(1.15)-4.3感知系统-外部传感器

14.3感知系统外部传感器1.接近觉传感器接近觉是一种粗略的距离感觉。接近觉传感器的主要作用是在接触对象之前获得必要的信息，用来探测在一定距离范围内是否有物体接近。接近觉传感器可以在近距离范围内获取执行器和对象物体间的空间相对关系信息。它的作用包括确保安全、防止物体的接近或碰撞；确认物体的存在；检测物体的姿态和位置；测量物体的状态，进而制定操作规划和行动规划。24.3感知系统外部传感器接近觉传感器分为接触式接近觉传感器和非接触式接近觉传感器。1）接触式接近觉传感器2）非接触式接近觉传感器（1）电容式接近觉传感器（2）感应式接近觉传感器（3）气压式接近觉传感器（4）超声波式接近觉传感器接近觉气流传感器的结构原理典型的超声波式接近觉传感器的结构34.3感知系统外部传感器

2.触觉传感器触觉传感器是机器人与环境直接作用的检测和感知。1）接触觉传感器接触觉传感器是指装于机器人手爪上的、以判断是否接触物体为基本特征的测量传感器。根据接触觉传感器的输出，机器人可以感受和搜索对象物，感受手爪与对象物之间的相对位置和姿态，并修正手爪的操作状态。采用分布密度比较高的接触觉传感器，还可以判断对象物的大致几何形状。44.3感知系统外部传感器（1）机械式接触觉传感器。利用触点的接通、断开获取信息，通常采用微动开关来识别，但由于结构关系，无法高密度列阵。机械式接触觉传感器的输出是开关方式的二值量信息，因而，微动开关、光电开关等器件可作为最简单的接触觉传感器，用以感受对象物的存在与否。机械式接触觉传感器54.3感知系统外部传感器（2）弹性式接触觉传感器。为了减轻重量、缩小体积，并检测轻微的碰撞，还设计了各种弹性式接触觉传感器。这类传感器都由弹性元件、导电触点和绝缘体构成。弹性式接触觉传感器64.3感知系统外部传感器（3）光纤式接触觉传感器。这种传感器包括由一束光纤构成的光缆和一个可变形的反射表面，光通过光纤束投射到可变形的反射材料上，反射光按相反方向通过光纤束返回。如果反射表面是平的，则通过每条光束所返回的光的强度是相同的；如果反射表面因与物体接触受力而变形，则反射的光强度不同。用高速光扫描技术进行处理，即可得到反射表面的受力情况。74.3感知系统外部传感器

2）压觉传感器压觉传感器检测传感器表面上受到的作用力。压觉传感器由弹性体及检测弹性体位移的敏感元件或感压电阻构成。通常，用弹簧、海绵等材料制作弹性体，用电位器、光电元件、霍尔元件制作位移检测机构。用弹簧和电位器制成的弹簧式压觉传感器84.3感知系统外部传感器导电橡胶的压觉传感器，在硅中掺入铝粉或碳粉等导电粉末，硬化后就制成硅橡胶。根据掺入粉末比例的不同，硅橡胶会成为低电阻的导体，或者成为电阻随外力变化的感应电阻件。前者一般称为导电橡胶，后者称为感压导电橡胶。导电橡胶用作接触觉传感器，而电阻变化的橡胶在压觉传感器中使用。分布式传感器同时使用这两种特性的硅橡胶。采用导电橡胶的压觉传感器94.3感知系统外部传感器

