《工業(yè)機器人技術(shù)基礎》工業(yè)機器人的傳感器及其應用同步課件

職業(yè)教育工業(yè)機器人應用與維護專業(yè)規(guī)劃教材工業(yè)機器人技術(shù)基礎目錄01020304

工業(yè)機器人基礎知識成果及問題工作完成情況明年工作計劃1工業(yè)機器人基礎知識模塊1CONTENT知識目標1．了解機器人傳感器的種類和性能指標及其使用要求。2．掌握機器人內(nèi)部傳感器和外部傳感器的區(qū)別和各自的功能、應用。能力目標1．認識工業(yè)機器人常用的傳感器。2．能根據(jù)工業(yè)機器人使用要求、場合，選用合適的傳感器。3．會分析常見工業(yè)機器人傳感器系統(tǒng)。任務3工業(yè)機器人的傳感器及其應用工業(yè)機器人基礎知識工作任務傳感器是新技術(shù)革命和信息社會的重要技術(shù)基礎，是現(xiàn)代科技的開路先鋒。傳感器在機器人結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位，是決定機器人性能水平的關(guān)鍵。機器人傳感器與大量使用的工業(yè)檢測傳感器不同，對傳感器信息的種類和智能化處理的要求更高。無論研究與產(chǎn)業(yè)化，均需要由多種學科專門技術(shù)和先進的工藝裝備作為支撐。今后工業(yè)機器人能發(fā)展到何種程度，傳感器將是重要關(guān)鍵之一。本任務主要內(nèi)容是通過學習，熟悉工業(yè)機器人常用的傳感器，掌握機器人的內(nèi)部傳感器和外部傳感器的區(qū)別和各自的功能，并能根據(jù)工業(yè)機器人使用要求、場合，選用合適的傳感器。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1一、工業(yè)機器人傳感器的分類

傳感器是一種以一定精度將被測量物理量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應關(guān)系、易于精確處理和測量的某種物理量的測量部件或裝置。完整的傳感器應包括敏感元件、轉(zhuǎn)化元件、基本轉(zhuǎn)化電路3個基本部分。

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敏感元件將某種不便測量的物理量轉(zhuǎn)化為易于測量的物理量，與轉(zhuǎn)化元件一起構(gòu)成傳感器的核心部分?；巨D(zhuǎn)化電路將敏感元件產(chǎn)生的易于測量的信號進行轉(zhuǎn)化，使傳感器的信號輸出形成符合工業(yè)系統(tǒng)的要求。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1一、工業(yè)機器人傳感器的分類

機器人傳感器按用途可分為外部傳感器和內(nèi)部傳感器。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。

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內(nèi)部傳感器安裝在操作機上，包括位移、速度、加速度等傳感器，是為了檢測機器人內(nèi)部狀態(tài)。機器人傳感器的分類、功能及應用見表1-3-1。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1

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工業(yè)機器人基礎知識模塊1二、工業(yè)機器人傳感器的性能指標

基本參數(shù)：量程（測量范圍，量程及過載能力）、靈敏度、靜態(tài)精度和動態(tài)精度（頻率特性和階躍特性）。環(huán)境參數(shù)：溫度、振動沖擊及其他參數(shù)（潮濕、腐蝕及抗電磁干擾）。使用環(huán)境：電源、尺寸、安裝方式、電信號接口及校準周期等。

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傳感器常見的重要性能指標如下。1．靈敏度靈敏度是指傳感器的輸出信號達到穩(wěn)定時，輸出信號變化y與輸入信號變化x的比值。假設傳感器的輸出和輸入成線性關(guān)系，其靈敏度S可表示為

工業(yè)機器人基礎知識模塊1二、工業(yè)機器人傳感器的性能指標1．靈敏度假設傳感器的輸出與輸入成非線性關(guān)系，其靈敏度為曲線的導數(shù)，即傳感器的靈敏度越大，傳感器輸出的信號精確度越高，線性程度越好。

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但是過高的靈敏度有時會導致傳感器的輸出穩(wěn)定性下降，所以應該根據(jù)機器人的要求選擇適中的靈敏度。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1二、工業(yè)機器人傳感器的性能指標2．線性度線性度反映傳感器輸出信號與輸入信號之間的線性程度。假設傳感器的輸出信號為y，輸入信號為x，則y與x的關(guān)系為

