工業(yè)機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用課件：工業(yè)機(jī)器人傳感系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人傳感系統(tǒng)4.1工業(yè)機(jī)器人傳感器概述4.2內(nèi)部傳感器4.3外部傳感器4.4傳感器的選型4.5工業(yè)機(jī)器人典型傳感器系統(tǒng)思考題

【重點(diǎn)掌握】

★機(jī)器人傳感器的類型劃分及工業(yè)應(yīng)用

★增量式、絕對(duì)式光電編碼器的原理區(qū)別及其應(yīng)用特點(diǎn)

★觸覺傳感器的分類及應(yīng)用

★接近覺傳感器的分類與應(yīng)用

4.1工業(yè)機(jī)器人傳感器概述

4.1.1工業(yè)機(jī)器人與傳感器傳感器在工業(yè)機(jī)器人構(gòu)成中占據(jù)重要地位。工業(yè)機(jī)器人傳感系統(tǒng)使機(jī)器人能夠與外界進(jìn)行信息交換，是決定工業(yè)機(jī)器人性能水平的關(guān)鍵因素之一。與普遍、大量應(yīng)用的工業(yè)檢測(cè)傳感器相比，工業(yè)機(jī)器人傳感器對(duì)傳感信息的種類和智能化處理的要求更高。無(wú)論是科學(xué)研究還是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，都需要有多種學(xué)科、技術(shù)和工藝作為支撐。

4.1.2工業(yè)機(jī)器人傳感器的分類

工業(yè)機(jī)器人的感覺系統(tǒng)可分為視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺、平衡感覺和其他感覺?？梢詫鞲衅鞯墓δ芘c人類的感覺器官相比擬，光敏傳感器可比為視覺，聲敏傳感器可比為聽覺，氣敏傳感器可比為嗅覺，化學(xué)傳感器可比為味覺，壓敏、溫敏、流體傳感器可比為觸覺。與常用的傳感器相比，人類的感覺能力更優(yōu)越，但也有一些傳感器比人的感覺功能優(yōu)越，例如感知紫外線或紅外線輻射的傳感器，感知電磁場(chǎng)、無(wú)色無(wú)味的氣體的傳感器等。

內(nèi)部傳感器是測(cè)量機(jī)器人自身狀態(tài)的功能元件，具體檢測(cè)的對(duì)象有關(guān)節(jié)的線位移、角位移等幾何量，速度、角速度、加速度等運(yùn)動(dòng)量，還有傾斜角、方位角、振動(dòng)等物理量，即主要用來(lái)采集來(lái)自機(jī)器人內(nèi)部的信息；而外部傳感器則主要用來(lái)采集機(jī)器人和外部環(huán)境以及工作對(duì)象之間相互作用的信息。

內(nèi)部傳感器和外部傳感器是根據(jù)傳感器在系統(tǒng)中的作用來(lái)劃分的，某些傳感器既可當(dāng)作內(nèi)部傳感器使用，又可以當(dāng)作外部傳感器使用。例如力傳感器，用于末端執(zhí)行器或操作臂的自重補(bǔ)償中，是內(nèi)部傳感器；用于測(cè)量操作對(duì)象或障礙物的反作用力時(shí)，是外部傳感器。

4.1.3工業(yè)機(jī)器人對(duì)傳感器的要求

依據(jù)工業(yè)機(jī)器人自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作環(huán)境的特點(diǎn)，通常要求傳感器應(yīng)具備以下4個(gè)特點(diǎn)。

(1)精度高，重復(fù)性好。機(jī)器人傳感器的精度直接影響機(jī)器人的工作質(zhì)量。用于檢測(cè)和控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的傳感器是控制機(jī)器人定位精度的基礎(chǔ)。機(jī)器人是否能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地正常工作，往往取決于傳感器的測(cè)量精度。

(2)穩(wěn)定性好，可靠性高。機(jī)器人傳感器的穩(wěn)定性和可靠性是保證機(jī)器人能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地工作的必要條件。機(jī)器人經(jīng)常是在無(wú)人照管的條件下代替人來(lái)操作，如果它在工作中出現(xiàn)故障，輕者影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，重者造成嚴(yán)重事故。

(3)抗干擾能力強(qiáng)。機(jī)器人傳感器的工作環(huán)境比較惡劣，它應(yīng)當(dāng)能夠承受強(qiáng)電磁干擾、強(qiáng)振動(dòng)，并能夠在一定的高溫、高壓、高污染環(huán)境中正常工作。

(4)重量輕，體積小，安裝方便可靠。對(duì)于安裝在機(jī)器人操作臂等運(yùn)動(dòng)部件上的傳感器，重量要輕，否則會(huì)加大運(yùn)動(dòng)部件的慣性，影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能。對(duì)于工作空間受到某種限制的機(jī)器人，對(duì)體積和安裝方便的要求也是必不可少的。

4.2內(nèi)?部?傳?感?器

4.2.1位置傳感器目前，機(jī)器人系統(tǒng)中使用的位置傳感器一般是編碼器。編碼器是將物理量轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式的設(shè)備。編碼器在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功能是將位置和角度參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。通過使用電接觸、磁效應(yīng)、電容效應(yīng)和光電轉(zhuǎn)換的機(jī)制可以形成各種類型的編碼器。

透射式旋轉(zhuǎn)光電編碼器及其光電轉(zhuǎn)換電路如圖4-1所示。根據(jù)某些編碼規(guī)則形成的遮光和透光部分的組合被雕刻在與測(cè)量軸同心的編碼盤上。在編碼盤的一側(cè)是發(fā)光管，在另一側(cè)是光敏器件。隨著測(cè)量軸的旋轉(zhuǎn)，穿過編碼盤的光束被迫產(chǎn)生間斷。通過光電器件的接收和電子電路的處理，產(chǎn)生特定電信號(hào)的輸出。之后，通過數(shù)字處理來(lái)計(jì)算出位置和速度信息。光電編碼器可根據(jù)角度位置的檢測(cè)方式分為絕對(duì)型編碼器和增量型編碼器。圖4-1旋轉(zhuǎn)光電編碼器工作原理

