《机器人技术基础》第六章-机器人传感器

第六章机器人传感器6.1机器人传感器概述6.2内传感器6.3外传感器

6.4机器人视觉装置第六章机器人传感器第六章

机器人传感器光敏传感器声敏传感器气敏传感器味敏传感器压敏、热敏、湿敏、传感器眼睛耳朵鼻子舌头皮肤传感器控制器执行器五官大脑肢体第六章机器人传感器第六章

机器人传感器传感器在机器人身上分布第六章机器人传感器第六章

机器人传感器第六章机器人传感器6.1机器人传感器概述1、传感器的定义2、传感器的组成3、传感器的主要指标6.1.1

传感器的基本概念6.1机器人传感器概述1、传感器的定义传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。

物理量电量

目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。6.1.1传感器的基本概念6.1机器人传感器概述2、传感器的组成敏感元件转换元件基本转换电路被测量电信号6.1.1传感器的基本概念传感器一般由敏感元件、转换部分组成6.1机器人传感器概述3、传感器的主要指标灵敏度:

传感器输出变化量与引起该变化量的输入变化量之比。量程：传感器适用的测量范围。精度:

传感器在其测量范围内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。温漂:温度变化对传感器输出所产生的影响。6.1.1传感器的基本概念6.1机器人传感器概述10机器人感觉顺序分两步进行：(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。

6.1.2机器人传感器的特点机器人的感觉顺序与策略6.1机器人传感器概述具有和人的五官对应的功能,因此,种类众多,高度集成化和综合化

传感器和信息处理之间联系密切,实际上传感器包括信息获取和处理两部分

各种传感器之间联系紧密,信息融合技术是多种传感器之间协同工作的基础6.1.2机器人传感器的特点

传感器和执行器之间联系密切,传感器检测的信息处理后直接用于反馈控制,从而决定机器人的行动6.1机器人传感器概述6.1.3工业机器人传感器的要求一般要求一定的量程，抗干扰能力强质量轻,体积小,安装方便稳定性和可靠性好精度高,重复性好

图工业机器人传感器的要求

6.1机器人传感器概述满足机器人自身安全和机器人使用者的安全性要求特定的要求:(因机器人的加工任务及工作环境不同)

适应加工任务的要求

(选择传感器有针对性,如物料搬运,装配,喷漆,焊接,检验……)

满足机器人控制的要求6.1.3工业机器人传感器的要求6.1机器人传感器概述1)按被测物理量分类常见的被测物理量机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,

旋转角,转数,质量,重量,力,力矩;热工量:温度、热量、比热容、热流、热分布、压力（压强）、压差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面、噪声6.1.4机器人传感器的分类6.1机器人传感器概述基本物理量派生物理量位移线位移长度、厚度、应变、振动、磨损、不平度等角位移旋转角、偏转角、角振动等速度线速度速度、振动、流量、动量等角速度转速、角振动等加速度线加速度振动、冲击、质量等角加速度角振动、扭矩、转动惯量等力压力重量、应力、力矩等时间频率周期、记数、统计分布等温度热容量、气体速度、涡流等光光通量与密度、光谱分布等6.1.4机器人传感器的分类6.1机器人传感器概述2)按传感器的工作原理分类:

电阻式,电感式,电容式,磁电式,热电式,光电式等。6.1.4机器人传感器的分类3）按能量的关系分类：分为有源传感器和无源传感器两大类。6.1机器人传感器概述6.1.4机器人传感器的分类4）按照传感器与被测对象的关联方式(是否接触)分类：

