工業(yè)機器人的傳感器課件

5.1工業(yè)機器人的感覺系統(tǒng)5.2工業(yè)機器人內(nèi)部傳感器5.3工業(yè)機器人外部傳感器5.4工業(yè)機器人傳感器應(yīng)用2023/1/3機電工程學院1第五章工業(yè)機器人的傳感器5.1工業(yè)機器人的感覺系統(tǒng)2022/12/28機電工程學院2023/1/3機電工程學院25.1

工業(yè)機器人的感覺系統(tǒng)1、工業(yè)機器人感覺系統(tǒng)的基本組成視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺、平衡感覺其他2022/12/28機電工程學院25.1工業(yè)機器人的感覺2023/1/3機電工程學院3工業(yè)機器人的感覺系統(tǒng)包括：傳感器；通過傳感器獲得數(shù)據(jù)的處理。2、工業(yè)機器人常用傳感器的分類機器人傳感器按用途可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。內(nèi)部傳感器裝在操作機上，包括位移、速度、加速度傳感器，是為了檢測機器人操作機內(nèi)部狀態(tài)，在伺服控制系統(tǒng)中作為反饋信號。外部傳感器，如視覺、觸覺、力覺距離等傳感器，是為了檢測作業(yè)對象及環(huán)境與機器人的聯(lián)系。2022/12/28機電工程學院3工業(yè)機器人的感覺系統(tǒng)包括：3、工業(yè)機器人傳感器的要求與選擇一般要求：

精度高、重復性好

穩(wěn)定性和可靠性好

抗干擾能力強

質(zhì)量輕、體積小、安裝方便特定要求：

適應(yīng)加工任務(wù)要求

滿足機器人控制的要求

滿足安全性要求以及其它輔助工作的要求3、工業(yè)機器人傳感器的要求與選擇一般要求：精度高、重復2023/1/3機電工程學院55.2工業(yè)機器人內(nèi)部傳感器1概述內(nèi)部傳感器中，位置傳感器和速度傳感器，是當今機器人反饋控制中不可缺少的元件?，F(xiàn)已有多種傳感器大量生產(chǎn)，但傾斜角傳感器、方位角傳感器及振動傳感器等用作機器人內(nèi)部傳感器的時間不長，其性能尚需進一步改進。2022/12/28機電工程學院55.2工業(yè)機器人內(nèi)部傳感2023/1/3機電工程學院62、內(nèi)部傳感器功能分類1）規(guī)定位置、規(guī)定角度的檢測2）位置、角度測量3）速度、角速度測量4）加速度測量2022/12/28機電工程學院62、內(nèi)部傳感器功能分類2023/1/3機電工程學院72、內(nèi)部傳感器功能分類1）規(guī)定位置、規(guī)定角度的檢測檢測預先規(guī)定的位置或角度，可以用開/關(guān)兩個狀態(tài)值，用于檢測機器人的起始原點、越限位置或確定位置。

1)微型開關(guān)：規(guī)定的位移或力作用到微型開關(guān)的可動部分(稱為執(zhí)行器)時，開關(guān)的電氣觸點斷開或接通。限位開關(guān)通常裝在盒里，以防外力的作用和水、油、塵埃的侵蝕。

2)光電開關(guān)：光電開關(guān)是由LED光源和光敏二極管或光敏晶體管等光敏元件組成，相隔一定距離而構(gòu)成的透光式開關(guān)。當光由基準位置的遮光片通過光源和光敏元件的縫隙時，光射不到光敏元件上，而起到開關(guān)的作用2022/12/28機電工程學院72、內(nèi)部傳感器功能分類2023/1/3機電工程學院82、內(nèi)部傳感器功能分類2）位置、角度測量測量機器人關(guān)節(jié)線位移和角位移的傳感器是機器人位置反饋控制中必不可少的元件。a)電位器b)旋轉(zhuǎn)變壓器c)編碼器2022/12/28機電工程學院82、內(nèi)部傳感器功能分類2023/1/3機電工程學院9關(guān)于電位器電位器可作為直線位移和角位移檢測元件，結(jié)構(gòu)形式如圖。為了保證電位器的線性輸出，應(yīng)保證等效負載電阻遠遠大于電位器總電阻。電位器式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，使用方便，但分辨率不高，且當電刷和電阻之間接觸面磨損或有塵埃附著時會產(chǎn)生噪聲。2022/12/28機電工程學院9關(guān)于電位器為了保證電位器的2023/1/3機電工程學院10關(guān)于旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器由鐵心、兩個定子線圈和兩個轉(zhuǎn)子線圈組成，是測量旋轉(zhuǎn)角度的傳感器。定子和轉(zhuǎn)子由硅鋼片和坡莫合金疊層制成，如圖所示。

