第8章-机器人感觉技术与传感器-新

1、主要内容8.1 感知器的相关概念8.2 机器感觉原理、方式与过程8.3 机器人传感器分类与选择 8.4 位移、速度与加速度传感器8.5 触觉技术8.6 测距技术8.7 传感器融合2022/10/91第1页，共97页。第一页，共97页。8.1感知器的相关概念 人类智能与人工智能 器官功能与传感器 信息载体 机器人感觉器官的必要性2022/10/92第2页，共97页。第二页，共97页。 人类智能与人工智能人类智能的主要表现 感知、记忆、思维、表达、动作、学习人工智能 对人类智能的理解与机器实现人体有两种感觉系统1)内体感觉系统:检测诸如手足关节角、肌肉扩张和肌肉拉紧等内部参量。2)外体感觉系统:对

2、皮肤表面温度和形状的改变而产生反应，这些参量是直接接触外部物体的结果。2022/10/93第3页，共97页。第三页，共97页。 器官功能与传感器人类的感觉器官：视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉还有什么？痛觉热觉接近觉？气功？特异功能？天眼？2022/10/94第4页，共97页。第四页，共97页。什么是传感器传感器是一种能将具有某种物理表现形式的信息变换成机器可以处理的输入换能器。将被测非电量信号转换成与之有对应关系的电量输出的器件或装置。又叫变换器、换能器或探测器。什么是信息Clande Shannon：信息是一种减少不确定量的量。RAndrew Russell:信息是增长人类知识的东西。2022

3、/10/95第5页，共97页。第五页，共97页。 信息载体(1)辐射涉及全频段的电磁波。范围包括无线电波到gama 射线。辐射的主要参数是强度、频率、偏振和相位。(2)物理量论述物质的各种外部参量。例如，位置、速度、尺寸、厚度、力和真空。(3)热温度、温度梯度、热和熵。 (4)电电压、电流、电阻、电容等电参数。 (5)磁磁场强度、磁通密度和磁导率。(6)化学量论述物质的内部结构的量。其主要参数是某一材料的浓度、晶体结构和凝聚态。 2022/10/96第6页，共97页。第六页，共97页。 机器人感觉器官的必要性 1、增加机器人功能，提高工作质量，有效完成任务；机器人传感器能监控所操纵工件的质量。

4、例如，及时检查出有毛病的工件。2、适应复杂情况（对象/环境），扩大应用范围，防止发生意外事故。例如，自动导引车辆(AGV)式机器人，在道路上不能撞到人。3、人机交互的需要，接受指令，表达感情。2022/10/97第7页，共97页。第七页，共97页。4、依靠传感器反馈来补偿误差。 5、降低对机器人及其工作对象精度的要求“可以吃粗粮”； (1)随机安置物体的位置。从而降低购置固定夹具所需的高额费用； (2)允许物体的形状变化，可以放宽精度要求，而不必制成符合自动化装配线需求的高精度，也不需要高价地制造0.1mm精度的载体。例如，桔子和蛋等食品，其形状和尺寸是变动的，通过触觉传感器感知的信息，机器人

5、可抓住它。2022/10/98第8页，共97页。第八页，共97页。8.2 机器感觉原理、方式与过程 感觉原理 感觉原理即传感器构成原理。 分为结构型和物性型。 感觉方式 感觉过程阶段性2022/10/99第9页，共97页。第九页，共97页。 感觉原理结构型传感器概念：应用通常的物理定律构成的传感器，如：运动定律，牛顿定律，欧姆定律，电磁定律，热力学定律等。特点：传感原理明确，结构比较复杂，一般与结构材料无关。 2022/10/910第10页，共97页。第十页，共97页。结构型传感器举例 由两个平行板组成的电容器的电容量为： C= A / d式中电容极板间介质的相对介电系数，相对于真空，=1；

6、A两平行板所覆盖的面积； d两平行板之间的距离； C电容量。 如果保持其中的两个参数不变而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化转换为电容的变化。因此，电容量的变化的大小与被测参数的大小成比例。 极板d电容式传感器2022/10/911第11页，共97页。第十一页，共97页。变极距型电容式传感器变极板面积型电容式传感器变介质型电容式传感器改变平行板间距的传感器可用来测量微米数量级的位移，而变化面积的传感器只适合测量厘米数量级的位移。 电容式传感器分为：2022/10/912第12页，共97页。第十二页，共97页。结构型传感器举例 利用电磁感应把被测的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自

