第8章-机器人传感器

第8章传感器

传感器技术是材料学、力学、电学、磁学、微电子学、光学、声学、化学、生物学、精密机械、仿生学、测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、乃至系统科学、人工智能、自动化技术等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术。

传感器技术广泛应用于航空航天、兵器、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保、材料、灾害预测预防、农林渔业、食品、烟酒制造、建筑、汽车、舰船、机器人、家电、公共安全等领域。2/5/2023

8.1引言视觉听觉嗅觉味觉触觉给机器人装备什么样的传感器，对这些传感器有什么要求，这是设计机器人感觉系统时遇到的首要问题。选择机器人传感器应当完全取决于机器人的工作需要和应用特点。多传感器在移动机器人中的应用2/5/2023采用两级分布式计算机实时控制系统在机器人中，起到内部反馈控制作用或感知与外部环境的相互作用的装置被称为传感器。灵巧手三个手指3个关节微电机角度传感器三维力传感器概念：2/5/2023

8.2传感器分类控制器内部传感外部传感机器人机器人信息传感位置传感器速度传感器加速度传感器力和压力传感器力矩传感器微动开关可见光和红外传感器接触和视觉传感器接近觉传感器测距仪嗅觉传感器视觉传感器语音识别装置语音合成器内传感器是用于测量机器人自身状态的功能元件。测量与机器人作业有关的外部因素。通常与机器人的目标识别、作业安全等因素有关。2/5/2023旋转编码器电位器伺服电机伺服控制器步进电机步进控制器传感器如何选择？2/5/2023

传感器特性？成本尺寸重量输出的类型接口分辨率灵敏度线性度量程响应时间频率响应可靠性重复精度精度2/5/20238.3内传感器：内传感器是用于测量机器人自身状态的功能元件。具体检测的对象有：关节的线位移、角位移等几何量；速度、角速度、加速度等运动量；倾斜角、方位角、振动等物理量。内传感器常用于控制系统中，用作反馈元件，检测机器人自身的状态参数。常用的有：

2/5/20231．规定位置检测的内传感器：应用场合：

检测规定的位置，常用ON/OFF两个状态值。这种方法用于检测机器人的起始原点、终点位置或某个确定的位置。典型元器件：给定位置检测常用的检测元件有微型开关、光电开关等。1）微型开关

规定的位移量或力作用在微型开关的可动部分上，开关的电气触点断开（常闭）或接通（常开）并向控制回路发出动作信号。2/5/2023一般在限位开关的执行器上安装滚轮。

限位开关就是用以限定机械设备的运动极限位置的电气开关。

这种开关有接触式的和非接触式两种。

接触式的比较直观，机械设备的运动部件上，安装行程开关，与其相对运动的固定点上安装极限位置的挡块，或者是相反安装位置。当行程开关的机械触头碰上挡块时，切断了（或改变了）控制电路，机械就停止运行或改变运行。由于机械的惯性运动，这种行程开关有一定的“超行程”以保护开关不受损坏。

非接触式的形式很多，常见的有干簧管、光电式、感应式等，这几种形式在电梯中都能够见到。当然还有更多的先进形式。执行器形状不同的限位开关2/5/20232）光电开关

光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电开关在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。

光电开关的原理是根据投光器发出的光束,被物体阻断或部分反射,受光器最终据此作出判断反应，启动开关作用。

光电开关的原理特点：非接触性检测，精度达0.5mm.2/5/20232．位置、角度测量测量机器人关节线位移和角位移的传感器是机器人位置反馈控制中必不可少的元件。常用的有电位器、旋转变压器、编码器等。其中编码器既可以检测直线位移，又可以检测角位移。2/5/20231）光电编码器：

光电编码器由发光元件、聚光镜、漏光盘、光栏板、光敏管等构成。灯泡发出的光线经过聚焦后变成平行光束，当漏光盘上的条纹与光栏板上的条纹重合时，光敏管便接受一次光的信号并记数，由此可以测试旋转速度。光电编码器工作原理图1-光源2-聚光镜3-漏光盘4-光敏管5-光拦板2/5/20232）电位器