1.絕對(duì)型光電編碼器

絕對(duì)型光電編碼器具有絕對(duì)位置的記憶裝置，可以測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸或移動(dòng)軸的絕對(duì)位置，因此它已廣泛應(yīng)用于機(jī)器人系統(tǒng)。對(duì)于線性移動(dòng)軸或旋轉(zhuǎn)軸，在確定編碼器的安裝位置后，絕對(duì)參考零位置就確定了。通常，絕對(duì)型光電編碼器的絕對(duì)零位的存儲(chǔ)要依靠不間斷的供電電源。目前，一般使用高效的鋰離子電池進(jìn)行供電。

絕對(duì)型光電編碼器的編碼盤由幾個(gè)同心圓組成，這些同心圓可以稱為碼道，在這些碼道上，沿徑向順序具有各自不同的二進(jìn)制權(quán)值。每個(gè)碼道根據(jù)其權(quán)值分為遮光和投射段，分別表示二進(jìn)制0和1。與碼道個(gè)數(shù)相同的光電器件分別與各自對(duì)應(yīng)的碼道對(duì)準(zhǔn)并沿碼盤的半徑直線排列，可以通過這些光電器件的檢測(cè)結(jié)果來(lái)產(chǎn)生絕對(duì)位置的二進(jìn)制編碼。

用4位絕對(duì)型光電編碼器來(lái)說明旋轉(zhuǎn)式絕對(duì)型光電編碼器的工作原理，如圖4-2所示。圖4-2(a)所示的碼盤使用標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制編碼，其優(yōu)點(diǎn)是可以直接用于絕對(duì)位置換算。但是這種代碼盤很少在實(shí)踐中使用，因?yàn)楫?dāng)編碼器在兩個(gè)位置的邊緣交替或前后擺動(dòng)時(shí)，由于碼盤制作或光電器件排列的誤差會(huì)產(chǎn)生編碼數(shù)據(jù)的大幅跳動(dòng)，導(dǎo)致位置顯示和控制錯(cuò)誤。例如，在位置0111和1000的交叉點(diǎn)處，可能出現(xiàn)諸如1111、1110、1011、0101等數(shù)據(jù)，因此絕對(duì)型光電編碼器通常使用格雷碼循環(huán)二進(jìn)制碼盤，如圖4-2(b)所示。圖4-2絕對(duì)型光電編碼器的碼盤(a)二進(jìn)制碼盤(b)格雷碼盤

在格雷碼盤上，兩個(gè)相鄰數(shù)據(jù)之間只有一個(gè)數(shù)據(jù)變化，因此在測(cè)量過程中沒有大的數(shù)據(jù)跳躍。格雷碼在本質(zhì)上是一種對(duì)二進(jìn)制的加密處理，其每位不再具有固定的權(quán)值，必須先通過解碼過程將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼，然后才能獲取位置信息。該解碼過程可以由硬件解碼器或軟件實(shí)現(xiàn)。

2.增量型旋轉(zhuǎn)光電編碼器

增量型光電編碼器是常見的編碼器類型，在一般機(jī)電系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。對(duì)于通用伺服電機(jī)，為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，會(huì)在電機(jī)內(nèi)與電機(jī)軸同軸安裝光電編碼器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確運(yùn)動(dòng)控制。增量型光電編碼器可以記錄旋轉(zhuǎn)軸或移動(dòng)軸的相對(duì)位置變化，但不能給出移動(dòng)軸的絕對(duì)位置。因此，這種光電編碼器通常用于定位精度較低的機(jī)器人，如搬運(yùn)、碼垛機(jī)器人等。

增量型旋轉(zhuǎn)光電編碼器通過兩個(gè)內(nèi)部光敏接收管轉(zhuǎn)換其角碼盤的時(shí)序和相位關(guān)系，以獲得角度碼盤角位移的增加(正方向)或減少(負(fù)方向)。在進(jìn)行角度測(cè)量和角速度的測(cè)量的工作中，與絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)光電編碼器相比，增量型旋轉(zhuǎn)光電編碼器(在加入數(shù)字電路尤其是單片機(jī)后)具有更便宜、更簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，如圖4-3所示。

圖4-3增量型旋轉(zhuǎn)光電編碼器

增量型旋轉(zhuǎn)光電編碼器直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B、Z相位。A、B兩組脈沖相位差為90°，從而可以確定旋轉(zhuǎn)方向。編碼器軸每旋轉(zhuǎn)一周會(huì)輸出一個(gè)固定脈沖，脈沖數(shù)由編碼器光柵的線數(shù)決定。當(dāng)需要提高分辨率時(shí)，可以使用相差90°的A、B信號(hào)來(lái)倍頻或替換高分辨率編碼器。Z相位是每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于參考點(diǎn)定位。其優(yōu)點(diǎn)是原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，平均機(jī)械壽命可達(dá)數(shù)萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適用于遠(yuǎn)距離傳輸；缺點(diǎn)是無(wú)法輸出軸旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)位置信息，如圖4-4所示。圖4-4增量型旋轉(zhuǎn)光電編碼器A、B相脈沖

A、B兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)兩個(gè)光敏接收管，A、B兩點(diǎn)間距為S2，角度碼盤的光柵間距分別為S0和S1。通過輸出波形圖可知每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的時(shí)序如表4-1所示。