7、感系数L和互感系数M的变化，再由测量电路转换成电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。其特点为：1结构简单，无活动电触点，因此工作可靠寿命长；2灵敏度和分辨率高，能测出0.01m的位移变化；3线性度和重复性都比较好。电感式传感器2022/10/913第13页，共97页。第十三页，共97页。光电式码盘是一种非接触性光电传感器。 它具有测量准确度高、响应速度快、结构简单、可靠性高和使用寿命长等优点。 典型的光码盘有50 7，80 0等类型。 为了确保转速测量准确度，使用单片机系统对脉冲信号处理。电动机上的绝对编码器结构型传感器举例 2022/10/914第14页，共97页。第十四页，共97

8、页。线型电阻式荷重传感器线型电阻应变计的结构应变片与荷重传感器2022/10/915第15页，共97页。第十五页，共97页。电桥回路平行梁式测力计静力测量2022/10/916第16页，共97页。第十六页，共97页。物性型传感器概念：利用物质本身的某种客观性质制作 的传感器。特点：受材料性质与使用环境影响较大。 结构简单，灵敏度高。物性型传感器举例： 光电传感器 压电传感器2022/10/917第17页，共97页。第十七页，共97页。光电传感器光电传感器是一种将光量的变化转化为电量的变化的传感器。它的物理基础就是光电效应。光电效应分:外光电效应、内光电效应两大类。在光线的作用下，物体内的电子逸

9、出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。当光照射在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为两种：光电导效应和光生伏特效应。2022/10/918第18页，共97页。第十八页，共97页。压电式传感器是以某些物质的压电效应制作的一种传感器。当材料表面受力作用变形时，其表面会有电荷产生从而实现非电量测量。压电陶瓷是人造多晶系压电材料。常用的压电陶瓷有钛酸钡、锆钛酸钡、铌酸盐系压电陶瓷。它们的压电常数比石英晶体高，但介电常数、机械性能不如石英好。由于它们品种多，性能各异，可根据它们的特

10、点制作各种不同的压电传感器，这是一种很有发展前途的压电元件。2022/10/919第19页，共97页。第十九页，共97页。半导体电阻应变片 导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械形变，导致其阻值变化，这种现象称为“应变效应”。 电阻应变片工作原理：用应变片测量应变或应力时，在外力作用下，被测对象产生微小机械形变，应变片随其发生相同的变化，同时，应变片电阻也发生变化。当测得应变片电阻值变化量时，便可得到被测对象的应变值 2022/10/920第20页，共97页。第二十页，共97页。8.2.2 感觉方式按感知形式：接触型，非接触型1.接触型与被测对象接触；2.非接触型经特殊物质

11、联系，与被测物保持一定距离。如:检测机器人周围的声波、光和其他电磁波，以及电、磁和静电场之间的相互作用。2022/10/921第21页，共97页。第二十一页，共97页。接触型：举例开关、探针、触点等：机械运动量到电量的转换。输出：模拟、开关、脉冲、数字信号。可以采用压电材料：压力（振动）电压变化。如：压电晶体：电压振动声波或超声波； 经常采用压阻材料：压力（振动）电阻变化。其原理为导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械形变，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为“应变效应”。特点：结构简单，工作稳定，抗干扰强。2022/10/922第22页，共97页。

12、第二十二页，共97页。非接触型中间传递介质：（1）电磁波：电场、磁场、可见光、红外、紫外、X-ray和激光 监测电磁波的存在与状态变化 （2） 声波：发射某种频率的声波信号 检测物体反射波的强弱，时间差从而获得某种感觉能力2022/10/923第23页，共97页。第二十三页，共97页。按特性和性能可将传感器作如下分类1自生型来自输入信号的能量直接变换成输出信号。如硒光电池 2调制型主要能量供给不是输入信号而是一个辅助能源，适合检测弱信号。 3绝对型传感器的输出在任何时候都代表传感器的输入。这种传感器的典型例子是电位计。4增量型传感器的输出仅代表传感器输人的改变，这些改变的积累才是真实传感器输入