由环状或棒状电阻丝和滑动片（电刷）组成。将线位移或角位移转化成电阻的变化，以电压或电流形式输出。检测的是以电阻中心为基准位置的移动距离。

E：输入电压

L：触头最大移动距离

X：向左端移动的距离

e：电阻右侧的输出电压2/5/2023

3）编码器检测细微运动，输出数字信号根据信号输出形式分为增量式和绝对式A

增量式简单旋转式增量编码器简单直线增量编码器2/5/2023旋转式增量编码器通过内部两个光敏接收管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量增加（正方向）或减少（负方向）。顺时针运动逆时针运动AB11010010AB11100001S2S1S0S1S0顺时针逆时针ABS0S0S2S2顺时针逆时针2/5/2023无法输出轴转动的绝对位置信息增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90º，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。优点原理构造简单寿命长，可靠性高抗干扰能力强缺点2/5/2023B绝对式#格雷码二进制码#格雷码二进制码00000000060101011010001000170100011120011001081100100030010001191101100140110010010111110105011101011111101011每个位置都对应着透光与不透光弧段的惟一确定组合，这种确定组合有惟一的特征。通过这特征，在任意时刻都可以确定码盘的精确位置。绝对式旋转编码器根据读出码盘上的编码检测绝对位置。2/5/20233）旋转变压器原理：转子转动引起磁通量旋转，在次级线圈产生变化的电压。从而可以用来测量角位移。

旋转变压器又称分解器，是一种控制用的微电机，它将机械转角变换成与该转角呈某一函数关系的电信号的一种间接测量装置。在结构上与二相线绕式异步电动机相似，由定子和转子组成。定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到转子绕组上，感应电动势由定子绕组输出。

旋转变压器结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。2/5/20233

、速度传感器编码器原理：在闭环伺服系统中，编码器的反馈脉冲个数和系统所走位置的多少成正比。对任意给定的角位移，编码器将产生确定数量的脉冲信号，通过统计指定时间内脉冲信号的数量，能计算出相应的角速度。速度、角速度的测量是驱动器反馈控制中必不可少的环节。可利用前面所述的位移传感器或编码器测量，也可用测速发电机测量。2/5/2023从工作原理上讲,它属于“发电机”的范畴。测速发电机在控制系统中主要作为阻尼元件、微分元件、积分元件和测速元件来使用。测速发电机是一种测量转速的微型发电机，它把输入的机械转速变换为电压信号输出，并要求输出的电压信号与转速成正比，即测速发电机分直流测速发电机和交流测速发电机两大类。

测速发电机2/5/2023

1）直流测速发电机

直流测速发电机实际就是一种微型直流发电机，按定子磁极的励磁方式分为电磁式和永磁式。直流测速发电机的输出电压与转速要严格保持正比关系,这在实际中是难以做到的，直流测速发电机输出的是一个脉动电压，其交变分量对速度反馈控制系统、高精度的解算装置有较明显的影响。2）交流测速发电机

交流异步测速发电机与交流伺服电动机的结构相似，其转子结构有笼型的，也有杯型的，在自动控制系统中多用空心杯转子异步测速发电机。

交流同步测速发电机因感应电势频率随转速而变，致使电机本身的阻抗及负载阻抗均随转速而变化，因此，输出电压不再与转速成正比关系。故同步测速发电机应用较少。

测速发电机的作用是将机械速度转换为电气信号，常用作测速元件、校正元件、解算元件，与伺服电机配合，广泛使用于许多速度控制或位置控制系统中，如在稳速控制系统中，测速发电机将速度转换为电压信号作为速度反馈信号，可达到较高的稳定性和较高的精度，在计算解答装置中，常作为微分、积分元件。2/5/20238.4典型外传感器

用来检测机器人所处环境（如是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。主要有：物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。2/5/20238.4.1外部状况的感觉

1、物体识别传感器

典型的是视觉传感器，如摄像机。视觉是利用光（机器人可用红外线等）的非接触方式。触觉也能识别物体。机器人可以用触觉传感器来实现这种机能。

2、物体探测传感器

物体探测传感器是一种识别物体而且知道其存在的传感器。例如视觉传感器、光电开关和超声波传感器等，即使物体较远也能探测其存在。2/5/20233、极近物体探测传感器

探测非常近的物体存在的传感器称为接近传感器。

接近传感器又称无触点接近传感器，是理想的电子开关量传感器。当金属类被检测体接近传感器的感应区域，开关就能在无接触、无压力、无火花的情况下迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程。即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。常用的有：

两线制接近传感器：两线制接近传感器安装简单，接线方便；应用比较广泛，但却有残余电压和漏电流大的缺点。

直流三线式接近传感器的输出型有NPN和PNP两种，70年代日本产品绝大多数是NPN输出，西欧各国NPN、PNP两种输出型都有。

PNP输出接近传感器一般应用在PLC或计算机上作为控制指令的较多，NPN输出接近传感器用于控制直流继电器较多，在实际应用中要根据控制电路的特性进行选择其输出形式。2/5/2023带有RS232数据接口激光测距传感器超声波距离传感器红外线距离传感器4、距离传感器

