工業(yè)機(jī)器人的傳感器

5.1工業(yè)機(jī)器人的感覺系統(tǒng)5.2工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部傳感器5.3工業(yè)機(jī)器人外部傳感器5.4工業(yè)機(jī)器人傳感器應(yīng)用2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院1第五章工業(yè)機(jī)器人的傳感器現(xiàn)在是1頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院25.1

工業(yè)機(jī)器人的感覺系統(tǒng)1、工業(yè)機(jī)器人感覺系統(tǒng)的基本組成視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺、平衡感覺其他現(xiàn)在是2頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院3工業(yè)機(jī)器人的感覺系統(tǒng)包括：傳感器；通過傳感器獲得數(shù)據(jù)的處理。2、工業(yè)機(jī)器人常用傳感器的分類機(jī)器人傳感器按用途可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。內(nèi)部傳感器裝在操作機(jī)上，包括位移、速度、加速度傳感器，是為了檢測(cè)機(jī)器人操作機(jī)內(nèi)部狀態(tài)，在伺服控制系統(tǒng)中作為反饋信號(hào)。外部傳感器，如視覺、觸覺、力覺距離等傳感器，是為了檢測(cè)作業(yè)對(duì)象及環(huán)境與機(jī)器人的聯(lián)系?，F(xiàn)在是3頁\一共有51頁\編輯于星期二3、工業(yè)機(jī)器人傳感器的要求與選擇一般要求：

精度高、重復(fù)性好

穩(wěn)定性和可靠性好

抗干擾能力強(qiáng)

質(zhì)量輕、體積小、安裝方便特定要求：

適應(yīng)加工任務(wù)要求

滿足機(jī)器人控制的要求

滿足安全性要求以及其它輔助工作的要求現(xiàn)在是4頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院55.2工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部傳感器1概述內(nèi)部傳感器中，位置傳感器和速度傳感器，是當(dāng)今機(jī)器人反饋控制中不可缺少的元件。現(xiàn)已有多種傳感器大量生產(chǎn)，但傾斜角傳感器、方位角傳感器及振動(dòng)傳感器等用作機(jī)器人內(nèi)部傳感器的時(shí)間不長(zhǎng)，其性能尚需進(jìn)一步改進(jìn)。現(xiàn)在是5頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院62、內(nèi)部傳感器功能分類1）規(guī)定位置、規(guī)定角度的檢測(cè)2）位置、角度測(cè)量3）速度、角速度測(cè)量4）加速度測(cè)量現(xiàn)在是6頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院72、內(nèi)部傳感器功能分類1）規(guī)定位置、規(guī)定角度的檢測(cè)檢測(cè)預(yù)先規(guī)定的位置或角度，可以用開/關(guān)兩個(gè)狀態(tài)值，用于檢測(cè)機(jī)器人的起始原點(diǎn)、越限位置或確定位置。

1)微型開關(guān)：規(guī)定的位移或力作用到微型開關(guān)的可動(dòng)部分(稱為執(zhí)行器)時(shí)，開關(guān)的電氣觸點(diǎn)斷開或接通。限位開關(guān)通常裝在盒里，以防外力的作用和水、油、塵埃的侵蝕。

2)光電開關(guān)：光電開關(guān)是由LED光源和光敏二極管或光敏晶體管等光敏元件組成，相隔一定距離而構(gòu)成的透光式開關(guān)。當(dāng)光由基準(zhǔn)位置的遮光片通過光源和光敏元件的縫隙時(shí)，光射不到光敏元件上，而起到開關(guān)的作用現(xiàn)在是7頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院82、內(nèi)部傳感器功能分類2）位置、角度測(cè)量測(cè)量機(jī)器人關(guān)節(jié)線位移和角位移的傳感器是機(jī)器人位置反饋控制中必不可少的元件。a)電位器b)旋轉(zhuǎn)變壓器c)編碼器現(xiàn)在是8頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院9關(guān)于電位器電位器可作為直線位移和角位移檢測(cè)元件，結(jié)構(gòu)形式如圖。為了保證電位器的線性輸出，應(yīng)保證等效負(fù)載電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電位器總電阻。電位器式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用方便，但分辨率不高，且當(dāng)電刷和電阻之間接觸面磨損或有塵埃附著時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲?，F(xiàn)在是9頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院10關(guān)于旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器由鐵心、兩個(gè)定子線圈和兩個(gè)轉(zhuǎn)子線圈組成，是測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度的傳感器。定子和轉(zhuǎn)子由硅鋼片和坡莫合金疊層制成，如圖所示。

