個力傳感器可以測出這兩個力，根據(jù)所測力的大小可計算出力矩。以測出這兩個力，根據(jù)所測力的大小可計算出力矩。用六個傳感器用六個傳感器測量三個彼此測量三個彼此獨立的軸上的獨立的軸上的力和力矩力和力矩Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/20228.8 測距儀測距儀 與接近覺傳感器不同，測距儀用于測量較長的距離，它與接近覺傳感器不同，測距儀用于測量較長的距離，它可以探測障礙物和物體表面

40、的形狀，并且用于向系統(tǒng)提供早可以探測障礙物和物體表面的形狀，并且用于向系統(tǒng)提供早期信息。常用的測量方法是期信息。常用的測量方法是三角法三角法和和測量傳輸時間法測量傳輸時間法。三角法：三角法：測量原理如圖所示測量原理如圖所示 測量原理測量原理：僅在發(fā)射器以特定角度發(fā)射光線時，接收器才能：僅在發(fā)射器以特定角度發(fā)射光線時，接收器才能檢測到物體上的光斑，利用發(fā)射角的角度可以計算出距離。檢測到物體上的光斑，利用發(fā)射角的角度可以計算出距離。Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022測量傳輸時間法測量傳輸時間法： 信號傳輸?shù)木嚯x信號傳輸?shù)木嚯x包括包括從發(fā)射器到物體和被物體從發(fā)射器到物體和被物體反射到接

41、收器兩部分。傳反射到接收器兩部分。傳感器與物體之間的距離是感器與物體之間的距離是信號行進距離的一半，知信號行進距離的一半，知道了傳播速度，通過測量道了傳播速度，通過測量信號的往返時間即可計算信號的往返時間即可計算出距離。出距離。Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022超聲波測距儀超聲波測距儀工作原理：工作原理： 發(fā)射器發(fā)射發(fā)射器發(fā)射高頻超聲波脈沖高頻超聲波脈沖，它在介質(zhì)中行進一段，它在介質(zhì)中行進一段距離，遇到障礙物后返回，由接受器接受，發(fā)射器和距離，遇到障礙物后返回，由接受器接受，發(fā)射器和物體之間的距離等于超聲波行進距離的一半，行進距物體之間的距離等于超聲波行進距離的一半，行進距離則等

42、于傳輸時間與聲速的乘積。離則等于傳輸時間與聲速的乘積。特點：特點： 結(jié)構(gòu)堅固、簡單、廉價并且能耗低，但是分辨率和結(jié)構(gòu)堅固、簡單、廉價并且能耗低，但是分辨率和最大工作距離受到限制。最大工作距離受到限制。關(guān)鍵技術(shù)：關(guān)鍵技術(shù)： 時間測量的準(zhǔn)確性，時間測量精度，聲速精度，背時間測量的準(zhǔn)確性，時間測量精度，聲速精度，背景噪聲。景噪聲。Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022光測距儀光測距儀原理原理：基于光（包括激光），采用：基于光（包括激光），采用直接延遲時間測直接延遲時間測量法、間接幅值調(diào)制法和三角法量法、間接幅值調(diào)制法和三角法等方法測量到物體等方法測量到物體的距離。的距離。Robotics濟

43、南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/20228.9 嗅覺傳感器嗅覺傳感器原理：原理： 對特定的氣體敏感，當(dāng)探測到這些氣體時就發(fā)對特定的氣體敏感，當(dāng)探測到這些氣體時就發(fā)出信號。出信號。Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/20228.10 視覺系統(tǒng)視覺系統(tǒng)視覺系統(tǒng)是視覺系統(tǒng)是應(yīng)用在機器應(yīng)用在機器人中最復(fù)雜人中最復(fù)雜的傳感器的傳感器Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022有研究結(jié)果表明，視覺獲得的感知信息占人對外界感知信息有研究結(jié)果表明，視覺獲得的感知信息占人對外界感知信息的的 人類視覺細胞數(shù)量的量級大約為人類視覺細胞數(shù)量的量級大約為108，是聽覺細胞的，是聽覺細胞的300多倍，多倍，是皮膚感覺細胞的

44、是皮膚感覺細胞的100多倍。多倍。Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/20221. 超聲波傳感器超聲波傳感器 超聲波探測原理比較簡單，一般是采用超聲波探測原理比較簡單，一般是采用時差法時差法。 = =tt2 2其中（的函數(shù)）為超聲波波速，為環(huán)境攝氏溫度。其中（的函數(shù)）為超聲波波速，為環(huán)境攝氏溫度。 從廣義上講，也把它算成機器人視覺中的一種。從廣義上講，也把它算成機器人視覺中的一種。超聲波傳感器主要用途：超聲波傳感器主要用途：（1 1）實時地檢測自身所處空間的位置，用以進行自定位；）實時地檢測自身所處空間的位置，用以進行自定位；（2 2）實時地檢測障礙物，為行動決策提供依據(jù)；）實時地檢測障礙

45、物，為行動決策提供依據(jù)；（3 3）檢測目標(biāo)姿態(tài)以及進行簡單形體的識別；）檢測目標(biāo)姿態(tài)以及進行簡單形體的識別；（4 4）用于導(dǎo)航目標(biāo)跟蹤。）用于導(dǎo)航目標(biāo)跟蹤。Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/20222. CCD圖像傳感器圖像傳感器1） CCD（電荷耦合器件：（電荷耦合器件：charge coupled devices）Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022 CCD （電荷耦合器件）的基本結(jié)構(gòu)是一個間隙很小的光敏電（電荷耦合器件）的基本結(jié)構(gòu)是一個間隙很小的光敏電極陣列，即無數(shù)個極陣列，即無數(shù)個CCD單元組成，也稱為像素點（如單元組成，也稱為像素點（如448380）。）。它可以是一

46、維的線陣，也可以是二維的面陣。它可以是一維的線陣，也可以是二維的面陣。 優(yōu)點：優(yōu)點：體積小、質(zhì)量輕、壽命長、抗沖擊、耗電極少，一般體積小、質(zhì)量輕、壽命長、抗沖擊、耗電極少，一般只需幾十毫瓦就可以啟動。只需幾十毫瓦就可以啟動。（1）基本結(jié)構(gòu)）基本結(jié)構(gòu)Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022共共256級灰度，從圖（級灰度，從圖（a）到（）到（f）分辨率依次為）分辨率依次為512512， 256256，128128，6464，3232，1616。（2）圖像處理）圖像處理Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022 從圖（從圖（a）到（）到（f）分辨率為）分辨率為512512，灰度級依次為，灰度級依次為256 ，64，16，8，4，2。b) 灰度變化對圖像的影響灰度變化對圖像的影響Robotics濟南大學(xué)濟南大學(xué)1/1/2022從圖（從圖（a）到（）到（f）依次為：）依次為：