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機器人控制系統(tǒng)應該選用線性度較高的傳感器。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1二、工業(yè)機器人傳感器的性能指標3．精度傳感器的精度是指傳感器的測量輸出值與實際被測量值之間的誤差。在機器人系統(tǒng)設計中，應該根據(jù)系統(tǒng)的工作精度要求選擇合適的精度。

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4．重復性重復性是指傳感器在其輸入信號按同一方式進行全量程連續(xù)多次測量時，相應測量結(jié)果的變化程度。對于多數(shù)傳感器來說，重復性指標優(yōu)于精度指標。這些傳感器的精度指標不一定很高，但只要它的溫度、濕度、受力條件和其他參數(shù)不變，傳感器的測量結(jié)果也沒有較大的變化。同樣，傳感器重復性也應考慮使用條件和測量方法的問題。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1二、工業(yè)機器人傳感器的性能指標5．分辨率分辨率是指傳感器在整個測量范圍內(nèi)所能辨別的被測量物理量的最小變化量，或者所能辨別的不同被測量物理量的個數(shù)。

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無論是示教再現(xiàn)型機器人，還是可編程型機器人，大多對傳感器的分辨率有一定的要求。傳感器的分辨率直接影響機器人的可控程度和控制品質(zhì)。一般需要根據(jù)機器人的工作任務規(guī)定傳感器分辨率的最低限度要求。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1二、工業(yè)機器人傳感器的性能指標6．響應時間響應時間是傳感器的動態(tài)特性指標，是指傳感器的輸入信號變化后，其輸出信號變化一個穩(wěn)定值所需要的時間。在某些傳感器中，輸出信號在達到某一穩(wěn)定值以前會發(fā)生短時間的振蕩。

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7．抗干擾能力由于傳感器輸出信號的穩(wěn)定是控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提，為防止機器人系統(tǒng)的意外動作或故障的發(fā)生，傳感器系統(tǒng)設計必須采用可靠性設計技術(shù)，通常這個指標通過單位時間內(nèi)發(fā)生故障的概率來定義，因此是一個統(tǒng)計指標。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1三、工業(yè)機器人傳感器類型的選擇一般根據(jù)工業(yè)機器人使用要求、使用場合的不同，選擇不同的傳感器。1．根據(jù)機器人對傳感器的需求來選擇機器人對傳感器的一般要求如下。

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（1）精度高，重復性好。（2）穩(wěn)定性好，可靠性高。（3）抗干擾能力強。（4）質(zhì)量輕，體積小，安裝方便可靠。（5）價格便宜。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1三、工業(yè)機器人傳感器類型的選擇一般根據(jù)工業(yè)機器人使用要求、使用場合的不同，選擇不同的傳感器。2．根據(jù)加工任務的要求來選擇在現(xiàn)代工業(yè)中，機器人被用于執(zhí)行各種加工任務，其中比較常見的加工任務有物料搬運、裝配、噴漆、焊接、檢驗等。不同的加工任務對機器人傳感器提出不同的要求。

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3．根據(jù)機器人控制的要求來選擇例如，機器人控制需要采用傳感器檢測機器人的運動位置、速度、加速度等。另外，根據(jù)輔助工作要求（如產(chǎn)品檢驗）和工件的準備來選擇機器人傳感器；根據(jù)安全方面的要求來選擇機器人傳感器。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1四、工業(yè)機器人的內(nèi)部傳感器工業(yè)機器人根據(jù)具體用途不同可以選擇不同的控制方式，如位置控制、速度控制及力控制等。在這些控制方式中，機器人所應具有的基本傳感器單元是位置和速度傳感器。

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機器人控制系統(tǒng)的基本單元是機器人的關(guān)節(jié)位置、速度控制，因此用于檢測關(guān)節(jié)位置和速度的傳感器也成為機器人關(guān)節(jié)組件中的基本單元。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1四、工業(yè)機器人的內(nèi)部傳感器1．位置傳感器根據(jù)其工作原理和組成的不同，位置傳感器有多種形式。

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常見的有電阻式、電容式、電感式位移傳感器、編碼式位移傳感器、霍爾元件位移傳感器、光柵式位移傳感器等。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1四、工業(yè)機器人的內(nèi)部傳感器1．位置傳感器（1）編碼式位移傳感器編碼式位移傳感器是一種數(shù)字位移傳感器，其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖信號，可以測量直線位移，也可以測轉(zhuǎn)角。

