第八章 機器人感覺技術及傳感器

第八章機器人感覺技術

與傳感器2/5/20231主要內容8.1感知器的相關概念8.2機器感覺原理、方式與過程8.3機器人傳感器分類與選擇8.4位移、速度與加速度傳感器8.5觸覺技術8.6測距技術8.7傳感器融合2/5/202328.1感知器的相關概念8.1.1人類智能與人工智能8.1.2器官功能與傳感器8.1.3信息載體8.1.4機器人感覺器官的必要性2/5/202338.1.1

人類智能與人工智能人類智能的主要表現(xiàn)

感知、記憶、思維、表達、動作、學習……人工智能

對人類智能的理解與機器實現(xiàn)人體有兩種感覺系統(tǒng)1)內體感覺系統(tǒng):檢測諸如手足關節(jié)角、肌肉擴張和肌肉拉緊等內部參量。2)外體感覺系統(tǒng):對皮膚表面溫度和形狀的改變而產(chǎn)生反應，這些參量是直接接觸外部物體的結果。2/5/202348.1.2器官功能與傳感器人類的感覺器官：

視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺還有什么？

痛覺熱覺接近覺？氣功？特異功能？天眼？2/5/20235什么是傳感器傳感器是一種能將具有某種物理表現(xiàn)形式的信息變換成機器可以處理的輸入換能器。將被測非電量信號轉換成與之有對應關系的電量輸出的器件或裝置。又叫變換器、換能器或探測器。什么是信息ClandeShannon：信息是一種減少不確定量的量。R·AndrewRussell:信息是增長人類知識的東西。2/5/202368.1.3信息載體(1)輻射——涉及全頻段的電磁波。范圍包括無線電波到gama射線。輻射的主要參數(shù)是強度、頻率、偏振和相位。(2)物理量——論述物質的各種外部參量。例如，位置、速度、尺寸、厚度、力和真空。(3)熱——溫度、溫度梯度、熱和熵。(4)電——電壓、電流、電阻、電容等電參數(shù)。(5)磁——磁場強度、磁通密度和磁導率。(6)化學量——論述物質的內部結構的量。其主要參數(shù)是某一材料的濃度、晶體結構和凝聚態(tài)。2/5/202378.1.4機器人感覺器官的必要性

1、增加機器人功能，提高工作質量，有效完成任務；機器人傳感器能監(jiān)控所操縱工件的質量。例如，及時檢查出有毛病的工件。2、適應復雜情況（對象/環(huán)境），擴大應用范圍，防止發(fā)生意外事故。例如，自動導引車輛(AGV)式機器人，在道路上不能撞到人。3、人機交互的需要，接受指令，表達感情。2/5/202384、降低對機器人及其工作對象精度的要求——“可以吃粗糧”；(1)隨機安置物體的位置。從而降低購置固定夾具所需的高額費用；(2)允許物體的形狀變化，可以放寬精度要求，而不必制成符合自動化裝配線需求的高精度，也不需要高價地制造0.1mm精度的載體。例如，桔子和蛋等食品，其形狀和尺寸是變動的，通過觸覺傳感器感知的信息，機器人可抓住它。2/5/202398.2機器感覺原理、方式與過程8.2.1感覺原理感覺原理即傳感器構成原理分為結構型和物性型8.2.2感覺方式8.2.3感覺過程……階段性2/5/2023108.2.1感覺原理結構型傳感器概念：應用通常的物理定律構成的傳感器，如：運動定律，牛頓定律，歐姆定律，電磁定律，熱力學定律等。特點：傳感原理明確，結構比較復雜，一般與結構材料無關。

2/5/202311結構型傳感器舉例

由兩個平行板組成的電容器的電容量為：C=εA/d式中ε——電容極板間介質的相對介電系數(shù)，相對于真空，ε=1；A——兩平行板所覆蓋的面積；d——兩平行板之間的距離；C——電容量。

如果保持其中的兩個參數(shù)不變而僅改變另一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉換為電容的變化。因此，電容量的變化的大小與被測參數(shù)的大小成比例。