13、。使用传感器以前要求定标，以保证积累值跟真实传感器输入一致。增量型编码器是这类传感器的实例。 2022/10/924第24页，共97页。第二十四页，共97页。 感觉过程阶段性定义：如何将人们感兴趣的物理量或其它变量的有无、大小转换为人们所要求的信息形式（模拟的或数字的)。 狭义传感器（检出器，一次表）、广义传感器（一次表二次表）1.一次表：将物体内外部的物理特征，如机械、光学等特征变为电信号。实例：热电偶、热电阻，压力应变片 2. 二次表：将电信号加工处理，变为有用信息。 2022/10/925第25页，共97页。第二十五页，共97页。二次表加工处理过程：信息初步处理：滤波、平滑、线性化、数据

14、分组等信号变送：将微弱的一次检测信号变为抗干扰性强的标准信号：05v 或 420mA信息分析，内容非常丰富。被测信号测量仪器的构成广义传感器输出信号处理部分放大变换输入匹配测量环境狭义传感器检出器2022/10/926第26页，共97页。第二十六页，共97页。传感器信号的处理主要是进行信号的变换，去除噪声，信号的判断，检出，信号成分的分析，信号合成和再现等。常用滤波方法有移动平均、数字微分、数字积分、同步积分、对数变换、互相关函数、自相关函数等。通过综合多种传感器信息得到单个传感器所不能得到的信息，称为传感器融合技术。对来自各个传感器的信号通过学习算法、模糊推理等的有机结合，最后进行综合判断。

15、二次表的信号加工处理2022/10/927第27页，共97页。第二十七页，共97页。8.3 机器人传感器分类与选择 内部传感器 检测机器人自身状态(内部信息)，机器人自身运动与正常工作所必需。 外部传感器 检测作业对象与作业环境的状态(外部信息)，适应特定环境和完成特定任务所必需。 传感器选择的依据2022/10/928第28页，共97页。第二十八页，共97页。感觉用途 外部传感器视 觉对象有无、形状、大小、种类的识别对象的位置、姿态的识别对象灼伤痕、缺陷、好坏的识别对象上的图样、文字的识别触 觉对象重量、硬度、表面状态识别位置偏差的控制，握力的控制听 觉指令的识别，异常状态的检测，障碍物的检

16、测其它（接近觉、味觉、嗅觉、湿度、振动等）各种检查，自我保护等内部传感器平衡感觉机器人自身的平衡其它（位置、速度、加速度、压力、转矩)运动器官的控制，自我保护等2022/10/929第29页，共97页。第二十九页，共97页。8.3.1 内部传感器实现运动部件的控制与自我保护位置：直线，转角 速度:测速发电机加速度负荷力（力矩），惯性力平衡： 走行机器人自身平衡控制2022/10/930第30页，共97页。第三十页，共97页。8.3.2 外部传感器视觉：简单视觉对象的有无，孔、边线、拐角检测等复合视觉对象形状、大小、种类对象位置、姿态 对象伤痕、缺欠、好坏 对象上的图样、文字的识别、图形指令识别

17、触觉：简单触觉确定工作对象是否存在、到位复合触觉确定对象尺寸、形状、表面状态、硬度、光滑2022/10/931第31页，共97页。第三十一页，共97页。外部传感器接近觉：对工作对象的非接触探测。距离觉：检测距对象的距离范围 。听觉： 简单听觉波长频率单一，发声器单一，指令识别 复合听觉异常状态检测，障碍物检测，语音理解力觉： 简单力觉沿一个方向测力，对象重量 复合力觉沿多个方向测力，倾斜平衡 2022/10/932第32页，共97页。第三十二页，共97页。8.3.3 传感器选择的依据和评价1.对机器人传感器的一般要求 机器人传感器除了一般传感器所要求的可靠性好、精度高、寿命长等特点之外,还特别

18、要求以下各点:a.体积小、结构简单；b.重量轻；c.抗干扰；d.对环境的适应性强；e.回路独立:输入、输出回路应互相独立绝缘；f.调整容易;g.价格低廉，性能价格比高（性价比）。2022/10/933第33页，共97页。第三十三页，共97页。2.对机器人传感器选择的特殊要求按照加工任务选择传感器（1）搬运：力，触觉，视觉（2）装配：力，触觉，视觉（3）喷漆：位置检测，对象识别（4）焊接：位置，速度点焊：接近觉弧焊：视觉按照对机器人的控制方式选择传感器：位置，速度，加速度按照辅助工作的要求：（1）外观检测：视觉（2）工件定位：视觉，触觉，力按照安全要求：力，触觉3. 对机器人传感器的评价2022

