機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)與應(yīng)用 課件 第10課 傳感器與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

智能機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用“十四五”職業(yè)教育人工智能技術(shù)應(yīng)用專業(yè)系列教材第10課傳感器與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)231知識(shí)目標(biāo)（1）熟悉機(jī)器人工作原理。（2）熟悉機(jī)器人感知系統(tǒng)，了解機(jī)器人傳感器。（3）了解機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。能力目標(biāo)（1）掌握專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)方法，培養(yǎng)閱讀、思考與研究的能力。（2）積極參與“研究性學(xué)習(xí)小組”，提高組織和活動(dòng)能力，具備團(tuán)隊(duì)精神。素質(zhì)目標(biāo)（1）熱愛學(xué)習(xí)，掌握學(xué)習(xí)方法，提高學(xué)習(xí)能力。（2）積極鉆研，善于分析，勤于思考，關(guān)心技術(shù)進(jìn)步。（3）體驗(yàn)、積累和提高“大國(guó)工匠”的專業(yè)素質(zhì)。學(xué)習(xí)目標(biāo)

愿景

體驗(yàn)

創(chuàng)意

實(shí)踐重點(diǎn)難點(diǎn)（1）掌握機(jī)器人感知系統(tǒng)。（2）掌握機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。目錄機(jī)器人工作原理01機(jī)器人感知系統(tǒng)02多傳感器信息耦合03機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)04第9課機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)是由機(jī)器人和作業(yè)對(duì)象及環(huán)境共同構(gòu)成的具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器的整體，其中包括機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和感知系統(tǒng)四大部分。機(jī)器人具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力。機(jī)器人工作原理0101

機(jī)器人工作原理機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，其工作原理為：控制系統(tǒng)發(fā)出動(dòng)作指令，控制驅(qū)動(dòng)器動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，使末端操作器到達(dá)空間某一位置和實(shí)現(xiàn)某一姿態(tài)，實(shí)施一定的作業(yè)任務(wù)。末端操作器在空間

的實(shí)際位姿由感知系統(tǒng)反饋給控制系統(tǒng)，

控制系統(tǒng)把實(shí)際位姿與目標(biāo)位姿相比較，

發(fā)出下一個(gè)動(dòng)作指令，如此循環(huán)，直到完

成作業(yè)任務(wù)為止。

圖10-3機(jī)器人工作原理示意圖機(jī)器人感知系統(tǒng)0202

機(jī)器人感知系統(tǒng)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，機(jī)器人需要傳感器提供必要的信息，以正確執(zhí)行相關(guān)的操作。根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的不同，機(jī)器人感知系統(tǒng)的作用是通過內(nèi)部和外部傳感器獲取機(jī)器人內(nèi)部和外部環(huán)境信息，并把這些信息反饋給控制系統(tǒng)。內(nèi)部狀態(tài)傳感器用于檢測(cè)各關(guān)節(jié)的位置、速度等變量，為閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)提供反饋信息。外部狀態(tài)傳感器用于檢測(cè)機(jī)器人與周圍環(huán)境之間的一些狀態(tài)變量，如距離、接近程度和接觸情況等，用于引導(dǎo)機(jī)器人，

便于其識(shí)別物體并做出相應(yīng)處理。外部傳感器可使機(jī)

器人以靈活的方式對(duì)它所處的環(huán)境做出反應(yīng)，賦予機(jī)

器人一定的智能，這部分的作用相當(dāng)于人的五官。

圖10-4焊接機(jī)器人機(jī)器人感覺分類傳感器綜述速度和加速度傳感器位置（位移）傳感器02

機(jī)器人感知系統(tǒng)視覺和接近覺傳感器力/力矩傳感器聲覺傳感器碰撞檢測(cè)傳感器聽覺傳感器觸覺與滑覺傳感器其他傳感器02

機(jī)器人感知系統(tǒng)10.2.1機(jī)器人感覺分類機(jī)器人的內(nèi)部傳感器用來檢測(cè)機(jī)器人本身狀態(tài)（如手臂間角度），通常為檢測(cè)位置和角度的傳感器。其外部傳感器用來檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境（如是什么物體，離物體的距離有多遠(yuǎn)等）及狀況（如抓取的物體是否滑落）。機(jī)器人的感覺內(nèi)容分別介紹如下。02