極板d電容式傳感器2/5/202312變極距型電容式傳感器變極板面積型電容式傳感器變介質型電容式傳感器改變平行板間距的傳感器可用來測量微米數(shù)量級的位移，而變化面積的傳感器只適合測量厘米數(shù)量級的位移。電容式傳感器分為：2/5/202313結構型傳感器舉例

利用電磁感應把被測的物理量如位移、壓力、流量、振動等轉換成線圈的自感系數(shù)L和互感系數(shù)M的變化，再由測量電路轉換成電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)非電量到電量的轉換。其特點為：1．結構簡單，無活動電觸點，因此工作可靠壽命長；2．靈敏度和分辨率高，能測出0.01μm的位移變化；3．線性度和重復性都比較好。電感式傳感器2/5/202314光電式碼盤是一種非接觸性光電傳感器。它具有測量準確度高、響應速度快、結構簡單、可靠性高和使用壽命長等優(yōu)點。典型的光碼盤有ＴＬＰ507Ａ，ＴＬＰ800等類型。為了確保轉速測量準確度，使用單片機系統(tǒng)對脈沖信號處理。電動機上的絕對編碼器結構型傳感器舉例

2/5/202315線型電阻式荷重傳感器線型電阻應變計的結構應變片與荷重傳感器2/5/202316電橋回路平行梁式測力計靜力測量2/5/202317物性型傳感器概念：利用物質本身的某種客觀性質制作的傳感器。特點：受材料性質與使用環(huán)境影響較大。結構簡單，靈敏度高。物性型傳感器舉例：

光電傳感器壓電傳感器2/5/202318光電傳感器——光電傳感器是一種將光量的變化轉化為電量的變化的傳感器。它的物理基礎就是光電效應。光電效應分:外光電效應、內光電效應兩大類。在光線的作用下，物體內的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應。向外發(fā)射的電子叫光電子?；谕夤怆娦墓怆娖骷泄怆姽?、光電倍增管等。當光照射在物體上，使物體的電導率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的效應叫內光電效應。內光電效應又可分為兩種：光電導效應和光生伏特效應。2/5/202319壓電式傳感器——是以某些物質的壓電效應制作的一種傳感器。當材料表面受力作用變形時，其表面會有電荷產(chǎn)生從而實現(xiàn)非電量測量。壓電陶瓷是人造多晶系壓電材料。常用的壓電陶瓷有鈦酸鋇、鋯鈦酸鋇、鈮酸鹽系壓電陶瓷。它們的壓電常數(shù)比石英晶體高，但介電常數(shù)、機械性能不如石英好。由于它們品種多，性能各異，可根據(jù)它們的特點制作各種不同的壓電傳感器，這是一種很有發(fā)展前途的壓電元件。2/5/202320半導體電阻應變片

導體或半導體材料在受到外界力（拉力或壓力）作用時，產(chǎn)生機械形變，導致其阻值變化，這種現(xiàn)象稱為“應變效應”。

電阻應變片工作原理：用應變片測量應變或應力時，在外力作用下，被測對象產(chǎn)生微小機械形變，應變片隨其發(fā)生相同的變化，同時，應變片電阻也發(fā)生變化。當測得應變片電阻值變化量時，便可得到被測對象的應變值