在各定子線圈加上交流電壓，轉(zhuǎn)子線圈中由于交鏈磁通的變化產(chǎn)生感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓和勵磁電壓之間相關(guān)聯(lián)的耦合系數(shù)隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角而改變。因此，根據(jù)測得的輸出電壓，就可以知道轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的大小。2022/12/28機電工程學院10關(guān)于旋轉(zhuǎn)變壓器在各定子2023/1/3機電工程學院11

關(guān)于編碼器編碼器輸出表示位移增量的編碼器脈沖信號，并帶有符號。據(jù)檢測原理，編碼器可分為：光學式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，分為增量式編碼器和絕對式編碼器。作為機器人位移傳感器，光電編碼器應(yīng)用最為廣泛。2022/12/28機電工程學院11關(guān)于編碼器2023/1/3機電工程學院122、內(nèi)部傳感器功能分類3）速度、角速度測量速度、角速度測量是驅(qū)動器反饋控制必不可少的環(huán)節(jié)。有時也利用測位移傳感器測量速度及檢測單位采樣時間位移量，但這種方法有其局限性：低速時測量不穩(wěn)定的危險；高速時，只能獲得較低的測量精度。最通用的速度、角速度傳感器是測速發(fā)電機或成為轉(zhuǎn)速表的傳感器、比率發(fā)電機。測量角速度的測速發(fā)電機，可按其構(gòu)造分為直流測速發(fā)電機、交流測速發(fā)電機和感應(yīng)式交流測速發(fā)電機。2022/12/28機電工程學院122、內(nèi)部傳感器功能分類2023/1/3機電工程學院132、內(nèi)部傳感器功能分類4）加速度測量隨著機器人的高速比、高精度化，機器人的振動問題提上日程。為了解決振動問題，有時在機器人的運動手臂等位置安裝加速度傳感器，測量振動加速度，并把它反饋到驅(qū)動器上。

a)應(yīng)變片加速度傳感器

b)伺服加速度傳感器

c)壓電感應(yīng)加速度傳感器

d)其他類型傳感器2022/12/28機電工程學院132、內(nèi)部傳感器功能分類2023/1/3機電工程學院142、內(nèi)部傳感器功能分類4）加速度測量隨著機器人的高速比、高精度化，機器人的振動問題提上日程。為了解決振動問題，有時在機器人的運動手臂等位置安裝加速度傳感器，測量振動加速度，并把它反饋到驅(qū)動器上。

a)應(yīng)變片加速度傳感器

b)伺服加速度傳感器

c)壓電感應(yīng)加速度傳感器

d)其他類型傳感器2022/12/28機電工程學院142、內(nèi)部傳感器功能分類2023/1/3機電工程學院155.3工業(yè)機器人外部傳感器1．概述

為了檢測作業(yè)對象及環(huán)境或機器人與它們的關(guān)系，在機器人上安裝了觸覺傳感器、視覺傳感器、力覺傳感器、接近覺傳感器、超聲波傳感器和聽覺傳感器，大大改善了機器人工作狀況，使其能夠更充分地完成復雜的工作。由于外部傳感器為集多種學科于一身的產(chǎn)品，有些方面還在探索之中，隨著外部傳感器的進一步完善，機器人的功能越來越強大，將在許多領(lǐng)域為人類做出更大貢獻。2022/12/28機電工程學院155.3工業(yè)機器人外部傳2023/1/3機電工程學院162．外部傳感器功能分類（1）觸覺傳感器觸覺是接觸、沖擊、壓迫等機械刺激感覺的綜合，觸覺可以用來進行機器人抓取，利用觸覺可進一步感知物體的形狀、軟硬等物理性質(zhì)。一般把檢測感知和外部直接接觸而產(chǎn)生的接觸覺、壓力、觸覺及接近覺的傳感器稱為機器人觸覺傳感器2022/12/28機電工程學院162．外部傳感器功能分類2023/1/3機電工程學院17接觸覺：接觸覺是通過與對象物體彼此接觸而產(chǎn)生的，所以最好使用手指表面高密度分布觸覺傳感器陣列，它柔軟易于變形，可增大接觸面積，并且有一定的強度，便于抓握。接觸覺傳感器可檢測機器人是否接觸目標或環(huán)境，用于尋找物體或感知碰撞。主要有：機械式、彈性式和光纖式等。機械式傳感器：利用觸點的接觸斷開獲取信息，通常采用微動開關(guān)來識別物體的二維輪廓，由于結(jié)構(gòu)關(guān)系無法高密度列陣。2022/12/28機電工程學院17接觸覺：2023/1/3機電工程學院18彈性式傳感器：這類傳感器都由彈性元件、導電觸點和絕緣體構(gòu)成。如采用導電性石墨化碳纖維、氨基甲酸乙酯泡沫、印制電路板和金屬觸點構(gòu)成的傳感器，碳纖維被壓后與金屬觸點接觸，開關(guān)導通。也可由彈性海綿、導電橡膠和金屬觸點構(gòu)成，導電橡膠受壓后，海綿變形，導電橡膠和金屬觸點接觸，開關(guān)導通。也可由金屬和鈹青銅構(gòu)成，被絕緣體覆蓋的青銅箔片被壓后與金屬接觸，觸點閉合。2022/12/28機電工程學院18彈性式傳感器：這類傳感器2023/1/3機電工程學院19光纖傳感器這種傳感器包括由一束光纖構(gòu)成的光纜和一個可變形的反射表面。光通過光纖束投射到可變形的反射材料上，反射光按相反方向通過光纖束返回。如果反射表面是平的，則通過每條光纖所返回的光的強度是相同的。如果反射表面因與物體接觸受力而變形，則反射的光強度不同。用高速光掃描技術(shù)進行處理，即可得到反射表面的受力情況。接觸覺傳感器(a)點式;(b)棒式;(c)緩沖器式;(d)平板式;(e)環(huán)式