3）滑觉传感器机器人在抓取不知属性的物体时，其自身应能确定最佳夹持力的给定值。夹持力不够，物体会从手爪中滑脱；夹持力过大，有可能引起被夹持物体的损坏。在不损坏物体的前提下，实现可靠夹持功能的传感器称为滑觉传感器。滑觉传感器有滚轮式滑觉传感器、球式滑觉传感器和振动式滑觉传感器三种。滚轮式滑觉传感器的典型结构104.3感知系统外部传感器滑觉传感器的球面有黑白相间的图形，黑色为导电部分，白色为绝缘部分，两个电极和球面接触，根据电极间导通状态的变化，可以检测出球的转动，即检测滑觉。传感器表面伸出的触针能与物体接触，当物体滑动时，触针与物体接触，在触针上输出脉冲信号。脉冲信号的频率反映了滑动速度，脉冲信号的个数对应滑动距离。滑觉传感器还有一种通过振动检测滑觉的传感器，称为振动式滑觉传感器。球式滑觉传感器的典型结构114.3感知系统外部传感器

4）力觉传感器力觉是指机器人的指、腕、肢和关节等在运动中所受力的感觉。根据被测对象的负载，比较常用的力觉传感器有单轴力传感器、单轴力矩传感器、手指传感器（检测机器人手指作用力的超小型单轴力传感器）、六轴力觉传感器。其中，单轴力传感器、单轴力矩传感器、手指传感器只能测量单轴力，而且必须在没有其他负载分量作用的条件下。因此，除了手指传感器外，其他几种都不适用于机器人。但有人通过巧妙地安装轴承，仅在机器人驱动电机力矩起作用的部位安装力矩传感器来测量力矩，对机器人进行控制。124.3感知系统外部传感器机器人的力控制主要控制作用于机器人手爪的任意方向上的负载分量，因此需要六轴力觉传感器。在机器人研制中，常常在结构不同的部位贴上应变片，校准其输出和负载的关系后，把它当作多轴力传感器使用，但是往往忽视了其他负载分量的影响。力控制本来就比位置和速度难控制，由于上述测量方面的原因，实现力控制就更困难了。为了使负载测量结果准确可信，使用六轴力觉传感器较好。典型的手腕力觉传感器的结构原理134.3感知系统外部传感器20世纪70年代中期，美国斯坦福大学利用应变计研制出了一种机器人用的六维力和传感器。下图，它由一段直径为75mm的铝管巧妙地加工而成，具有8个窄长的弹性梁，每个梁的颈部开有小槽，以使颈部只传递力，转矩作用很小，梁的另一头两侧贴有应变片（一片用于温度补偿）。该传感器为直接输出型力传感器，不需要再做运算，并能进行温度自动补偿。其主要缺点是维间存在耦合，传感器弹性梁的加工难度大、刚性较差。一种机器人用的六维力传感器144.3感知系统外部传感器1）听觉传感器听觉传感器的功能是将声信号转换为电信号，通常也称为传声器。常用的听觉传感器有动圈式传感器和电容式传感器。（1）动圈式传感器。传声器的振膜非常轻、薄，可随声音振动。动圈同振膜粘在一起，可随振膜的振动而运动。动圈浮在磁隙的磁场中，当动圈在磁场中运动时，动圈中可产生感应电动势。此电动势与振膜振动的振幅和频率相对应，因而动圈输出的电信号与声音的强弱、频率的高低相对应。这样传声器就将声音转换成了音频电信号输出。154.3感知系统外部传感器（2）电容式传感器由固定电极和振膜构成一个电容，UP经过电阻RL将一个极化电压加到电容的固定电极上。当声音传入时，振膜可随时间发生振动，此时振膜与固定电极间电容量也随着声音的变化而发生变化，此电容的阻抗也随之变化；与其串联的负载电阻RL的阻值是固定的，电容的阻抗变化就表现为a点电位的变化。经过耦合电容C将a点电阻变化的信号输入前置放大器A，经放大后输出音频信号。电容式传感器的结构原理164.3感知系统外部传感器

4.视觉传感器人从外界获得的信息大多数是由眼睛得到的。人类视觉细胞的数量是听觉细胞的3000多倍，是皮肤感觉细胞的100多倍。如果要赋予机器人较高级的智能，机器人必须通过视觉系统更多地获取周围世界的信息。焊接机器人用视觉系统进行作业定位视觉系统导引机器人进行喷漆作业搬运机器人用视