机器人传感器(1)剖析

1、南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室第第二二章章 机器人传感器机器人传感器多多传感器传感器信息融合技术信息融合技术传感器的性能指标传感器的性能指标外传感器外传感器内传感器内传感器机器人传感器概述机器人传感器概述小结小结南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室一、机器人传感器概述一、机器人传感器概述 1、传感器的定义和组成、传感器的定义和组成 (1)机器人传感器可狭义的定义为：“将外界的输入信号变换为电信号的一类元件。”如下图所示： 传感器来自外界的信号来自外界的信号电信号电信号南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室 （2）传感器一般由敏感元件、转换部分敏感元

2、件、转换部分组成：敏感元件（敏感元件（Sensitive element）：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换部件（转换部件（Transducer）：）：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。一、机器人传感器概述一、机器人传感器概述 1、传感器的定义和组成、传感器的定义和组成位置地图位置地图南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室一、机器人传感器概述一、机器人传感器概述 2、机器人传感器原理与策略(1) 变换通过硬件把相关目标特性转换为信号。(2) 处理把所获信号变换为规划及执行某个机器人功能所需要的信息,包括预处理和解释两个步骤。南京大学金陵学

3、院信息科学与工程学院智能机器人实验室一、机器人传感器概述一、机器人传感器概述 机器人感觉顺序与系统结构2、机器人传感器原理与策略南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室（1）传感器的分类）传感器的分类 机器人传感器有多种分类方法，常见的有机器人传感器有多种分类方法，常见的有：一、机器人传感器概述一、机器人传感器概述 3、传感器的分类、传感器的分类u接触式传感器或非接触式传感器接触式传感器或非接触式传感器u内传感器或外传感器内传感器或外传感器u无源传感器或有源传感器无源传感器或有源传感器u无扰动传感器或扰动传感器无扰动传感器或扰动传感器南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室

4、一、机器人传感器概述一、机器人传感器概述 3、传感器的分类、传感器的分类p 机器人依赖传感器感知自身的状态和外部环境机器人依赖传感器感知自身的状态和外部环境 机器人的内部传感器用来感知各部分相对于自己的坐标机器人的内部传感器用来感知各部分相对于自己的坐标系的状态系的状态-位移、位置、速度、加速度、力和应力等等位移、位置、速度、加速度、力和应力等等 机器人的外部传感器用来感知外部环境和对象的状况机器人的外部传感器用来感知外部环境和对象的状况-机器人自身在外部坐标系的位移位置等运动参数机器人自身在外部坐标系的位移位置等运动参数, 对象对象的形状位置障碍情况的形状位置障碍情况p 接触式传感器或非接触

5、式传感器：接触式传感器或非接触式传感器：非接触式传感器以某非接触式传感器以某种电磁射线（可见光、种电磁射线（可见光、X射线、红外线、雷达波、声射线、红外线、雷达波、声波、超声波和电磁射线等）的形式来测量目标的响应。波、超声波和电磁射线等）的形式来测量目标的响应。接触式传感器则以某种实际接触（如触碰、力或力矩、接触式传感器则以某种实际接触（如触碰、力或力矩、压力、位置、温度、磁量、电量等）形式来测量目标的压力、位置、温度、磁量、电量等）形式来测量目标的响应。响应。南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室一、机器人传感器概述一、机器人传感器概述 3、传感器的分类、传感器的分类 除此之外，

6、目前还有两种常用的分类： 以被测量来分以被测量来分 以传感器的原理来分以传感器的原理来分南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室 按被测量来分类按被测量来分类一、机器人传感器概述一、机器人传感器概述 南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室 按被测量来分类按被测量来分类一、机器人传感器概述一、机器人传感器概述 南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室 电阻式，光电式（红外式、光导纤维式），电感式，谐振式，电容式，霍尔式（磁式），阻抗式（电涡流式），超声式，磁电式，同位素式，热电式，电化学式，压电式，微波式 按传感器的原理来分类按传感器的原理来分类一、机器人传感器概

