機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ) 課件 劉瑛 4.3.2 拉格朗日方程-7.3.4 操作空間軌跡規(guī)劃的幾何問(wèn)題

第4章機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析4.3動(dòng)力學(xué)分析4.3.1動(dòng)力學(xué)分析基礎(chǔ)和方法4.3.2拉格朗日方程4.3.3關(guān)節(jié)空間和操作空間中的動(dòng)力學(xué)方程4.3.2拉格朗日方程拉格朗日函數(shù)定義為機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)能(kineticenergy)與勢(shì)能(potentialenergy)之差，即4.3.2拉格朗日方程從以上公式可以看出拉格朗日方程的三個(gè)特點(diǎn)：①系統(tǒng)的拉格朗日方程個(gè)數(shù)與其廣義坐標(biāo)個(gè)數(shù)相同廣義坐標(biāo)數(shù)通常就是自由度數(shù)，約束越多則自由度越少，所以方程個(gè)數(shù)也越少。而在牛頓力學(xué)中約束個(gè)數(shù)越多，要分析的約束力就越多，建立的動(dòng)力學(xué)方程就越復(fù)雜。②拉格朗日方程是標(biāo)量方程相比建立在矢量方程上的牛頓-歐拉法，標(biāo)量方程擺脫了選擇坐標(biāo)系、受力分析等幾何運(yùn)算的麻煩。③系統(tǒng)的特點(diǎn)完全由拉格朗日函數(shù)L體現(xiàn)這個(gè)特點(diǎn)增加了研究不同系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題時(shí)的共性，使得研究方法更為程式化。4.3.2拉格朗日方程如果讀者對(duì)拉格朗日方程的推導(dǎo)過(guò)程感興趣，可以參考經(jīng)典力學(xué)相關(guān)書(shū)籍。但我們也可以認(rèn)為拉格朗日方程是不需要證明的公理，只要方程反應(yīng)的規(guī)律與現(xiàn)實(shí)世界中的物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，即可證明其正確性，其價(jià)值就應(yīng)與一樣得到認(rèn)可。為了幫助讀者掌握用拉格朗日方程分析動(dòng)力學(xué)的方法并深刻體會(huì)其特點(diǎn)，一起來(lái)看兩道例題。4.3.2拉格朗日方程例4.54.3.2拉格朗日方程例4.5解：滑塊和直角劈構(gòu)成一個(gè)多剛體系統(tǒng)，可以使用拉格朗日方程來(lái)建立其動(dòng)力學(xué)方程，具體步驟如下。（1）確定廣義坐標(biāo)和廣義驅(qū)動(dòng)力4.3.2拉格朗日方程例4.5（2）求系統(tǒng)動(dòng)能4.3.2拉格朗日方程例4.5（3）求系統(tǒng)勢(shì)能假設(shè)以X軸為零勢(shì)能線。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，直角劈的質(zhì)心高度并無(wú)變化，也就是其勢(shì)能為一個(gè)常數(shù)，由于后續(xù)步驟中會(huì)對(duì)拉格朗日函數(shù)求導(dǎo)，而常數(shù)項(xiàng)的有無(wú)并不會(huì)影響計(jì)算結(jié)果，因此此處可以忽略直角劈的勢(shì)能。同理，滑塊的勢(shì)能本應(yīng)按其質(zhì)心的高度進(jìn)行計(jì)算，但為計(jì)算方便，完全可以按其頂點(diǎn)高度計(jì)算，因?yàn)槎咧顬槌?shù)，也不會(huì)影響最終結(jié)果。因此，系統(tǒng)勢(shì)能寫(xiě)為4.3.2拉格朗日方程例4.5（4）求拉格朗日函數(shù)（5）建立拉格朗日方程4.3.2拉格朗日方程例4.5（5）建立拉格朗日方程4.3.2拉格朗日方程例4.54.3.2拉格朗日方程例4.5拓展練習(xí)：借助MATLAB軟件及其符號(hào)工具箱，可以非常方便地完成以上推導(dǎo)和計(jì)算。