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編碼式位移傳感器測量范圍大，檢測精度高，一般把該傳感器安裝在機器人的各關(guān)節(jié)軸上，用來測量各個關(guān)節(jié)軸的旋轉(zhuǎn)角度。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1四、工業(yè)機器人的內(nèi)部傳感器1．位置傳感器（1）編碼式位移傳感器按照測量結(jié)果是絕對信號還是增量信號，可分為絕對式編碼器和增量式編碼器。

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按照結(jié)構(gòu)及信號轉(zhuǎn)化方式，又可分為光電式、接觸式及電磁式等。目前機器人中較為常用的是光電式編碼器。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1四、工業(yè)機器人的內(nèi)部傳感器1．位置傳感器（1）編碼式位移傳感器①絕對式光電編碼器。

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絕對式光電編碼器是一種直接編碼式的測量元件。它可以直接把被測轉(zhuǎn)角或位移轉(zhuǎn)化成相應的代碼，指示的是絕對位置而無絕對誤差，在電源切斷時不會失去位置信息。但其結(jié)構(gòu)復雜，價格昂貴，且不易做到高精度和高分辨率。編碼盤以一定的編碼形式（如二進制編碼等）將圓盤分成若干等份，利用光電原理把代表被測位置的各等份上的數(shù)碼轉(zhuǎn)化成電信號輸出以用于檢測。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1四、工業(yè)機器人的內(nèi)部傳感器1．位置傳感器（1）編碼式位移傳感器①絕對式光電編碼器。如圖1-3-1所示為四位二進制碼編碼盤，圖中空白部分是透光的用“0”來表示，涂黑的部分是不透光的用“1”來表示。

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工業(yè)機器人基礎知識模塊1四、工業(yè)機器人的內(nèi)部傳感器1．位置傳感器（1）編碼式位移傳感器①絕對式光電編碼器?，F(xiàn)在常用如圖1-3-2所示的循環(huán)碼編碼盤。循環(huán)碼又稱格雷碼，格雷碼與二進制碼的對照表見表1-3-2。

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工業(yè)機器人基礎知識模塊1

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工業(yè)機器人基礎知識模塊1四、工業(yè)機器人的內(nèi)部傳感器1．位置傳感器（1）編碼式位移傳感器②增量式光電編碼器。增量式光電編碼器能夠以數(shù)字形式測量出轉(zhuǎn)軸相對于某一基準位置的瞬間角位置，另外還能測出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，其結(jié)構(gòu)圖及輸出波形如圖1-3-3所示，編碼器的編碼盤有3個同心光柵，分別為A相、B相和C相光柵。

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工業(yè)機器人基礎知識模塊1四、工業(yè)機器人的內(nèi)部傳感器1．位置傳感器（2）電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器主要由電位器和滑動觸點組成，通過觸點的滑動改變電位器的阻值來測量信號的大小。

該傳感器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠，精度高，可以在一定程度上較方便地選擇其輸出信號范圍，且測量過程中斷電或發(fā)生故障時，輸出信號能保持而不會丟失。任務3工業(yè)機器人的傳感器及其應用

工業(yè)機器人基礎知識模塊1四、工業(yè)機器人的內(nèi)部傳感器1．位置傳感器（2）電位器式位移傳感器①角位移測量。旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器如圖1-3-4所示，輸入信號（角度）與輸出信號（電壓V）成線性關(guān)系。這種弧形電阻最大的測量角度為360°。

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工業(yè)機器人基礎知識模塊1四、工業(yè)機器人的內(nèi)部傳感器1．位置傳感器（2）電位器式位移傳感器②線位移測量。直線型電位器式位移傳感器如圖1-3-5所示。線測量優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠，精度高。可以在一定程度上較方便地選擇其輸出信號范圍，且測量過程中斷電或發(fā)生故障時，輸出信號能保持而不會丟失。其缺點是滑動觸點容易磨損。

