第八章 機(jī)器人感覺技術(shù)及傳感器

第八章機(jī)器人感覺技術(shù)

與傳感器2/5/20231主要內(nèi)容8.1感知器的相關(guān)概念8.2機(jī)器感覺原理、方式與過程8.3機(jī)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(shù)8.6測(cè)距技術(shù)8.7傳感器融合2/5/202328.1感知器的相關(guān)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(jī)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(dá)、動(dòng)作、學(xué)習(xí)……人工智能

對(duì)人類智能的理解與機(jī)器實(shí)現(xiàn)人體有兩種感覺系統(tǒng)1)內(nèi)體感覺系統(tǒng):檢測(cè)諸如手足關(guān)節(jié)角、肌肉擴(kuò)張和肌肉拉緊等內(nèi)部參量。2)外體感覺系統(tǒng):對(duì)皮膚表面溫度和形狀的改變而產(chǎn)生反應(yīng)，這些參量是直接接觸外部物體的結(jié)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(jī)器可以處理的輸入換能器。將被測(cè)非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之有對(duì)應(yīng)關(guān)系的電量輸出的器件或裝置。又叫變換器、換能器或探測(cè)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(shí)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(qiáng)度、頻率、偏振和相位。(2)物理量——論述物質(zhì)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(chǎng)強(qiáng)度、磁通密度和磁導(dǎo)率。(6)化學(xué)量——論述物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的量。其主要參數(shù)是某一材料的濃度、晶體結(jié)構(gòu)和凝聚態(tài)。2/5/202378.1.4機(jī)器人感覺器官的必要性

1、增加機(jī)器人功能，提高工作質(zhì)量，有效完成任務(wù)；機(jī)器人傳感器能監(jiān)控所操縱工件的質(zhì)量。例如，及時(shí)檢查出有毛病的工件。2、適應(yīng)復(fù)雜情況（對(duì)象/環(huán)境），擴(kuò)大應(yīng)用范圍，防止發(fā)生意外事故。例如，自動(dòng)導(dǎo)引車輛(AGV)式機(jī)器人，在道路上不能撞到人。3、人機(jī)交互的需要，接受指令，表達(dá)感情。2/5/202384、降低對(duì)機(jī)器人及其工作對(duì)象精度的要求——“可以吃粗糧”；(1)隨機(jī)安置物體的位置。從而降低購置固定夾具所需的高額費(fèi)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(dòng)化裝配線需求的高精度，也不需要高價(jià)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(dòng)的，通過觸覺傳感器感知的信息，機(jī)器人可抓住它。2/5/202398.2機(jī)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(gòu)成原理分為結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)型傳感器概念：應(yīng)用通常的物理定律構(gòu)成的傳感器，如：運(yùn)動(dòng)定律，牛頓定律，歐姆定律，電磁定律，熱力學(xué)定律等。特點(diǎn)：傳感原理明確，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般與結(jié)構(gòu)材料無關(guān)。

2/5/202311結(jié)構(gòu)型傳感器舉例

由兩個(gè)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(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)，相對(duì)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(gè)參數(shù)不變而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容的變化。因此，電容量的變化的大小與被測(cè)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(zhì)型電容式傳感器改變平行板間距的傳感器可用來測(cè)量微米數(shù)量級(jí)的位移，而變化面積的傳感器只適合測(cè)量厘米數(shù)量級(jí)的位移。電容式傳感器分為：2/5/202313結(jié)構(gòu)型傳感器舉例

利用電磁感應(yīng)把被測(cè)的物理量如位移、壓力、流量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)L和互感系數(shù)M的變化，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。其特點(diǎn)為：1．結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無活動(dòng)電觸點(diǎn)，因此工作可靠壽命長；2．靈敏度和分辨率高，能測(cè)出0.01μm的位移變化；3．線性度和重復(fù)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(cè)量準(zhǔn)確度高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。典型的光碼盤有ＴＬＰ507Ａ，ＴＬＰ800等類型。為了確保轉(zhuǎn)速測(cè)量準(zhǔn)確度，使用單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)脈沖信號(hào)處理。電動(dòng)機(jī)上的絕對(duì)編碼器結(jié)構(gòu)型傳感器舉例