2/5/2023218.2.2感覺方式按感知形式：接觸型，非接觸型

1.接觸型——與被測對象接觸；

2.非接觸型——經(jīng)特殊物質聯(lián)系，與被測物保持一定距離。如:檢測機器人周圍的聲波、光和其他電磁波，以及電、磁和靜電場之間的相互作用。2/5/202322接觸型：舉例開關、探針、觸點等：機械運動量到電量的轉換。輸出：模擬、開關、脈沖、數(shù)字信號。可以采用壓電材料：壓力（振動）—電壓變化。如：壓電晶體：電壓—振動—聲波或超聲波；經(jīng)常采用壓阻材料：壓力（振動）—電阻變化。其原理為導體或半導體材料在受到外界力（拉力或壓力）作用時，產(chǎn)生機械形變，機械變形導致其阻值變化，這種因形變而使阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為“應變效應”。特點：結構簡單，工作穩(wěn)定，抗干擾強。2/5/202323非接觸型中間傳遞介質：（1）電磁波：電場、磁場、可見光、紅外、紫外、X-ray和激光監(jiān)測電磁波的存在與狀態(tài)變化（2）聲波：發(fā)射某種頻率的聲波信號檢測物體反射波的強弱，時間差從而獲得某種感覺能力2/5/202324按特性和性能可將傳感器作如下分類1．自生型——來自輸入信號的能量直接變換成輸出信號。如硒光電池2．調制型——主要能量供給不是輸入信號．而是一個輔助能源，適合檢測弱信號。3．絕對型——傳感器的輸出在任何時候都代表傳感器的輸入。這種傳感器的典型例子是電位計。4．增量型——傳感器的輸出僅代表傳感器輸人的改變，這些改變的積累才是真實傳感器輸入。使用傳感器以前要求定標，以保證積累值跟真實傳感器輸入一致。增量型編碼器是這類傳感器的實例。2/5/2023258.2.3感覺過程……階段性定義：如何將人們感興趣的物理量或其它變量的有無、大小轉換為人們所要求的信息形式（模擬的或數(shù)字的)。 狹義傳感器（檢出器，一次表）、廣義傳感器（一次表＋二次表）1.一次表： 將物體內外部的物理特征，如機械、光學等特征變?yōu)殡娦盘枴?實例：熱電偶、熱電阻，壓力應變片2.二次表： 將電信號加工處理，變?yōu)橛杏眯畔ⅰ?/5/202326二次表加工處理過程：信息初步處理：濾波、平滑、線性化、數(shù)據(jù)分組等信號變送：將微弱的一次檢測信號變?yōu)榭垢蓴_性強的標準信號：0—5v或4—20mA信息分析，內容非常豐富。被測信號測量儀器的構成廣義傳感器輸出信號處理部分放大－變換輸入匹配測量環(huán)境狹義傳感器檢出器2/5/202327傳感器信號的處理主要是進行信號的變換，去除噪聲，信號的判斷，檢出，信號成分的分析，信號合成和再現(xiàn)等。常用濾波方法有移動平均、數(shù)字微分、數(shù)字積分、同步積分、對數(shù)變換、互相關函數(shù)、自相關函數(shù)等。通過綜合多種傳感器信息得到單個傳感器所不能得到的信息，稱為傳感器融合技術。對來自各個傳感器的信號通過學習算法、模糊推理等的有機結合，最后進行綜合判斷。二次表的信號加工處理2/5/2023288.3機器人傳感器分類與選擇8.3.1內部傳感器檢測機器人自身狀態(tài)(內部信息)，機器人自身運動與正常工作所必需。8.3.2外部傳感器檢測作業(yè)對象與作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)(外部信息)，適應特定環(huán)境和完成特定任務所必需。8.3.3傳感器選擇的依據(jù)2/5/202329感覺用途 外部傳感器

視覺

對象有無、形狀、大小、種類的識別對象的位置、姿態(tài)的識別對象灼傷痕、缺陷、好壞的識別對象上的圖樣、文字的識別觸覺對象重量、硬度、表面狀態(tài)識別位置偏差的控制，握力的控制聽覺指令的識別，異常狀態(tài)的檢測，障礙物的檢測其它（接近覺、味覺、嗅覺、濕度、振動等）各種檢查，自我保護等內部傳感器平衡感覺機器人自身的平衡其它（位置、速度、加速度、壓力、轉矩)運動器官的控制，自我保護等2/5/2023308.3.1內部傳感器實現(xiàn)運動部件的控制與自我保護位置：直線，轉角速度:測速發(fā)電機加速度負荷力（力矩），慣性力平衡：走行機器人自身平衡控制2/5/2023318.3.2外部傳感器視覺：