3.直線型光電編碼器(光柵尺)

直線型光電編碼器可理解為將旋轉(zhuǎn)編碼器的編碼部分由環(huán)形拉直而演變成直尺形。直線型光電編碼器同樣可制作為增量型和絕對(duì)型。在這里只介紹直線增量型光電編碼器，如圖4-5所示。它與旋轉(zhuǎn)編碼器的區(qū)別是直線編碼器的分辨率以柵距表示，而不是旋轉(zhuǎn)編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)。圖4-5直線增量型光電編碼器工作原理

4.2.2速度傳感器

速度傳感器是一種機(jī)器人內(nèi)部傳感器，它是閉環(huán)控制系統(tǒng)不可缺少的組成部分，用于測(cè)量機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)速度。目前，有許多傳感器可以用于測(cè)量速度，比如大多數(shù)執(zhí)行位置測(cè)量的傳感器也可以同時(shí)獲得速度信息。測(cè)速發(fā)電機(jī)是使用最廣泛的速度測(cè)量傳感器，它可以直接獲得代表轉(zhuǎn)速的電壓，并具有良好的實(shí)時(shí)性能。在機(jī)器人系統(tǒng)中，以速度為主要目標(biāo)的伺服控制并不常見，而以機(jī)器人的位置控制更為常見。

1.模擬式速度傳感器

測(cè)速發(fā)電機(jī)是最常用的一種模擬式速度測(cè)量傳感器，它是一種小型永磁式發(fā)電機(jī)。其工作原理是基于當(dāng)勵(lì)磁磁通恒定時(shí)，其輸出電壓和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比，即

U=kn(4-1)

式中，U為測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓，單位為V；n為測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為r/min；k為比例系數(shù)。當(dāng)有負(fù)載時(shí)，電樞繞組流過電流，由于電樞反應(yīng)而使輸出電壓降低；若負(fù)載較大或者測(cè)量過程中負(fù)載變化，則破壞了線性特性而產(chǎn)生誤差。為減少誤差，必須使負(fù)載盡可能地小，而且性質(zhì)不變。測(cè)速發(fā)電機(jī)總是與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)同軸連接，這樣就測(cè)出了驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)速度。它在機(jī)器人控制系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖如圖4-6所示。圖4-6測(cè)速發(fā)電機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖

2.數(shù)字式速度傳感器

在機(jī)器人控制系統(tǒng)中，增量型編碼器一般用作位置傳感器，但也可以用作速度傳感器。當(dāng)把一個(gè)增量型編碼器用作速度檢測(cè)元件時(shí)，有兩種使用方法。

(1)模擬式方法。在這種方式下，關(guān)鍵是需要一個(gè)轉(zhuǎn)換器，它必須有盡量小的溫度漂移和良好的零輸入/輸出特性，用它把編碼器的脈沖頻率輸出轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)速成正比的模擬電壓，它檢測(cè)的是電動(dòng)機(jī)軸上的瞬時(shí)速度。其示意圖如圖4-7所示。圖4-7增量式編碼器用作速度傳感器示意圖

(2)數(shù)字式方法。編碼器是數(shù)字元件，它的脈沖個(gè)數(shù)代表了位置，而單位時(shí)間里的脈沖個(gè)數(shù)表示這段時(shí)間里的平均速度。顯然單位時(shí)間越短，越能代表瞬時(shí)速度，但在太短的時(shí)間里，只能計(jì)到幾個(gè)編碼器脈沖，因而降低了速度分辨率。目前，在技術(shù)上有多種辦法能夠解決這個(gè)問題。例如，可以采用兩個(gè)編碼器脈沖為一個(gè)時(shí)間間隔，然后用計(jì)數(shù)器記錄在這段時(shí)間里高速脈沖源發(fā)出的脈沖數(shù)。利用編碼器的測(cè)速原理如圖4-8所示。 圖4-8利用編碼器的測(cè)速原理

設(shè)編碼器每轉(zhuǎn)輸出1000個(gè)脈沖，高速脈沖源的周期為0.1ms，門電路每接收到一個(gè)編碼器脈沖就開啟，再接收到一個(gè)編碼器脈沖就關(guān)閉。這樣周而復(fù)始，也就是門電路開啟時(shí)間是兩個(gè)編碼器脈沖的間隔時(shí)間。例如，計(jì)數(shù)器的值為100，則編碼器角位移為

時(shí)間增量Δt=脈沖源周期×計(jì)數(shù)值=0.1ms×100=10ms，則速度為

4.2.3加速度傳感器

1.應(yīng)變片加速度傳感器

N-Cu或Ni-Cr金屬電阻應(yīng)變片加速度傳感器是由板彈簧支撐的重錘組成的振動(dòng)系統(tǒng)，板彈簧上、下兩側(cè)分別粘貼兩個(gè)應(yīng)變片，如圖4-9所示。應(yīng)變片受到振動(dòng)的影響產(chǎn)生應(yīng)變，通過檢測(cè)電橋電路的輸出電壓來(lái)檢測(cè)應(yīng)變片電阻值的變化。圖4-9應(yīng)變片加速度傳感器

2.伺服加速度傳感器

伺服加速度傳感器是一種采用了負(fù)反饋工作原理的加速度傳感器，又稱“力平衡加速度傳感器”。它屬于一種閉環(huán)系統(tǒng)。

伺服加速度傳感器有一個(gè)彈性支承的質(zhì)量塊，質(zhì)量塊上附著一個(gè)位移傳感器(如電容式位移傳感器)。當(dāng)基座振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊也會(huì)隨之偏離平衡位置，偏移的大小由位移傳感器檢測(cè)得到，該信號(hào)經(jīng)伺服放大電路放大后轉(zhuǎn)換為電流輸出，該電流流過電磁線圈從而產(chǎn)生電磁力，該電磁力的作用將使質(zhì)量塊回復(fù)到原來(lái)的平衡位置上。