4.3.2拉格朗日方程例4.5思考：請(qǐng)讀者根據(jù)牛頓方程F=ma嘗試求解該問(wèn)題，并體會(huì)其不同于拉格朗日方程的求解過(guò)程和特點(diǎn)。4.3.2拉格朗日方程例4.64.3.2拉格朗日方程例4.6解：二自由度串聯(lián)機(jī)器臂可以看作一個(gè)多剛體系統(tǒng)，可以使用拉格朗日方程來(lái)建立其動(dòng)力學(xué)方程，具體步驟如下。（1）確定廣義坐標(biāo)和廣義驅(qū)動(dòng)力（2）求系統(tǒng)動(dòng)能4.3.2拉格朗日方程例4.6（2）求系統(tǒng)動(dòng)能4.3.2拉格朗日方程例4.6（2）求系統(tǒng)動(dòng)能將上面兩式帶入進(jìn)而求出桿2的平動(dòng)動(dòng)能為4.3.2拉格朗日方程例4.64.3.2拉格朗日方程例4.64.3.2拉格朗日方程例4.6該式體現(xiàn)了關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩與關(guān)節(jié)加速度、速度、位移之間的關(guān)系，即力與運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，我們稱之為二自由度串聯(lián)機(jī)器臂的動(dòng)力學(xué)方程。4.3.2拉格朗日方程4.3.2拉格朗日方程4.3.2拉格朗日方程4.3.2拉格朗日方程4.3.2拉格朗日方程例4.6拓展練習(xí)：借助MATLAB軟件及其符號(hào)工具箱，可以非常方便地完成以上推導(dǎo)和計(jì)算。4.3.2拉格朗日方程例4.6思考：請(qǐng)讀者思考用牛頓-歐拉法求解例4.5和4.6的思路和過(guò)程，并與用拉格朗日方程法對(duì)比，體會(huì)哪一種更易于程式化。4.3.2拉格朗日方程通過(guò)例4.6可以看出，對(duì)于最簡(jiǎn)單的二自由度平面關(guān)節(jié)型串聯(lián)機(jī)器人，其動(dòng)力學(xué)方程已經(jīng)如此冗長(zhǎng)，而且兩個(gè)關(guān)節(jié)之間的耦合錯(cuò)綜復(fù)雜。那么對(duì)于常見(jiàn)的6軸工業(yè)機(jī)器人，其動(dòng)力學(xué)方程之繁復(fù)龐雜必將更為驚人，6個(gè)關(guān)節(jié)的耦合必定盤(pán)根錯(cuò)節(jié)。求解這樣的微分方程，需要做大量計(jì)算，十分耗時(shí)，所以機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型很難用于機(jī)器人實(shí)時(shí)控制。4.3.2拉格朗日方程然而，高質(zhì)量的控制應(yīng)當(dāng)基于被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，因此合理簡(jiǎn)化機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型，使其適合于實(shí)時(shí)控制的要求，是機(jī)器人動(dòng)力學(xué)研究追求的目標(biāo)。動(dòng)力學(xué)模型常見(jiàn)的簡(jiǎn)化方法有以下幾種。①當(dāng)桿件很輕時(shí)，動(dòng)力學(xué)方程中的重力項(xiàng)可以省略；②當(dāng)關(guān)節(jié)速度不是很大時(shí)，動(dòng)力學(xué)方程中包含關(guān)節(jié)速度的向心力項(xiàng)和科式力項(xiàng)可以省略；③當(dāng)關(guān)節(jié)加速度不是很大時(shí)，即關(guān)節(jié)電機(jī)的升降速不是很突然時(shí)，動(dòng)力學(xué)方程中包含加速度的慣性力項(xiàng)可以省略。4.3.2拉格朗日方程思考：如果真的可以對(duì)動(dòng)力學(xué)方程做如此大刀闊斧的簡(jiǎn)化，那么建立在其上的機(jī)器人控制系統(tǒng)還能有什么精度可言？