第8章-機器人傳感器

第8章傳感器

傳感器技術是材料學、力學、電學、磁學、微電子學、光學、聲學、化學、生物學、精密機械、仿生學、測量技術、半導體技術、計算機技術、信息處理技術、乃至系統科學、人工智能、自動化技術等眾多學科相互交叉的綜合性高新技術密集型前沿技術。

傳感器技術廣泛應用于航空航天、兵器、信息產業(yè)、機械、電力、能源、交通、冶金、石油、建筑、郵電、生物、醫(yī)學、環(huán)保、材料、災害預測預防、農林漁業(yè)、食品、煙酒制造、建筑、汽車、艦船、機器人、家電、公共安全等領域。2/5/2023

8.1引言視覺聽覺嗅覺味覺觸覺給機器人裝備什么樣的傳感器，對這些傳感器有什么要求，這是設計機器人感覺系統時遇到的首要問題。選擇機器人傳感器應當完全取決于機器人的工作需要和應用特點。多傳感器在移動機器人中的應用2/5/2023采用兩級分布式計算機實時控制系統在機器人中，起到內部反饋控制作用或感知與外部環(huán)境的相互作用的裝置被稱為傳感器。靈巧手三個手指3個關節(jié)微電機角度傳感器三維力傳感器概念：2/5/2023

8.2傳感器分類控制器內部傳感外部傳感機器人機器人信息傳感位置傳感器速度傳感器加速度傳感器力和壓力傳感器力矩傳感器微動開關可見光和紅外傳感器接觸和視覺傳感器接近覺傳感器測距儀嗅覺傳感器視覺傳感器語音識別裝置語音合成器內傳感器是用于測量機器人自身狀態(tài)的功能元件。測量與機器人作業(yè)有關的外部因素。通常與機器人的目標識別、作業(yè)安全等因素有關。2/5/2023旋轉編碼器電位器伺服電機伺服控制器步進電機步進控制器傳感器如何選擇？2/5/2023

傳感器特性？成本尺寸重量輸出的類型接口分辨率靈敏度線性度量程響應時間頻率響應可靠性重復精度精度2/5/20238.3內傳感器：內傳感器是用于測量機器人自身狀態(tài)的功能元件。具體檢測的對象有：關節(jié)的線位移、角位移等幾何量；速度、角速度、加速度等運動量；傾斜角、方位角、振動等物理量。內傳感器常用于控制系統中，用作反饋元件，檢測機器人自身的狀態(tài)參數。常用的有：

2/5/20231．規(guī)定位置檢測的內傳感器：應用場合：

檢測規(guī)定的位置，常用ON/OFF兩個狀態(tài)值。這種方法用于檢測機器人的起始原點、終點位置或某個確定的位置。典型元器件：給定位置檢測常用的檢測元件有微型開關、光電開關等。1）微型開關

規(guī)定的位移量或力作用在微型開關的可動部分上，開關的電氣觸點斷開（常閉）或接通（常開）并向控制回路發(fā)出動作信號。2/5/2023一般在限位開關的執(zhí)行器上安裝滾輪。

限位開關就是用以限定機械設備的運動極限位置的電氣開關。

這種開關有接觸式的和非接觸式兩種。

接觸式的比較直觀，機械設備的運動部件上，安裝行程開關，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。當行程開關的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。由于機械的慣性運動，這種行程開關有一定的“超行程”以保護開關不受損壞。

非接觸式的形式很多，常見的有干簧管、光電式、感應式等，這幾種形式在電梯中都能夠見到。當然還有更多的先進形式。執(zhí)行器形狀不同的限位開關2/5/20232）光電開關

光電開關是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現控制的。光電開關在一般情況下，有三部分構成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。

光電開關的原理是根據投光器發(fā)出的光束,被物體阻斷或部分反射,受光器最終據此作出判斷反應，啟動開關作用。

光電開關的原理特點：非接觸性檢測，精度達0.5mm.2/5/20232．位置、角度測量測量機器人關節(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。常用的有電位器、旋轉變壓器、編碼器等。其中編碼器既可以檢測直線位移，又可以檢測角位移。2/5/20231）光電編碼器：

光電編碼器由發(fā)光元件、聚光鏡、漏光盤、光欄板、光敏管等構成。燈泡發(fā)出的光線經過聚焦后變成平行光束，當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，由此可以測試旋轉速度。光電編碼器工作原理圖1-光源2-聚光鏡3-漏光盤4-光敏管5-光攔板2/5/20232）電位器