2022/12/28機電工程學院19光纖傳感器接觸覺傳感器2023/1/3機電工程學院202)接近覺接近覺是一種粗略的距離感覺，接近覺傳感器的主要作用是在接觸對象之前獲得必要的信息，用來探測在一定距離范圍內(nèi)是否有物體接近、物體的接近距離和對象的表面形狀及傾斜等狀態(tài)，一般用“1”和“0”兩種態(tài)表示。接近覺傳感器

2022/12/28機電工程學院202)接近覺接近覺傳感器2023/1/3機電工程學院21在機器人中，主要用于對物體的抓取和躲避。接近覺一般用非接觸式測量元件，如霍爾效應(yīng)傳感器、電磁式接近開關(guān)和光學接近傳感器。以光學接近傳感器為例，其結(jié)構(gòu)如圖。由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成。發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)過反射被光敏晶體管接收，接收到的光強和傳感器與目標的距離有關(guān)，輸出信號是距離的函數(shù)。紅外信號被調(diào)制成某一特定頻率，可大大提高信噪比2022/12/28機電工程學院21在機器人中，主要用于對物2023/1/3機電工程學院223)滑覺機器人在抓取不知屬性的物體時，其自身應(yīng)能確定最佳握緊力的給定值。當握緊力不夠時，要檢測被握緊物體的滑動，利用該檢測信號，在不損害物體的前提下，考慮最可靠的夾持方法，實現(xiàn)此功能的傳感器稱為滑覺傳感器。

滑覺傳感器有滾動式和球式，還有一種通過振動檢測滑覺的傳感器。物體在傳感器表面上滑動時，和滾輪或環(huán)相接觸，把滑動變成轉(zhuǎn)動。2022/12/28機電工程學院223)滑覺2023/1/3機電工程學院23磁力式滑覺傳感器中，滑動物體引起滾輪滾動，用磁鐵和靜止的磁頭，或用光傳感器進行檢測，這種傳感器只能檢測到一個方向的滑動。球式傳感器用球代替滾輪，可以檢測各個方向的滑動，振動式滑覺傳感器表面伸出的觸針能和物體接觸，物體滾動時，觸針與物體接觸而產(chǎn)生振動，這個振動由壓電傳感器或磁場線圈結(jié)構(gòu)的微小位移計檢測。滾輪式滑覺傳感器如圖所示。2022/12/28機電工程學院23磁力式滑覺傳感器中，滑動測振式滑覺傳感器

常見的滑覺傳感器測振式滑覺傳感器常見的滑覺傳感器柱型滾輪式滑覺傳感器(a)機器人夾持器；(b)傳感器

常見的滑覺傳感器柱型滾輪式滑覺傳感器常見的滑覺傳感器球形滑覺傳感器常見的滑覺傳感器球形滑覺傳感器常見的滑覺傳感器2023/1/3機電工程學院27（2）力覺傳感器力覺是指對機器人的指、肢和關(guān)節(jié)等運動中所受力的感知.主要包括：腕力覺、關(guān)節(jié)力覺和支座力覺等，根據(jù)被測對象的負載，可以把力傳感器分為測力傳感器(單軸力傳感器)、力矩表(單軸力矩傳感器)、手指傳感器(檢測機器人手指作用力的超小型單軸力傳感器)和六軸力覺傳感器。2022/12/28機電工程學院27（2）力覺傳感器2023/1/3機電工程學院28力覺傳感器根據(jù)力的檢測方式不同，可以分為：1)檢測應(yīng)變或應(yīng)力的應(yīng)變片式，應(yīng)變片力覺傳感器被機器人廣泛采用；2)利用壓電效應(yīng)的壓電元件式；3)用位移計測量負載產(chǎn)生的位移的差動變壓器、電容位移計式。在選用力傳感器時，首先要特別注意額定值，其次在機器人通常的力控制中，力的精度意義不大，重要的是分辨率。在機器人上實際安裝使用力覺傳感器時，一定要事先檢查操作區(qū)域，清除障礙物。這對實驗者的人身安全、對保證機器人及外圍設(shè)備不受損害有重要意義。2022/12/28機電工程學院28力覺傳感器根據(jù)力的檢測方Draper的腕力傳感器