7、述一、机器人传感器概述 南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室一、机器人传感器概述一、机器人传感器概述 获取各种传感器信号的传感器类型南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室足够的量程传感器的工作范围或量程足够大；具有一定的过载能力。灵敏度高，精度适当即要求其输出信号与被测信号成确定的关系（通常为线性），且比值要大；传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求。一、机器人传感器概述一、机器人传感器概述 4、传感器的要求、传感器的要求南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室响应速度快，工作稳定，可靠性好。使用性和适应性强体积小，重量轻，动作能量小，对被测对象的状态

8、影响小；内部噪声小而又不易受外界干扰的影响；其输出力求采用通用或标准形式，以便与系统对接。使用经济成本低，寿命长，且便于使用、维修和校准。一、机器人传感器概述一、机器人传感器概述 南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室二、机器人内传感器二、机器人内传感器 机器人内传感器以其自己的坐标系统确定其位置，是安装在机器人自身中用来感知它自己的状态，以调整并控制机器人的行动。 机器人内传感器包括位移（位置）传感器、姿态传感器、速度和加速度传感器、力传感器以及应力传感器等。南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室19二、机器人内部传感器二、机器人内部传感器1、机器人的位移传感器 位移

9、感觉是机器人最基本的感觉要求，它可以通位移感觉是机器人最基本的感觉要求，它可以通过多种传感器来实现，常用的机器人位移传感器有过多种传感器来实现，常用的机器人位移传感器有:南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室 位移传感器要检测的位移可为直线移动，位移传感器要检测的位移可为直线移动，也可为角转动。也可为角转动。 典型的位移传感器是电位计（电位差计或典型的位移传感器是电位计（电位差计或分压计），它由一个线绕电阻（或薄膜电阻）和分压计），它由一个线绕电阻（或薄膜电阻）和一个滑动触点组成。一个滑动触点组成。二、机器人内部传感器二、机器人内部传感器直线移动传感器 其中滑动触点通过机械装置受被

10、检测量的控制。其中滑动触点通过机械装置受被检测量的控制。当被检测的位置量发生变化时，滑动触点也发生位移，当被检测的位置量发生变化时，滑动触点也发生位移，改变了滑动触点与电位器各端之间的电阻值和输出电压改变了滑动触点与电位器各端之间的电阻值和输出电压值，根据这种输出电压值的变化，可以检测出机器人各值，根据这种输出电压值的变化，可以检测出机器人各关节的位置和位移量。关节的位置和位移量。 南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室 在载有物体的工作台下面有同电阻接触的触头，当工作台在左右移动时接触触头也随之左右移动，从而移动了与电阻接触的位置。检测的是以电阻中心为基准位置的移动距离。二、机器

11、人内部传感器二、机器人内部传感器直线移动传感器南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室 把图中的电阻元件弯成圆弧形，可动触头的另一端固定在圆的中心，并像时针那样回转时，由于电阻长随相应的回转角而变化，因此基于上述同样的理论可构成角度传感器。如图所示:二、机器人内部传感器二、机器人内部传感器1、机器人的位移传感器南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室 这种电位计由环状电阻器和与其一边电气接这种电位计由环状电阻器和与其一边电气接触一边旋转的电刷共同组成。当电流沿电阻器流触一边旋转的电刷共同组成。当电流沿电阻器流动时，形成电压分布。如果这个电压分布制作成动时，形成电压分布。如果

12、这个电压分布制作成与角度成比例的形式，则从电刷上提取出的电压与角度成比例的形式，则从电刷上提取出的电压值，也与角度成比例。作为电阻器，可以采用两值，也与角度成比例。作为电阻器，可以采用两种类型，一种是用导电塑料经成形处理作成的导种类型，一种是用导电塑料经成形处理作成的导电塑料型，如图（电塑料型，如图（a）所示；另一种是在绝缘环）所示；另一种是在绝缘环上绕上电阻线作成的线圈型，如图（上绕上电阻线作成的线圈型，如图（b）所示。）所示。 二、机器人内部传感器二、机器人内部传感器南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室 如图所示的传感器是利用光电监测元件的光如图所示的传感器是利用光电监测元件