由此可見，電磁力的大小必然正比于質(zhì)量塊所受加速度的大小，而該電磁力又是正比于電流大小的，所以通過測(cè)量該電流的大小即可得到加速度的值。伺服加速度傳感器如圖4-10所示。

圖4-10伺服加速度傳感器

3.壓電加速度傳感器

壓電加速度傳感器利用具有壓電效應(yīng)的材料將產(chǎn)生加速度的力轉(zhuǎn)化為電壓。具有壓電效應(yīng)的材料在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電壓，反之，施加電壓時(shí)也會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。壓電元件主要由高介電系數(shù)鈦酸鉻鉛材料制成。如果壓電常數(shù)為d，則加在元件上的應(yīng)力與電荷的關(guān)系為Q=dF。如果壓電元件電容為C，輸出電壓為U，則U=Q/C=dF/C，其中U和F在很大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)保持線性關(guān)系。

壓電元件的形變有三種基本模式：壓縮形變、剪切形變和彎曲形變，如圖4-11所示。圖4-12為采用剪切模式的加速度傳感器結(jié)構(gòu)。在傳感器中，一對(duì)扁平或圓柱形壓電元件被垂直地固定在軸對(duì)稱位置。壓電元件的剪切壓電常數(shù)大于壓電常數(shù)，而且不受橫向加速度的影響。壓電元件在一定溫度下仍能保持穩(wěn)定的輸出。

圖4-11形變的三種基本模式圖4-12剪切模式的加速度傳感器

4.2.4傾斜角傳感器

1.液體式傾斜角傳感器

液體式傾斜角傳感器可分為氣泡位移式、電解液式、電容式和磁流體式等。下面介紹氣泡位移式傾斜角傳感器和電解液式傾斜角傳感器。圖4-13為氣泡位移式傾斜角傳感器的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理。含有氣泡的液體被密封在一個(gè)半球形容器中，并與上面LED發(fā)出的光對(duì)齊；容器下部分為四部分，分別安裝四個(gè)光電二極管來(lái)接收透射光。液體和氣泡有不同的透射率，液體在光電二極管上的投影位置隨傳感器傾角的變化而變化。圖4-13氣泡位移式傾斜角傳感器

電解液式傾斜角傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4-14所示。在管狀容器內(nèi)封入KCl之類的電解液和氣體，并在其中插入3個(gè)電極。容器傾斜時(shí)，溶液移動(dòng)，中央電極和兩端電極間的電阻及電容量改變，使容器相當(dāng)于一個(gè)阻抗可變的元件，可用交流電橋電路進(jìn)行測(cè)量。圖4-14電解液式傾斜角傳感器

2.垂直振子式傾斜角傳感器

圖4-15為垂直振子式傾斜角傳感器示意圖。振子懸掛在一張撓性的薄片上。當(dāng)傳感器傾斜時(shí)，振子離開平衡位置以保持其垂直方向。通常，根據(jù)振子是否偏離平衡位置和偏移角函數(shù)(通常為正弦函數(shù))來(lái)檢測(cè)傾斜角度。但是由于容器的限制，測(cè)量范圍只能在振子自由振蕩的允許范圍內(nèi)，不能檢測(cè)到過大的傾斜角。圖4-15垂直振子式傾斜角傳感器

根據(jù)圖4-15所示的結(jié)構(gòu)原理圖，當(dāng)傾斜角傳感器傾斜時(shí)，代表位移函數(shù)的輸出電流反饋到轉(zhuǎn)矩線圈中，使振子回到平衡位置。此時(shí)，振子傾斜后產(chǎn)生的作用力由振子重力的分力形成，因此振子產(chǎn)生的力矩M=mgsinθ?l，電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T=K?i。當(dāng)平衡時(shí)應(yīng)該有M=T，所以得到傾斜角度為

4.2.5力覺傳感器

力覺是指對(duì)機(jī)器人手指、四肢和關(guān)節(jié)所受的力的知覺，包括腕力知覺、關(guān)節(jié)力知覺和支撐力知覺。根據(jù)被測(cè)對(duì)象的負(fù)載，力傳感器可分為力傳感器(單軸力傳感器)、力矩表(單軸力矩傳感器)、手指?jìng)鞲衅?用于檢測(cè)機(jī)器人手指受力的微型單軸力傳感器)和六軸力覺傳感器。六軸力覺傳感器通常安裝在機(jī)器人的手腕上，因此又稱腕力傳感器。

1.筒式腕力傳感器

圖4-16所示為一種筒式6自由度腕力傳感器，主體為鋁圓筒，外側(cè)由8根梁支撐，其中4根為水平梁，4根為垂直梁。水平梁的應(yīng)變片貼于上、下兩側(cè)，設(shè)各應(yīng)變片所受到的應(yīng)變量分別為；而垂直梁的應(yīng)變片貼于左右兩側(cè)，設(shè)各應(yīng)變片所受到的應(yīng)變量分別為。那么，施加于傳感器上的6維力即可計(jì)算得到。圖4-16一種筒式6自由度腕力傳感器

2.十字形腕力傳感器

圖4-17為美國(guó)最早提出的十字形彈性體構(gòu)成的腕力傳感器結(jié)構(gòu)原理示意圖。十字形所形成的四個(gè)臂作為工作梁，四個(gè)工作梁的一端與外殼連接。在每個(gè)梁的四個(gè)表面上選取測(cè)量敏感點(diǎn)，通過粘貼應(yīng)變片獲取電信號(hào)。圖4-17十字形彈性體構(gòu)成的腕力傳感器