常見的力覺傳感器Draper的腕力傳感器常見的力覺傳感器SRI腕力傳感器應(yīng)變片連接方式

SRI腕力傳感器

常見的力覺傳感器SRI腕力傳感器應(yīng)變片連接方式SRI腕力傳感器常見的力覺林純一的腕力傳感器

常見的力覺傳感器林純一的腕力傳感器常見的力覺傳感器圖

5-22非徑向中心對稱三梁腕力傳感器

圖5-22非徑向中心對稱三梁腕力傳感器2023/1/3機電工程學院33（3）距離傳感器

距離傳感器可用于機器人導航和回避障礙物，也可用于機器人空間內(nèi)的物體進行定位及確定其一般形狀特征。目前最常用的測距法有兩種：1)超聲波測距法超聲波是頻率20kHz以上的機械振動波，利用發(fā)射脈沖和接收脈沖的時間間隔推算出距離。超聲波測距法的缺點是波束較寬，其分辨力受到嚴重的限制，因此，主要用于導航和回避障礙物。

2022/12/28機電工程學院33（3）距離傳感器2023/1/3機電工程學院342)激光測距法：激光測距法也可以利用回波法，或者利用激光測距儀，其工作原理如下：氦氖激光器固定在基線上，在基線的一端由反射鏡將激光點射向被測物體，反射鏡固定在電動機軸上，電動機連續(xù)旋轉(zhuǎn)，使激光點穩(wěn)定地對被測目標掃描。由CCD(電荷耦合器件)攝像機接受反射光，采用圖像處理的方法檢測出激光點圖像，并根據(jù)位置坐標及攝像機光學特點計算出激光反射角。利用三角測距原理即可算出反射點的位置。2022/12/28機電工程學院342)激光測距法：激光測2023/1/3機電工程學院35(4)其他外部傳感器

除以上介紹的機器人外部傳感器外，還可根據(jù)機器人特殊用途安裝聽覺傳感器、味覺傳感器及電磁波傳感器，而這些機器人主要用于科學研究、海洋資源探測或食品分析、救火等特殊用途。這些傳感器多數(shù)屬于開發(fā)階段，有待于更進一步完善，以豐富機器人專用功能2022/12/28機電工程學院35(4)其他外部傳感器2023/1/3機電工程學院36(5)傳感器融合系統(tǒng)中使用的傳感器種類和數(shù)量越來越多，每種傳感器都有一定的使用條件和感知范圍，并且又能給出環(huán)境或?qū)ο蟮牟糠只蛘麄€側(cè)面的信息，為了有效地利用這些傳感器信息，需要采用某種形式對傳感器信息進行綜合、融合處理，不同類型信息的多種形式的處理系統(tǒng)就是傳感器融合。傳感器的融合技術(shù)涉及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、知識工程、模糊理論等信息、檢測、控制領(lǐng)域的新理論和新方法。2022/12/28機電工程學院36(5)傳感器融合2023/1/3機電工程學院37傳感器匯集類型有多種，現(xiàn)舉兩種例子。1)競爭性的：在傳感器檢測同一環(huán)境或同一物體的同一性質(zhì)時，傳感器提供的數(shù)據(jù)可能是一致的，也可能是矛盾的。若有矛盾，就需要系統(tǒng)裁決。裁決的方法有多種，如加權(quán)平均法、決策法等。在一個導航系統(tǒng)中，車輛位置的確定可以通過計算法定位系統(tǒng)(利用速度、方向等記錄數(shù)據(jù)進行計算)或陸標(如交叉路口、人行道等參照物)觀測確定。若陸標觀測成功，則用陸標觀測的結(jié)果，并對計算法的值進行修正，否則利用計算法所得的結(jié)果。2022/12/28機電工程學院37傳感器匯集類型有多種，現(xiàn)2023/1/3機電工程學院382)互補性的：傳感器提供不同形式的數(shù)據(jù)。例如，識別三維物體的任務(wù)就說明這種類型的融合。利用彩色攝像機和激光測距儀確定一段階梯道路，彩色攝像機提供圖像(如顏色、特征)，而激光測距儀提供距離信息，兩者融合即可獲得三維信息。

目前，要使多傳感器信息融合體系化尚有困難，而且缺乏理論依據(jù)。多傳感器信息融合的理想目標應(yīng)是人類的感覺、識別、控制體系，但由于對后者尚無一個明確的工程學的闡述，所以機器人傳感器融合體系要具備什么樣的功能尚是一個模糊的概念。相信隨著機器人智能水平的提高，多傳感器信息融合理論和技術(shù)將會逐步完善和系統(tǒng)化。2022/12/28機電工程學院382)互補性的：傳感器提吸塵器自動裝配實驗系統(tǒng)