如果你暫時(shí)無(wú)法回答，請(qǐng)?jiān)趯W(xué)習(xí)完機(jī)器人控制系統(tǒng)一章后，再來(lái)回顧該問(wèn)題，看看是否會(huì)有新發(fā)現(xiàn)。第4章機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析4.3動(dòng)力學(xué)分析4.3.1動(dòng)力學(xué)分析基礎(chǔ)和方法4.3.2拉格朗日方程4.3.3關(guān)節(jié)空間和操作空間中的動(dòng)力學(xué)方程4.3.3關(guān)節(jié)空間和操作空間中的動(dòng)力學(xué)方程機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)方程在關(guān)節(jié)空間和操作空間中有不同的表達(dá)形式，而且它們之間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。例4.6中推導(dǎo)出的二自由度平面關(guān)節(jié)機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)方程可以做進(jìn)一步簡(jiǎn)化：4.3.3關(guān)節(jié)空間和操作空間中的動(dòng)力學(xué)方程思考：觀察二自由度平面關(guān)節(jié)機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)方程，其D(q)矩陣有什么特點(diǎn)？4.3.3關(guān)節(jié)空間和操作空間中的動(dòng)力學(xué)方程與關(guān)節(jié)空間動(dòng)力學(xué)方程相對(duì)應(yīng)，在操作空間中，可以用直角坐標(biāo)變量，即手部位姿矢量X來(lái)表示動(dòng)力學(xué)方程。廣義操作力F與手部加速度之間的關(guān)系可以表達(dá)為操作空間中的慣性矩陣操作空間中的向心力和科氏力矢量操作空間中的重力矢量本章小結(jié)本章第一節(jié)討論了串聯(lián)機(jī)器人手部在操作空間的運(yùn)動(dòng)速度與關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動(dòng)速度之間的映射關(guān)系，即，其中是一個(gè)多元偏導(dǎo)矩陣，稱為速度雅克比矩陣，通過(guò)它即可求解速度正逆問(wèn)題。需要注意的是，由于在某些形位的逆矩陣不存在，即出現(xiàn)機(jī)械臂的奇異點(diǎn)，這會(huì)帶來(lái)軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制上的一些問(wèn)題，因此本節(jié)還討論了6軸機(jī)械臂的奇異點(diǎn)類型及相關(guān)處理辦法。本章小結(jié)第二節(jié)討論了串聯(lián)機(jī)械臂的靜力學(xué)問(wèn)題。根據(jù)虛功原理，建立了機(jī)械臂手部輸出的廣義力F與關(guān)節(jié)廣義力的映射關(guān)系，即，其中稱為力雅克比矩陣，而它正好是速度雅克比矩陣的轉(zhuǎn)置。本章小結(jié)第三節(jié)研究的是機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)（位置、速度、加速度）與關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力（矩）之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，本節(jié)重點(diǎn)介紹了利用拉格朗日方程建立多剛體動(dòng)力學(xué)方程的方法，并以二自由度機(jī)械臂為例，介紹動(dòng)力學(xué)方程的構(gòu)成以及各項(xiàng)的物理含義。動(dòng)力學(xué)方程在關(guān)節(jié)空間和操作空間有不同的表達(dá)方式，兩種表達(dá)方式有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。