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位置的移動距離。

E：輸入電壓

L：觸頭最大移動距離

X：向左端移動的距離

e：電阻右側的輸出電壓2/5/2023

3）編碼器檢測細微運動，輸出數字信號根據信號輸出形式分為增量式和絕對式A

增量式簡單旋轉式增量編碼器簡單直線增量編碼器2/5/2023旋轉式增量編碼器通過內部兩個光敏接收管轉化其角度碼盤的時序和相位關系，得到其角度碼盤角度位移量增加（正方向）或減少（負方向）。順時針運動逆時針運動AB11010010AB11100001S2S1S0S1S0順時針逆時針ABS0S0S2S2順時針逆時針2/5/2023無法輸出軸轉動的絕對位置信息增量式編碼器是直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90o，從而可方便地判斷出旋轉方向，而Z相為每轉一個脈沖，用于基準點定位。優(yōu)點原理構造簡單壽命長，可靠性高抗干擾能力強缺點2/5/2023B絕對式#格雷碼二進制碼#格雷碼二進制碼00000000060101011010001000170100011120011001081100100030010001191101100140110010010111110105011101011111101011每個位置都對應著透光與不透光弧段的惟一確定組合，這種確定組合有惟一的特征。通過這特征，在任意時刻都可以確定碼盤的精確位置。絕對式旋轉編碼器根據讀出碼盤上的編碼檢測絕對位置。2/5/20233）旋轉變壓器原理：轉子轉動引起磁通量旋轉，在次級線圈產生變化的電壓。從而可以用來測量角位移。

旋轉變壓器又稱分解器，是一種控制用的微電機，它將機械轉角變換成與該轉角呈某一函數關系的電信號的一種間接測量裝置。在結構上與二相線繞式異步電動機相似，由定子和轉子組成。定子繞組為變壓器的原邊，轉子繞組為變壓器的副邊。激磁電壓接到轉子繞組上，感應電動勢由定子繞組輸出。

旋轉變壓器結構簡單，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。2/5/20233

、速度傳感器編碼器原理：在閉環(huán)伺服系統中，編碼器的反饋脈沖個數和系統所走位置的多少成正比。對任意給定的角位移，編碼器將產生確定數量的脈沖信號，通過統計指定時間內脈沖信號的數量，能計算出相應的角速度。速度、角速度的測量是驅動器反饋控制中必不可少的環(huán)節(jié)。可利用前面所述的位移傳感器或編碼器測量，也可用測速發(fā)電機測量。2/5/2023從工作原理上講,它屬于“發(fā)電機”的范疇。測速發(fā)電機在控制系統中主要作為阻尼元件、微分元件、積分元件和測速元件來使用。測速發(fā)電機是一種測量轉速的微型發(fā)電機，它把輸入的機械轉速變換為電壓信號輸出，并要求輸出的電壓信號與轉速成正比，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2/5/2023

1）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，按定子磁極的勵磁方式分為電磁式和永磁式。直流測速發(fā)電機的輸出電壓與轉速要嚴格保持正比關系,這在實際中是難以做到的，直流測速發(fā)電機輸出的是一個脈動電壓，其交變分量對速度反饋控制系統、高精度的解算裝置有較明顯的影響。2）交流測速發(fā)電機

交流異步測速發(fā)電機與交流伺服電動機的結構相似，其轉子結構有籠型的，也有杯型的，在自動控制系統中多用空心杯轉子異步測速發(fā)電機。

交流同步測速發(fā)電機因感應電勢頻率隨轉速而變，致使電機本身的阻抗及負載阻抗均隨轉速而變化，因此，輸出電壓不再與轉速成正比關系。故同步測速發(fā)電機應用較少。

測速發(fā)電機的作用是將機械速度轉換為電氣信號，常用作測速元件、校正元件、解算元件，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中，如在穩(wěn)速控制系統中，測速發(fā)電機將速度轉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，常作為微分、積分元件。2/5/20238.4典型外傳感器

用來檢測機器人所處環(huán)境（如是什么物體，離物體的距離有多遠等）及狀況（如抓取的物體是否滑落）的傳感器。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、力覺傳感器，聽覺傳感器等。2/5/20238.4.1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來實現這種機能。