簡單視覺——對象的有無，孔、邊線、拐角檢測等復合視覺——對象形狀、大小、種類對象位置、姿態(tài)對象傷痕、缺欠、好壞對象上的圖樣、文字的識別、圖形指令識別觸覺：

簡單觸覺——確定工作對象是否存在、到位復合觸覺——確定對象尺寸、形狀、表面狀態(tài)、硬度、光滑……2/5/202332外部傳感器接近覺：對工作對象的非接觸探測。距離覺：檢測距對象的距離范圍。聽覺：

簡單聽覺——波長頻率單一，發(fā)聲器單一，指令識別

復合聽覺——異常狀態(tài)檢測，障礙物檢測，語音理解力覺：

簡單力覺——沿一個方向測力，對象重量

復合力覺——沿多個方向測力，傾斜平衡 2/5/2023338.3.3傳感器選擇的依據(jù)

機器人傳感器除了一般傳感器所要求的可靠性好、精度高、壽命長等特點之外,還特別要求以下各點:a.體積小、結構簡單；b.重量輕；c.抗干擾；d.對環(huán)境的適應性強；e.回路獨立:輸入、輸出回路應互相獨立絕緣；f.調整容易;g.價格低廉，性能價格比高（性價比）。2/5/2023348.4位移、速度與加速度傳感器8.4.1位置檢測和位移檢測8.4.2電位計式位移傳感器8.4.3絕對位置光軸編碼器8.4.4相對位置光軸編碼器8.4.5測速發(fā)電機8.4.6加速度傳感器2/5/2023358.4.1位置檢測和位移檢測這是機器人最基本的感覺要求，它可以通過多種傳感器來實現(xiàn)。常用的機器人位置、位移傳感器有電阻式位移傳感器、電容式位移傳感器、電感式位移傳感器、光電式位移傳感器、霍爾元件位移傳感器、磁柵式位移傳感器以及機械式位移傳感器等。二值輸出的位置檢出用傳感器大體上分接觸式(觸點式)與非接觸式(無觸點式)兩大類。接觸式主要有機械式限位開關與微動開關；非接觸式傳感器常用的有光電開關及各種接近開關。光電開關與各種接近開關是隨著電子機械技術的進步而急速發(fā)展起來的新型開關。2/5/202336各檢出用開關的概略比較

類別項目限位開關

微動開關光電開關接近開關透過形鏡反射形直接反射形高頻磁形電容形片簧磁形檢出方法機械式光學光學電磁場電容量磁場檢出距離劣優(yōu)良劣中劣動作精度良中劣中劣中應答時間劣良良優(yōu)良良壽命劣良良良良良噪聲波動優(yōu)中中良中優(yōu)環(huán)境溫度影響優(yōu)中中良中中耐灰塵、水、油中劣劣良中優(yōu)檢測對象固體不透明體固體金屬介電常數(shù)高的物體固體2/5/2023378.4.2電位計式位移傳感器電位計法——測量線位移，角位移，相互轉換優(yōu)點：輸入輸出特性可調（線性、非線性）、性能穩(wěn)定、結構簡單、尺寸小、質量輕、精度高、成本低等缺點：易于磨損、需要A/D轉換、精度不高（1～３mm）單圈電位計，多圈電位計2/5/2023388.4.3絕對位置光軸編碼器2/5/202339絕對編碼器4位二進制編碼9位格林碼2/5/202340編碼的重要性2/5/2023418.4.4相對位置光軸編碼器

(增量式光軸編碼器)2/5/202342檢測到的光電模擬信號不同閾值生成的脈沖信號2/5/202343碼盤脈沖個數(shù)代表了位置，而單位時間里的脈沖個數(shù)表示這段時間里的平均速度。顯然，單位時間越短，越能代表瞬時速度，但在太短的時間里，只能記到幾個碼盤脈沖，因而降低了速度分辨率。目前解決方法如：可以采用兩個碼盤脈沖為一個時間間隔，然后用計數(shù)器記錄在這段時間里高速脈沖源發(fā)出的脈沖數(shù)。數(shù)字式速度檢測方法2/5/202344雙通道鑒向環(huán)節(jié)2/5/202345單光源光電碼盤結構示意圖2/5/202346兩種編碼器的比較