2/5/202315線型電阻式荷重傳感器線型電阻應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)變片與荷重傳感器2/5/202316電橋回路平行梁式測(cè)力計(jì)靜力測(cè)量2/5/202317物性型傳感器概念：利用物質(zhì)本身的某種客觀性質(zhì)制作的傳感器。特點(diǎn)：受材料性質(zhì)與使用環(huán)境影響較大。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(zhuǎn)化為電量的變化的傳感器。它的物理基礎(chǔ)就是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分:外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。在光線的作用下，物體內(nèi)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(yīng)。向外發(fā)射的電子叫光電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。當(dāng)光照射在物體上，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為兩種：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。2/5/202319壓電式傳感器——是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)制作的一種傳感器。當(dāng)材料表面受力作用變形時(shí)，其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)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(jī)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(diǎn)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(dǎo)體電阻應(yīng)變片

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

電阻應(yīng)變片工作原理：用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，在外力作用下，被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生微小機(jī)械形變，應(yīng)變片隨其發(fā)生相同的變化，同時(shí)，應(yīng)變片電阻也發(fā)生變化。當(dāng)測(cè)得應(yīng)變片電阻值變化量時(shí)，便可得到被測(cè)對(duì)象的應(yīng)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(cè)對(duì)象接觸；

2.非接觸型——經(jīng)特殊物質(zhì)聯(lián)系，與被測(cè)物保持一定距離。如:檢測(cè)機(jī)器人周圍的聲波、光和其他電磁波，以及電、磁和靜電場(chǎng)之間的相互作用。2/5/202322接觸型：舉例開關(guān)、探針、觸點(diǎn)等：機(jī)械運(yùn)動(dòng)量到電量的轉(zhuǎn)換。輸出：模擬、開關(guān)、脈沖、數(shù)字信號(hào)?？梢圆捎脡弘姴牧希簤毫Γㄕ駝?dòng)）—電壓變化。如：壓電晶體：電壓—振動(dòng)—聲波或超聲波；經(jīng)常采用壓阻材料：壓力（振動(dòng)）—電阻變化。其原理為導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在受到外界力（拉力或壓力）作用時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械形變，機(jī)械變形導(dǎo)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(yīng)變效應(yīng)”。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，抗干擾強(qiáng)。2/5/202323非接觸型中間傳遞介質(zhì)：（1）電磁波：電場(chǎng)、磁場(chǎng)、可見光、紅外、紫外、X-ray和激光監(jiān)測(cè)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(hào)檢測(cè)物體反射波的強(qiáng)弱，時(shí)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(hào)的能量直接變換成輸出信號(hào)。如硒光電池2．調(diào)制型——主要能量供給不是輸入信號(hào)．而是一個(gè)輔助能源，適合檢測(cè)弱信號(hào)。3．絕對(duì)型——傳感器的輸出在任何時(shí)候都代表傳感器的輸入。這種傳感器的典型例子是電位計(jì)。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(shí)傳感器輸入。使用傳感器以前要求定標(biāo)，以保證積累值跟真實(shí)傳感器輸入一致。增量型編碼器是這類傳感器的實(shí)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(zhuǎn)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(nèi)外部的物理特征，如機(jī)械、光學(xué)等特征變?yōu)殡娦盘?hào)。 實(shí)例：熱電偶、熱電阻，壓力應(yīng)變片2.二次表： 將電信號(hào)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(hào)變送：將微弱的一次檢測(cè)信號(hào)變?yōu)榭垢蓴_性強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)：0—5v或4—20mA信息分析，內(nèi)容非常豐富。被測(cè)信號(hào)測(cè)量儀器的構(gòu)成廣義傳感器輸出信號(hào)處理部分放大－變換輸入匹配測(cè)量環(huán)境狹義傳感器檢出器2/5/202327傳感器信號(hào)的處理主要是進(jìn)行信號(hào)的變換，去除噪聲，信號(hào)的判斷，檢出，信號(hào)成分的分析，信號(hào)合成和再現(xiàn)等。常用濾波方法有移動(dòng)平均、數(shù)字微分、數(shù)字積分、同步積分、對(duì)數(shù)變換、互相關(guān)函數(shù)、自相關(guān)函數(shù)等。通過綜合多種傳感器信息得到單個(gè)傳感器所不能得到的信息，稱為傳感器融合技術(shù)。對(duì)來自各個(gè)傳感器的信號(hào)通過學(xué)習(xí)算法、模糊推理等的有機(jī)結(jié)合，最后進(jìn)行綜合判斷。二次表的信號(hào)加工處理2/5/2023288.3機(jī)器人傳感器分類與選擇8.3.1內(nèi)部傳感器檢測(cè)機(jī)器人自身狀態(tài)(內(nèi)部信息)，機(jī)器人自身運(yùn)動(dòng)與正常工作所必需。8.3.2外部傳感器檢測(cè)作業(yè)對(duì)象與作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)(外部信息)，適應(yīng)特定環(huán)境和完成特定任務(wù)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(duì)象有無、形狀、大小、種類的識(shí)別對(duì)象的位置、姿態(tài)的識(shí)別對(duì)象灼傷痕、缺陷、好壞的識(shí)別對(duì)象上的圖樣、文字的識(shí)別觸覺對(duì)象重量、硬度、表面狀態(tài)識(shí)別位置偏差的控制，握力的控制聽覺指令的識(shí)別，異常狀態(tài)的檢測(cè)，障礙物的檢測(cè)其它（接近覺、味覺、嗅覺、濕度、振動(dòng)等）各種檢查，自我保護(hù)等內(nèi)部傳感器平衡感覺機(jī)器人自身的平衡其它（位置、速度、加速度、壓力、轉(zhuǎn)矩)運(yùn)動(dòng)器官的控制，自我保護(hù)等2/5/2023308.3.1內(nèi)部傳感器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件的控制與自我保護(hù)位置：直線，轉(zhuǎn)角速度:測(cè)速發(fā)電機(jī)加速度負(fù)荷力（力矩），慣性力平衡：走行機(jī)器人自身平衡控制2/5/2023318.3.2外部傳感器視覺：