機(jī)器人感知系統(tǒng)（1）明暗覺。檢測(cè)內(nèi)容：是否有光，亮度多少。應(yīng)用目的：判斷有無對(duì)象并得到定量結(jié)果。傳感器件：光敏管、光電斷續(xù)器。（2）色覺。檢測(cè)內(nèi)容：對(duì)象的色彩及濃度。應(yīng)用目的：利用顏色識(shí)別對(duì)象的場(chǎng)合。傳感器件：彩色攝像機(jī)、濾波器、彩色CCD（把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的半導(dǎo)體器件）。02

機(jī)器人感知系統(tǒng)（3）位置覺。檢測(cè)內(nèi)容：物體的位置、角度、距離。應(yīng)用目的：物體空間位置、判斷物體移動(dòng)。傳感器件：光敏陣列、CCD等。（4）形狀覺。檢測(cè)內(nèi)容：物體的外形。應(yīng)用目的：提取物體輪廓及固有特征，識(shí)別物體。傳感器件：光敏陣列、CCD等。02

機(jī)器人感知系統(tǒng)（5）接觸覺。檢測(cè)內(nèi)容：與對(duì)象是否接觸以及接觸的位置。應(yīng)用目的：確定對(duì)象位置，識(shí)別對(duì)象形態(tài)，控制速度，安全保障，異常停止，尋找路徑。傳感器件：光電傳感器、微動(dòng)開關(guān)、薄膜特點(diǎn)、壓敏高分子材料。（6）壓覺。檢測(cè)內(nèi)容：對(duì)物體的壓力、握力以及壓力分布。應(yīng)用目的：控制握力，識(shí)別握持物，測(cè)量物體彈性。傳感器件：壓電元件、導(dǎo)電橡膠、壓敏高分子材料。02

機(jī)器人感知系統(tǒng)（7）力覺。檢測(cè)內(nèi)容：機(jī)器人有關(guān)部件（如手指）所受外力及轉(zhuǎn)矩。應(yīng)用目的：控制手腕移動(dòng)，伺服控制，正解完成作業(yè)。傳感器件：應(yīng)變片、導(dǎo)電橡膠。（8）接近覺。檢測(cè)內(nèi)容：對(duì)象物是否接近，接近距離，對(duì)象面的傾斜。應(yīng)用目的：控制位置，尋徑，安全保障，異常停止。傳感器件：光傳感器、氣壓傳感器、超聲波傳感器、電渦流傳感器、霍爾傳感器。02

機(jī)器人感知系統(tǒng)（9）滑覺。檢測(cè)內(nèi)容：垂直握持面方向物體的位移，重力引起的變形。應(yīng)用目的：修正握力，防止打滑，判斷物體重量及表面狀態(tài)。傳感器件：球形接點(diǎn)式、光電旋轉(zhuǎn)傳感器、角編碼器、振動(dòng)檢測(cè)器。02

機(jī)器人感知系統(tǒng)10.2.2傳感器綜述機(jī)器人是由計(jì)算機(jī)控制的復(fù)雜機(jī)器，它具有類似人的肢體及感官功能；動(dòng)作程序靈活，有一定程度的智能，在工作時(shí)可以不依賴人的操縱。隨著智能化的程度提高，機(jī)器人傳感器的應(yīng)用越來越多。從擬人功能出發(fā)，其中的視覺、力覺、觸

覺最為重要，早已進(jìn)入實(shí)用階段，聽覺也有較大進(jìn)

展，其他對(duì)應(yīng)嗅覺、味覺、滑覺等也有多種傳感器。

圖10-5傳感器02

機(jī)器人感知系統(tǒng)機(jī)器人傳感器在控制中起著非常重要的作用，是實(shí)現(xiàn)軟件智能的關(guān)鍵組件，它們不僅實(shí)現(xiàn)復(fù)雜操作，同時(shí)也保證這些操作在進(jìn)行過程中得到良好的控制，使機(jī)器人具備類似人類的知覺功能和反應(yīng)能力。例如使用智能傳感器提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。對(duì)于一些特殊的信息，傳感器甚至比人類的感受系統(tǒng)更有效。為了檢測(cè)作業(yè)對(duì)象及環(huán)境或機(jī)器人及它們之間的關(guān)系，機(jī)器人身上安裝了觸覺傳感器、視覺傳感器、物體識(shí)別傳感器、力覺傳感器、接近覺傳感器、距離傳感器、物體探傷傳感器、超聲波