接触式传感器或非接触式传感器6）其他：按用途、学科、功能和输出信号的性质等进行分类。5)根据使用范围分类：

内部传感器和外部传感器6.1机器人传感器概述目的/使用范围在机器人上应用传感器

外部传感器

检测环境、目标的状态特征，使机器人--环境发生交互作用，从而使机器人对环境有自校正和自适应能力内部传感器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。6.1.4机器人传感器的分类6.1机器人传感器概述控制器内部传感外部传感机器人位置传感器速度传感器加速度传感器力和压力传感器滑觉传感器触觉传感器接近度传感器力觉传感器视觉传感器声觉传感器内传感器用于测量机器人自身状态测量与机器人作业有关的外部环境其它6.1机器人传感器概述多指协调控制抓取规划多指多关节灵巧机械手三个手指3个关节电机角度传感器复合触觉传感器通过从结构与功能上模仿人手，实现对各种形状物体的灵巧操作，精确的力控制与运动控制机械手上的传感器分布6.1机器人传感器概述内部传感器速度、角速度传感器加速度传感器位移、角度传感器力/力矩传感器其他光电开关霍尔传感器电位计光电码盘磁栅传感器旋转变压器加速度计其他增量编码器脉冲发电机测速发电机角加速度计其他弹性梁应变片其他姿态传感器惯性传感器其他限位开关6.2内传感器第六章

机器人传感器图位移传感器的类型6.2.1位移（位置）传感器常用的机器人位移传感器有:6.2内传感器6.2内传感器第六章

机器人传感器6.2.1位移（位置）传感器

6.2.2速度和加速度传感器

6.2.3应力传感器由一个线绕电阻（或薄膜电阻）和一个滑动触点组成。6.2.1位移（位置）传感器

1、电位计直线位移型电位计角位移型电位计

位移传感器既可用于检测位移，包括角位移和线位移，也可用来检测运动。

6.2内传感器EE1VRxRxR-Rx6.2.1位移（位置）传感器直线位移型电位计工作原理电位器是具有三个引出端、阻值可按某种变化规律调节的电阻元件。电位器通常由电阻体和可移动的电刷组成。当电刷沿电阻体移动时，在输出端即获得与位移量成一定关系的电阻值或电压。6.2内传感器

光电编码器是角度（角速度）检测装置，通过光电转换，将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲数字量的传感器。具有体积小，精度高，工作可靠等优点，应用广泛。

6.2.1位移（位置）传感器

2、光电编码器编码器6.2内传感器轴式套式电信号二进制编码脉冲编码器的测量对象6.2.1位移（位置）传感器

2、光电编码器6.2内传感器伺服电机伺服电机编码器伺服电机伺服电机编码器编码器编码器机械手上的编码器6.2.1位移（位置）传感器

2、光电编码器6.2内传感器编码器和伺服电动机同轴安装

光电编码器伺服电动机联轴器滚珠丝杠滑块光电编码器信号输出伺服电动机电源编码器的安装细节图6.2.1位移（位置）传感器6.2内传感器编码器的分类6.2.1位移（位置）传感器

2、光电编码器6.2内传感器

增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。

绝对值编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

6.2.1位移（位置）传感器

2、光电编码器6.2内传感器

（1）信号性质

输出信号为一串脉冲，每一个脉冲对应一个分辨角，对脉冲进行计数N，就是对的累加，即，角位移＝N。如：＝0.352，脉冲N＝1000，则：

＝0.352×1000＝352增量式编码器的信号性质6.2.1位移（位置）传感器增量式编码器6.2内传感器（2）增量式光电编码器的结构码盘光栏板LED零位标志（一转脉冲）光敏元件＝360°／条纹数＝360°／1024＝0.352°透光条纹增量式编码器增量式编码器的结构图6.2.1位移（位置）传感器6.2内传感器增量式编码器6.2.1位移（位置）传感器（3）辨向90ABAB

光敏元件所产生的信号A、B彼此相差90相位，用于辨向。当码盘正转时，A信号超前B信号90；当码盘反转时，B信号超前A信号90。增量式编码器的方向辨别6.2内传感器（1）信号性质绝对式编码器00000000122.50010451111337.5