在各定子線圈加上交流電壓，轉(zhuǎn)子線圈中由于交鏈磁通的變化產(chǎn)生感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓和勵(lì)磁電壓之間相關(guān)聯(lián)的耦合系數(shù)隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角而改變。因此，根據(jù)測(cè)得的輸出電壓，就可以知道轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的大小?，F(xiàn)在是10頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院11

關(guān)于編碼器編碼器輸出表示位移增量的編碼器脈沖信號(hào)，并帶有符號(hào)。據(jù)檢測(cè)原理，編碼器可分為：光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，分為增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器。作為機(jī)器人位移傳感器，光電編碼器應(yīng)用最為廣泛。現(xiàn)在是11頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院122、內(nèi)部傳感器功能分類3）速度、角速度測(cè)量速度、角速度測(cè)量是驅(qū)動(dòng)器反饋控制必不可少的環(huán)節(jié)。有時(shí)也利用測(cè)位移傳感器測(cè)量速度及檢測(cè)單位采樣時(shí)間位移量，但這種方法有其局限性：低速時(shí)測(cè)量不穩(wěn)定的危險(xiǎn)；高速時(shí)，只能獲得較低的測(cè)量精度。最通用的速度、角速度傳感器是測(cè)速發(fā)電機(jī)或成為轉(zhuǎn)速表的傳感器、比率發(fā)電機(jī)。測(cè)量角速度的測(cè)速發(fā)電機(jī)，可按其構(gòu)造分為直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、交流測(cè)速發(fā)電機(jī)和感應(yīng)式交流測(cè)速發(fā)電機(jī)?，F(xiàn)在是12頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院132、內(nèi)部傳感器功能分類4）加速度測(cè)量隨著機(jī)器人的高速比、高精度化，機(jī)器人的振動(dòng)問題提上日程。為了解決振動(dòng)問題，有時(shí)在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)手臂等位置安裝加速度傳感器，測(cè)量振動(dòng)加速度，并把它反饋到驅(qū)動(dòng)器上。

a)應(yīng)變片加速度傳感器

b)伺服加速度傳感器

c)壓電感應(yīng)加速度傳感器

d)其他類型傳感器現(xiàn)在是13頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院142、內(nèi)部傳感器功能分類4）加速度測(cè)量隨著機(jī)器人的高速比、高精度化，機(jī)器人的振動(dòng)問題提上日程。為了解決振動(dòng)問題，有時(shí)在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)手臂等位置安裝加速度傳感器，測(cè)量振動(dòng)加速度，并把它反饋到驅(qū)動(dòng)器上。

a)應(yīng)變片加速度傳感器

b)伺服加速度傳感器

c)壓電感應(yīng)加速度傳感器

d)其他類型傳感器現(xiàn)在是14頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院155.3工業(yè)機(jī)器人外部傳感器1．概述