13、的光电位置传感器电位置传感器 ，如果事先求出光源（，如果事先求出光源（LED）和感）和感光部分（光敏晶体管）之间的距离同感光量光部分（光敏晶体管）之间的距离同感光量 的的关系就能从计测时的感光量检测出位移关系就能从计测时的感光量检测出位移 。x二、机器人内部传感器二、机器人内部传感器1、机器人的位移传感器南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室 应用最多的角度传感器是应用最多的角度传感器是光电光电编码器。又称编码器。又称旋转编码器旋转编码器、转轴编码器、回转编码器等，它把转轴编码器、回转编码器等，它把作为连续输入的轴的旋转角度同时进行离散化作为连续输入的轴的旋转角度同时进行离散化（样

14、本化）和量化处理后予以输出。（样本化）和量化处理后予以输出。 光电光电编码器是一种应用广泛的角位移传感器，编码器是一种应用广泛的角位移传感器，其分辨率完全能满足机器人技术要求。这种非接其分辨率完全能满足机器人技术要求。这种非接触型传感器可分为绝对型和增量型。触型传感器可分为绝对型和增量型。 二、机器人内部传感器二、机器人内部传感器1、机器人的角度传感器南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室 如图所示为一光学式绝对型如图所示为一光学式绝对型光电光电编码器，在编码器，在输入轴上的旋转透明圆盘上，设置数条同心圆状输入轴上的旋转透明圆盘上，设置数条同心圆状的环带，对环带上角度实施二进制编码

15、，并将不的环带，对环带上角度实施二进制编码，并将不透明条纹印刷到环带上。透明条纹印刷到环带上。二、机器人内部传感器二、机器人内部传感器绝对型光电编码器南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室 将圆盘置于光线的照射下，当透过圆盘的光将圆盘置于光线的照射下，当透过圆盘的光由由 个光传感器进行判读时，判读出的数据变成个光传感器进行判读时，判读出的数据变成为为 的二进制码。二进制码有不同的种类，但的二进制码。二进制码有不同的种类，但是只有格雷码是没有判读误差的码，所以它获得是只有格雷码是没有判读误差的码，所以它获得了广泛的应用。编码器的分辨率由比特数（环带了广泛的应用。编码器的分辨率由比特数

16、（环带数）决定，例如数）决定，例如 ，编码器的分辨率，由，编码器的分辨率，由于于 ，所以可以以，所以可以以 的分辨率，的分辨率，对对1转转 进行检测。进行检测。nnbitbit121221/ 40964096/10360二、机器人内部传感器二、机器人内部传感器绝对型光电编码器南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室 绝对型绝对型光电光电编码器的应用场合，可以用一个编码器的应用场合，可以用一个传感器检测角度和角速度。因为这种编码器的输传感器检测角度和角速度。因为这种编码器的输出，表示的是旋转角度的现时值，所以若对单位出，表示的是旋转角度的现时值，所以若对单位时间前的值进行记忆，并取它与

17、现时值之间的差时间前的值进行记忆，并取它与现时值之间的差值，就可以求得角速度。值，就可以求得角速度。 绝对值绝对值光电光电编码器的分辨率取决于码盘的位编码器的分辨率取决于码盘的位数即同心圆环带的数量。数即同心圆环带的数量。二、机器人内部传感器二、机器人内部传感器绝对型光电编码器南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室 在旋转圆盘上设置一条环带，将环带沿圆周在旋转圆盘上设置一条环带，将环带沿圆周方向分割成方向分割成 等分，并用不透明的条纹印刷到上等分，并用不透明的条纹印刷到上面。把圆盘置于光线的照射下，透过去的光线用面。把圆盘置于光线的照射下，透过去的光线用一个光传感器（一个光传感器（

18、A）进行判读。因为圆盘每转过）进行判读。因为圆盘每转过一定角度，光传感器的输出电压一定角度，光传感器的输出电压A在在H（high level）与）与L（low level）之间就会交替地进行转）之间就会交替地进行转换，所以当把这个转换次数用计数器进行统计时，换，所以当把这个转换次数用计数器进行统计时，就能够知道旋转过的角度。就能够知道旋转过的角度。m二、机器人内部传感器二、机器人内部传感器增量型光电光电编码器南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室二、机器人内部传感器二、机器人内部传感器增量型光电光电编码器 由于这种方法由于这种方法不论是顺时针方向不论是顺时针方向旋转时，还是逆时旋转