絕對位置編碼器只能測位置，碼值與位置一一對應，計算機處理簡單，不需要方向辨別電路，抗干擾能力強，但加工難、安裝嚴、體積大、價格高。增量式編碼器，既能測位置也能測速度，體積小，加工及安裝較容易，價格低，但抗干擾能力差，需要方向辨別電路，計算機處理較復雜。因相關技術已經(jīng)成熟，因此現(xiàn)在大都使用增量式光軸編碼器。

傳感器功能信息處理體積加工價格絕對測量位置簡單大難高增量測量位置和速度復雜、參考點鑒向小易低2/5/2023478.4.5測速發(fā)電機

測速發(fā)電機是一種將轉子速度轉換為電氣信號的機電式信號元件。伺服系統(tǒng)中的基本元件之一。作為測速、校正、解算元件，它廣泛應用于各種速度和位置控制系統(tǒng)中。測速發(fā)電機可分為：直流測速發(fā)電機、異步測速發(fā)電機和同步測速發(fā)電機。2/5/202348(1)、直流測速發(fā)電機

一般，自動控制系統(tǒng)對其元件的要求主要是高的精確度、靈敏度、可靠性等。因此，直流測速發(fā)電機在電氣性能方面應滿足以下要求：

1)輸出電壓和轉速成線性關系；2)輸出特性的斜率大，即其靈敏度高；3)溫度變化對輸出特性的影響小；4)輸出電壓紋波小；5)正、反轉的輸出特性應一致。2/5/202349直流測速發(fā)電機在控制系統(tǒng)中的應用2/5/202350(2)、交流異步測速發(fā)電機主要優(yōu)點是：1不需電刷和換向器，構造簡單，維護容易，運行可靠；2無滑動接觸，輸出特性穩(wěn)定，精度高；3摩擦阻力矩小，慣量小；4不產(chǎn)生干擾無線電的火花；5正、反轉輸出電壓對稱。

主要缺點是：

存在相位誤差和剩余電壓，輸出斜率小，其輸出特性因負載的性質不同而有所不同。2/5/202351模擬式與數(shù)字式模擬式……測速發(fā)電機模擬法的相位滯后較小，反應速度快；用在數(shù)字系統(tǒng)時需要A/D轉換。數(shù)字式……光電碼盤數(shù)字法雖對系統(tǒng)穩(wěn)定不利，但因成本低，易實現(xiàn)，應用也很廣泛。速度傳感器比較2/5/2023528.4.6加速度傳感器壓電式加速度傳感器：(a)剪切型；(b)壓縮型懸臂梁2/5/202353地震式加速度傳感器等效力學模型加速度傳感器的基本構造2/5/2023548.5觸覺技術8.5.1接觸覺 感覺手指等部位與物體是否接觸8.5.2壓覺 感覺手與物表面垂直方向的壓力大小及其分布8.5.3滑動覺 感受沿機器人與物體接觸平行方向受的切向力、同握面垂直方向的變形、物體移位8.5.4力覺 感受夾持力、腕力8.5.5接近覺 探測機器人與物體的接近距離及物體的傾斜等8.5.6多種觸覺的配合應用2/5/202355觸覺作用使操作動作適宜，視覺無法代替識別操作對象的屬性，如大小、重量等用于安全保護，躲避障礙，防止事故2/5/2023568.5.1接觸覺