為了檢測(cè)作業(yè)對(duì)象及環(huán)境或機(jī)器人與它們的關(guān)系，在機(jī)器人上安裝了觸覺傳感器、視覺傳感器、力覺傳感器、接近覺傳感器、超聲波傳感器和聽覺傳感器，大大改善了機(jī)器人工作狀況，使其能夠更充分地完成復(fù)雜的工作。由于外部傳感器為集多種學(xué)科于一身的產(chǎn)品，有些方面還在探索之中，隨著外部傳感器的進(jìn)一步完善，機(jī)器人的功能越來越強(qiáng)大，將在許多領(lǐng)域?yàn)槿祟愖龀龈筘暙I(xiàn)?，F(xiàn)在是15頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院162．外部傳感器功能分類（1）觸覺傳感器觸覺是接觸、沖擊、壓迫等機(jī)械刺激感覺的綜合，觸覺可以用來進(jìn)行機(jī)器人抓取，利用觸覺可進(jìn)一步感知物體的形狀、軟硬等物理性質(zhì)。一般把檢測(cè)感知和外部直接接觸而產(chǎn)生的接觸覺、壓力、觸覺及接近覺的傳感器稱為機(jī)器人觸覺傳感器現(xiàn)在是16頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院17接觸覺：接觸覺是通過與對(duì)象物體彼此接觸而產(chǎn)生的，所以最好使用手指表面高密度分布觸覺傳感器陣列，它柔軟易于變形，可增大接觸面積，并且有一定的強(qiáng)度，便于抓握。接觸覺傳感器可檢測(cè)機(jī)器人是否接觸目標(biāo)或環(huán)境，用于尋找物體或感知碰撞。主要有：機(jī)械式、彈性式和光纖式等。機(jī)械式傳感器：利用觸點(diǎn)的接觸斷開獲取信息，通常采用微動(dòng)開關(guān)來識(shí)別物體的二維輪廓，由于結(jié)構(gòu)關(guān)系無法高密度列陣。現(xiàn)在是17頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院18彈性式傳感器：這類傳感器都由彈性元件、導(dǎo)電觸點(diǎn)和絕緣體構(gòu)成。如采用導(dǎo)電性石墨化碳纖維、氨基甲酸乙酯泡沫、印制電路板和金屬觸點(diǎn)構(gòu)成的傳感器，碳纖維被壓后與金屬觸點(diǎn)接觸，開關(guān)導(dǎo)通。也可由彈性海綿、導(dǎo)電橡膠和金屬觸點(diǎn)構(gòu)成，導(dǎo)電橡膠受壓后，海綿變形，導(dǎo)電橡膠和金屬觸點(diǎn)接觸，開關(guān)導(dǎo)通。也可由金屬和鈹青銅構(gòu)成，被絕緣體覆蓋的青銅箔片被壓后與金屬接觸，觸點(diǎn)閉合。現(xiàn)在是18頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院19光纖傳感器這種傳感器包括由一束光纖構(gòu)成的光纜和一個(gè)可變形的反射表面。光通過光纖束投射到可變形的反射材料上，反射光按相反方向通過光纖束返回。如果反射表面是平的，則通過每條光纖所返回的光的強(qiáng)度是相同的。如果反射表面因與物體接觸受力而變形，則反射的光強(qiáng)度不同。用高速光掃描技術(shù)進(jìn)行處理，即可得到反射表面的受力情況。接觸覺傳感器(a)點(diǎn)式;(b)棒式;(c)緩沖器式;(d)平板式;(e)環(huán)式

現(xiàn)在是19頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院202)接近覺接近覺是一種粗略的距離感覺，接近覺傳感器的主要作用是在接觸對(duì)象之前獲得必要的信息，用來探測(cè)在一定距離范圍內(nèi)是否有物體接近、物體的接近距離和對(duì)象的表面形狀及傾斜等狀態(tài)，一般用“1”和“0”兩種態(tài)表示。接近覺傳感器

現(xiàn)在是20頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院21在機(jī)器人中，主要用于對(duì)物體的抓取和躲避。接近覺一般用非接觸式測(cè)量元件，如霍爾效應(yīng)傳感器、電磁式接近開關(guān)和光學(xué)接近傳感器。以光學(xué)接近傳感器為例，其結(jié)構(gòu)如圖。由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成。發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)過反射被光敏晶體管接收，接收到的光強(qiáng)和傳感器與目標(biāo)的距離有關(guān)，輸出信號(hào)是距離的函數(shù)。紅外信號(hào)被調(diào)制成某一特定頻率，可大大提高信噪比現(xiàn)在是21頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院223)滑覺機(jī)器人在抓取不知屬性的物體時(shí)，其自身應(yīng)能確定最佳握緊力的給定值。當(dāng)握緊力不夠時(shí)，要檢測(cè)被握緊物體的滑動(dòng)，利用該檢測(cè)信號(hào)，在不損害物體的前提下，考慮最可靠的夾持方法，實(shí)現(xiàn)此功能的傳感器稱為滑覺傳感器。