输出n位二进制编码，每一个编码对应唯一的角度。绝对式编码器的信号性质6.2.1位移（位置）传感器6.2内传感器（2）接触式绝对码盘绝对式编码器4个电刷

4位二进制码盘

最小分辨角＝360°／2n

当n＝4，＝360°／24＝22.5°导电为“1”，非导电为“0”图绝对式编码器的码盘6.2.1位移（位置）传感器6.2内传感器绝对式编码器6.2.1位移（位置）传感器

黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制的“0”和“1”。在一个四位光电码盘上，有四圈数字码道，每一个码道表示二进制的一位，里侧是高位，外侧是低位，在360°范围内可编数码数为24=16个。（2）接触式绝对码盘绝对式编码器的码盘6.2内传感器透光区不透光区零位标志增量式绝对式增量式、绝对式有何区别？6.2.1位移（位置）传感器6.2内传感器

6.2.2速度和加速度传感器速度传感器用于测量平移和旋转运动的速度。在大多数情况下，只限于测量旋转速度。最通用的速度传感器无疑是测速发电机，它们有两种主要型式：直流测速发电机和交测速发电机。396.2内传感器

1、速度传感器测速发电机：把机械转速变换成电压信号，输出电压与输入的转速成正比。u=K*nK是常数图直流测速发电机的结构原理1—永久磁铁；2—转子线圈；3—电刷；4—整流子

6.2.2速度和加速度传感器

1、速度传感器6.2内传感器

加速度传感器能感受加速度并转换成可用输出信号，用于测量工业机器人的动态控制信号，它具有多种不同的测量方法：由速度测量进行推演。已知物体加速度所产生的力是可以测量的。与被测加速度有关的力可由一个已知质量产生。416.2内传感器

6.2.2速度和加速度传感器

2、加速度传感器

压电式加速度传感器压阻式加速度传感器电容式加速度传感器

6.2.2速度和加速度传感器2、加速度传感器伺服式加速度传感器6.2内传感器

6.2.2速度和加速度传感器压电式加速度传感器具有“压电效应”的晶体称为压电晶体压电效应原理图压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的压电式加速度传感器工作原理6.2内传感器

6.2.2速度和加速度传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器优缺点

优点：频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。

缺点：某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。压电式加速度传感器6.2内传感器

6.2.2速度和加速度传感器压电式加速度传感器

压电式加速度传感器在现代生产生活中被应用于许许多多的方面，如手提电脑的硬盘抗摔保护，目前常用用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器。压电式加速度传感器应用摄像机电脑硬盘6.2内传感器

6.2.2速度和加速度传感器压阻式加速度传感器

压阻式加速度传感器的悬臂梁上电阻的阻值随应力的作用而发生变化，引起测量电桥输出电压变化，以此实现对加速度的测量。压阻式加速度传感器原理图压阻式加速度传感器原理图6.2内传感器

6.2.2速度和加速度传感器压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器优缺点

优点：体积小、频率范围宽、测量加速度的范围宽，直接输出电压信号。缺点：对温度的漂移较大，对安装和其它应力也较敏感，它不具备某些低测量值时所需的准确度。压阻式加速度传感器实物图6.2内传感器

6.2.2速度和加速度传感器压阻式加速度传感器

压阻式加速度传感器已用在步进电机作为动力机械的控制系统中。压阻式加速度传感器应用步进电机6.2内传感器

6.2.2速度和加速度传感器电容式加速度传感器

电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器，其中一个电极是固定的，另一变化电极是弹性膜片。弹性膜片在外力（气压、液压等）作用下发生位移，使电容量发生变化。这种传感器可以测量气流（或液流）的振动速度（或加速度），还可以进一步测出压力。电容式加速度传感器工作原理6.2内传感器

6.2.2速度和加速度传感器电容式加速度传感器

电容式加速度传感器，具有电路结构简单，灵敏度高，输出稳定，温度漂移小，测量误差小。但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响。电容式加速度传感器优缺点图