4.3外部傳感器

4.3.1觸覺傳感器觸覺用來(lái)感知是否與其他物體接觸，是諸如接觸、沖擊和壓力等機(jī)械刺激感覺的綜合。觸覺可以用來(lái)進(jìn)一步感知物體的物理屬性，如形狀、柔軟和堅(jiān)硬等。一般來(lái)說，把能夠探測(cè)到與外界直接接觸產(chǎn)生的接觸感、壓力感、觸覺和接近覺的傳感器稱為機(jī)器人的觸覺傳感器。

機(jī)器人的觸覺傳感器主要有三方面功能。首先，使操作動(dòng)作適宜，例如感知手指和物體之間的作用力，我們就可以判定這個(gè)動(dòng)作是否適當(dāng)。這種力也可以作為反饋信號(hào)，通過調(diào)整給定的操作程序來(lái)實(shí)現(xiàn)柔性動(dòng)作控制。這個(gè)功能是視覺無(wú)法替代的。其次，識(shí)別操作對(duì)象的屬性，如尺寸、質(zhì)量、硬度等。有時(shí)它也可以在一定程度上代替視覺進(jìn)行形狀識(shí)別，這在視覺無(wú)法工作時(shí)是非常重要的。再次，它是用來(lái)躲避危險(xiǎn)、障礙物等，以防止碰撞等事故。

最簡(jiǎn)單的觸覺傳感器是微動(dòng)開關(guān)，它也是最早使用的觸覺傳感器。它工作范圍廣，不受電磁干擾，操作簡(jiǎn)單，使用方便，成本低廉。單個(gè)微動(dòng)開關(guān)通常工作在開-關(guān)狀態(tài)，它可以用二位的方式指示是否處于接觸狀態(tài)。如果僅僅需要檢測(cè)是否與對(duì)象物體接觸，那么這種二位微動(dòng)開關(guān)能滿足要求。但是，如果需要檢測(cè)物體的形狀，我們需要在接觸面上高密度地安裝敏感元件。雖然微動(dòng)開關(guān)可以很小，但是與高靈敏度觸覺傳感器的要求相比，這種開關(guān)式的微動(dòng)開關(guān)仍然太大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高密度安裝。

導(dǎo)電合成橡膠是一種常見的觸覺傳感器敏感元件，它是在硅橡膠中添加導(dǎo)電顆粒或半導(dǎo)體材料(如銀或碳)構(gòu)成的導(dǎo)電材料。這種材料價(jià)格低廉，使用方便，有柔性，可用于機(jī)器人多指靈巧手的手指表面。導(dǎo)電合成橡膠有多種工業(yè)等級(jí)，這種導(dǎo)電橡膠的體電阻隨壓力變化不大，但接觸面積和反向接觸電阻隨外力變化較大?；谶@一原理的觸覺傳感器可以實(shí)現(xiàn)在1厘米的面積內(nèi)有256個(gè)觸覺敏感單元，敏感范圍為1g～100g。圖4-18所示為D截面導(dǎo)電橡膠線的壓阻觸覺傳感器，采用兩根垂直導(dǎo)電橡膠線實(shí)現(xiàn)行-列交叉定位。當(dāng)正壓增大時(shí)，D截面導(dǎo)電橡膠發(fā)生變形，接觸面積增大，接觸電阻減小，從而實(shí)現(xiàn)觸覺感知。圖4-18D截面導(dǎo)電橡膠線觸覺傳感器

1.壓電式傳感器

常用的壓電晶體是石英晶體，石英晶體在受壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的電信號(hào)。石英晶體產(chǎn)生的電信號(hào)的強(qiáng)度是由它們所受的壓力值決定的。通過檢測(cè)這些電信號(hào)的強(qiáng)度，可以檢測(cè)出被測(cè)物體所受的力。壓電式力傳感器不僅可以測(cè)量物體受到的壓力，還可以測(cè)量物體的張力。在測(cè)量拉緊力時(shí)，需要給壓電晶體一定的預(yù)緊力。由于壓電晶體不能承受過大的應(yīng)變，所以其測(cè)量范圍很小。

在機(jī)器人的應(yīng)用中，通常不會(huì)出現(xiàn)過大的力，所以壓電式力傳感器更適合。壓電式傳感器安裝時(shí)，與傳感器表面接觸的零件應(yīng)具有良好的平行度和較低的表面粗糙度，而且硬度應(yīng)低于傳感器接觸表面的硬度，確保預(yù)緊力垂直于傳感器的表面，以使石英晶體上生成均勻的壓力分布。圖4-19所示為三分力壓電式傳感器。它由三對(duì)石英晶片組成，可以同時(shí)測(cè)量三個(gè)方向的作用力。其中上、下兩對(duì)晶片利用晶體的剪切效應(yīng)，分別測(cè)量x方向和y方向的作用力；中間一對(duì)晶片利用晶體的縱向壓電效應(yīng)，測(cè)量方向的作用力。圖4-19三分力壓電式傳感器

2.光纖壓力傳感器

圖4-20所示的光纖壓力傳感器單元基于全內(nèi)反射破壞原理，是一種光強(qiáng)度調(diào)制的高靈敏度光纖傳感器。發(fā)射光纖和接收光纖通過直角棱鏡連接。棱鏡的斜面與位移膜片之間的氣隙約為0.3μm，在膜片的下表面包覆有光學(xué)吸收層。當(dāng)膜片受壓力向下移動(dòng)時(shí)，棱鏡的斜面與光吸收層間的氣隙發(fā)生改變，從而引起棱鏡界面內(nèi)全內(nèi)反射的局部破壞，使部分光離開上界面進(jìn)入吸收層并被吸收。因此，接收光纖中的光強(qiáng)也隨之改變。當(dāng)膜片受壓時(shí)，便產(chǎn)生彎曲變形，對(duì)于周邊固定的膜片，在小撓度時(shí)(W≤0.5t)，膜片中心位移與所受壓力成正比。圖4-20光纖壓力傳感器