19、/10/934第34页，共97页。第三十四页，共97页。（1）灵敏度：输出信号变化与输入信号变化之比线性 S=y/ x非线性 S=dy/dxS越大越好，但太高的灵敏度使稳定性下降（抗扰能力差）（2）线性度 y=bx b是常数则线性度高（3）测量范围：被测量最大允许值与最小允许值之差，要覆盖机器人有关被测量的工作范围。（4）精度：输出值与实测值之间的误差。（5）重复性：多次测量同一个信号时的变化程度。（6）分辨力：所能辨别的被测量的最小变化值。（7）响应时间：输入信号变化后，输出信号变化达到稳态所需的时间。（振荡越短越好）2022/10/935第35页，共97页。第三十五页，共97页。8.4 位

20、移、速度与加速度传感器 位置检测和位移检测 电位计式位移传感器 绝对位置光轴编码器 相对位置光轴编码器 测速发电机 加速度传感器2022/10/936第36页，共97页。第三十六页，共97页。8.4.1 位置检测和位移检测这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。常用的机器人位置、位移传感器有电阻式位移传感器、电容式位移传感器、电感式位移传感器、光电式位移传感器、霍尔元件位移传感器、磁栅式位移传感器以及机械式位移传感器等。二值输出的位置检出用传感器大体上分接触式(触点式)与非接触式(无触点式)两大类。接触式主要有机械式限位开关与微动开关；非接触式传感器常用的有光电开关及各种接近开

21、关。光电开关与各种接近开关是随着电子机械技术的进步而急速发展起来的新型开关。2022/10/937第37页，共97页。第三十七页，共97页。各检出用开关的概略比较 类别项目限位开关 微动开关光电开关接近开关透过形镜反射形直接反射形高频磁形电容形片簧磁形检出方法机械式光学光学电磁场电容量磁场检出距离劣优良劣中劣动作精度良中劣中劣中应答时间劣良良优良良寿命劣良良良良良噪声波动优中中良中优环境温度影响优中中良中中耐灰尘、水、油中劣劣良中优检测对象固体不透明体固体金属介电常数高的物体固体2022/10/938第38页，共97页。第三十八页，共97页。8.4.2 电位计式位移传感器电位计法测量线位移（直

22、线型），角位移（旋转型）由电阻和滑动触点组成，滑动触点受到被检测量控制，当位置发生变化，滑动触点发生位移，改变触点到电阻器各端的阻值和输出电压，根据测得的电压变化可得位移变化。优点：线性度好、输出信号选择范围大，性能稳定、结构简单、尺寸小、质量轻、精度高、成本低等缺点：易于磨损旋转型：单圈电位计，多圈电位计2022/10/939第39页，共97页。第三十九页，共97页。8.4.3 绝对位置光轴编码器2022/10/940第40页，共97页。第四十页，共97页。绝对编码器4位二进制编码9位格林码2022/10/941第41页，共97页。第四十一页，共97页。编码的重要性2022/10/942第4

23、2页，共97页。第四十二页，共97页。 相对位置光轴编码器 (增量式光轴编码器 )2022/10/943第43页，共97页。第四十三页，共97页。码盘脉冲个数代表了位置，而单位时间里的脉冲个数表示这段时间里的平均速度。显然，单位时间越短，越能代表瞬时速度，但在太短的时间里，只能记到几个码盘脉冲，因而降低了速度分辨率。目前解决方法如：可以采用两个码盘脉冲为一个时间间隔，然后用计数器记录在这段时间里高速脉冲源发出的脉冲数。数字式速度检测方法2022/10/944第44页，共97页。第四十四页，共97页。两种编码器的比较 绝对位置编码器只能测位置，码值与位置一一对应，计算机处理简单，不需要方向辨别电

24、路，抗干扰能力强，但加工难、安装严、体积大、价格高。 增量式编码器，既能测位置也能测速度，体积小，加工及安装较容易，价格低，但抗干扰能力差，需要方向辨别电路，计算机处理较复杂。因相关技术已经成熟，因此现在大都使用增量式光轴编码器。 传感器功能信息处理体积加工价格绝对测量位置简单大难高增量测量位置和速度复杂、参考点鉴向小易低2022/10/945第45页，共97页。第四十五页，共97页。8.4.5 测速发电机 测速发电机是一种将转子速度转换为电气信号的机电式信号元件。 伺服系统中的基本元件之一。 作为测速、校正、解算元件，它广泛应用于各种速度和位置控制系统中。 测速发电机可分为：直流测速发电机、