2023/1/3機電工程學院391.裝配作業(yè)中的應(yīng)用5.4工業(yè)機器人傳感器應(yīng)用吸塵器自動裝配實驗系統(tǒng)2022/12/28機電工程學院392.機器人非接觸式檢測具有視覺系統(tǒng)的機器人進行非接觸式測量

2.機器人非接觸式檢測具有視覺系統(tǒng)的機器人進行非接觸式測量3利用視覺的自主機器人系統(tǒng)日立自主控制機器人工作示意圖

3利用視覺的自主機器人系統(tǒng)日立自主控制機器人工作示意圖

4多感覺智能機器人多感覺智能機器人的組成

4多感覺智能機器人多感覺智能機器人的組成1）.機器人本體機器人本體結(jié)構(gòu)示意圖

1）.機器人本體機器人本體結(jié)構(gòu)示意圖2）.多傳感系統(tǒng)裝有六種傳感器的機械手爪

2）.多傳感系統(tǒng)裝有六種傳感器的機械手爪3）.控制部分控制系統(tǒng)硬件框圖

3）.控制部分控制系統(tǒng)硬件框圖4）.總體布局系統(tǒng)總體布局

4）.總體布局系統(tǒng)總體布局第五章結(jié)束第五章結(jié)束2023/1/3機電工程學院48搬運機器人（WowWeeCorp.）2022/12/28機電工程學院48搬運機器人（WowWe2023/1/3機電工程學院49搬運機器人（WowWeeCorp.）2022/12/28機電工程學院49搬運機器人（WowWe2023/1/3機電工程學院50搬運機器人（WowWeeCorp.）2022/12/28機電工程學院50搬運機器人（WowWe2023/1/3機電工程學院51焊接機器人上海高橋造公司2022/12/28機電工程學院51焊接機器人上海高5.1工業(yè)機器人的感覺系統(tǒng)5.2工業(yè)機器人內(nèi)部傳感器5.3工業(yè)機器人外部傳感器5.4工業(yè)機器人傳感器應(yīng)用2023/1/3機電工程學院52第五章工業(yè)機器人的傳感器5.1工業(yè)機器人的感覺系統(tǒng)2022/12/28機電工程學院2023/1/3機電工程學院535.1

工業(yè)機器人的感覺系統(tǒng)1、工業(yè)機器人感覺系統(tǒng)的基本組成視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺、平衡感覺其他2022/12/28機電工程學院25.1工業(yè)機器人的感覺2023/1/3機電工程學院54工業(yè)機器人的感覺系統(tǒng)包括：傳感器；通過傳感器獲得數(shù)據(jù)的處理。2、工業(yè)機器人常用傳感器的分類機器人傳感器按用途可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。內(nèi)部傳感器裝在操作機上，包括位移、速度、加速度傳感器，是為了檢測機器人操作機內(nèi)部狀態(tài)，在伺服控制系統(tǒng)中作為反饋信號。外部傳感器，如視覺、觸覺、力覺距離等傳感器，是為了檢測作業(yè)對象及環(huán)境與機器人的聯(lián)系。2022/12/28機電工程學院3工業(yè)機器人的感覺系統(tǒng)包括：3、工業(yè)機器人傳感器的要求與選擇一般要求：

精度高、重復性好

穩(wěn)定性和可靠性好

抗干擾能力強

質(zhì)量輕、體積小、安裝方便特定要求：

適應(yīng)加工任務(wù)要求

滿足機器人控制的要求

滿足安全性要求以及其它輔助工作的要求3、工業(yè)機器人傳感器的要求與選擇一般要求：精度高、重復2023/1/3機電工程學院565.2工業(yè)機器人內(nèi)部傳感器1概述內(nèi)部傳感器中，位置傳感器和速度傳感器，是當今機器人反饋控制中不可缺少的元件?，F(xiàn)已有多種傳感器大量生產(chǎn)，但傾斜角傳感器、方位角傳感器及振動傳感器等用作機器人內(nèi)部傳感器的時間不長，其性能尚需進一步改進。2022/12/28機電工程學院55.2工業(yè)機器人內(nèi)部傳感2023/1/3機電工程學院572、內(nèi)部傳感器功能分類1）規(guī)定位置、規(guī)定角度的檢測2）位置、角度測量3）速度、角速度測量4）加速度測量2022/12/28機電工程學院62、內(nèi)部傳感器功能分類2023/1/3機電工程學院582、內(nèi)部傳感器功能分類1）規(guī)定位置、規(guī)定角度的檢測檢測預先規(guī)定的位置或角度，可以用開/關(guān)兩個狀態(tài)值，用于檢測機器人的起始原點、越限位置或確定位置。