4.3.2滑覺傳感器

當(dāng)機(jī)器人抓取一個(gè)屬性未知的物體時(shí)，其自身應(yīng)能確定最佳握緊力的給定值。當(dāng)抓取力不足時(shí)，需要檢測(cè)被抓取物體的滑動(dòng)情況。利用檢測(cè)信號(hào)，在不損壞物體的前提下，考慮最可靠的夾持方法。實(shí)現(xiàn)這一功能的傳感器稱為滑覺傳感器，它有振動(dòng)式和球式兩種。當(dāng)物體在傳感器表面滑動(dòng)時(shí)，和滾輪或環(huán)相接觸，把滑動(dòng)變成旋轉(zhuǎn)。圖4-21顯示了南斯拉夫貝爾格萊德大學(xué)制造的球式滑覺傳感器，由一個(gè)金屬球和一個(gè)觸針組成。圖4-21球式滑覺傳感器

另一種傳感器，它通過振動(dòng)來(lái)檢測(cè)滑動(dòng)的感覺，稱為振動(dòng)滑覺傳感器。圖4-22所示為振動(dòng)滑覺傳感器，其表面伸出的觸針能和物體接觸。當(dāng)物體滾動(dòng)時(shí)，觸針與物體接觸而產(chǎn)生振動(dòng)，這種振動(dòng)由壓電傳感器或帶有磁場(chǎng)線圈結(jié)構(gòu)的微小位移計(jì)檢測(cè)。圖4-22振動(dòng)式滑覺傳感器

4.3.3接近覺傳感器

接近覺傳感器是機(jī)器人用來(lái)檢測(cè)自身與周圍物體的相對(duì)位置和距離的傳感器。它的使用對(duì)于機(jī)器人工作過程中及時(shí)進(jìn)行軌跡規(guī)劃和預(yù)防事故發(fā)生具有重要意義。它主要有以下三個(gè)方面的作用：

(1)在接觸物體之前，先獲取必要的信息，為以后的動(dòng)作做好準(zhǔn)備。

(2)當(dāng)發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)，改變路線或停止運(yùn)行，以避免發(fā)生碰撞。

(3)得到對(duì)象物體表面形狀的信息。根據(jù)傳感范圍，接近覺傳感器大致可分為三類：磁力式(感應(yīng)式)、氣壓式、電容式、視覺接近傳感器等用于近距離物體(mm級(jí))的傳感；紅外式接近傳感器用于感知中等距離(30cm以內(nèi))的物體；超聲波和激光等傳感器用于感知遠(yuǎn)距離(30cm以上)的物體。

1.磁力式接近傳感器

圖4-23所示為磁力式接近傳感器結(jié)構(gòu)原理。它由勵(lì)磁線圈C0和檢測(cè)線圈C1及C2組成，C1、C2的圈數(shù)相同，接成差動(dòng)式。當(dāng)未接近物體時(shí)由于這種傳感器構(gòu)造上的對(duì)稱性，輸出為0；當(dāng)接近物體(金屬)時(shí)，由于金屬產(chǎn)生渦流而使磁通發(fā)生變化，從而使檢測(cè)線圈輸出產(chǎn)生變化。這種傳感器不大受光、熱、物體表面特征影響，可小型化與輕量化，但只能探測(cè)金屬對(duì)象。圖4-23磁力式接近傳感器結(jié)構(gòu)原理

2.氣壓式接近傳感器

圖4-24所示為氣壓式接近傳感器的基本原理與特性圖。它是根據(jù)噴嘴-擋板作用原理設(shè)計(jì)的，氣壓源PV經(jīng)過節(jié)流孔進(jìn)入背壓腔，又經(jīng)噴嘴射出，氣流碰到被測(cè)物體后形成背壓輸出PA。合理地選擇壓力值(恒壓源)、噴嘴尺寸及節(jié)流孔大小，便可得出輸出PA與距離X間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，一般不是線性的，但可以做到局部近似線性輸出。這種傳感器具有較強(qiáng)防火、防磁、防輻射能力，但要求氣源保持一定程度的凈化。圖4-24氣壓式接近傳感器基本原理與特性圖

3.紅外式接近傳感器

紅外傳感器是一種比較有效的接近傳感器，傳感器發(fā)出的光的波長(zhǎng)大約在幾百納米范圍內(nèi)，是短波長(zhǎng)的電磁波。它是一種輻射能轉(zhuǎn)換器，主要用于將接收到的紅外輻射能轉(zhuǎn)換為便于測(cè)量或觀察的電能、熱能等其他形式的能量。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式，紅外探測(cè)器可分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類。紅外傳感器具有不受電磁波干擾、非噪聲源、可實(shí)現(xiàn)非常接觸性測(cè)量等特點(diǎn)。

另外，紅外線(指中、遠(yuǎn)紅外線)不受周圍可見光的影響，故在晝夜都可進(jìn)行測(cè)量。同聲吶傳感器相似，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(gè)光檢測(cè)器測(cè)量反射回來(lái)的光量。由于這些儀器測(cè)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(dǎo)致測(cè)量誤差。但由于發(fā)射光線是光而不是聲音，可以在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)獲得較多的紅外線傳感器測(cè)量值，測(cè)距范圍較近。