簡(jiǎn)單視覺——對(duì)象的有無，孔、邊線、拐角檢測(cè)等復(fù)合視覺——對(duì)象形狀、大小、種類對(duì)象位置、姿態(tài)對(duì)象傷痕、缺欠、好壞對(duì)象上的圖樣、文字的識(shí)別、圖形指令識(shí)別觸覺：

簡(jiǎn)單觸覺——確定工作對(duì)象是否存在、到位復(fù)合觸覺——確定對(duì)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(duì)工作對(duì)象的非接觸探測(cè)。距離覺：檢測(cè)距對(duì)象的距離范圍。聽覺：

簡(jiǎn)單聽覺——波長頻率單一，發(fā)聲器單一，指令識(shí)別

復(fù)合聽覺——異常狀態(tài)檢測(cè)，障礙物檢測(cè)，語音理解力覺：

簡(jiǎn)單力覺——沿一個(gè)方向測(cè)力，對(duì)象重量

復(fù)合力覺——沿多個(gè)方向測(cè)力，傾斜平衡 2/5/2023338.3.3傳感器選擇的依據(jù)

機(jī)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(diǎn)之外,還特別要求以下各點(diǎn):a.體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；b.重量輕；c.抗干擾；d.對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)；e.回路獨(dú)立:輸入、輸出回路應(yīng)互相獨(dú)立絕緣；f.調(diào)整容易;g.價(jià)格低廉，性能價(jià)格比高（性價(jià)比）。2/5/2023348.4位移、速度與加速度傳感器8.4.1位置檢測(cè)和位移檢測(cè)8.4.2電位計(jì)式位移傳感器8.4.3絕對(duì)位置光軸編碼器8.4.4相對(duì)位置光軸編碼器8.4.5測(cè)速發(fā)電機(jī)8.4.6加速度傳感器2/5/2023358.4.1位置檢測(cè)和位移檢測(cè)這是機(jī)器人最基本的感覺要求，它可以通過多種傳感器來實(shí)現(xiàn)。常用的機(jī)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(jī)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(diǎn)式)與非接觸式(無觸點(diǎn)式)兩大類。接觸式主要有機(jī)械式限位開關(guān)與微動(dòng)開關(guān)；非接觸式傳感器常用的有光電開關(guān)及各種接近開關(guān)。光電開關(guān)與各種接近開關(guān)是隨著電子機(jī)械技術(shù)的進(jìn)步而急速發(fā)展起來的新型開關(guān)。2/5/202336各檢出用開關(guān)的概略比較

