第5章 视觉触觉传感器

第五章视觉、触觉传感器本章学习要求：了解触觉传感技术的原理及工程应用；掌握接近觉传感技术的原理及工程应用;了解视觉传感技术的原理及工程应用；了解听觉传感技术的原理及工程应用；传感器与测试技术5.1触觉传感器一、触觉传感器：

接触觉、压觉、力觉和滑觉1.接触觉传感器

检测机器人手指与外界物体是否接触，如感受是否接触地面，是否抓住物体等。当传感器与物体接触时，电极导通工作，输出“0”、“1”信号。

第五章视觉、触觉传感器压阻型压觉传感器

利用材料的内阻随压力变化的压阻效应制成的。上层的列电极与下层的行电极相互垂直，行列电极的交叉点即为传感阵列的一个敏感单元。

2.压觉传感器：检测机器人手指握持面上承受的压力5.1触觉传感器光电型压觉传感器当弹性触头受压时，触杆下伸，发光二极管射向光敏二极管的部分光线被遮挡，于是光敏二极管输出的电信号随压力增大而减小。通过多路模拟开关依次选通阵列中的感知单元，并经A/D转换即可感知物体的形状。

5.1触觉传感器3.力觉传感器该图为筒式六自由度腕力传感器，外侧由八根弹性梁支撑，四根为水平梁，四根为垂直梁。水平梁的上下两侧、垂直梁的左右两侧贴有应变片，组成差动半桥。根据贴片处的应变量，可得到施加于传感器

x、y、z方向的力和力矩。

用于感知机器人的手指、肢体或关节等在工作和运动时所受力的大小和方向。

5.1触觉传感器4.滑觉传感器检测垂直于握持方向物体的位移、旋转、由重力引起的变形，以达到修正夹紧力，防止抓取物滑动。该图为滚球式滑觉传感器，主要由一个可自由滚动的金属球和触针组成。触针每次只能触及一个网格，输出为一系列脉冲信号。脉冲信号的频率与滑动速度有关，脉冲信号的个数对应滑移的距离，能够检测任意方向的滑动。5.1触觉传感器案例：机器人握力测量5.1触觉传感器机械手抓取鸡蛋实验照片案例：利用光电式滑觉传感器实现机械手软抓取5.1触觉传感器二、仿生皮肤该图为具有温觉、触觉和压觉、滑觉的聚偏二氟乙烯(PVDF)仿生皮肤的剖视图。在上下两层PVDF之间，由电加热层和柔性隔热层形成两个不同的物理测量空间，上层PVDF获取温觉和接触觉信号，下层PVDF获取压觉和滑觉信号。

5.1触觉传感器5.2接近觉传感器一、接近觉传感器1.感应式接近觉传感器

只有当传感器与铁磁体之间有相对运动时，磁力线才会发生变化，线圈中才能产生感应电流。随着距离的减小，输出信号明显增大。

1）电磁感应接近觉传感器

第五章视觉、触觉传感器2）霍尔效应接近觉传感器

当附近无铁磁体时，霍尔元件感受到一个强磁场，霍尔电势最大；当铁磁体接近传感器时，磁力线被旁路，霍尔元件感受的磁场强度减弱，霍尔电势减小。

5.2接近觉传感器3）电涡流接近觉传感器

当传感器接近金属物体时，金属导体中将产生电涡流，形成反抗磁场H2。通过检测线圈测量激励线圈磁路上磁通量的大小，就可感知传感器与金属物体表面之间的距离。

5.2接近觉传感器2.电容式接近觉传感器

当物体接近时，阻断了两个极板之间连续的电力线，使两极板间的耦合电容C12改变，从而使极板上的电荷变化。通过极板2外接的电荷放大器，即可获得电压与距离的关系。

5.2接近觉传感器3.光电式接近觉传感器

光源发出的光束经发射透镜射到物体，经物体反射并由接收透镜汇聚到光电器件上。若物体不在感知范围，光电器件无输出。通过调节发射透镜与接收透镜的光轴夹角

，可以调节其感知距离。5.2接近觉传感器4.超声波接近觉传感器

1）脉冲延时法

通过测量超声波从介质中发射出去，到物体反射后沿原路返回之间所需要的时间(渡越时间t0)和在介质中传播的速度(声速v)，即可获知物体与传感器的距离。

5.2接近觉传感器2）相位调制法

将超声波调制为正弦波发射出去，若接收波与发射波的相位相差为，调制波波长为，则物体与传感器的距离为：

5.2接近觉传感器二、接近觉传感器的应用四个超声波接近觉传感器完成避障功能，三个红外接近觉传感器完成自动寻轨功能。

自动寻轨和避障机器人5.2接近觉传感器红外反射光强法接近觉测量调制信号经可控功率放大器调节后送至红外发光管，光电接收管接收的反射光强经解调和滤波后输出电压信号。其输出电压uo与接收管和目标物之间距离x关系为：

5.2接近觉传感器5.3视觉传感器1.焊接机器人的视觉传感系统利用扫描转镜将激光光源扫描成条状光照射在到焊缝上，通过测量电机转角和图像处理方法将CCD器件接收到的二维信息转化为三维信息，从而提高扫描效率和信息量。

第五章视觉、触觉传感器2.管内作业机器人的视觉传感系统该图为管内X射线探伤机器人的结构示意图。视觉系统采集管道内的图像，利用图像处理算法检测焊缝的相对位置。控制及驱动装置根据焊缝的位置牵引机器人运动，实现其定位。通过外接监视器也可以人工完成管道内壁质量检查等工作。

5.3视觉传感器动圈式传声器5.4听觉传感器1.动圈式传声器动圈与振膜粘附在一起，振膜随声音振动带动动圈在磁铁形成的磁场中运动而产生感应电势。感应电势与振膜振动的振幅和频率相对应，因此动圈输出的电信号与声音的强弱、频率相对应，即将声音转换为音频信号。第五章视觉、触觉传感器2.电容式传声器由固定电极和振膜构成电容器，电源电压U经过固定电阻R送至电容器的固定电极。振膜随声音振动引起振膜与固定电极间的电容量发生变化，从而引起电容器的容抗变化。容抗变化使A点电位变化，经电容C耦合后，对A电位进行前置放大，最终得到音频信号输出。

5.4听觉传感器案例：玩具机器人(广州中鸣数码)原理：电机转角电位器电阻第五章视觉、触觉传感器小结机器人的应用范围日益广泛，从事的工作越来越复杂，对环境的变化也拥有更强的适应能力，这一切都必须借助于各种传感器获取类似于人类的感觉信息，并做