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工業(yè)機器人基礎知識模塊1四、工業(yè)機器人的內(nèi)部傳感器2．速度傳感器（1）測速發(fā)電機測速發(fā)電機是一種模擬式速度傳感器。測速發(fā)電機實際上是一臺小型永磁式直流發(fā)電機，其結(jié)構(gòu)原理如圖1-3-6所示。其工作原理基于法拉第電磁感應定律，當通過線圈的磁通量恒定時，位于磁場中的線圈旋轉(zhuǎn)使線圈兩端產(chǎn)生的電壓u（感應電動勢）與線圈（轉(zhuǎn)子）的轉(zhuǎn)速n成正比，即

（K是常數(shù)）

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工業(yè)機器人基礎知識模塊1四、工業(yè)機器人的內(nèi)部傳感器2．速度傳感器（1）從上式可以看出，輸出電壓與轉(zhuǎn)子成線性關(guān)系。但當直流測速發(fā)電機帶有負載時，電樞的線圈繞組便會產(chǎn)生電流而使輸出電壓下降，這樣便破壞了輸出電壓與轉(zhuǎn)速的線性度，使輸出特性產(chǎn)生誤差。

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為了減少測量誤差，應使負載盡可能小且保持負載性質(zhì)不變。測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)子與機器人關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動電動機相連就能測出機器人運動過程中的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動速度，并能在機器人速度閉環(huán)系統(tǒng)中作為速度反饋元件。測速發(fā)電機具有線性度好、靈敏度高、輸出信號強的優(yōu)點。機器人速度伺服控制系統(tǒng)的控制原理如圖1-3-7所示。目前檢測范圍一般為20～40r/min，精度為0.2%～0.5%。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1四、工業(yè)機器人的內(nèi)部傳感器2．速度傳感器

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工業(yè)機器人基礎知識模塊1四、工業(yè)機器人的內(nèi)部傳感器2．速度傳感器（2）增量式光電編碼器增量式光電編碼器作為速度傳感器時既可以在模擬方式下使用，又可以在數(shù)字方式下使用。

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①模擬方式。在模擬方式下，必須有一個頻率/電壓（F/V）變換器，用來把編碼器測得的脈沖頻率轉(zhuǎn)換成與速度成正比的模擬電壓，模擬方式下的增量式編碼盤測速原理如圖1-3-8所示。F/V變換器必須有良好的零輸出、零輸出特性和較小的溫度漂移才能滿足測試要求。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1四、工業(yè)機器人的內(nèi)部傳感器2．速度傳感器（2）增量式光電編碼器②數(shù)字方式。

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數(shù)字方式測速是利用數(shù)學公式計算出速度。角速度是轉(zhuǎn)角對時間的一階導數(shù)，編碼器在時間t內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速為

=

/t，單位時間越小，則所求得的轉(zhuǎn)速越接近瞬時轉(zhuǎn)速，然而時間越短，編碼器通過的脈沖數(shù)太少，導致所得到的速度分辨率下降。在實踐中通常用以下方法來解決這一問題。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1四、工業(yè)機器人的內(nèi)部傳感器2．速度傳感器（2）增量式光電編碼器②數(shù)字方式。

任務3工業(yè)機器人的傳感器及其應用

編碼器一定時，編碼器的每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)就確定，設某一編碼器為1000P/r，則編碼器連續(xù)輸出兩個脈沖轉(zhuǎn)過的角度

=

22/1000，而轉(zhuǎn)過該角度的時間增量用如圖1-3-9所示時間增量測量電路測得。測量時利用一高頻脈沖源發(fā)出連續(xù)不斷的脈沖，設該脈沖源的周期為0.1ms，用一計數(shù)器測出編碼器發(fā)出兩個脈沖的時間內(nèi)高頻脈沖源發(fā)出的脈沖數(shù)。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1四、工業(yè)機器人的內(nèi)部傳感器2．速度傳感器（2）增量式光電編碼器②數(shù)字方式。

任務3工業(yè)機器人的傳感器及其應用

門電路在編碼器發(fā)出第一個脈沖時開啟，發(fā)出第二個脈沖時關(guān)閉。這樣計數(shù)器計得的計數(shù)值就是時間增量內(nèi)高頻脈沖源發(fā)出的脈沖數(shù)。設該計數(shù)值為100，則得時間增量為 所以加速度為

工業(yè)機器人基礎知識模塊1五、工業(yè)機器人的外部傳感器1．力覺傳感器力覺傳感器又稱力或力矩傳感器。工業(yè)機器人在進行裝配、搬運、研磨等作業(yè)時需要以工作力或力矩進行控制。