摄像机距离传感器。超声波距离传感器。

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波对液体、固体的穿透能力很大，尤其是在不透光的固体中，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，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。可用于鱼群探测、金属内部探伤等方面。

激光距离传感器：

利用激光传输时间来测量距离的基本原理是，通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离。2/5/20235.力觉传感器力觉传感器使用的主要元件是电阻应变片。（3）装在机器人手爪指关节（或手指上）的力传感器，称为指力传感器。通常我们将机器人的力传感器分为三类：（1）装在关节驱动器上的力传感器，称为关节力传感器。用于控制中的力反馈。（2）装在末端执行器和机器人最后一个关节之间的力传感器，称为腕力传感器。2/5/2023

SRI（StanfordResearchInstitute）研制的六维腕力传感器，如图所示。它由一段直径为75mm的铝管铣削而成，具有八个窄长的弹性梁，每个梁的颈部只传递力，扭矩作用很小。梁的另一头贴有应变片。图中从Px+到Qy-代表了8根应变梁的变形信号的输出。SRI传感器2/5/2023日本大和制衡株式会社林纯一研制的腕力传感器。它是一种整体轮辐式结构，传感器在十字梁与轮缘联结处有一个柔性环节，在四根交叉梁上共贴有32个应变片（图中以小方块），组成8路全桥输出。2/5/2023

非径向中心对称三梁腕力传感器传感器的内圈和外圈分别固定于机器人的手臂和手爪，力沿与内圈相切的三根梁进行传递。每根梁上下、左右各贴一对应变片，三根梁上共有6对应变片，分别组成六组半桥，对这6组电桥信号进行解耦可得到六维力（力矩）的精确解。2/5/20236、其他类型传感器语音识别传感器。分析振动声音探测机械故障的点传感器。热传感器：温度传感器。通过分析敲打的声音测定果品成熟程度的传感器。根据近红外线的糖度吸收程度测定水果甜度的传感器2/5/20238.4.2机器人需要的感觉能力触觉能力：主要指确定工作对象是否存在，以及它的尺寸大小和形状等。接近觉能力：主要用于探测机器人自身与周围物体之间相对位置或距离。接近觉界于触觉与视觉之间。视觉能力：孔、边、拐角的检测及工作对象形状的检测等。压觉能力：主要用于检测机器人与作业对象之间接触面的法向压力值的大小。滑觉能力：主要用于检测物体因自重相对于机器人手爪的滑移量的大小。2/5/20231．接触觉传感器：

接触觉传感器检测机器人是否接触目标或环境，用于寻找物体或感知碰撞。工作原理：

在电极和柔性导体之间留有间隙，当施加外力时，受压部分的柔性导体和柔性绝缘体发生变形，利用柔性导体和电极之间的接通状态形成接触觉。8.5

机器人的触觉一般认为触觉包括接触觉、压觉、滑觉、力觉四种，狭义的触觉按字面上来看是指前三种感知接触的感觉。2/5/2023特点：外形尺寸十分大空间分辨率低利用阵列这一概念已开发了许多重要的传感器。开关式触觉传感器(柔性绝缘体)(柔性导体)2/5/2023碳毡（CSA）灵敏度高，具有较强的耐过载能力。缺点是有迟滞，线性差。导电橡胶的电阻也会随压力的变化而变化，因此也常用来作为触觉传感器的敏感材料。压阻式阵列触觉传感器碳毡（CSA）2/5/20232．压觉传感器：

压觉传感器检测传感器面上受到的作用力，它由弹性体及检测弹性位移的敏感元件构成。用弹簧支承的平板作为机械手的物体夹持面。在平板上加负载时，平板发生位移，该位移量由电位器检测。如果已知弹簧的刚性系数，则可根据位移计的输出求出力的大小。2/5/2023压觉传感器图例：2/5/20233.滑觉传感器机械手一般采用两种抓取方式：硬抓取和软抓取。硬抓取（无感知时采用）：末端执行器利用最大的夹紧力抓取工件。软抓取（有滑觉传感器时采用）：末端执行器使夹紧力保持在能稳固抓取工件的最小值，以免损伤工件。采用压觉传感器实现滑觉感知检测垂直加压方向的力和位移2/5/2023滑觉传感器有滚轮式和球式。物体在传感器表面上滑动时，和滚轮或球相接触，把滑动变成转动。滑动物体引起滚轮的转动，用磁铁和静止的磁头进行检测。2/5/2023它由一个金属球和触针组成，金属球表面分成许多个相间排列的导电和绝缘小格。触针头很细，每次只能触及一格。当工件滑动时，金属球也随之转动，在触针上输出脉冲信号，脉冲信号的频率反映了滑移速度，个数对应滑移的距离。2/5/2023