1)微型開關(guān)：規(guī)定的位移或力作用到微型開關(guān)的可動部分(稱為執(zhí)行器)時，開關(guān)的電氣觸點斷開或接通。限位開關(guān)通常裝在盒里，以防外力的作用和水、油、塵埃的侵蝕。

2)光電開關(guān)：光電開關(guān)是由LED光源和光敏二極管或光敏晶體管等光敏元件組成，相隔一定距離而構(gòu)成的透光式開關(guān)。當光由基準位置的遮光片通過光源和光敏元件的縫隙時，光射不到光敏元件上，而起到開關(guān)的作用2022/12/28機電工程學院72、內(nèi)部傳感器功能分類2023/1/3機電工程學院592、內(nèi)部傳感器功能分類2）位置、角度測量測量機器人關(guān)節(jié)線位移和角位移的傳感器是機器人位置反饋控制中必不可少的元件。a)電位器b)旋轉(zhuǎn)變壓器c)編碼器2022/12/28機電工程學院82、內(nèi)部傳感器功能分類2023/1/3機電工程學院60關(guān)于電位器電位器可作為直線位移和角位移檢測元件，結(jié)構(gòu)形式如圖。為了保證電位器的線性輸出，應(yīng)保證等效負載電阻遠遠大于電位器總電阻。電位器式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，使用方便，但分辨率不高，且當電刷和電阻之間接觸面磨損或有塵埃附著時會產(chǎn)生噪聲。2022/12/28機電工程學院9關(guān)于電位器為了保證電位器的2023/1/3機電工程學院61關(guān)于旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器由鐵心、兩個定子線圈和兩個轉(zhuǎn)子線圈組成，是測量旋轉(zhuǎn)角度的傳感器。定子和轉(zhuǎn)子由硅鋼片和坡莫合金疊層制成，如圖所示。

在各定子線圈加上交流電壓，轉(zhuǎn)子線圈中由于交鏈磁通的變化產(chǎn)生感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓和勵磁電壓之間相關(guān)聯(lián)的耦合系數(shù)隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角而改變。因此，根據(jù)測得的輸出電壓，就可以知道轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的大小。2022/12/28機電工程學院10關(guān)于旋轉(zhuǎn)變壓器在各定子2023/1/3機電工程學院62

關(guān)于編碼器編碼器輸出表示位移增量的編碼器脈沖信號，并帶有符號。據(jù)檢測原理，編碼器可分為：光學式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，分為增量式編碼器和絕對式編碼器。作為機器人位移傳感器，光電編碼器應(yīng)用最為廣泛。2022/12/28機電工程學院11關(guān)于編碼器2023/1/3機電工程學院632、內(nèi)部傳感器功能分類3）速度、角速度測量速度、角速度測量是驅(qū)動器反饋控制必不可少的環(huán)節(jié)。有時也利用測位移傳感器測量速度及檢測單位采樣時間位移量，但這種方法有其局限性：低速時測量不穩(wěn)定的危險；高速時，只能獲得較低的測量精度。最通用的速度、角速度傳感器是測速發(fā)電機或成為轉(zhuǎn)速表的傳感器、比率發(fā)電機。測量角速度的測速發(fā)電機，可按其構(gòu)造分為直流測速發(fā)電機、交流測速發(fā)電機和感應(yīng)式交流測速發(fā)電機。2022/12/28機電工程學院122、內(nèi)部傳感器功能分類2023/1/3機電工程學院642、內(nèi)部傳感器功能分類4）加速度測量隨著機器人的高速比、高精度化，機器人的振動問題提上日程。為了解決振動問題，有時在機器人的運動手臂等位置安裝加速度傳感器，測量振動加速度，并把它反饋到驅(qū)動器上。

a)應(yīng)變片加速度傳感器

b)伺服加速度傳感器

c)壓電感應(yīng)加速度傳感器

d)其他類型傳感器2022/12/28機電工程學院132、內(nèi)部傳感器功能分類2023/1/3機電工程學院652、內(nèi)部傳感器功能分類4）加速度測量隨著機器人的高速比、高精度化，機器人的振動問題提上日程。為了解決振動問題，有時在機器人的運動手臂等位置安裝加速度傳感器，測量振動加速度，并把它反饋到驅(qū)動器上。