觸覺傳感器應包含：(1)提供使傳感器跟待檢測物體接觸的手段；(2)通過附加額外傳感器確定觸覺傳感器的位置和取向；(3)實現(xiàn)獲取和解釋觸覺信息的“智能”功能。因此，觸覺器官應考慮手爪、致動器、換能器、信息處理等環(huán)節(jié)。最簡單也是最早使用的接觸覺傳感器是微動開關，但其需較大作用力，又響應時間長。2/5/202357接觸覺傳感器常用的接觸傳感器有機械式(微動開關用的最多)針式差動變壓器含碳海綿及導電橡膠等當接觸力作用時，這些傳感器以通斷方式輸出高低電平，實現(xiàn)傳感器對接觸物體的感知。2/5/202358各種接觸覺傳感器1.導電橡皮2.金屬3.絕緣體4.海綿狀橡皮5.橡皮6.金屬箔7.碳素纖維8.含碳海綿10.泡沫塑料11.鈹青銅箔12.基板13.引線

2/5/202359觸覺傳感器壓敏電阻陣列與掃描電路

觸覺傳感器壓敏電阻陣列陣列掃描電路2/5/2023608.5.2壓覺壓覺傳感器其實是接觸傳感器的引伸。壓覺感知壓力的大小。壓覺中使人感興趣的是分布壓覺。通過高密度地配置這種傳感器，把同物體接觸時各點不同的壓力，變成相應的濃淡畫素，獲取物體形狀的信息。2/5/2023618.5.3滑動覺用于檢測物體接觸面之間相對運動大小和方向的傳感器。只限相對運動的檢測，非表面狀態(tài)檢測常用的滑動檢測方法：１、將滑動轉換成滾球和滾柱的旋轉；２、用壓敏元件和觸針，檢測滑動時的微小振動；３、檢測即將發(fā)生的滑動時，手爪部分的壓力通過手爪載荷檢測器，檢測手爪的壓力變化，從而推斷出滑動的大小等。2/5/202362利用光電系統(tǒng)的滑移傳感器

滾子回轉的檢出是通過與滾子軸固聯(lián)的光碼盤進行。光碼盤上刻有30個透光槽,槽的兩側分別在主體上固定有發(fā)光二極管與光電三極管。當對象物在夾持過程中產(chǎn)生滑移時,即帶動滾子旋轉,通過光電系統(tǒng)即可得到電脈沖信號。

2/5/202363東京工業(yè)大學研制的光電式滑動覺傳感器2/5/202364磁帶式滑動覺傳感器

滑覺傳感器是由磁頭、磁帶、滑輪、磁帶輪及殼體所組成。其中一個磁帶輪與滑輪固聯(lián)在一起。磁帶上錄有固定頻率和幅度的正弦信號。2/5/202365電磁式滑移傳感器

在滾子測面固定有一小塊永久磁鐵,通過本體上固定的磁頭,即可檢出滑移。同圖給出了對側的一個手指,在其上設有壓覺傳感器。通過兩個傳感器檢知的信號,就可以進行夾持力的調節(jié)。2/5/202366全方向滑移傳感器

在用導電體作成的球表面上用絕緣體分割成方格花紋,黑格與白格分別是絕緣部分與導電部分,與球表面接觸的對象物不論向哪一方向滑動都會使球轉動,通過與球表面接觸的觸針就可取出脈沖電壓,并通過控制電路來控制握力。2/5/2023678.5.4力覺力覺傳感器用于檢測和控制機器人臂及手腕的力與力矩，其敏感元件一般用半導體應變片。力覺傳感器分用于夾緊和傳送工件時的夾持力檢測和用于裝配時的腕力檢測。2/5/202368夾持力覺傳感器4個應變片分別安裝在寬而薄的梁的上表面和下表面。假設有一個夾持力F作用于指頭上的G點，而G點距應變片組A和B的距離分別是LA和LB，可用二個測量電橋及應變儀分別測得力矩

MA=FLAMB=FLB由上述二式可求得夾持力F及其位置LA:

F=(MB-MA)/(LB-LA)LA=MA(LB-LA)/(MB-MA)