电容式加速度传感器6.2内传感器电容式加速度传感器应用图

安全气囊图

手机

6.2.2速度和加速度传感器电容式加速度传感器6.2内传感器

6.2.2速度和加速度传感器伺服式加速度传感器

当被测振动物体通过加速度计壳体有加速度输入时，质量块偏离静平衡位置，位移传感器检测出位移信号，经伺服放大器放大后输出电流，该电流流过电磁线圈，从而在永久磁铁的磁场中产生电磁恢复力，迫使质量块回到原来的静平衡位置，即加速度计工作在闭环状态，传感器输出与加速度计成一定比例的模拟信号，它与加速度值成正比关系。伺服式加速度传感器原理6.2内传感器

6.2.2速度和加速度传感器伺服式加速度传感器优点：测量精度和稳定性、低频响应等都得到提高，还有分辨率高，高精度，自检功能，高可靠性等。缺点：体积和质量比压电式加速度计大很多，价格昂贵。

伺服式加速度传感器优缺点伺服式加速度传感器6.2内传感器

6.2.2速度和加速度传感器伺服式加速度传感器伺服加速度测量技术广泛地应用于惯性导航和惯性制导系统中，在高精度的振动测量和标定中也有应用。伺服式加速度传感器应用钻井卫星天线6.2内传感器几种加速度传感器的比较分类压电式加速度传感器压阻式加速度传感器电容式加速度传感器伺服式加速度传感器特点体积小，质量轻，工作频带宽体积小、低功耗等结构简单,价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强动态性

能好、动态范围大和线性度好应用仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测报警系统，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域在安全气囊，手机移动设备等领域无可替代广泛地应用于惯性导航和惯性制导系统中，在高精度的振动测量和标定中也有应用

6.2.2速度和加速度传感器6.2内传感器当关节式机器人与固体实际接触时，机器人进行适当动作的必要条件有三个：机器人必须能够识别实际存在的接触（检测）。机器人必须知道接触点的位置（定位）。机器人必须了解接触的特性以估计受到的力（表征）。566.3外传感器

6.2.3应力传感器外部传感器触觉传感器力觉传感器视觉传感器其它6.3外传感器第六章

机器人传感器接近觉传感器1)触觉(TactileSense)：机器人与物体之间接触时所得到的感觉信息。2)压觉(SenseofContactForce)：机器人与物体某个表面接触时，沿法线方向受到的力的信息感觉。3)视觉(VisualSense)：机器人对光等外界信息的感觉。利用这种感觉可以识别物体的轮廓、方位、背景等环境状态。4)接近觉(ProximitySense)：机器人能感受到与物体接近程度的能力。5)滑觉(SlipSense)：机器人能感受到其末端执行器与被夹持物之间滑移程度的能力。力、力矩超声视觉6.3.1触觉传感器59⁎⁎触觉是仅次于视觉的一种重要感知形式。⁎⁎机器人触觉与视觉一样，基本上是模拟人的感觉。广义上包括接触觉、压觉、力觉、滑觉等与接触有关的感觉。

⁎⁎狭义上它是机械手与对象接触面上的力感觉。

6.3外传感器触觉传感器是测量自身敏感面和外界物体相互作用。触觉传感器的作用：(1)感知操作手指的作用力，使手指动作适当。(2)识别操作物的大小、形状、质量及硬度等。(3)躲避危险，以防碰撞障碍物。触觉传感器6.3.1触觉传感器6.3外传感器6.3.1触觉传感器6.3外传感器单向微动开关—当规定的位移或力作用到可动部分(称为执行器)时，开关的接点断开或接通而发出相应的信号。接近开关：非接触式接近传感器有高频振荡式屈感应式、电容感应式、超声波式、气动式、光电式、光纤式等多种接近开关。微动开关6.3.1触觉传感器6.3外传感器光电开关由LED光源和光电二极管或光电三极管等光敏元件，相隔一定距离间构成的透光式开关。当充当基准位置的遮光片通过光源和光敏元件间的缝隙时，光射不到光敏元件上，而起到开关的作用。光电开关6.3.1触觉传感器6.3外传感器触觉阵列传感器多个接触传感器组成的触觉传感器阵列是辨认物体的方法之一。触觉阵列传感器的结构示意图PUMA562机械手六维力传感器6.3.2