傳感器和聽覺傳感器，大大改善了機(jī)器人工作狀況，使其能夠更充分地完成復(fù)雜的

工作。內(nèi)傳感器和電機(jī)、軸等機(jī)械部件或機(jī)械結(jié)構(gòu)如手臂、手腕等安裝在一起，完成位置、

速度、力度的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)伺服控制。02

機(jī)器人感知系統(tǒng)以往一般的工業(yè)機(jī)器人是沒有外部感覺能力的，而新一代機(jī)器人例如多關(guān)節(jié)機(jī)器人，特別是移動(dòng)機(jī)器人、智能機(jī)器人，要求具有校正能力和反應(yīng)環(huán)境變化的能力，外傳感器被用來實(shí)現(xiàn)這些能力。外部傳感器是集多種學(xué)科于一身的產(chǎn)品，隨著外部傳感器的進(jìn)一步完善，機(jī)器人的功能越來越強(qiáng)大，在許多領(lǐng)域?yàn)槿祟愖龀龈筘暙I(xiàn)。02

機(jī)器人感知系統(tǒng)10.2.3位置（位移）傳感器用于機(jī)器人的距離傳感器主要有激光測(cè)距儀（兼可測(cè)角）、聲納傳感器等。直線移動(dòng)傳感器有電位計(jì)式傳感器和可調(diào)變壓器兩種。角位移傳感器有電位計(jì)式、可調(diào)變壓器（旋轉(zhuǎn)變壓器）及光電編碼器等三種，其中光電編碼器有增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器。增量式編碼器一般用于零位不確定的位置伺服控制，絕對(duì)式編碼器能夠得到對(duì)應(yīng)于編碼器初始鎖定位置的驅(qū)動(dòng)軸瞬時(shí)角度值，當(dāng)設(shè)備受到壓力時(shí)，只要讀出每個(gè)關(guān)節(jié)編碼器的讀數(shù)，就能夠?qū)λ?/p>

服控制的給定值進(jìn)行調(diào)整，以防止機(jī)器人啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生過度劇烈運(yùn)動(dòng)。02

機(jī)器人感知系統(tǒng)10.2.4速度和加速度傳感器速度傳感器有測(cè)量平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度兩種，但大多數(shù)情況下，只限于測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度。利用位移，特別是光電方法，讓光照射旋轉(zhuǎn)圓盤，檢測(cè)出旋轉(zhuǎn)頻率和脈沖數(shù)目，以求出旋轉(zhuǎn)角度及利用圓盤縫隙，通過二個(gè)光電二極管辨別出角速度，即轉(zhuǎn)速，這就是光電脈沖式轉(zhuǎn)速傳感器。此外還有測(cè)速發(fā)電機(jī)用于測(cè)速等。應(yīng)變儀，即伸縮測(cè)量?jī)x，也是一種應(yīng)力傳感器，用于加速度測(cè)量。加速度傳感器用于測(cè)量機(jī)器

人的動(dòng)態(tài)控制信號(hào)。一般由速度測(cè)量進(jìn)行推演、已知質(zhì)量物體加速度所產(chǎn)生動(dòng)力，

即應(yīng)用應(yīng)變儀測(cè)量進(jìn)行推演。

此外，與被測(cè)加速度有關(guān)的力可由一個(gè)已知質(zhì)量產(chǎn)生。這種力可以為電磁力或電動(dòng)

力，最終簡(jiǎn)化為對(duì)電流的測(cè)量，這就是伺服返回傳感器，實(shí)際中有多種振動(dòng)式加速

度傳感器。02

機(jī)器人感知系統(tǒng)10.2.5視覺與接近覺傳感器機(jī)器視覺在20世紀(jì)50年代后期出現(xiàn)，20世紀(jì)60年代開始首先用于處理積木世界，后來發(fā)展到處理室外的現(xiàn)實(shí)世界。20世紀(jì)70年代以后出現(xiàn)了實(shí)用性的視覺系統(tǒng)。視覺傳感器是機(jī)器人中最重要的傳感器之一，是應(yīng)用廣泛、內(nèi)容豐富的外傳感器，而且機(jī)器視覺經(jīng)常獨(dú)立形成產(chǎn)品，與軟件技術(shù)關(guān)系很密切。02