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另外，機器人在自我保護時也需要檢測關(guān)節(jié)和連桿之間的內(nèi)力，防止機器人手臂因承載過大或與周圍障礙物碰撞而引起破壞。力或力矩傳感器種類很多，常用的有電阻應變片式、壓電式、電容式、電感式及各種外力傳感器。力或力矩傳感器都是通過彈性敏感元件將被測力或力矩轉(zhuǎn)換成某種位移量或變形量，然后通過各自的敏感介質(zhì)把位移量或變形量轉(zhuǎn)換成能夠輸出的電量。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1五、工業(yè)機器人的外部傳感器1．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、關(guān)節(jié)力、指力和支座力傳感器，是機器人重要的傳感器之一。

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關(guān)節(jié)力傳感器，測量驅(qū)動器本身的輸出力和力矩，用于控制中的力反饋。腕力傳感器，測量作用在末端執(zhí)行器上的各向力和力矩。指力傳感器，測量夾持物體手指的受力情況。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1五、工業(yè)機器人的外部傳感器1．力覺傳感器目前使用最廣泛的是電阻應變片式力和力矩傳感器。

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這種傳感器的力或力矩敏感元件是應變片，裝載在鋁制筒體上，筒體有8個簡支梁（彈性梁）支持。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1五、工業(yè)機器人的外部傳感器1．力覺傳感器如圖1-3-10所示為SRI（StanfordResearchInstitute）六維腕力傳感器，它由一只直徑為75mm的鋁管銑削而成，具有8根窄長的彈性梁，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1-3-10中從Px+到Qy-代表了8根應變梁的變形信號的輸出。

任務3工業(yè)機器人的傳感器及其應用

工業(yè)機器人基礎知識模塊1五、工業(yè)機器人的外部傳感器1．力覺傳感器如圖1-3-11所示為日本和制衡株式會社林純一研制的十字梁腕力傳感器。它是一種整體輪輻式結(jié)構(gòu)，傳感器在十字梁與輪緣連接處有一個柔性環(huán)節(jié)（a、b、c、d），在4根交叉梁上共貼有32個應變片（圖1-3-11中的小方塊），組成8路全橋輸出。

任務3工業(yè)機器人的傳感器及其應用

工業(yè)機器人基礎知識模塊1五、工業(yè)機器人的外部傳感器1．力覺傳感器如圖1-3-12所示，三梁腕力傳感器的內(nèi)圈和外圈分別固定于機器人的手臂和手爪，力沿與內(nèi)圈相切的三根梁進行傳遞。每根梁上下、左右各貼一對應變片，3根梁上共有6對應變片，分別組成6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。

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工業(yè)機器人基礎知識模塊1五、工業(yè)機器人的外部傳感器2．接近覺傳感器

接近覺傳感器是機器人用來探測機器人自身與周圍物體之間相對位置或距離的一種傳感器，它探測的距離一般為幾毫米到十幾厘米之間。

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接近傳感器結(jié)構(gòu)上分為接觸型和非接觸型兩種，其中非接觸型接近傳感器應用較廣。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1五、工業(yè)機器人的外部傳感器2．接近覺傳感器目前按照轉(zhuǎn)換原理的不同，接近覺傳感器分為電渦流式、光纖式、超聲波式及激光掃描式等。

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（1）電渦流式傳感器導體在一個不均勻的磁場中運動或處于一個交變磁場中時，其內(nèi)部就會產(chǎn)生感應電流。這種感應電流稱為電渦流，這一現(xiàn)象稱為電渦流現(xiàn)象，利用這一原理可以制作電渦流傳感器。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1五、工業(yè)機器人的外部傳感器2．接近覺傳感器（1）電渦流式傳感器

電渦流式傳感器如圖1-3-13所示。由于傳感器的電磁場方向與產(chǎn)生的電渦流方向相反，兩個磁場相互疊加削弱了傳感器的電感和阻抗。

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用電路把傳感器電感和阻抗的變化轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換電壓，則能計算出目標物與傳感器之間的距離。該距離正比于轉(zhuǎn)換電壓，但存在一定的線性誤差。對于鋼或鋁等材料的目標物，線性度誤差為±5%。這種傳感器的優(yōu)點是外形尺寸小、價格低廉、可靠性高、抗干擾能力強，而且檢測精度也高，能夠檢測到0.02mm的微量位移。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1五、工業(yè)機器人的外部傳感器2．接近覺傳感器