a)應(yīng)變片加速度傳感器

b)伺服加速度傳感器

c)壓電感應(yīng)加速度傳感器

d)其他類型傳感器2022/12/28機電工程學院142、內(nèi)部傳感器功能分類2023/1/3機電工程學院665.3工業(yè)機器人外部傳感器1．概述

為了檢測作業(yè)對象及環(huán)境或機器人與它們的關(guān)系，在機器人上安裝了觸覺傳感器、視覺傳感器、力覺傳感器、接近覺傳感器、超聲波傳感器和聽覺傳感器，大大改善了機器人工作狀況，使其能夠更充分地完成復雜的工作。由于外部傳感器為集多種學科于一身的產(chǎn)品，有些方面還在探索之中，隨著外部傳感器的進一步完善，機器人的功能越來越強大，將在許多領(lǐng)域為人類做出更大貢獻。2022/12/28機電工程學院155.3工業(yè)機器人外部傳2023/1/3機電工程學院672．外部傳感器功能分類（1）觸覺傳感器觸覺是接觸、沖擊、壓迫等機械刺激感覺的綜合，觸覺可以用來進行機器人抓取，利用觸覺可進一步感知物體的形狀、軟硬等物理性質(zhì)。一般把檢測感知和外部直接接觸而產(chǎn)生的接觸覺、壓力、觸覺及接近覺的傳感器稱為機器人觸覺傳感器2022/12/28機電工程學院162．外部傳感器功能分類2023/1/3機電工程學院68接觸覺：接觸覺是通過與對象物體彼此接觸而產(chǎn)生的，所以最好使用手指表面高密度分布觸覺傳感器陣列，它柔軟易于變形，可增大接觸面積，并且有一定的強度，便于抓握。接觸覺傳感器可檢測機器人是否接觸目標或環(huán)境，用于尋找物體或感知碰撞。主要有：機械式、彈性式和光纖式等。機械式傳感器：利用觸點的接觸斷開獲取信息，通常采用微動開關(guān)來識別物體的二維輪廓，由于結(jié)構(gòu)關(guān)系無法高密度列陣。2022/12/28機電工程學院17接觸覺：2023/1/3機電工程學院69彈性式傳感器：這類傳感器都由彈性元件、導電觸點和絕緣體構(gòu)成。如采用導電性石墨化碳纖維、氨基甲酸乙酯泡沫、印制電路板和金屬觸點構(gòu)成的傳感器，碳纖維被壓后與金屬觸點接觸，開關(guān)導通。也可由彈性海綿、導電橡膠和金屬觸點構(gòu)成，導電橡膠受壓后，海綿變形，導電橡膠和金屬觸點接觸，開關(guān)導通。也可由金屬和鈹青銅構(gòu)成，被絕緣體覆蓋的青銅箔片被壓后與金屬接觸，觸點閉合。2022/12/28機電工程學院18彈性式傳感器：這類傳感器2023/1/3機電工程學院70光纖傳感器這種傳感器包括由一束光纖構(gòu)成的光纜和一個可變形的反射表面。光通過光纖束投射到可變形的反射材料上，反射光按相反方向通過光纖束返回。如果反射表面是平的，則通過每條光纖所返回的光的強度是相同的。如果反射表面因與物體接觸受力而變形，則反射的光強度不同。用高速光掃描技術(shù)進行處理，即可得到反射表面的受力情況。接觸覺傳感器(a)點式;(b)棒式;(c)緩沖器式;(d)平板式;(e)環(huán)式

2022/12/28機電工程學院19光纖傳感器接觸覺傳感器2023/1/3機電工程學院712)接近覺接近覺是一種粗略的距離感覺，接近覺傳感器的主要作用是在接觸對象之前獲得必要的信息，用來探測在一定距離范圍內(nèi)是否有物體接近、物體的接近距離和對象的表面形狀及傾斜等狀態(tài)，一般用“1”和“0”兩種態(tài)表示。接近覺傳感器

2022/12/28機電工程學院202)接近覺接近覺傳感器2023/1/3機電工程學院72在機器人中，主要用于對物體的抓取和躲避。接近覺一般用非接觸式測量元件，如霍爾效應(yīng)傳感器、電磁式接近開關(guān)和光學接近傳感器。以光學接近傳感器為例，其結(jié)構(gòu)如圖。由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成。發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)過反射被光敏晶體管接收，接收到的光強和傳感器與目標的距離有關(guān)，輸出信號是距離的函數(shù)。紅外信號被調(diào)制成某一特定頻率，可大大提高信噪比2022/12/28機電工程學院21在機器人中，主要用于對物2023/1/3機電工程學院733)滑覺機器人在抓取不知屬性的物體時，其自身應(yīng)能確定最佳握緊力的給定值。當握緊力不夠時，要檢測被握緊物體的滑動，利用該檢測信號，在不損害物體的前提下，考慮最可靠的夾持方法，實現(xiàn)此功能的傳感器稱為滑覺傳感器。