根据振动原理制成的滑觉传感器。钢球指针与被抓物体接触。若工件滑动，则指针振动，线圈输出信号。2/5/20238.6

力和压力传感器压电晶体：压电材料受压后会产生一定电压。力敏电阻：阻值随垂直施加在表面的力的增加而降低。力敏电阻3.应变片2/5/20233.应变片惠斯通电桥

压阻式压力传感器采用集成电路工艺技术，在硅片上制造出四个等值的薄膜电阻并组成电桥电路，当不受力作用时，电桥处于平衡状态，无电压输出;当受到压力作用时，电桥失去平衡而输出电压（AB之间产生微小电位差），且输出的电压与压力成比例。压力使得圆形金属筒以及电阻应变片变形，从而使电阻应变片的电阻值产生变化。2/5/20238.7力矩传感器原理：如果在轴上施加力矩，力矩将在轴上产生两个方向相反的力和两个方向相反的形变，两个力传感器可以测出这两个力，根据所测力的大小可计算出力矩。用六个传感器测量三个彼此独立的轴上的力和力矩2/5/20238.8测距仪与接近觉传感器不同，测距仪用于测量较长的距离，它可以探测障碍物和物体表面的形状，并且用于向系统提供早期信息。常用的测量方法是三角法和测量传输时间法。三角法：测量原理如图所示

测量原理：仅在发射器以特定角度发射光线时，接收器才能检测到物体上的光斑，利用发射角的角度可以计算出距离。2/5/2023测量传输时间法：

信号传输的距离包括从发射器到物体和被物体反射到接收器两部分。传感器与物体之间的距离是信号行进距离的一半，知道了传播速度，通过测量信号的往返时间即可计算出距离。2/5/2023超声波测距仪工作原理：发射器发射高频超声波脉冲，它在介质中行进一段距离，遇到障碍物后返回，由接受器接受，发射器和物体之间的距离等于超声波行进距离的一半，行进距离则等于传输时间与声速的乘积。特点：结构坚固、简单、廉价并且能耗低，但是分辨率和最大工作距离受到限制。关键技术：时间测量的准确性，时间测量精度，声速精度，背景噪声。2/5/2023光测距仪原理：基于光（包括激光），采用直接延迟时间测量法、间接幅值调制法和三角法等方法测量到物体的距离。2/5/20238.9嗅觉传感器原理：对特定的气体敏感，当探测到这些气体时就发出信号。2/5/20238.10

视觉系统视觉系统是应用在机器人中最复杂的传感器2/5/2023有研究结果表明，视觉获得的感知信息占人对外界感知信息的80%。人类视觉细胞数量的量级大约为108，是听觉细胞的300多倍，是皮肤感觉细胞的100多倍。2/5/20231.超声波传感器超声波探测原理比较简单，一般是采用时差法。

ｄ=ｃΔt／2其中ｃ（Ｔ的函数）为超声波波速，Ｔ为环境摄氏温度。从广义上讲，也把它算成机器人视觉中的一种。超声波传感器主要用途：（1）实时地检测自身所处空间的位置，用以进行自定位；（2）实时地检测障碍物，为行动决策提供依据；（3）检测目标姿态以及进行简单形体的识别；（4）用于导航目标跟踪。2/5/20232.CCD图像传感器1）CCD（电荷耦合器件：chargecoupleddevices）2/5/2023

CCD（电荷耦合器件）的基本结构是一个间隙很小的光敏电极阵列，即无数个CCD单元组成，也称为像素点（如448×380）。它可以是一维的线阵，也可以是二维的面阵。优点：体积小、质量轻、寿命长、抗冲击、耗电极少，一般只需几十毫瓦就可以启动。（1）基本结构2/5/2023共256级灰度，从图（a）到（f）分辨率依次为512×512，256×256，128×128，64×64，32×32，16×16。（2）图像处理a)分辨率变化对图像的影响2/5/2023从图（a）到（f）分辨率为512×512，灰度级依次为256，