基于三角測(cè)量原理的紅外傳感器測(cè)距原理為：紅外線發(fā)射器按照一定的角度發(fā)射紅外光束，當(dāng)遇到物體以后，光束會(huì)反射回來(lái)，圖4-25所示反射回來(lái)的紅外光線被CCD檢測(cè)器檢測(cè)到以后，會(huì)獲得一個(gè)偏移值L；利用三角關(guān)系，在知道了發(fā)射角度α、偏移距L、中心距X以及濾鏡的焦距以后，傳感器到物體的距離D就可以通過幾何關(guān)系計(jì)算出來(lái)了。圖4-25紅外傳感器測(cè)距原理圖

4.超聲波接近傳感器

超聲波接近傳感器用于機(jī)器人對(duì)周圍物體的存在與距離的探測(cè)。尤其對(duì)移動(dòng)式機(jī)器人，安裝這種傳感器可隨時(shí)探測(cè)前進(jìn)道路上是否出現(xiàn)障礙物，以免發(fā)生碰撞。

超聲波是人耳聽不見的一種機(jī)械波，其頻率在20kHz以上，波長(zhǎng)較短，繞射小，能夠作為射線而定向傳播。超聲波傳感器由超聲波發(fā)生器和接收器組成。超聲波發(fā)生器有壓電式、電磁式及磁滯伸縮式等，在檢測(cè)技術(shù)中最常用的是壓電式。壓電式超聲波傳感器，就是利用了壓電材料的壓電效應(yīng)，如石英、電氣石等。逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換為高頻機(jī)械振動(dòng)，以產(chǎn)生超聲波，可作為“發(fā)射”探頭。利用正壓電效應(yīng)，則將接收的超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，可作為接收探頭。

由于用途不同，壓電式超聲傳感器有多種結(jié)構(gòu)形式。圖4-26所示為其中一種，即所謂雙探頭(一個(gè)探頭發(fā)射，另一個(gè)探頭接收)，帶有晶片座的壓電晶片裝入金屬殼體內(nèi)，壓電晶片兩面鍍有銀層，作為電極板，底面接地上面接有引出線。阻尼塊(或稱吸收塊)的作用是降低壓電片的機(jī)械品質(zhì)因素，吸收聲能量，防止電脈沖振蕩停止時(shí)，壓電片因慣性作用而繼續(xù)振動(dòng)。阻尼塊的聲阻抗等于壓電片聲阻抗時(shí)，效果最好。圖4-26超聲雙探頭結(jié)構(gòu)

真實(shí)環(huán)境中，超聲波接近傳感器數(shù)據(jù)的精確度和可靠性會(huì)隨著距離的增加和環(huán)境模型的復(fù)雜性上升而下降?？偟膩?lái)說，超聲波接近傳感器的可靠性很低，測(cè)距的結(jié)果存在很大的不確定性，主要表現(xiàn)在以下4點(diǎn)：

(1)超聲波接近傳感器測(cè)量距離的誤差。除了傳感器本身的測(cè)量精度問題外，還受外界條件變化的影響。如聲波在空氣中的傳播速度受溫度影響很大，同時(shí)和空氣濕度也有一定的關(guān)系。

(2)超聲波接近傳感器散射角。超聲波接近傳感器發(fā)射的聲波有一個(gè)散射角，超聲波接近傳感器可以感知障礙物在散射角所在的扇形區(qū)域范圍內(nèi)，但是不能確定障礙物的準(zhǔn)確位置。

(3)串?dāng)_。機(jī)器人通常都裝備多個(gè)超聲波接近傳感器，此時(shí)可能會(huì)發(fā)生串?dāng)_問題，即一個(gè)傳感器發(fā)出的探測(cè)波束被另外一個(gè)傳感器當(dāng)作自己的探測(cè)波束接收到。這種情況通常發(fā)生在比較擁擠的環(huán)境中，對(duì)此只能通過幾個(gè)不同位置多次反復(fù)測(cè)量驗(yàn)證，同時(shí)合理安排各個(gè)超聲波傳感器工作的順序。

(4)聲波在物體表面的反射。聲波信號(hào)在環(huán)境中不理想的反射是實(shí)際環(huán)境中超聲波接近傳感器遇到的最大問題。當(dāng)光、聲波、電磁波等碰到反射物體時(shí)，任何測(cè)量到的反射都是只保留原始信號(hào)的部分，剩下的部分能量或被介質(zhì)物體吸收，或被散射，或穿透物體。有時(shí)超聲波傳感器甚至接收不到反射信號(hào)。

5.激光傳感器

激光傳感器是利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。它由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成。其中，激光器是產(chǎn)生激光的一個(gè)裝置。

(1)脈沖激光測(cè)距傳感器的原理是：由脈沖激光器發(fā)出持續(xù)時(shí)間極短的脈沖激光，經(jīng)過待測(cè)距離后射到被測(cè)目標(biāo)，有一部分能量會(huì)被反射回來(lái)，被反射回來(lái)的脈沖激光稱為回波?；夭ǚ祷氐綔y(cè)距儀，由光電探測(cè)器接收。根據(jù)主波信號(hào)和回波信號(hào)之間的間隔，即激光脈沖從激光到被測(cè)目標(biāo)之間的往返時(shí)間，就可以算出待測(cè)目標(biāo)的距離。

(2)相位激光測(cè)距傳感器的原理是：對(duì)發(fā)射的激光進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，利用激光空間傳播時(shí)調(diào)制信號(hào)的相位變化量，根據(jù)調(diào)制波的波長(zhǎng)計(jì)算出該相位延遲所代表的距離。即用相位延遲測(cè)量的間接方法代替直接測(cè)量激光往返所需的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)距離的測(cè)量。這種方法精度可達(dá)到毫米級(jí)。