類別項(xiàng)目限位開關(guān)

微動(dòng)開關(guān)光電開關(guān)接近開關(guān)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(jī)械式光學(xué)光學(xué)電磁場(chǎng)電容量磁場(chǎng)檢出距離劣優(yōu)良劣中劣動(dòng)作精度良中劣中劣中應(yīng)答時(shí)間劣良良優(yōu)良良?jí)勖恿剂剂剂剂荚肼暡▌?dòng)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(cè)對(duì)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(jì)式位移傳感器電位計(jì)法——測(cè)量線位移，角位移，相互轉(zhuǎn)換優(yōu)點(diǎn)：輸入輸出特性可調(diào)（線性、非線性）、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、質(zhì)量輕、精度高、成本低等缺點(diǎn)：易于磨損、需要A/D轉(zhuǎn)換、精度不高（1～３mm）單圈電位計(jì)，多圈電位計(jì)2/5/2023388.4.3絕對(duì)位置光軸編碼器2/5/202339絕對(duì)編碼器4位二進(jìn)制編碼9位格林碼2/5/202340編碼的重要性2/5/2023418.4.4相對(duì)位置光軸編碼器

(增量式光軸編碼器)2/5/202342檢測(cè)到的光電模擬信號(hào)不同閾值生成的脈沖信號(hào)2/5/202343碼盤脈沖個(gè)數(shù)代表了位置，而單位時(shí)間里的脈沖個(gè)數(shù)表示這段時(shí)間里的平均速度。顯然，單位時(shí)間越短，越能代表瞬時(shí)速度，但在太短的時(shí)間里，只能記到幾個(gè)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(gè)碼盤脈沖為一個(gè)時(shí)間間隔，然后用計(jì)數(shù)器記錄在這段時(shí)間里高速脈沖源發(fā)出的脈沖數(shù)。數(shù)字式速度檢測(cè)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(jié)構(gòu)示意圖2/5/202346兩種編碼器的比較

絕對(duì)位置編碼器只能測(cè)位置，碼值與位置一一對(duì)應(yīng)，計(jì)算機(jī)處理簡(jiǎn)單，不需要方向辨別電路，抗干擾能力強(qiáng)，但加工難、安裝嚴(yán)、體積大、價(jià)格高。增量式編碼器，既能測(cè)位置也能測(cè)速度，體積小，加工及安裝較容易，價(jià)格低，但抗干擾能力差，需要方向辨別電路，計(jì)算機(jī)處理較復(fù)雜。因相關(guān)技術(shù)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(jià)格絕對(duì)測(cè)量位置簡(jiǎn)單大難高增量測(cè)量位置和速度復(fù)雜、參考點(diǎn)鑒向小易低2/5/2023478.4.5測(cè)速發(fā)電機(jī)

測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種將轉(zhuǎn)子速度轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)的機(jī)電式信號(hào)元件。伺服系統(tǒng)中的基本元件之一。作為測(cè)速、校正、解算元件，它廣泛應(yīng)用于各種速度和位置控制系統(tǒng)中。測(cè)速發(fā)電機(jī)可分為：直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、異步測(cè)速發(fā)電機(jī)和同步測(cè)速發(fā)電機(jī)。2/5/202348(1)、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)

一般，自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)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(cè)速發(fā)電機(jī)在電氣性能方面應(yīng)滿足以下要求：