機(jī)器人感知系統(tǒng)視覺一般包括三個(gè)過程：圖像獲取、圖像處理和圖像理解。二維視覺是一個(gè)可以執(zhí)行從檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體到傳輸帶上的零件定位等多種任務(wù)的攝像頭。許多智能相機(jī)都可以檢測(cè)零件并協(xié)助機(jī)器人確定零件的位置，機(jī)器人可以根據(jù)接收到的信息適當(dāng)調(diào)整其動(dòng)作。

圖10-6視覺傳感器工作示意02

機(jī)器人感知系統(tǒng)三維視覺系統(tǒng)必須擁有兩個(gè)不同角度的攝像機(jī)或激光掃描器，用來檢測(cè)對(duì)象的第三維度。例如，零件取放便是利用三維視覺技術(shù)檢測(cè)物體并創(chuàng)建三維圖像，分析、選擇最好的拾取方式。視覺和接近傳感器類似于自動(dòng)駕駛車輛所需的傳感器，包括攝像頭、紅外線、聲納、超聲波、雷達(dá)和激光雷達(dá)。某些情況下可以使用多個(gè)攝像頭，尤其是立體視覺。將這些傳感器組合起來使用，機(jī)器人便可以確定尺寸，識(shí)別物體并確定其距離。研究接近覺的目的是使機(jī)器人在移動(dòng)或操作過程中獲知目

標(biāo)（障礙）物的接近程度，移動(dòng)機(jī)器人可以據(jù)此實(shí)現(xiàn)避障，

操作機(jī)器人可避免手爪對(duì)目標(biāo)物由于接近速度過快而造成

的沖擊。

圖10-7接近覺傳感示意02

機(jī)器人感知系統(tǒng)由于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度提高及對(duì)物體裝卸可能引起損壞等原因需要知道物體在機(jī)器人工作場(chǎng)地內(nèi)存在位置的先驗(yàn)信息以及適當(dāng)?shù)能壽E規(guī)劃，所以有必要應(yīng)用測(cè)量接近度的遙感方法。接近傳感器分為無源傳感器和有源傳感器，所以除自然信號(hào)源外，還可能需要人工信號(hào)的發(fā)送器和接收器。超聲波接近度傳感器用于檢測(cè)物體的存在和測(cè)量距離。它不能用于測(cè)量小于30~50cm的距離，而測(cè)距范圍較大，它可用在移動(dòng)機(jī)器人上，也可用于大型機(jī)器人的夾手上。還可做成超聲導(dǎo)航

系統(tǒng)。紅外線接近度傳感器，其體積很小，只有幾立方厘米大，因此可以安裝在機(jī)器人夾

手上。02

機(jī)器人感知系統(tǒng)10.2.6力/力矩傳感器如果說視覺傳感器給了機(jī)器人眼睛，那么力/力矩傳感器則給機(jī)器人帶去了觸覺。機(jī)器人利用力/力矩傳感器感知末端執(zhí)行器的力度。多數(shù)情況下，力/力矩傳感器位于機(jī)器人和夾具之間，這樣，所有反饋到夾具上的力都在機(jī)器人的監(jiān)控之中。有了力/力矩傳感器，裝配、人工引導(dǎo)、示教、力度限制等應(yīng)用才得以實(shí)現(xiàn)。

圖10-8ME多分量傳感器F6D80可用于在三個(gè)相互垂直的軸上測(cè)量力和扭矩力傳感器02

機(jī)器人感知系統(tǒng)力覺傳感器用于測(cè)量?jī)晌矬w之間一點(diǎn)的負(fù)載，包含作用力的三個(gè)分量（x、y、z）和力矩的三個(gè)分量。機(jī)器人中理想的傳感器是粘接在依從部件的半導(dǎo)體應(yīng)力計(jì)。具體有金屬電阻型力覺傳感器、半導(dǎo)體型力覺傳感器、其他磁性壓力式和利用弦振動(dòng)原理制作的力覺傳感器。此外還有轉(zhuǎn)矩傳感器（如用光電傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)矩）、腕力傳感器（如斯坦福研究所的由6個(gè)小型差動(dòng)變壓器組成，能測(cè)量作用于腕部X、Y和Z三個(gè)方向的動(dòng)力及各軸動(dòng)轉(zhuǎn)矩）等。力傳感器可用于測(cè)量多種操作的力值，例如機(jī)器的卸載和裝載，物料搬運(yùn)以及其他由機(jī)器人操