滑覺傳感器有滾動(dòng)式和球式，還有一種通過振動(dòng)檢測(cè)滑覺的傳感器。物體在傳感器表面上滑動(dòng)時(shí)，和滾輪或環(huán)相接觸，把滑動(dòng)變成轉(zhuǎn)動(dòng)?，F(xiàn)在是22頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院23磁力式滑覺傳感器中，滑動(dòng)物體引起滾輪滾動(dòng)，用磁鐵和靜止的磁頭，或用光傳感器進(jìn)行檢測(cè)，這種傳感器只能檢測(cè)到一個(gè)方向的滑動(dòng)。球式傳感器用球代替滾輪，可以檢測(cè)各個(gè)方向的滑動(dòng)，振動(dòng)式滑覺傳感器表面伸出的觸針能和物體接觸，物體滾動(dòng)時(shí)，觸針與物體接觸而產(chǎn)生振動(dòng)，這個(gè)振動(dòng)由壓電傳感器或磁場(chǎng)線圈結(jié)構(gòu)的微小位移計(jì)檢測(cè)。滾輪式滑覺傳感器如圖所示。現(xiàn)在是23頁\一共有51頁\編輯于星期二測(cè)振式滑覺傳感器

常見的滑覺傳感器現(xiàn)在是24頁\一共有51頁\編輯于星期二柱型滾輪式滑覺傳感器(a)機(jī)器人夾持器；(b)傳感器

常見的滑覺傳感器現(xiàn)在是25頁\一共有51頁\編輯于星期二球形滑覺傳感器常見的滑覺傳感器現(xiàn)在是26頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院27（2）力覺傳感器力覺是指對(duì)機(jī)器人的指、肢和關(guān)節(jié)等運(yùn)動(dòng)中所受力的感知.主要包括：腕力覺、關(guān)節(jié)力覺和支座力覺等，根據(jù)被測(cè)對(duì)象的負(fù)載，可以把力傳感器分為測(cè)力傳感器(單軸力傳感器)、力矩表(單軸力矩傳感器)、手指?jìng)鞲衅?檢測(cè)機(jī)器人手指作用力的超小型單軸力傳感器)和六軸力覺傳感器?，F(xiàn)在是27頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院28力覺傳感器根據(jù)力的檢測(cè)方式不同，可以分為：1)檢測(cè)應(yīng)變或應(yīng)力的應(yīng)變片式，應(yīng)變片力覺傳感器被機(jī)器人廣泛采用；2)利用壓電效應(yīng)的壓電元件式；3)用位移計(jì)測(cè)量負(fù)載產(chǎn)生的位移的差動(dòng)變壓器、電容位移計(jì)式。在選用力傳感器時(shí)，首先要特別注意額定值，其次在機(jī)器人通常的力控制中，力的精度意義不大，重要的是分辨率。在機(jī)器人上實(shí)際安裝使用力覺傳感器時(shí)，一定要事先檢查操作區(qū)域，清除障礙物。這對(duì)實(shí)驗(yàn)者的人身安全、對(duì)保證機(jī)器人及外圍設(shè)備不受損害有重要意義。現(xiàn)在是28頁\一共有51頁\編輯于星期二Draper的腕力傳感器

常見的力覺傳感器現(xiàn)在是29頁\一共有51頁\編輯于星期二SRI腕力傳感器應(yīng)變片連接方式

SRI腕力傳感器

常見的力覺傳感器現(xiàn)在是30頁\一共有51頁\編輯于星期二林純一的腕力傳感器

常見的力覺傳感器現(xiàn)在是31頁\一共有51頁\編輯于星期二圖

5-22非徑向中心對(duì)稱三梁腕力傳感器

現(xiàn)在是32頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院33（3）距離傳感器

距離傳感器可用于機(jī)器人導(dǎo)航和回避障礙物，也可用于機(jī)器人空間內(nèi)的物體進(jìn)行定位及確定其一般形狀特征。目前最常用的測(cè)距法有兩種：1)超聲波測(cè)距法超聲波是頻率20kHz以上的機(jī)械振動(dòng)波，利用發(fā)射脈沖和接收脈沖的時(shí)間間隔推算出距離。超聲波測(cè)距法的缺點(diǎn)是波束較寬，其分辨力受到嚴(yán)重的限制，因此，主要用于導(dǎo)航和回避障礙物。