1)輸出電壓和轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系；2)輸出特性的斜率大，即其靈敏度高；3)溫度變化對(duì)輸出特性的影響?。?)輸出電壓紋波??；5)正、反轉(zhuǎn)的輸出特性應(yīng)一致。2/5/202349直流測(cè)速發(fā)電機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用2/5/202350(2)、交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)是：1不需電刷和換向器，構(gòu)造簡(jiǎn)單，維護(hù)容易，運(yùn)行可靠；2無滑動(dòng)接觸，輸出特性穩(wěn)定，精度高；3摩擦阻力矩小，慣量??；4不產(chǎn)生干擾無線電的火花；5正、反轉(zhuǎn)輸出電壓對(duì)稱。

主要缺點(diǎn)是：

存在相位誤差和剩余電壓，輸出斜率小，其輸出特性因負(fù)載的性質(zhì)不同而有所不同。2/5/202351模擬式與數(shù)字式模擬式……測(cè)速發(fā)電機(jī)模擬法的相位滯后較小，反應(yīng)速度快；用在數(shù)字系統(tǒng)時(shí)需要A/D轉(zhuǎn)換。數(shù)字式……光電碼盤數(shù)字法雖對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定不利，但因成本低，易實(shí)現(xiàn)，應(yīng)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(xué)模型加速度傳感器的基本構(gòu)造2/5/2023548.5觸覺技術(shù)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(dòng)覺 感受沿機(jī)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(cè)機(jī)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(yīng)用2/5/202355觸覺作用使操作動(dòng)作適宜，視覺無法代替識(shí)別操作對(duì)象的屬性，如大小、重量等用于安全保護(hù)，躲避障礙，防止事故2/5/2023568.5.1接觸覺

觸覺傳感器應(yīng)包含：(1)提供使傳感器跟待檢測(cè)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(shí)現(xiàn)獲取和解釋觸覺信息的“智能”功能。因此，觸覺器官應(yīng)考慮手爪、致動(dòng)器、換能器、信息處理等環(huán)節(jié)。最簡(jiǎn)單也是最早使用的接觸覺傳感器是微動(dòng)開關(guān)，但其需較大作用力，又響應(yīng)時(shí)間長。2/5/202357接觸覺傳感器常用的接觸傳感器有機(jī)械式(微動(dòng)開關(guān)用的最多)針式差動(dòng)變壓器含碳海綿及導(dǎo)電橡膠等當(dāng)接觸力作用時(shí)，這些傳感器以通斷方式輸出高低電平，實(shí)現(xiàn)傳感器對(duì)接觸物體的感知。2/5/202358各種接觸覺傳感器1.導(dǎo)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(shí)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?jí)河X。通過高密度地配置這種傳感器，把同物體接觸時(shí)各點(diǎn)不同的壓力，變成相應(yīng)的濃淡畫素，獲取物體形狀的信息。2/5/2023618.5.3滑動(dòng)覺用于檢測(cè)物體接觸面之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)大小和方向的傳感器。只限相對(duì)運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)，非表面狀態(tài)檢測(cè)常用的滑動(dòng)檢測(cè)方法：１、將滑動(dòng)轉(zhuǎn)換成滾球和滾柱的旋轉(zhuǎn)；２、用壓敏元件和觸針，檢測(cè)滑動(dòng)時(shí)的微小振動(dòng)；３、檢測(cè)即將發(fā)生的滑動(dòng)時(shí)，手爪部分的壓力通過手爪載荷檢測(cè)器，檢測(cè)手爪的壓力變化，從而推斷出滑動(dòng)的大小等。2/5/202362利用光電系統(tǒng)的滑移傳感器

滾子回轉(zhuǎn)的檢出是通過與滾子軸固聯(lián)的光碼盤進(jìn)行。光碼盤上刻有30個(gè)透光槽,槽的兩側(cè)分別在主體上固定有發(fā)光二極管與光電三極管。當(dāng)對(duì)象物在夾持過程中產(chǎn)生滑移時(shí),即帶動(dòng)滾子旋轉(zhuǎn),通過光電系統(tǒng)即可得到電脈沖信號(hào)。