作的操作。該傳感器還廣泛用于組裝方法中以分析問題。在此傳感器中存在多種方

法，例如聯(lián)合傳感，觸覺陣列傳感。02

機(jī)器人感知系統(tǒng)從安裝部位講，機(jī)器人力傳感器可以分為關(guān)節(jié)力傳感器、腕力傳感器和指力傳感器。應(yīng)力傳感器，如多關(guān)節(jié)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作時(shí)需要知道實(shí)際存在的接觸、接觸點(diǎn)的位置（定位）、接觸的特性即估計(jì)受到的力（表征）這三個(gè)條件，所以用應(yīng)變儀，結(jié)合具體應(yīng)力檢測(cè)的基本假設(shè)，如求出工作臺(tái)面與物體間的作用力，具體有對(duì)環(huán)境裝設(shè)傳感器、對(duì)機(jī)器人腕部裝設(shè)測(cè)試儀器用傳動(dòng)裝置作為傳感器等方法。02

機(jī)器人感知系統(tǒng)10.2.7碰撞檢測(cè)傳感器碰撞傳感器有各種不同的形式，其主要應(yīng)用是為作業(yè)人員提供一個(gè)安全的工作環(huán)境。協(xié)作機(jī)器人最需要碰撞傳感器。一些傳感器可以是某種觸覺識(shí)別系統(tǒng)，通過柔軟的表面感知壓力，給機(jī)器人發(fā)送信號(hào)，限制或停止機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

圖10-9擁有眾多傳感器的安防機(jī)器人02

機(jī)器人感知系統(tǒng)一些傳感器還可以直接內(nèi)置在機(jī)器人中。有些公司利用加速度計(jì)反饋，還有些則使用電流反饋。在這兩種情況下，當(dāng)機(jī)器人感知到異常的力度時(shí)，便觸發(fā)緊急停止，從而確保安全。要想讓工業(yè)機(jī)器人與人進(jìn)行協(xié)作，首先要找出可以保證作業(yè)人員安全的方法。這些傳感器有各種形式，從攝像頭到激光等，目的是告訴機(jī)器人周圍的狀況。有些安全系統(tǒng)可以設(shè)置成當(dāng)有人出現(xiàn)在特定的區(qū)域/空間時(shí)，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)減速運(yùn)行，如果人員繼續(xù)靠近，機(jī)器人則會(huì)停止工作。最簡(jiǎn)單的例子是電梯門上的激光安全傳感器。當(dāng)激光檢測(cè)到障礙物時(shí)，電梯門會(huì)立即停止并退

回，以避免碰撞。02

機(jī)器人感知系統(tǒng)10.2.8聲覺傳感器聲覺傳感器用于感受和解釋在氣體（非接觸感受）、液體或固體（接觸感受）中的聲波。聲波傳感器復(fù)雜程度可以從簡(jiǎn)單的聲波存在檢測(cè)到復(fù)雜的聲波頻率分析，直到對(duì)連續(xù)自然語(yǔ)言中單獨(dú)語(yǔ)音和詞匯的辨別。麥克風(fēng)（聲學(xué)傳感器）幫助工業(yè)機(jī)器人接收語(yǔ)音命令并識(shí)別熟悉環(huán)境中的異常聲音。如果加上壓電傳感器，還可以識(shí)別并消除振動(dòng)引起的噪聲，避免機(jī)器人錯(cuò)誤理解語(yǔ)音命令。先進(jìn)的算法

甚至可以讓機(jī)器人了解說話者的情緒。02

機(jī)器人感知系統(tǒng)10.2.9聽覺傳感器特定人語(yǔ)音識(shí)別方法是將事先指定的人的聲音中的每一個(gè)字音的特征矩陣存儲(chǔ)起來，形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模板（或叫模板），然后再進(jìn)行匹配。它首先要記憶一個(gè)或幾個(gè)語(yǔ)音特征，而且被指定人講話的內(nèi)容也必須是事先規(guī)定好的有限的幾句話。特定人語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)可以識(shí)別講話的人是否是事先指定的人，講的是哪一句話。非特定人的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)大致可以分為語(yǔ)言識(shí)別系統(tǒng)，單詞識(shí)別系統(tǒng)，及數(shù)字音（0~9）識(shí)別