滑覺傳感器有滾動式和球式，還有一種通過振動檢測滑覺的傳感器。物體在傳感器表面上滑動時，和滾輪或環(huán)相接觸，把滑動變成轉(zhuǎn)動。2022/12/28機電工程學院223)滑覺2023/1/3機電工程學院74磁力式滑覺傳感器中，滑動物體引起滾輪滾動，用磁鐵和靜止的磁頭，或用光傳感器進行檢測，這種傳感器只能檢測到一個方向的滑動。球式傳感器用球代替滾輪，可以檢測各個方向的滑動，振動式滑覺傳感器表面伸出的觸針能和物體接觸，物體滾動時，觸針與物體接觸而產(chǎn)生振動，這個振動由壓電傳感器或磁場線圈結(jié)構(gòu)的微小位移計檢測。滾輪式滑覺傳感器如圖所示。2022/12/28機電工程學院23磁力式滑覺傳感器中，滑動測振式滑覺傳感器

常見的滑覺傳感器測振式滑覺傳感器常見的滑覺傳感器柱型滾輪式滑覺傳感器(a)機器人夾持器；(b)傳感器

常見的滑覺傳感器柱型滾輪式滑覺傳感器常見的滑覺傳感器球形滑覺傳感器常見的滑覺傳感器球形滑覺傳感器常見的滑覺傳感器2023/1/3機電工程學院78（2）力覺傳感器力覺是指對機器人的指、肢和關(guān)節(jié)等運動中所受力的感知.主要包括：腕力覺、關(guān)節(jié)力覺和支座力覺等，根據(jù)被測對象的負載，可以把力傳感器分為測力傳感器(單軸力傳感器)、力矩表(單軸力矩傳感器)、手指傳感器(檢測機器人手指作用力的超小型單軸力傳感器)和六軸力覺傳感器。2022/12/28機電工程學院27（2）力覺傳感器2023/1/3機電工程學院79力覺傳感器根據(jù)力的檢測方式不同，可以分為：1)檢測應(yīng)變或應(yīng)力的應(yīng)變片式，應(yīng)變片力覺傳感器被機器人廣泛采用；2)利用壓電效應(yīng)的壓電元件式；3)用位移計測量負載產(chǎn)生的位移的差動變壓器、電容位移計式。在選用力傳感器時，首先要特別注意額定值，其次在機器人通常的力控制中，力的精度意義不大，重要的是分辨率。在機器人上實際安裝使用力覺傳感器時，一定要事先檢查操作區(qū)域，清除障礙物。這對實驗者的人身安全、對保證機器人及外圍設(shè)備不受損害有重要意義。2022/12/28機電工程學院28力覺傳感器根據(jù)力的檢測方Draper的腕力傳感器

常見的力覺傳感器Draper的腕力傳感器常見的力覺傳感器SRI腕力傳感器應(yīng)變片連接方式

SRI腕力傳感器

常見的力覺傳感器SRI腕力傳感器應(yīng)變片連接方式SRI腕力傳感器常見的力覺林純一的腕力傳感器

常見的力覺傳感器林純一的腕力傳感器常見的力覺傳感器圖

5-22非徑向中心對稱三梁腕力傳感器

圖5-22非徑向中心對稱三梁腕力傳感器2023/1/3機電工程學院84（3）距離傳感器

距離傳感器可用于機器人導航和回避障礙物，也可用于機器人空間內(nèi)的物體進行定位及確定其一般形狀特征。目前最常用的測距法有兩種：1)超聲波測距法超聲波是頻率20kHz以上的機械振動波，利用發(fā)射脈沖和接收脈沖的時間間隔推算出距離。超聲波測距法的缺點是波束較寬，其分辨力受到嚴重的限制，因此，主要用于導航和回避障礙物。

2022/12/28機電工程學院33（3）距離傳感器2023/1/3機電工程學院852)激光測距法：激光測距法也可以利用回波法，或者利用激光測距儀，其工作原理如下：氦氖激光器固定在基線上，在基線的一端由反射鏡將激光點射向被測物體，反射鏡固定在電動機軸上，電動機連續(xù)旋轉(zhuǎn)，使激光點穩(wěn)定地對被測目標掃描。由CCD(電荷耦合器件)攝像機接受反射光，采用圖像處理的方法檢測出激光點圖像，并根據(jù)位置坐標及攝像機光學特點計算出激光反射角。利用三角測距原理即可算出反射點的位置。2022/12/28機電工程學院342)激光測距法：激光測2023/1/3機電工程學院86(4)其他外部傳感器

除以上介紹的機器人外部傳感器外，還可根據(jù)機器人特殊用途安裝聽覺傳感器、味覺傳感器及電磁波傳感器，而這些機器人主要用于科學研究、海洋資源探測或食品分析、救火等特殊用途。這些傳感器多數(shù)屬于開發(fā)階段，有待于更進一步完善，以豐富機器人專用功能2022/12/28機電工程學院35(4)其他外部傳感器2023/1/3機電工程學院87(5)傳感器融合系統(tǒng)中使用的傳感器種類和數(shù)量越來越多，每種傳感器都有一