任務3工業(yè)機器人的傳感器及其應用

工業(yè)機器人基礎知識模塊1五、工業(yè)機器人的外部傳感器2．接近覺傳感器（2）光纖式傳感器用光纖制作接近覺傳感器可以用來檢測機器人與目標物間較遠的距離。這種傳感器的優(yōu)點是抗電磁干擾能力強、靈敏度高、響應快。

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光纖式傳感器如圖1-3-14所示，有3種不同的形式。其中第一種為射束中斷型光纖式傳感器，如圖1-3-14（a）所示，這種傳感器只能檢測出不透明物體，對透明或半透明的物體無法檢測。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1五、工業(yè)機器人的外部傳感器2．接近覺傳感器（2）光纖式傳感器第二種是回射型光纖式傳感器，如圖1-3-14（b）所示，與第一種類型相比，它可以檢測出用透光材料制成的物體。

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第三種為擴散型光纖式傳感器，如圖1-3-14（c）所示，與第二種相比其少了回射靶，因為大部分材料都能反射一定量的光，這種類型的傳感器可檢測透光或半透光物體。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1五、工業(yè)機器人的外部傳感器2．接近覺傳感器

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工業(yè)機器人基礎知識模塊1五、工業(yè)機器人的外部傳感器2．接近覺傳感器（3）超聲波式傳感器超聲波式傳感器的主要作用是用超聲波測量距離，其原理圖如圖1-3-15所示。超聲波傳感器由一個超聲波發(fā)射器、一個超聲波接收器、定時電路及控制電路組成。

任務3工業(yè)機器人的傳感器及其應用

工業(yè)機器人基礎知識模塊1五、工業(yè)機器人的外部傳感器2．接近覺傳感器（3）超聲波式傳感器待超聲波發(fā)射器發(fā)出脈沖式超聲波后關(guān)閉發(fā)射器，同時打開超聲波接收器。該脈沖波到達物體表面后返回到接收器，定時電路測出從發(fā)射器發(fā)射到接收器接收的時間。設該時間為T，而聲波的傳輸速度為V，則被測距離L為

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超聲波的傳輸速度與其波長和頻率成正比，只要這兩者不變，速度就為常數(shù)，但隨著環(huán)境溫度的變化，波速會有一定變化。超聲波傳感器對于水下機器人的作業(yè)非常重要。水下機器人安裝超聲波傳感器后能使其定位精度達到微米級。激光掃描型傳感器的測量原理與超聲波式傳感器類似。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1五、工業(yè)機器人的外部傳感器3．觸覺傳感器觸覺傳感器在機器人應用中有以下幾個方面的作用。感知操作手指與對象物之間的作用力，使手指動作適當。

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識別操作物的大小、形狀、質(zhì)量及硬度等。躲避危險，以防碰撞障礙物引起事故。機器人的觸覺傳感器一般包括壓覺、滑覺、接觸覺及力覺等。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1五、工業(yè)機器人的外部傳感器3．觸覺傳感器（1）壓覺傳感器壓覺傳感器實際上也是一種觸覺傳感器，只是它專門對壓覺有感知作用。目前壓覺傳感器主要有以下幾種。

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①壓阻效應式壓覺傳感器。利用某些材料的內(nèi)阻隨壓力變化而變化的壓阻效應，制成壓阻器件，將它們密集配置成陣列，即可檢測壓力的分成，如壓敏導電橡膠或塑料等。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1五、工業(yè)機器人的外部傳感器3．觸覺傳感器（1）壓覺傳感器②壓電效應式壓覺傳感器。利用某些材料在壓力的作用下，其相應表面上會產(chǎn)生電荷的壓電效應制成壓電器件，如壓電晶體等，將它們制成類似人類的皮膚的壓電薄膜，感知外界的壓力，其優(yōu)點是耐腐蝕、頻帶寬和靈敏度高等，但缺點是無直流響應，不能直接檢測靜態(tài)信號。