系統(tǒng)。非特定人的語(yǔ)音識(shí)別方法則需要對(duì)一組有代表性的人的語(yǔ)音進(jìn)行訓(xùn)練，找出

同一詞音的共性，這種訓(xùn)練往往是開放式的，能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行不斷的修正。在系統(tǒng)工

作時(shí)，將接收到的聲音信號(hào)用同樣的辦法求出它們的特征矩陣，再與標(biāo)準(zhǔn)模式相比

較?？此c哪個(gè)模板相同或相近，從而識(shí)別該信號(hào)的含義。02

機(jī)器人感知系統(tǒng)10.2.10觸覺與滑覺傳感器微型開關(guān)是接觸傳感器最常用型式，另有隔離式雙態(tài)接觸傳感器（即雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)半導(dǎo)體電路）、單模擬量傳感器、矩陣傳感器（壓電元件的矩陣傳感器、人工皮膚——變電導(dǎo)聚合物、光反射觸覺傳感器等）。觸覺研究從20世紀(jì)80年代初開始，到20世紀(jì)90年代初已取得了大量的成果。作為視覺的補(bǔ)充，觸覺能感知目標(biāo)物體的表面性能和物理特性：柔軟性、硬度、彈性、粗糙度和導(dǎo)熱性等。觸覺傳感器一般安裝在抓手上，用來檢測(cè)和感覺抓取的物體是什么。傳感器通常能

夠檢測(cè)力度并得出力度分布的情況，從而知道對(duì)象的確切位置，讓你可以控制抓取

的位置和末端執(zhí)行器的抓取力度。另外還有一些觸覺傳感器可以檢測(cè)熱量的變化。02

機(jī)器人感知系統(tǒng)用于檢測(cè)物體的滑動(dòng)。當(dāng)要求機(jī)器人抓住特性未知的物體時(shí)，必須確定最適當(dāng)?shù)奈樟χ担砸髾z測(cè)出握力不夠時(shí)所產(chǎn)生的物體滑動(dòng)信號(hào)。目前有利用光學(xué)系統(tǒng)的滑覺傳感器和利用晶體接收器的滑覺傳感器，后者的檢測(cè)靈敏度與滑動(dòng)方向無關(guān)。02

機(jī)器人感知系統(tǒng)10.2.11其他傳感器市場(chǎng)上還有很多適用于不同應(yīng)用的傳感器。例如：射頻識(shí)別（RFID）傳感可以提供識(shí)別碼并允許得到許可的機(jī)器人獲取其他信息。溫度傳感是機(jī)器人自我診斷的一部分，在機(jī)器人中應(yīng)用較廣。除常用的熱電阻（熱敏電阻）、熱電偶等外，熱電電視攝像機(jī)測(cè)及感覺溫度圖像方面也取得進(jìn)展。接觸式或非接觸式溫度傳感器可用于確定其周遭的環(huán)境，避免潛在的有害熱源。利用化學(xué)、光學(xué)和顏色傳感器，機(jī)器人能

夠評(píng)估、調(diào)整和檢測(cè)其環(huán)境中存在的問題。

對(duì)于可以走路、跑步甚至跳舞的人形機(jī)器人，穩(wěn)定性是一個(gè)主要問題。它們需要與

智能手機(jī)相同類型的傳感器，以便提供機(jī)器人的準(zhǔn)確位置數(shù)據(jù)。在這些應(yīng)用采用了

具有3軸加速度計(jì)、3軸陀螺儀和3軸磁力計(jì)的9自由度傳感器或慣性測(cè)量單元

（IMU）。多傳感器信息融合0303

多傳感器信息融合隨著社會(huì)發(fā)展的需要和機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，人們對(duì)智能機(jī)器人的要求也越來越高。智能機(jī)器人所處的環(huán)境往往是未知的、難以預(yù)測(cè)的，多傳感器信息融合就是研究機(jī)器人過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一。多傳感器信息融合技術(shù)與控制理論、信號(hào)

處理、人工智能、概率和統(tǒng)計(jì)相結(jié)合，為

機(jī)器人在各種復(fù)雜、動(dòng)態(tài)、不確定和未知

的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)提供了技術(shù)

解決途徑。圖10-10智能機(jī)器人的多傳感器系統(tǒng)框圖機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)0404

機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用相當(dāng)于人的肌肉，主要是指驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)裝置，按動(dòng)力源可分為液壓，氣動(dòng)和電動(dòng)三大類；這三類基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各有自己的特點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)需要組合成復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