2/5/202369腕力傳感器——裝配時使用

腕力傳感器用于裝配作業(yè)機器人，大多用于軸孔插入的測力定心系統(tǒng)。傳感器測得軸在插入孔時的力信息，反饋至計算機控制系統(tǒng)，控制插軸的后續(xù)補償運動，以完成裝配作業(yè)。腕力傳感器由一個彈性(或撓性)組件和以撓曲應變來測力(力矩)的傳感器構成?？蓽y出三個分力(力矩)。

2/5/202370應變片式腕力力覺傳感器4根梁結構8根梁結構2/5/202371應變片式腕力力覺傳感器笛卡爾坐標系中三個力分量和三個力矩分量，信息來自8個梁，4垂直R1-R4，4水平Q1-Q4。研制腕力傳感器呈二種趨勢，一是設計得較簡單，但須經(jīng)過復雜計算，求出傳遞矩陣、提取六個分量，這稱間接輸出型腕力傳感器。二是設計得比較復雜，但只需簡單計算，甚至可直接得到六個力分量，這種稱為直接輸出型腕力傳感器。2/5/202372力和力矩檢測傳感器2/5/2023738.5.5接近覺接近覺傳感器：是檢測對象物體與傳感器距離信息的一種傳感器。利用距離信息測出對象物體的表面狀態(tài)。接近覺是視覺傳感器功能的一部分，但它只給出距離信息，接近覺傳感器有電磁感應式、光電式、電容式、氣壓式、超聲波和微波式等多種。實際使用應根據(jù)對象物體性質而定。接近覺感知對象接近的情況，其作用為：

(1)在接觸到對象前獲取信息，為后續(xù)動作先做準備；(2)發(fā)現(xiàn)障礙物，規(guī)定行程范圍，以免碰撞；(3)得到關于對象表面形狀的信息。目前常用的接近覺傳感器有磁力式和超聲波式，前者測距近，后者測距較遠。2/5/202374電磁式接近覺傳感器2/5/202375檢測精度：(a)從反射光的光量變化和時間關系求出發(fā)光角度，就可能在2～10mm范圍以0.5mm的精度檢出。(b)利用收光信號的相位偏差是距離的函數(shù)，能在10—60mm內得到土2mm左右的精度。光學式接近覺傳感器2/5/202376用接近覺的焊接位置示教與檢出2/5/202377超聲波式接近覺傳感器超聲波式傳感器適于較長距離和較大物體的探測，比視覺系統(tǒng)簡單便宜，應用較廣?？赏ㄟ^測定發(fā)出超聲波脈沖的時刻到接收到回波電壓的時間間隔，算出物體同機器人的距離r＝C*T／2其中C為空氣中的音速，T為時間間隔。

2/5/202378超聲波測厚系統(tǒng)原理圖2/5/2023798.5.6多種觸覺的配合應用2/5/2023808.6測距技術8.6.1激光測距8.6.2紅外檢測8.6.3聲納檢測8.6.4GPS定位2/5/2023818.6.1激光測距

激光測距是利用激光的單色性和相干性好、方向性強等特點，以實現(xiàn)高精度的計量和檢測，如測量長度、距離、速度、角度等等。激光測距在技術途徑上可分為脈沖式激光測距和連續(xù)波相位式激光測距。脈沖式激光測距原理與雷達測距相似，測距儀向目標發(fā)射激光信號，碰到目標就要被反射回來，由于光的傳播速度是已知的，所以只要記錄下光信號的往返時間，用光速（30萬千米/秒）乘以往返時間的二分之一，就是所要測量的距離。2/5/202382現(xiàn)在廣泛使用的手持式和便攜式測距儀，作用距離為數(shù)百米至數(shù)十千米，測量精度為五米左右。我國研制的對衛(wèi)星測距的高精度測距儀，測量精度可達到幾厘米。連續(xù)波相位式激光測距是用連續(xù)調制的激光波束照射被測目標，從測量光束往返中造成的相位變化，可換算出被測目標的距離。為了確保測量精度，一般要在被測目標上安裝激光反射器。它測量的相對誤差為百萬分之一。2/5/202383激光傳感器的優(yōu)點是發(fā)散小或沒有發(fā)散，并對大多數(shù)物體無鏡面反射現(xiàn)象，缺點是存在潛在的安全問題（首先是人眼安全問題），且不適用于透明物質．2/5/202384激光測距儀與微波雷達結合，還可以發(fā)揮激光波速窄的特長，彌補微波雷達低仰角工作時受地面干擾的不足。激光測距與光學經(jīng)緯儀、紅外及電視跟蹤系統(tǒng)相結合，組成光電跟蹤測量系統(tǒng)，既可作為靶場試驗的測量設備，又常用作武器的光電火力控制系統(tǒng)。這種激光測距儀已廣泛用于地面火炮、坦克炮的火控系統(tǒng)，大大提高了命中率。2/5/202385SICKOptic-ElectronicCo.,Ltd.