25、异步测速发电机和同步测速发电机。2022/10/946第46页，共97页。第四十六页，共97页。(1)、直流测速发电机 一般，自动控制系统对其元件的要求主要是高的精确度、灵敏度、可靠性等。因此，直流测速发电机在电气性能方面应满足以下要求： 1) 输出电压和转速成线性关系； 2) 输出特性的斜率大，即其灵敏度高； 3) 温度变化对输出特性的影响小； 4) 输出电压纹波小； 5) 正、反转的输出特性应一致。2022/10/947第47页，共97页。第四十七页，共97页。直流测速发电机在控制系统中的应用2022/10/948第48页，共97页。第四十八页，共97页。(2)、交流异步测速发电机 主要优

26、点是 ：1 不需电刷和换向器，构造简单，维护容易，运行可靠；2 无滑动接触，输出特性稳定，精度高；3 摩擦阻力矩小，惯量小；4 不产生干扰无线电的火花；5 正、反转输出电压对称。 主要缺点是： 存在相位误差和剩余电压，输出斜率小，其输出特性因负载的性质不同而有所不同。2022/10/949第49页，共97页。第四十九页，共97页。模拟式与数字式模拟式测速发电机模拟法的相位滞后较小，反应速度快；用在数字系统时需要A/D转换。数字式光电码盘数字法虽对系统稳定不利，但因成本低，易实现，应用也很广泛。速度传感器比较2022/10/950第50页，共97页。第五十页，共97页。8.4.6 加速度传感器压

27、电式加速度传感器：(a) 剪切型；(b) 压缩型悬臂梁2022/10/951第51页，共97页。第五十一页，共97页。地震式加速度传感器等效力学模型加速度传感器的基本构造2022/10/952第52页，共97页。第五十二页，共97页。8.5 触觉技术8.5.1 接触觉感觉手指等部位与物体是否接触 8.5.2 压觉感觉手与物表面垂直方向的压力大小及其分布8.5.3 滑动觉感受沿机器人与物体接触平行方向受的切向力、同握面垂直方向的变形、物体移位8.5.4 力觉感受夹持力、腕力 8.5.5 接近觉探测机器人与物体的接近距离及物体的倾斜等8.5.6 多种触觉的配合应用2022/10/953第53页，共

28、97页。第五十三页，共97页。触觉作用使操作动作适宜，视觉无法代替 识别操作对象的属性，如大小、重量等 用于安全保护，躲避障碍，防止事故2022/10/954第54页，共97页。第五十四页，共97页。8.5.1 接触觉 触觉传感器应包含：(1)提供使传感器跟待检测物体接触的手段；(2)通过附加额外传感器确定触觉传感器的位置 和取向；(3)实现获取和解释触觉信息的“智能”功能。 因此，触觉器官应考虑手爪、致动器、换能器、信息处理等环节。 最简单也是最早使用的接触觉传感器是微动开关，但其需较大作用力，又响应时间长。2022/10/955第55页，共97页。第五十五页，共97页。接触觉传感器常用的接

29、触传感器有机械式(微动开关用的最多)针式差动变压器含碳海绵及导电橡胶等当接触力作用时，这些传感器以通断方式输出高低电平，实现传感器对接触物体的感知。2022/10/956第56页，共97页。第五十六页，共97页。各种接触觉传感器1.导电橡皮2.金属 3.绝缘体 4.海绵状橡皮 5. 橡皮 6.金属箔 7.碳素纤维8.含碳海绵10.泡沫塑料 11.铍青铜箔 12.基板 13.引线 2022/10/957第57页，共97页。第五十七页，共97页。触觉传感器压敏电阻阵列与扫描电路 触觉传感器压敏电阻阵列阵列扫描电路2022/10/958第58页，共97页。第五十八页，共97页。8.5.2 压觉压觉传