19、时，还是逆时针方向旋转时，都针方向旋转时，都同样地会在同样地会在H与与L间间交替转换，所以不交替转换，所以不能得到旋转方向。能得到旋转方向。南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室 从一个条纹到下一个条纹可以作为一个周从一个条纹到下一个条纹可以作为一个周期，在相对于传感器（期，在相对于传感器（A）移动周期的位置上）移动周期的位置上增加传感器（增加传感器（B），并提取输出量），并提取输出量B。于是，。于是，输出量输出量A的时域波形与输出量的时域波形与输出量B的时域波形，的时域波形，在相位上相差周期，如图所示。在相位上相差周期，如图所示。 二、机器人内部传感器二、机器人内部传感器 通常，

20、顺时针方向旋转通常，顺时针方向旋转时，时，A的变化比的变化比B的变化先的变化先发生，逆时针方向旋转时，发生，逆时针方向旋转时，则情况相反，因此可以得知则情况相反，因此可以得知旋转方向。旋转方向。增量型光电光电编码器南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室 在采用增量型旋转编码器的情况下，得到的在采用增量型旋转编码器的情况下，得到的是从角度的初始值开始检测到的角度变化，问题是从角度的初始值开始检测到的角度变化，问题变为要知道现在的角度，就必须利用其他方法来变为要知道现在的角度，就必须利用其他方法来确定初始角度。确定初始角度。 角度的分辨率由环带上缝隙条纹的个数角度的分辨率由环带上缝隙条

21、纹的个数决定。例如，在一转决定。例如，在一转 内能形成内能形成600个个缝隙条纹，就称其为缝隙条纹，就称其为 （脉冲（脉冲/转）。转）。)360(0ppr600二、机器人内部传感器二、机器人内部传感器增量型光电光电编码器南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室 增量型旋转编码器的应用场合，也可以用一增量型旋转编码器的应用场合，也可以用一个传感器检测角度和角速度。这种编码器单位时个传感器检测角度和角速度。这种编码器单位时间内输出脉冲的数目与角速度成正比。间内输出脉冲的数目与角速度成正比。 此外，包含着绝对值型和增量型这两种类型此外，包含着绝对值型和增量型这两种类型的的混合编码器混合编码

22、器，也已经开发出来了。在使用这种，也已经开发出来了。在使用这种编码器时，在决定的初始位置时，用绝对值型来编码器时，在决定的初始位置时，用绝对值型来进行，在决定由初始位置开始的变动角的精确位进行，在决定由初始位置开始的变动角的精确位置时，则可以用增量型。置时，则可以用增量型。 二、机器人内部传感器二、机器人内部传感器增量型光电光电编码器南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室 同步电机是一种用来检测旋转角度的旋转型同步电机是一种用来检测旋转角度的旋转型感应电机，输出正弦波相位，伴随着转子旋转角感应电机，输出正弦波相位，伴随着转子旋转角度的变化作相应的变化。根据这种相位变化，可度的变化作

23、相应的变化。根据这种相位变化，可以检测出旋转角度。以检测出旋转角度。二、机器人内部传感器二、机器人内部传感器同步电机-自整角机 自整角机的定子具有自整角机的定子具有3个线个线圈，每个线圈之间的空间位置圈，每个线圈之间的空间位置彼此相隔彼此相隔120。在伺服系统。在伺服系统中，常常使用两台相同的自整中，常常使用两台相同的自整角机来组成同步检测器。角机来组成同步检测器。南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室 当在两个相互成直角配置的固定线圈上，施当在两个相互成直角配置的固定线圈上，施加相位差为加相位差为 的两相正弦波电压的两相正弦波电压 和和 时，在内部空间会产生旋转磁场。当在这个磁场