圖10-11復(fù)合式驅(qū)動(dòng)機(jī)器人液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選用原則電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)04

機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)04

機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)10.4.1液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，且負(fù)載能力大，對(duì)于重載搬運(yùn)和零件加工的機(jī)器人，采用液壓驅(qū)動(dòng)比較合理。但液壓驅(qū)動(dòng)存在管道復(fù)雜、清潔困難等缺點(diǎn)，因此限制了它在裝配作業(yè)中的應(yīng)用。

圖10-12機(jī)器人的液壓驅(qū)動(dòng)04

機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，具有動(dòng)力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。適于在承載能力大、慣量大以及在防焊環(huán)境中工作的機(jī)器人中應(yīng)用。但液壓系統(tǒng)需進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換成液壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低。液壓系統(tǒng)的液體泄泥會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪聲也較高。因這些弱點(diǎn)，近年來在小負(fù)荷的機(jī)器人中往往被電動(dòng)系統(tǒng)所取代。04

機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)10.4.2氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無論電氣還是液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人，其手爪，即機(jī)械手的開合都采用氣動(dòng)形式。

圖10-13機(jī)器人的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)04

機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人采用壓縮空氣為動(dòng)力源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作迅速、價(jià)格低廉，但由于空氣具有可壓縮性，其工作速度的穩(wěn)定性較差。但是，空氣的可壓縮性可使手爪在抓取或卡緊物體時(shí)的順應(yīng)性提高，防止受力過大而造成被抓物體或手爪本身的破壞。氣壓系統(tǒng)的壓力一般為0.7MPa，因而抓取力小，只有幾十牛到幾百牛大小。04

機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)氣動(dòng)機(jī)器入一般從工廠的壓縮空氣站引到機(jī)器作業(yè)位置，也可單獨(dú)建立小型氣源系統(tǒng)。由于氣動(dòng)機(jī)器人具有氣源使用方便，不污染環(huán)境，動(dòng)作靈活迅速、工作安全可靠、操作維修簡(jiǎn)便以及適于在惡劣環(huán)境下工作等特點(diǎn)，因此在沖壓加工、注塑及壓

鑄等有毒或高溫條件下作業(yè)，機(jī)床上、下料，儀表及輕工行

業(yè)中、小型零件的輸送和自動(dòng)裝配等作業(yè)，食品包裝及輸送，

電子產(chǎn)品輸送、自動(dòng)插接，彈藥生產(chǎn)自動(dòng)化等方面獲得廣泛

應(yīng)用。

圖10-14氣動(dòng)機(jī)器人作業(yè)04

機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)10.4.3電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)器人電動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是利用各種電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體以獲得機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。直流有刷電機(jī)不能直接用于要求防爆的環(huán)境中，成本也較液壓、氣動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高。但因低慣量、大轉(zhuǎn)矩交、直流伺服電機(jī)及其配套的伺服驅(qū)動(dòng)器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）等特點(diǎn)，這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)比較突出，因此在機(jī)器人中被廣泛的選用。這類系統(tǒng)不需能量轉(zhuǎn)換，使用方便、控制

靈活。04

機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可分為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)三種驅(qū)動(dòng)形式。早期多采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，后來發(fā)展了直流伺服電動(dòng)機(jī)，交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)也逐漸得到應(yīng)用。這些驅(qū)動(dòng)單元有的用于直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)：有的通過諧波減速器減速后驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。

圖10-15機(jī)器人的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)04

機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，要求有最大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。特別是像機(jī)器人末端執(zhí)行器（手爪）應(yīng)采用體積、質(zhì)量盡可能小的電動(dòng)機(jī)，尤其是要求快速響應(yīng)時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，并且具有較大的短時(shí)過載能力。這是伺服電動(dòng)機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的先決條件。機(jī)器人對(duì)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要要求歸納如下：（1）快速性。電動(dòng)機(jī)從獲得指令信號(hào)到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時(shí)間應(yīng)短。響應(yīng)指令信號(hào)的時(shí)間愈短，電伺服系統(tǒng)的靈敏性愈高，快速響應(yīng)性能愈好，一般是以伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)的大小來說明伺服電動(dòng)機(jī)快速響應(yīng)的性能。（2）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩慣量比大。在驅(qū)動(dòng)負(fù)載的