2/5/202363東京工業(yè)大學(xué)研制的光電式滑動(dòng)覺傳感器2/5/202364磁帶式滑動(dòng)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(gè)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(hào)。2/5/202365電磁式滑移傳感器

在滾子測(cè)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(duì)側(cè)的一個(gè)手指,在其上設(shè)有壓覺傳感器。通過兩個(gè)傳感器檢知的信號(hào),就可以進(jìn)行夾持力的調(diào)節(jié)。2/5/202366全方向滑移傳感器

在用導(dǎo)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(dǎo)電部分,與球表面接觸的對(duì)象物不論向哪一方向滑動(dòng)都會(huì)使球轉(zhuǎn)動(dòng),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(cè)和控制機(jī)器人臂及手腕的力與力矩，其敏感元件一般用半導(dǎo)體應(yīng)變片。力覺傳感器分用于夾緊和傳送工件時(shí)的夾持力檢測(cè)和用于裝配時(shí)的腕力檢測(cè)。2/5/202368夾持力覺傳感器4個(gè)應(yīng)變片分別安裝在寬而薄的梁的上表面和下表面。假設(shè)有一個(gè)夾持力F作用于指頭上的G點(diǎn)，而G點(diǎn)距應(yīng)變片組A和B的距離分別是LA和LB，可用二個(gè)測(cè)量電橋及應(yīng)變儀分別測(cè)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(shí)使用

腕力傳感器用于裝配作業(yè)機(jī)器人，大多用于軸孔插入的測(cè)力定心系統(tǒng)。傳感器測(cè)得軸在插入孔時(shí)的力信息，反饋至計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，控制插軸的后續(xù)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，以完成裝配作業(yè)。腕力傳感器由一個(gè)彈性(或撓性)組件和以撓曲應(yīng)變來測(cè)力(力矩)的傳感器構(gòu)成。可測(cè)出三個(gè)分力(力矩)。

2/5/202370應(yīng)變片式腕力力覺傳感器4根梁結(jié)構(gòu)8根梁結(jié)構(gòu)2/5/202371應(yīng)變片式腕力力覺傳感器笛卡爾坐標(biāo)系中三個(gè)力分量和三個(gè)力矩分量，信息來自8個(gè)梁，4垂直R1-R4，4水平Q1-Q4。研制腕力傳感器呈二種趨勢(shì)，一是設(shè)計(jì)得較簡(jiǎn)單，但須經(jīng)過復(fù)雜計(jì)算，求出傳遞矩陣、提取六個(gè)分量，這稱間接輸出型腕力傳感器。二是設(shè)計(jì)得比較復(fù)雜，但只需簡(jiǎn)單計(jì)算，甚至可直接得到六個(gè)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(cè)傳感器2/5/2023738.5.5接近覺接近覺傳感器：是檢測(cè)對(duì)象物體與傳感器距離信息的一種傳感器。利用距離信息測(cè)出對(duì)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(yīng)式、光電式、電容式、氣壓式、超聲波和微波式等多種。實(shí)際使用應(yīng)根據(jù)對(duì)象物體性質(zhì)而定。接近覺感知對(duì)象接近的情況，其作用為：

(1)在接觸到對(duì)象前獲取信息，為后續(xù)動(dòng)作先做準(zhǔn)備；(2)發(fā)現(xiàn)障礙物，規(guī)定行程范圍，以免碰撞；(3)得到關(guān)于對(duì)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(cè)距近，后者測(cè)距較遠(yuǎn)。2/5/202374電磁式接近覺傳感器2/5/202375檢測(cè)精度：(a)從反射光的光量變化和時(shí)間關(guān)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(hào)的相位偏差是距離的函數(shù)，能在10—60mm內(nèi)得到土2mm左右的精度。光學(xué)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(cè)，比視覺系統(tǒng)簡(jiǎn)單便宜，應(yīng)用較廣?？赏ㄟ^測(cè)定發(fā)出超聲波脈沖的時(shí)刻到接收到回波電壓的時(shí)間間隔，算出物體同機(jī)器人的距離r＝C*T／2其中C為空氣中的音速，T為時(shí)間間隔。