感謝大家觀看化學(xué)工業(yè)出版社第5章機(jī)器人傳感器機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)傳感器對(duì)工業(yè)機(jī)器人有何意義？我們先來(lái)觀察一下視頻中的搬運(yùn)裝配機(jī)器人的作業(yè)過(guò)程。傳送帶起始端裝有接近覺(jué)傳感器，檢測(cè)到有物料則傳送帶開(kāi)啟運(yùn)行，傳送帶終端也有一個(gè)接近覺(jué)傳感器，當(dāng)檢測(cè)到物料到位后傳送帶暫停，此時(shí)安裝在傳送帶上方的視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)來(lái)料進(jìn)行裂紋及形狀檢測(cè)，如果裂紋檢測(cè)不合格，則將其放在廢料臺(tái)上，如果裂紋檢測(cè)合格，機(jī)器人則根據(jù)形狀檢測(cè)結(jié)果（方的還是圓的）確定裝配位置，并利用吸盤(pán)吸起該物料完成裝配。問(wèn)題導(dǎo)入問(wèn)題導(dǎo)入此外，在機(jī)器人的關(guān)節(jié)模組中也裝有傳感器，用于檢測(cè)各關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度等，從而為控制系統(tǒng)提供反饋信號(hào)，完成閉環(huán)控制?？梢?jiàn)，機(jī)器人失去傳感器猶如人類失去五官，是寸步難行的。問(wèn)題導(dǎo)入本章學(xué)習(xí)目標(biāo)1.熟悉機(jī)器人傳感器的一般組成和分類方式；2.了解機(jī)器人傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)含義；3.了解機(jī)器人傳感器的要求；4.熟悉機(jī)器人內(nèi)部傳感器的分類和作用；5.熟悉機(jī)器人外部傳感器的分類和作用；6.了解多傳感器信息融合的概念及其必要性。目錄contants5.1機(jī)器人傳感器概述5.2機(jī)器人內(nèi)部傳感器5.3機(jī)器人外部傳感器5.4多傳感器信息融合第5章

機(jī)器人傳感器5.1機(jī)器人傳感器概述5.1.1機(jī)器人傳感器的分類5.1.2傳感器的性能指標(biāo)5.1.3機(jī)器人傳感器的要求5.1.1機(jī)器人傳感器的分類機(jī)器人傳感器有多種分類方式，理解不同的分類方式，有助于構(gòu)建對(duì)機(jī)器人傳感器的全局認(rèn)識(shí)，同時(shí)對(duì)于我們理解其工作原理并針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的傳感器也會(huì)大有裨益。5.1.1機(jī)器人傳感器的分類（1）根據(jù)使用范圍分類根據(jù)使用范圍，機(jī)器人傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器兩大類。內(nèi)部傳感器安裝在機(jī)器人機(jī)身內(nèi)，檢測(cè)自身的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，從而控制機(jī)器人的動(dòng)作；外部傳感器安裝在機(jī)器人機(jī)身外，主要用于感知外部環(huán)境及操作對(duì)象情況，這樣機(jī)器人與環(huán)境發(fā)生作用時(shí)就可以具備自校正、自適應(yīng)的能力。本章就是按照內(nèi)部和外部?jī)纱箢悂?lái)介紹機(jī)器人傳感器的。5.1.1機(jī)器人傳感器的分類（2）根據(jù)工作原理分類根據(jù)傳感器工作原理分類主要指根據(jù)物理和化學(xué)等學(xué)科的原理、規(guī)律和效應(yīng)等進(jìn)行分類。如根據(jù)變電組原理可分為電位器式傳感器、應(yīng)變片式傳感器、壓阻式傳感器等。根據(jù)電磁感應(yīng)原理可分為電感式傳感器、差壓變送器、電渦流式傳感器、電磁式傳感器磁阻式傳感器等。根據(jù)半導(dǎo)體理論，可分為半導(dǎo)體力敏傳感器、熱敏傳感器、光敏傳感器、氣敏傳感器、磁敏固態(tài)傳感器等。