力觉传感器6.3外传感器力觉传感器用于测量两物体之间作用力的三个分量和力矩的三个分量。656.3外传感器力觉：是指对机器人的指、肢和关节等运动中所受力的感知。6.3.2

力觉传感器压电晶体力敏电阻应变片防静电泡沫常见的力学传感器外力沿压电材料特定晶向作用使晶体产生形变，在相应的晶面上将产生电荷，去掉外力后压电材料又重回不带电状态，这种由外力作用产生电极化的现象叫正压电效应。逆压电效应：压电效应是可逆的。在压电材料特定晶向施加电场时，不仅有极化现象发生，还特产生机械形变。去掉电场，应力和形变也随之消失，这种现象称作逆压电效应。压电效应6.3.2

力觉传感器常见的力学效应物质在光照作用下释放电子的现象称为光电效应，释放的电子叫光电子，光电子在外电场作用下形成的电流叫光电流。由实验发现的光电效应的规律是光电流大小与入射光频率有关，当入射光频率低于某一极限频率时，将不产生光电效应。只有当入射光频率高于极限额率时，光电流的大小才与入射光强度成正比。光电效应半导体材料受到外力作用时电阻率会发生变化。原因是外力作用使原子点阵排列发生变化，晶格间距的改变使禁带宽度变化，导致载流子迁移率及浓度变化，即电阻率发生变化。压阻效应6.3.2

力觉传感器接近觉传感器：感知传感器与物体之间接近程度。主要有两个用途：避障和防止冲击。

6.3.3接近觉传感器6.3外传感器电涡流式传感器超声波接近觉传感器红外线接近觉传感器6.3.3接近觉传感器6.3外传感器电涡流式接近觉传感器变化的磁场将在金属体内产生感应电涡流。

涡流的大小随金属体表面与线圈的距离大小而变化。

通过检测电感便可获得线圈与金属体表面的距离信息。电涡流式传感器6.3.3接近觉传感器6.3外传感器超声波接近觉传感器

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播途中碰到障碍物即返回，超声波接收器收到反射波立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2-------时间差测距法。时间与超声波的传播速度和距离成正比6.3.3接近觉传感器6.3外传感器红外线接近觉传感器

任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。

非接触式测量，红外发光管发射经调制的信号，经目标物反射，红外光敏管接收到红外光强的调制信号。

发送器和接收器都很小，能够装在机器人夹手上。易于检测出工作空间内是否存在某个物体。红外线接近觉传感器声觉传感器

用于感受和解释在气体（非接触感受）、液体或固体（接触感受）中的声波。接触式或非接触式温度传感器滑觉传感器726.3外传感器6.3.4其它外传感器有研究结果表明，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数量级大约为108，是听觉细胞的300多倍，是皮肤感觉细胞的100多倍。概述6.4机器人视觉装置第六章

机器人传感器1、定义：研究用机器人来模拟人和生物的视觉系统功能。2、目标：使机器人具有感知周围视觉世界的能力。让机器人具有对周围世界的空间物体进行传感、抽象、判断的能力，从而达到识别、理解的目的。3、任务：图象的获取、预处理、图象分割与表示与描述、识别与分类、三维信息理解、景物描述、图象解释。红色部分就构成了图像分析的研究内容。机器人视觉的目标与任务6.4机器人视觉装置6.4机器人视觉装置●视觉检测

视觉信息一般通过光电检测转化成电信号。机器人视觉传感器的工作过程第六章

机器人传感器6.4机器人视觉装置机器人视觉传感器的工作过程可分为四个步骤：检测、分析、绘制和识别。●视觉图像分析成像图像中的像素含有杂波，通过处理消除杂波，把全部像素重新按线段或区域排列成有效像素集合。●视觉图像绘制指以识别的目的而从物体图像中提取特征。●图像识别技