施克光電公司宣傳資料節(jié)選2/5/202386激光（Laser），是受激輻射放大（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）的首字母，又譯作鐳射、雷射。它指通過受激輻射放大和必要的反饋，產(chǎn)生準直、單色、相干的光束的過程及儀器。2/5/202387SickScanner-PortfolioS3000RLS...fürjedenZweckdenoptimalenScanner...PLS-SRNAV2002/5/202388ProximityLaserScannerPLS臨近激光掃描器2/5/202389RT

PLSs~tDDtRT0t

TimeofflightmeasurementPrincipalofoperation2/5/202390臨近激光掃描器2/5/202391

Transmitterbeam?12mmReceiverbeam ?40mmfrontscreentrans-

mitterreceiverOpticalschema

PLS光路示意圖2/5/202392Monitoringareas/measurementareaPLSWarningzone: max.15mSafetyzone: max.4mMeasurementarea: max.50m

PCscreen區(qū)域檢測與測量2/5/2023932/5/2023942/5/2023952/5/2023962/5/202397RoboCupMiddleLeague2/5/202398室內地圖構建2/5/202399Flexibleall-in-onesystemformutingaccesscontrol安全警衛(wèi)系統(tǒng)2/5/20231002/5/20231012/5/20231022/5/20231032/5/2023104激光定位與導航2/5/2023105煤炭運輸物料計量2/5/2023106煤粉破碎料位檢測2/5/2023107Multi-sensorFusion2/5/20231088.6.2紅外檢測紅外距離傳感器（紅外測距儀）適合機器人應用，價格低，測量距離相對較短。與超聲傳感器相比,紅外測距的準確度不高,但紅外傳感器可以在短時間內提供大量測量數(shù)據(jù),易于安裝在掃描儀上以獲得全景圖像,而且它的波束極窄,與超聲傳感器固有的錐形波相比,更有優(yōu)勢。2/5/20231098.6.3聲納檢測聲納測距（超聲測距）是一種非接觸的檢測方式，在近距離范圍內有不受外界光線影響、硬件結構簡單、容易操作、成本低等優(yōu)點,在高性能自主移動機器人上獲得了廣泛應用。缺點是速度慢，存在較大的波束角，且對光滑表面存在鏡面反射。2/5/2023110超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。2/5/20231112/5/20231122/5/2023113而紅外傳感器探測特性與超聲傳感器恰好相反,具有角度分辨力高的優(yōu)點,并且最大探測范圍可以覆蓋超聲傳感器的盲區(qū)。2/5/20231148.6.4GPS定位全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem,縮寫GPS)——美國研制和提供各國使用，不得用于軍事目的。歐盟開發(fā)伽利略系統(tǒng)。中國正在建設北斗星系統(tǒng)。2/5/2023115GPS系統(tǒng)的組成

●用戶設備：主要是無線電接收機。接收GPS衛(wèi)星發(fā)射信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，完成導航和定位工作。

GPS接收機硬件一般由主機、天線和電源組成。通過USB口可與計算機相聯(lián)。●

空間部分：21顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星。

●地面支撐系統(tǒng)：包括1個主控站，5個監(jiān)控站，3個注入站。GPS由三個獨立的部分組