30、感器其实是接触传感器的引申。压觉感知压力的大小。压觉中使人感兴趣的是分布压觉。通过高密度地配置这种传感器，把同物体接触时各点不同的压力，变成相应的浓淡画素，获取物体形状的信息。 2022/10/959第59页，共97页。第五十九页，共97页。8.5.3 滑动觉 用于检测物体接触面之间相对运动大小和方向的传感器。只限相对运动的检测，非表面状态检测 常用的滑动检测方法：、将滑动转换成滚球和滚柱的旋转；、用压敏元件和触针，检测滑动时的微小振动；、检测即将发生的滑动时，手爪部分的压力通过手 爪载荷检测器，检测手爪的压力变化，从而推断 出滑动的大小等。2022/10/960第60页，共97页。第六十页，

31、共97页。利用光电系统的滑移传感器滚子回转的检出是通过与滚子轴固联的光码盘进行。光码盘上刻有30个透光槽,槽的两侧分别在主体上固定有发光二极管与光电三极管。当对象物在夹持过程中产生滑移时,即带动滚子旋转,通过光电系统即可得到电脉冲信号。 2022/10/961第61页，共97页。第六十一页，共97页。东京工业大学研制的光电式滑动觉传感器2022/10/962第62页，共97页。第六十二页，共97页。磁带式滑动觉传感器 滑觉传感器是由磁头、磁带、滑轮、磁带轮及壳体所组成。其中一个磁带轮与滑轮固联在一起。磁带上录有固定频率和幅度的正弦信号。2022/10/963第63页，共97页。第六十三页，共9

32、7页。电磁式滑移传感器在滚子测面固定有一小块永久磁铁,通过本体上固定的磁头,即可检出滑移。同图给出了对侧的一个手指,在其上设有压觉传感器。通过两个传感器检知的信号,就可以进行夹持力的调节。 2022/10/964第64页，共97页。第六十四页，共97页。全方向滑移传感器在用导电体作成的球表面上用绝缘体分割成方格花纹,黑格与白格分别是绝缘部分与导电部分,与球表面接触的对象物不论向哪一方向滑动都会使球转动,通过与球表面接触的触针就可取出脉冲电压,并通过控制电路来控制握力。2022/10/965第65页，共97页。第六十五页，共97页。8.5.4 力觉力觉传感器用于检测和控制机器人臂及手腕的力与力矩

33、，其敏感元件一般用半导体应变片。力觉传感器分用于夹紧和传送工件时的夹持力检测和用于装配时的腕力检测。2022/10/966第66页，共97页。第六十六页，共97页。夹持力觉传感器4个应变片分别安装在宽而薄的梁的上表面和下表面。假设有一个夹持力F作用于指头上的G点，而G点距应变片组A和B的距离分别是LA和LB，可用二个测量电桥及应变仪分别测得力矩 MA = F LA MB = F LB由上述二式可求得夹持力F及其位置LA: F = ( MB-MA ) / ( LB-LA ) LA = MA ( LB-LA ) / ( MB-MA ) 2022/10/967第67页，共97页。第六十七页，共97页

34、。腕力传感器装配时使用 腕力传感器用于装配作业机器人，大多用于轴孔插入的测力定心系统。传感器测得轴在插入孔时的力信息，反馈至计算机控制系统，控制插轴的后续补偿运动，以完成装配作业。 腕力传感器由一个弹性(或挠性)组件和以挠曲应变来测力(力矩)的传感器构成。可测出三个分力(力矩)。 2022/10/968第68页，共97页。第六十八页，共97页。应变片式腕力力觉传感器4根梁结构8根梁结构2022/10/969第69页，共97页。第六十九页，共97页。应变片式腕力力觉传感器笛卡尔坐标系中三个力分量和三个力矩分量，信息来自8个梁，4垂直R1-R4，4水平Q1-Q4研制腕力传感器呈二种趋势，一是设计得

35、较简单，但须经过复杂计算，求出传递矩阵、提取六个分量，这称间接输出型腕力传感器。二是设计得比较复杂，但只需简单计算，甚至可直接得到六个力分量，这种称为直接输出型腕力传感器。2022/10/970第70页，共97页。第七十页，共97页。力和力矩检测传感器2022/10/971第71页，共97页。第七十一页，共97页。8.5.5 接近觉 接近觉传感器：是检测对象物体与传感器距离信息的一种传感器。利用距离信息测出对象物体的表面状态。接近觉是视觉传感器功能的一部分，但它只给出距离信息，接近觉传感器有电磁感应式、光电式、电容式、气压式、超声波和微波式等多种。实际使用应根据对象物体性质而定。 接近觉感知对