24、时，在内部空间会产生旋转磁场。当在这个磁场中放置两个相互成直角的旋转线圈时，设与固定中放置两个相互成直角的旋转线圈时，设与固定线圈之间的相对转角为线圈之间的相对转角为 ，则在两个旋转线圈上，则在两个旋转线圈上产生的电压分别为产生的电压分别为 和和 。若用识别电路把这个相位差识别出来，就可以实若用识别电路把这个相位差识别出来，就可以实现很高的分辨率现很高的分辨率。 )sin(0tE)cos(0tE090tEsintEcos二、机器人内部传感器二、机器人内部传感器同步电机-自整角机南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室 姿态传感器是用来检测机器人与地面相对关姿态传感器是用来检测机器人与

25、地面相对关系的传感器，当机器人被限制在工厂的地面时，系的传感器，当机器人被限制在工厂的地面时，没有必要安装这种传感器，如大部分工业机器人。没有必要安装这种传感器，如大部分工业机器人。但是当机器人脱离了这个限制，并且能够进行自但是当机器人脱离了这个限制，并且能够进行自由的移动，如移动机器人，安装姿态传感器就成由的移动，如移动机器人，安装姿态传感器就成为必要的了。为必要的了。 最简单的姿态传感器是感知倾倒状态的水银开关最简单的姿态传感器是感知倾倒状态的水银开关 二、机器人内部传感器二、机器人内部传感器姿态传感器南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室 典型的姿态传感器是陀螺仪，陀螺是一种

26、传典型的姿态传感器是陀螺仪，陀螺是一种传感器，其原理是：感器，其原理是：一个旋转物体的旋转轴所指的一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。方向在不受外力影响时，是不会改变的。二、机器人内部传感器二、机器人内部传感器姿态传感器转子通过一个支撑它的，转子通过一个支撑它的，被称为万向接头的自由被称为万向接头的自由支持机构，安装在机器支持机构，安装在机器人上。如图所示为一个人上。如图所示为一个速率陀螺速率陀螺南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室 当机器人连同外环以角速度绕测量轴旋进时，当机器人连同外环以角速度绕测量轴旋进时，陀螺力矩将迫使内环连同转子一起相对机器人旋

27、陀螺力矩将迫使内环连同转子一起相对机器人旋进。陀螺仪中有弹簧限制这个相对旋进，而内环进。陀螺仪中有弹簧限制这个相对旋进，而内环的旋进角正比于弹簧的变形量。由平衡时的内环的旋进角正比于弹簧的变形量。由平衡时的内环旋进角即可求得陀螺力矩和机器人的角速率。积旋进角即可求得陀螺力矩和机器人的角速率。积分陀螺仪与速率陀螺仪的不同处只在于用线性阻分陀螺仪与速率陀螺仪的不同处只在于用线性阻尼器代替弹簧约束。当运载器作任意变速转动时，尼器代替弹簧约束。当运载器作任意变速转动时，积分陀螺仪的输出量是绕测量轴的转角。积分陀螺仪的输出量是绕测量轴的转角。 姿态传感器设置在机器人的躯干部分，它用来检测移姿态传感器设置

28、在机器人的躯干部分，它用来检测移动中的姿态和方位变化，保持机器人的正确姿态，并且实动中的姿态和方位变化，保持机器人的正确姿态，并且实现指令要求的方位。现指令要求的方位。 二、机器人内部传感器二、机器人内部传感器姿态传感器南京大学金陵学院信息科学与工程学院智能机器人实验室 电子罗盘，也叫电子罗盘，也叫数字罗盘数字罗盘，是利用测量地磁，是利用测量地磁场来确定北极方向的一种方法。分为平面电子罗场来确定北极方向的一种方法。分为平面电子罗盘和三维电子罗盘盘和三维电子罗盘 三维电子罗盘在其内部加入了三维电子罗盘在其内部加入了倾角传感器倾角传感器,在在罗盘发生倾斜时可以对罗盘进行倾斜补偿罗盘发生倾斜时可以对罗盘进行倾斜补偿,航向数航向数据依然准确据依然准确 可以作为可以作为GPS导航信息的有效补充，即使是导航信息的有效补充，即使是在在GPS信号失锁后也能正常工作。信号失锁后也能正常工作。 二、机器人内部传感器二、机器人内