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的傳感器。例如視覺傳感器、光電開關和超聲波傳感器等，即使物體較遠也能探測其存在。2/5/20233、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，是理想的電子開關量傳感器。當金屬類被檢測體接近傳感器的感應區(qū)域，開關就能在無接觸、無壓力、無火花的情況下迅速發(fā)出電氣指令，準確反應出運動機構的位置和行程。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年代日本產品絕大多數是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，在實際應用中要根據控制電路的特性進行選擇其輸出形式。2/5/2023帶有RS232數據接口激光測距傳感器超聲波距離傳感器紅外線距離傳感器4、距離傳感器

攝像機距離傳感器。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、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。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。以超聲波作為檢測手段，必須產生超聲波和接收超聲波。可用于魚群探測、金屬內部探傷等方面。

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所需時間來確定目標距離。2/5/20235.力覺傳感器力覺傳感器使用的主要元件是電阻應變片。（3）裝在機器人手爪指關節(jié)（或手指上）的力傳感器，稱為指力傳感器。通常我們將機器人的力傳感器分為三類：（1）裝在關節(jié)驅動器上的力傳感器，稱為關節(jié)力傳感器。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節(jié)之間的力傳感器，稱為腕力傳感器。2/5/2023

SRI（StanfordResearchInstitute）研制的六維腕力傳感器，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。梁的另一頭貼有應變片。圖中從Px+到Qy-代表了8根應變梁的變形信號的輸出。SRI傳感器2/5/2023日本大和制衡株式會社林純一研制的腕力傳感器。它是一種整體輪輻式結構，傳感器在十字梁與輪緣聯結處有一個柔性環(huán)節(jié)，在四根交叉梁上共貼有32個應變片（圖中以小方塊），組成8路全橋輸出。2/5/2023

非徑向中心對稱三梁腕力傳感器傳感器的內圈和外圈分別固定于機器人的手臂和手爪，力沿與內圈相切的三根梁進行傳遞。每根梁上下、左右各貼一對應變片，三根梁上共有6對應變片，分別組成六組半橋，對這6組電橋信號進行解耦可得到六維力（力矩）的精確解。2/5/20236、其他類型傳感器語音識別傳感器。分析振動聲音探測機械故障的點傳感器。熱傳感器：溫度傳感器。通過分析敲打的聲音測定果品成熟程度的傳感器。根據近紅外線的糖度吸收程度測定水果甜度的傳感器2/5/20238.4.2機器人需要的感覺能力觸覺能力：主要指確定工作對象是否存在，以及它的尺寸大小和形狀等。接近覺能力：主要用于探測機器人自身與周圍物體之間相對位置或距離。接近覺界于觸覺與視覺之間。視覺能力：孔、邊、拐角的檢測及工作對象形狀的檢測等。壓覺能力：主要用于檢測機器人與作業(yè)對象之間接觸面的法向壓力值的大小。滑覺能力：主要用于檢測物體因自重相對于機器人手爪的滑移量的大小。2/5/20231．接觸覺傳感器：

接觸覺傳感器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。工作原理：

在電極和柔性導體之間留有間隙，當施加外力時，受壓部分的柔性導體和柔性絕緣體發(fā)生變形，利用柔性導體和電極之間的接通狀態(tài)形成接觸覺。8.5

機器人的觸覺一般認為觸覺包括接觸覺、壓覺、滑覺、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。2/5/2023特點：外形尺寸十分大空間分辨率低利用陣列這一概念已開發(fā)了許多重要的傳感器。開關式觸覺傳感器(柔性絕緣體)(柔性導體)2/5/2023碳氈（CSA）靈敏度高，具有較強的耐過載能力。缺點是有遲滯，線性差。導電橡膠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敏感材料。壓阻式陣列觸覺傳感器碳氈（CSA）2/5/20232．壓覺傳感器：