36、象接近的情况，其作用为： (1)在接触到对象前获取信息，为后续动作先做准备； (2)发现障碍物，规定行程范围，以免碰撞； (3)得到关于对象表面形状的信息。 目前常用的接近觉传感器有磁力式和超声波式，前者测距近，后者测距较远。2022/10/972第72页，共97页。第七十二页，共97页。电磁式接近觉传感器2022/10/973第73页，共97页。第七十三页，共97页。检测精度：(a)从反射光的光量变化和时间关系求出发光角度，就可能在210mm范围以0.5mm的精度检出。(b)利用收光信号的相位偏差是距离的函数，能在1060mm内得到土2mm左右的精度。光学式接近觉传感器2022/10/974

37、第74页，共97页。第七十四页，共97页。用接近觉的焊接位置示教与检出2022/10/975第75页，共97页。第七十五页，共97页。超声波式接近觉传感器超声波式传感器适于较长距离和较大物体的探测，比视觉系统简单便宜，应用较广。可通过测定发出超声波脉冲的时刻到接收到回波电压的时间间隔，算出物体同机器人的距离 rC*T2其中C为空气中的音速，T为时间间隔。 2022/10/976第76页，共97页。第七十六页，共97页。超声波测厚系统原理图2022/10/977第77页，共97页。第七十七页，共97页。8.5.6 多种触觉的配合应用2022/10/978第78页，共97页。第七十八页，共97页。

38、8.6 测距技术8.6.1 激光测距8.6.2 红外检测8.6.3 声纳检测8.6.4 GPS定位2022/10/979第79页，共97页。第七十九页，共97页。8.6.1 激光测距激光测距是利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，以实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等等。激光测距在技术途径上可分为脉冲式激光测距和连续波相位式激光测距。脉冲式激光测距原理与雷达测距相似，测距仪向目标发射激光信号，碰到目标就要被反射回来，由于光的传播速度是已知的，所以只要记录下光信号的往返时间，用光速（30万千米/秒）乘以往返时间的二分之一，就是所要测量的距离。2022/10/980第80页

39、，共97页。第八十页，共97页。现在广泛使用的手持式和便携式测距仪，作用距离为数百米至数十千米，测量精度为五米左右。我国研制的对卫星测距的高精度测距仪，测量精度可达到几厘米。连续波相位式激光测距是用连续调制的激光波束照射被测目标，从测量光束往返中造成的相位变化，可换算出被测目标的距离。为了确保测量精度，一般要在被测目标上安装激光反射器。它测量的相对误差为百万分之一。2022/10/981第81页，共97页。第八十一页，共97页。激光传感器的优点是发散小或没有发散，并对大多数物体无镜面反射现象，缺点是存在潜在的安全问题（首先是人眼安全问题），且不适用于透明物质2022/10/982第82页，共9

40、7页。第八十二页，共97页。激光测距仪与微波雷达结合，还可以发挥激光波速窄的特长，弥补微波雷达低仰角工作时受地面干扰的不足。激光测距与光学经纬仪、红外及电视跟踪系统相结合，组成光电跟踪测量系统，既可作为靶场试验的测量设备，又常用作武器的光电火力控制系统。这种激光测距仪已广泛用于地面火炮、坦克炮的火控系统，大大提高了命中率2022/10/983第83页，共97页。第八十三页，共97页。8.6.2 红外检测红外距离传感器（红外测距仪）适合机器人应用，价格低，测量距离相对较短。 与超声传感器相比,红外测距的准确度不高,但红外传感器可以在短时间内提供大量测量数据,易于安装在扫描仪上以获得全景图像,而且

41、它的波束极窄,与超声传感器固有的锥形波相比,更有优势。 2022/10/984第84页，共97页。第八十四页，共97页。8.6.3 声纳检测声纳测距（超声测距）是一种非接触的检测方式，在近距离范围内有不受外界光线影响、硬件结构简单、容易操作、成本低等优点,在高性能自主移动机器人上获得了广泛应用。 缺点是速度慢，存在较大的波束角，且对光滑表面存在镜面反射。2022/10/985第85页，共97页。第八十五页，共97页。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体