(3)三角法激光測(cè)距傳感器的原理是：由激光器發(fā)出的光線經(jīng)過會(huì)聚透鏡聚焦后入射到被測(cè)物體表面上，接收透鏡接收來(lái)自入射光點(diǎn)處的散射光，并將其成像在光電位置探測(cè)器敏感面上。當(dāng)物體移動(dòng)時(shí)，通過光點(diǎn)在成像面上的位移來(lái)計(jì)算出物體移動(dòng)的相對(duì)距離。三角法激光測(cè)距的分辨率很高，可以達(dá)到微米數(shù)量級(jí)。

4.3.4力覺傳感器

力覺是指對(duì)機(jī)器人的指、肢和關(guān)節(jié)等運(yùn)動(dòng)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(cè)對(duì)象的負(fù)載，可以把力覺傳感器分為測(cè)力傳感器(單軸力傳感器)、力矩表(單軸力矩傳感器)、手指?jìng)鞲衅?檢測(cè)機(jī)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。

力覺傳感器根據(jù)力的檢測(cè)方式不同，可以分為：

(1)檢測(cè)應(yīng)變或應(yīng)力的應(yīng)變片式。應(yīng)變片式力覺傳感器被機(jī)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(jì)測(cè)量負(fù)載產(chǎn)生的位移的差動(dòng)變壓器、電容位移計(jì)。

在選用力傳感器時(shí)，首先要特別注意額定值，其次注意在機(jī)器人通常的力控制中力的精度意義不大，重要的是分辨率。

4.3.5傳感器融合

系統(tǒng)中使用的傳感器種類和數(shù)量越來(lái)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€(gè)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(duì)傳感器信息進(jìn)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(shí)工程、模糊理論等信息、檢測(cè)、控制領(lǐng)域的新理論和新方法。傳感器融合類型有多種，現(xiàn)舉兩種例子。

1.競(jìng)爭(zhēng)性融合

在傳感器檢測(cè)同一環(huán)境或同一物體的同一性質(zhì)時(shí)，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(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)中，車輛位置的確定可以通過計(jì)算法定位系統(tǒng)(利用速度、方向等記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算)或陸標(biāo)(如交叉路口、人行道等參照物)觀測(cè)確定。若陸標(biāo)觀測(cè)成功，則用陸標(biāo)觀測(cè)的結(jié)果對(duì)計(jì)算法的值進(jìn)行修正，否則利用計(jì)算法所得的結(jié)果。

2.互補(bǔ)性融合

傳感器提供不同形式的數(shù)據(jù)。例如，識(shí)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(jī)和激光測(cè)距儀確定一段階梯道路，彩色攝像機(jī)提供圖像(如顏色、特征)，而激光測(cè)距儀提供距離信息，兩者融合即可獲得三維信息。

4.4傳感器的選型

在選擇合適的傳感器以滿足特定的需要時(shí)，必須從多個(gè)方面考慮傳感器的不同特性。這些特性決定了傳感器的性能、經(jīng)濟(jì)性、簡(jiǎn)單性和適用范圍。

1.成本

傳感器的成本是需要考慮的一個(gè)重要因素，特別是當(dāng)一臺(tái)機(jī)器需要多個(gè)傳感器時(shí)。但是，成本必須與其他設(shè)計(jì)要求相平衡，例如可靠性、傳感器數(shù)據(jù)的重要性、精度和壽命。

2.尺寸

根據(jù)傳感器的應(yīng)用，尺寸有時(shí)可能是最重要的。例如，關(guān)節(jié)位移傳感器必須適應(yīng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，能夠與機(jī)器人的其他部件一起移動(dòng)，但關(guān)節(jié)周圍的可用空間可能有限。此外，大型傳感器可能會(huì)限制關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍。因此，確保為關(guān)節(jié)傳感器留出足夠的空間非常重要。

3.重量

由于機(jī)器人是一個(gè)移動(dòng)裝置，傳感器的重量非常重要。傳感器過重會(huì)增加機(jī)械手的慣性，并降低總載荷。

4.輸出的類型(數(shù)字式或模擬式)

根據(jù)不同的應(yīng)用，傳感器的輸出可以是數(shù)字量也可以是模擬量，它們可以直接使用，也可能必須對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換后才能使用。例如，電位器的輸出是模擬量，而編碼器的輸出則是數(shù)字量。

5.接口

傳感器必須能與其他設(shè)備相連接，如微處理器和控制器。倘若傳感器與其他設(shè)備的接口不匹配或兩者之間需要其他的額外電路，那么需要解決傳感器與設(shè)備間的接口問題。

6.分辨率

分辨率是傳感器在測(cè)量范圍內(nèi)所能分辨的最小值。在繞線式電位器中，它等同于一圈的電阻值。在一個(gè)n位的數(shù)字設(shè)備中，分辨率=滿量程/2n。例如，四位絕對(duì)式編碼器在測(cè)量位置時(shí)，最多能有24=16個(gè)不同等級(jí)。因此，分辨率是360°/16=22.5°。

7.靈敏度

靈敏度是輸出響應(yīng)變化與輸入變化的比。高靈敏度傳感器的輸出會(huì)由于輸入波動(dòng)(包括噪聲)而產(chǎn)生較大的波動(dòng)。

8.線性度

線性度反映了輸入變量與輸出變量之間的關(guān)系。這意味著具有線性輸出的傳感器在其量程范圍內(nèi)，任意相同的輸入變化將會(huì)產(chǎn)生相同的輸出變化。幾乎所有器件在本質(zhì)上都具有一些非線性，只是非線性的程度不同。

9.量程

量程是傳感器能夠產(chǎn)生的最大與最小輸出之間的差值，或傳感器正常工作時(shí)最大和最小輸入之間的差值。

10.響應(yīng)時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間是傳感器的輸出