壓覺傳感器檢測傳感器面上受到的作用力，它由彈性體及檢測彈性位移的敏感元件構成。用彈簧支承的平板作為機械手的物體夾持面。在平板上加負載時，平板發(fā)生位移，該位移量由電位器檢測。如果已知彈簧的剛性系數，則可根據位移計的輸出求出力的大小。2/5/2023壓覺傳感器圖例：2/5/20233.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。硬抓?。o感知時采用）：末端執(zhí)行器利用最大的夾緊力抓取工件。軟抓?。ㄓ谢X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。采用壓覺傳感器實現滑覺感知檢測垂直加壓方向的力和位移2/5/2023滑覺傳感器有滾輪式和球式。物體在傳感器表面上滑動時，和滾輪或球相接觸，把滑動變成轉動?；瑒游矬w引起滾輪的轉動，用磁鐵和靜止的磁頭進行檢測。2/5/2023它由一個金屬球和觸針組成，金屬球表面分成許多個相間排列的導電和絕緣小格。觸針頭很細，每次只能觸及一格。當工件滑動時，金屬球也隨之轉動，在觸針上輸出脈沖信號，脈沖信號的頻率反映了滑移速度，個數對應滑移的距離。2/5/2023

根據振動原理制成的滑覺傳感器。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。2/5/20238.6

力和壓力傳感器壓電晶體：壓電材料受壓后會產生一定電壓。力敏電阻：阻值隨垂直施加在表面的力的增加而降低。力敏電阻3.應變片2/5/20233.應變片惠斯通電橋

壓阻式壓力傳感器采用集成電路工藝技術，在硅片上制造出四個等值的薄膜電阻并組成電橋電路，當不受力作用時，電橋處于平衡狀態(tài)，無電壓輸出;當受到壓力作用時，電橋失去平衡而輸出電壓（AB之間產生微小電位差），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應變片變形，從而使電阻應變片的電阻值產生變化。2/5/20238.7力矩傳感器原理：如果在軸上施加力矩，力矩將在軸上產生兩個方向相反的力和兩個方向相反的形變，兩個力傳感器可以測出這兩個力，根據所測力的大小可計算出力矩。用六個傳感器測量三個彼此獨立的軸上的力和力矩2/5/20238.8測距儀與接近覺傳感器不同，測距儀用于測量較長的距離，它可以探測障礙物和物體表面的形狀，并且用于向系統提供早期信息。常用的測量方法是三角法和測量傳輸時間法。三角法：測量原理如圖所示

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。2/5/2023測量傳輸時間法：

信號傳輸的距離包括從發(fā)射器到物體和被物體反射到接收器兩部分。傳感器與物體之間的距離是信號行進距離的一半，知道了傳播速度，通過測量信號的往返時間即可計算出距離。2/5/2023超聲波測距儀工作原理：發(fā)射器發(fā)射高頻超聲波脈沖，它在介質中行進一段距離，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，行進距離則等于傳輸時間與聲速的乘積。特點：結構堅固、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。關鍵技術：時間測量的準確性，時間測量精度，聲速精度，背景噪聲。2/5/2023光測距儀原理：基于光（包括激光），采用直接延遲時間測量法、間接幅值調制法和三角法等方法測量到物體的距離。2/5/20238.9嗅覺傳感器原理：對特定的氣體敏感，當探測到這些氣體時就發(fā)出信號。2/5/20238.10

視覺系統視覺系統是應用在機器人中最復雜的傳感器2/5/2023有研究結果表明，視覺獲得的感知信息占人對外界感知信息的80%。人類視覺細胞數量的量級大約為108，是聽覺細胞的300多倍，是皮膚感覺細胞的100多倍。2/5/20231.超聲波傳感器超聲波探測原理比較簡單，一般是采用時差法。

ｄ=ｃΔt／2其中ｃ（Ｔ的函數）為超聲波波速，Ｔ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。超聲波傳感器主要用途：（1）實時地檢測自身所處空間的位置，用以進行自定位；（2）實時地檢測障礙物，為行動決策提供依據；（3）檢測目標姿態(tài)以及進行簡單形體的識別；（4）用于導航目標跟蹤。2/5/20232.CCD圖像傳感器1）CCD（電荷耦合器件：chargecoupleddevices）2/5/2023

CCD（電荷耦合器件）的基本結構是一個間隙很小的光敏電極陣列，即無數個CCD單元組成，也稱為像素點（如448×380）。它可以是一維的線陣，也可以是二維的面陣。優(yōu)點：體積小、質量輕、壽命長、抗沖擊、耗電極少，一般只需幾十毫瓦就可以啟動。（1）基本結構2/5/2023共256級灰度，從圖（a）到（f）分辨率依次為512×512，256×256，128×128，64×64，32×32，16×16。（2）圖像處理a)分辨率變化對圖像的影響2/5/2023從圖（a）到（f）分辨率為512×512，灰度級依次為256，