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

激光測(cè)距是利用激光的單色性和相干性好、方向性強(qiáng)等特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)高精度的計(jì)量和檢測(cè)，如測(cè)量長度、距離、速度、角度等等。激光測(cè)距在技術(shù)途徑上可分為脈沖式激光測(cè)距和連續(xù)波相位式激光測(cè)距。脈沖式激光測(cè)距原理與雷達(dá)測(cè)距相似，測(cè)距儀向目標(biāo)發(fā)射激光信號(hào)，碰到目標(biāo)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(hào)的往返時(shí)間，用光速（30萬千米/秒）乘以往返時(shí)間的二分之一，就是所要測(cè)量的距離。2/5/202382現(xiàn)在廣泛使用的手持式和便攜式測(cè)距儀，作用距離為數(shù)百米至數(shù)十千米，測(cè)量精度為五米左右。我國研制的對(duì)衛(wèi)星測(cè)距的高精度測(cè)距儀，測(cè)量精度可達(dá)到幾厘米。連續(xù)波相位式激光測(cè)距是用連續(xù)調(diào)制的激光波束照射被測(cè)目標(biāo)，從測(cè)量光束往返中造成的相位變化，可換算出被測(cè)目標(biāo)的距離。為了確保測(cè)量精度，一般要在被測(cè)目標(biāo)上安裝激光反射器。它測(cè)量的相對(duì)誤差為百萬分之一。2/5/202383激光傳感器的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)散小或沒有發(fā)散，并對(duì)大多數(shù)物體無鏡面反射現(xiàn)象，缺點(diǎn)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(zhì)．2/5/202384激光測(cè)距儀與微波雷達(dá)結(jié)合，還可以發(fā)揮激光波速窄的特長，彌補(bǔ)微波雷達(dá)低仰角工作時(shí)受地面干擾的不足。激光測(cè)距與光學(xué)經(jīng)緯儀、紅外及電視跟蹤系統(tǒng)相結(jié)合，組成光電跟蹤測(cè)量系統(tǒng)，既可作為靶場(chǎng)試驗(yàn)的測(cè)量設(shè)備，又常用作武器的光電火力控制系統(tǒng)。這種激光測(cè)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(zhǔn)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(cè)與測(cè)量2/5/2023932/5/2023942/5/2023952/5/2023962/5/202397RoboCupMiddleLeague2/5/202398室內(nèi)地圖構(gòu)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(dǎo)航2/5/2023105煤炭運(yùn)輸物料計(jì)量2/5/2023106煤粉破碎料位檢測(cè)2/5/2023107Multi-sensorFusion2/5/20231088.6.2紅外檢測(cè)紅外距離傳感器（紅外測(cè)距儀）適合機(jī)器人應(yīng)用，價(jià)格低，測(cè)量距離相對(duì)較短。與超聲傳感器相比,紅外測(cè)距的準(zhǔn)確度不高,但紅外傳感器可以在短時(shí)間內(nèi)提供大量測(cè)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(shì)。2/5/20231098.6.3聲納檢測(cè)聲納測(cè)距（超聲測(cè)距）是一種非接觸的檢測(cè)方式，在近距離范圍內(nèi)有不受外界光線影響、硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易操作、成本低等優(yōu)點(diǎn),在高性能自主移動(dòng)機(jī)器人上獲得了廣泛應(yīng)用。缺點(diǎn)是速度慢，存在較大的波束角，且對(duì)光滑表面存在鏡面反射。2/5/2023110超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)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(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)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(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。2/5/20231112/5/20231122/5/2023113而紅外傳感器探測(cè)特性與超聲傳感器恰好相反,具有角度分辨力高的優(yōu)點(diǎn),并且最大探測(cè)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(shè)北斗星系統(tǒng)。2/5/2023115GPS系統(tǒng)的組成

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

GPS接收機(jī)硬件一般由主機(jī)、天線和電源組成。通過USB口可與計(jì)算機(jī)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(gè)主控站，5個(gè)監(jiān)控站，3個(gè)注入站。GPS由三個(gè)獨(dú)立的部分組