現(xiàn)在是33頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院342)激光測(cè)距法：激光測(cè)距法也可以利用回波法，或者利用激光測(cè)距儀，其工作原理如下：氦氖激光器固定在基線上，在基線的一端由反射鏡將激光點(diǎn)射向被測(cè)物體，反射鏡固定在電動(dòng)機(jī)軸上，電動(dòng)機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，使激光點(diǎn)穩(wěn)定地對(duì)被測(cè)目標(biāo)掃描。由CCD(電荷耦合器件)攝像機(jī)接受反射光，采用圖像處理的方法檢測(cè)出激光點(diǎn)圖像，并根據(jù)位置坐標(biāo)及攝像機(jī)光學(xué)特點(diǎn)計(jì)算出激光反射角。利用三角測(cè)距原理即可算出反射點(diǎn)的位置?，F(xiàn)在是34頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院35(4)其他外部傳感器

除以上介紹的機(jī)器人外部傳感器外，還可根據(jù)機(jī)器人特殊用途安裝聽覺傳感器、味覺傳感器及電磁波傳感器，而這些機(jī)器人主要用于科學(xué)研究、海洋資源探測(cè)或食品分析、救火等特殊用途。這些傳感器多數(shù)屬于開發(fā)階段，有待于更進(jìn)一步完善，以豐富機(jī)器人專用功能現(xiàn)在是35頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院36(5)傳感器融合系統(tǒng)中使用的傳感器種類和數(shù)量越來越多，每種傳感器都有一定的使用條件和感知范圍，并且又能給出環(huán)境或?qū)ο蟮牟糠只蛘麄€(gè)側(cè)面的信息，為了有效地利用這些傳感器信息，需要采用某種形式對(duì)傳感器信息進(jìn)行綜合、融合處理，不同類型信息的多種形式的處理系統(tǒng)就是傳感器融合。傳感器的融合技術(shù)涉及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、知識(shí)工程、模糊理論等信息、檢測(cè)、控制領(lǐng)域的新理論和新方法?，F(xiàn)在是36頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院37傳感器匯集類型有多種，現(xiàn)舉兩種例子。1)競(jìng)爭(zhēng)性的：在傳感器檢測(cè)同一環(huán)境或同一物體的同一性質(zhì)時(shí)，傳感器提供的數(shù)據(jù)可能是一致的，也可能是矛盾的。若有矛盾，就需要系統(tǒng)裁決。裁決的方法有多種，如加權(quán)平均法、決策法等。在一個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)中，車輛位置的確定可以通過計(jì)算法定位系統(tǒng)(利用速度、方向等記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算)或陸標(biāo)(如交叉路口、人行道等參照物)觀測(cè)確定。若陸標(biāo)觀測(cè)成功，則用陸標(biāo)觀測(cè)的結(jié)果，并對(duì)計(jì)算法的值進(jìn)行修正，否則利用計(jì)算法所得的結(jié)果?，F(xiàn)在是37頁\一共有51頁\編輯于星期二2023/4/13機(jī)電工程學(xué)院382)互補(bǔ)性的：傳感器提供不同形式的數(shù)據(jù)。例如，識(shí)別三維物體的任務(wù)就說明這種類型的融合。利用彩色攝像機(jī)和激光測(cè)距儀確定一段階梯道路，彩色攝像機(jī)提供圖像(如顏色、特征)，而激光測(cè)距儀提供距離信息，兩者融合即可獲得三維信息。

目前，要使多傳感器信息融合體系化尚有困難，而且缺乏理論依據(jù)。多傳感器信息融合的理想目標(biāo)應(yīng)是人類的感覺、識(shí)別、控制體系，但由于對(duì)后者尚無一個(gè)明確的工程學(xué)的闡述，所以機(jī)器人傳感器融合體系要具備什么樣的功能尚是一個(gè)模糊的概念。相信隨著機(jī)器人智能水平的提高，多傳感器信息融合理論和技術(shù)將會(huì)逐步完善和系