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③集成壓敏壓覺傳感器。利用半導體力敏器件與信號電路構(gòu)成集成壓敏傳感器。常用的有3種類型，即電壓型（如ZnO/Si-IC）、電阻型SIR（硅集成）和電容型SIC。其優(yōu)點是體積小、成本低、便于與計算機連用。缺點是耐壓負載小、不柔軟。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1五、工業(yè)機器人的外部傳感器3．觸覺傳感器（1）壓覺傳感器④利用壓磁傳感器。掃描電路和針式差動變壓器式觸覺傳感器構(gòu)成的壓覺傳感器。壓磁器件具有較強的過載能力，但缺點是體積較大。

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利用半導體技術(shù)制成的高密度智能壓覺傳感器，是一種發(fā)展?jié)摿O大的壓覺傳感器，如圖1-3-16所示。其中傳感元件以壓阻式與電容式最多。雖然壓阻式器件比電容式器件的線性好，封裝也簡單，但是其靈敏度要比電容式器件小一個數(shù)量級，溫度靈敏度比電容式器件大一個數(shù)量級。因此，電容式壓覺傳感器，特別是硅電容式壓覺傳感器得到了廣泛的應用。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1

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工業(yè)機器人基礎知識模塊1五、工業(yè)機器人的外部傳感器3．觸覺傳感器（2）滑覺傳感器機器人在抓取不知屬性的物體時，其自身應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。

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利用半導體技術(shù)制成的高密度智能壓覺傳感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。其原理是物體在傳感器表面滑動時，和滾輪或環(huán)相接觸，把滑動變成轉(zhuǎn)動。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1五、工業(yè)機器人的外部傳感器3．觸覺傳感器（2）滑覺傳感器如圖1-3-17所示為滾珠式滑覺傳感器，圖1-3-17中的滾球表面是導體和絕緣體配置成的網(wǎng)眼，從物體的接觸點可以獲取斷續(xù)的脈沖信號，它能檢測全方位的滑動行為。

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工業(yè)機器人基礎知識模塊1五、工業(yè)機器人的外部傳感器3．觸覺傳感器（2）滑覺傳感器如圖1-3-18所示為滾柱式滑覺傳感器結(jié)構(gòu)，滾柱式滑覺傳感器是經(jīng)常使用的一種滑覺傳感器。

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由圖1-3-18可知，當機器人手爪中的物體滑動時，將使?jié)L柱旋轉(zhuǎn)，滾柱帶動安裝在其中的光電傳感器和縫隙圓板而產(chǎn)生脈沖信號。這些信號通過計數(shù)電路和D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，通過反饋系統(tǒng)，構(gòu)成閉環(huán)控制，不斷修正握力，達到消除滑動的目的。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1

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工業(yè)機器人基礎知識模塊1五、工業(yè)機器人的外部傳感器3．觸覺傳感器（2）滑覺傳感器目前出現(xiàn)了“人工皮膚”，實際上就是一種超高密度排列的陣列傳感器，主要用于表面形狀和表面特性的檢測。壓電材料是另一種有潛力的觸覺敏感材料，其原理是利用晶體的壓電效應，在晶體上施壓時，一定范圍內(nèi)施加的壓力與晶體的電阻成比例關(guān)系。

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但是一般晶體的脆性比較大，作為敏感材料時很難制作。目前已有一種聚合物材料具有良好的壓電性，且柔性好，易制作，有希望成為新的觸覺敏感材料。其他常用敏感材料有半導體應變計，其原理與應變片一樣，即應變變形原理。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1六、多傳感器的融合及應用1．傳感器的融合系統(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。

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傳感器的融合技術(shù)設計神經(jīng)網(wǎng)絡、知識工程、模糊理論等信息檢測、控制領域的新理論和新方法。如圖1-3-19所示為KUKA多傳感器信息融合自主移動機器人。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1

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工業(yè)機器人基礎知識模塊1六、多傳感器的融合及應用1．傳感器的融合傳感器融合類型有多種，現(xiàn)以兩個例子進行說明。（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)決定。

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決定的方法有多種，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）或陸標觀測（如交叉路口、人行道等參照物）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。

工業(yè)機器人基礎知識模塊1六、多傳感器的融合及應用1．傳感器的融合傳感器融合類型有多種，現(xiàn)以兩個例子進行說明。（2）互補性的傳感器提供不同形式的數(shù)據(jù)。