5.1.1機(jī)器人傳感器的分類（2）根據(jù)工作原理分類這種分類方式便于我們理解傳感器的工作原理，撥開(kāi)云霧看本質(zhì)。但選擇傳感器時(shí)會(huì)有些不便，因此有時(shí)也會(huì)將用途和原理結(jié)合起來(lái)命名，如電感式位移傳感器，壓電式力傳感器等。本章在介紹傳感器時(shí)一般會(huì)講解其實(shí)現(xiàn)原理，以接近與距離覺(jué)傳感器為例，實(shí)現(xiàn)類似的功能有很多類型的傳感器可供選擇，其主要區(qū)別就是采用了不同的工作原理。5.1.1機(jī)器人傳感器的分類（3）根據(jù)被測(cè)物理量分類根據(jù)被測(cè)物理量的不同，可分為位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等。這種分類方法明確說(shuō)明了傳感器的用途，使用者很容易根據(jù)測(cè)量對(duì)象選出所需傳感器。在這種分類方法中，一般把種類較多的物理量歸納為基本量和派生量?jī)纱箢?。例如，將力視為基本物理量，從力發(fā)展出壓力、重量、應(yīng)力、力矩等派生物理量。當(dāng)需要測(cè)量上述物理量時(shí)，只要采用力傳感器就可以了。所以了解基本物理量和派生物理量的關(guān)系，對(duì)于系統(tǒng)選用何種傳感器很有幫助。5.1.1機(jī)器人傳感器的分類（4）根據(jù)能量關(guān)系分類根據(jù)能量的關(guān)系可分為無(wú)源傳感器和有源傳感器。無(wú)源傳感器不需要外接電源就能工作，完全靠吸收被測(cè)對(duì)象的能量來(lái)輸出信號(hào)，如基于壓阻效應(yīng)、熱電效應(yīng)、光電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)構(gòu)成的傳感器都屬于無(wú)源傳感器。無(wú)源傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響比較大，而且靈敏度不高，輸出信號(hào)能量不高，易受干擾。5.1.1機(jī)器人傳感器的分類（4）根據(jù)能量關(guān)系分類有源傳感器需要供電才能工作，其輸入信號(hào)的能量部分來(lái)自被測(cè)對(duì)象，另一部分需要外接電源提供。有源傳感器常需要電壓測(cè)量電路和放大器配合，如壓電式傳感器、熱電式傳感器等，所以有源傳感器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響小，靈敏度高，輸出信號(hào)能量高，不易受干擾。5.1.1機(jī)器人傳感器的分類（5）根據(jù)是否接觸分類根據(jù)傳感器與被測(cè)對(duì)象是否接觸可分為接觸式傳感器和非接觸傳感器。接觸式傳感器是以某種實(shí)際接觸的形式來(lái)測(cè)量目標(biāo)的響應(yīng)，比如測(cè)壓力的傳感器必須與被測(cè)對(duì)象接觸。非接觸式傳感器是以某種電磁射線來(lái)測(cè)量目標(biāo)的響應(yīng)，如利用可見(jiàn)光、紅外線、雷達(dá)波、聲波、超聲波等進(jìn)行測(cè)量的傳感器都是非接觸式的。第5章

機(jī)器人傳感器5.1機(jī)器人傳感器概述5.1.1機(jī)器人傳感器的分類5.1.2傳感器的性能指標(biāo)5.1.3機(jī)器人傳感器的要求5.1.2傳感器的性能指標(biāo)①線性度線性度指?jìng)鞲衅鬏敵隽颗c輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線（校正曲線）偏離擬合直線的程度，又稱非線性誤差。擬合直線的方法有多種，其出發(fā)點(diǎn)是獲得盡量小的非線性誤差。（1）反應(yīng)傳感器靜態(tài)特性的性能指標(biāo)5.1.2傳感器的性能指標(biāo)（1）反應(yīng)傳感器靜態(tài)特性的性能指標(biāo)5.1.2傳感器的性能指標(biāo)（1）反應(yīng)傳感器靜態(tài)特性的性能指標(biāo)5.1.2傳感器的性能指標(biāo)（1）反應(yīng)傳感器靜態(tài)特性的性能指標(biāo)④測(cè)量范圍（量程）測(cè)量范圍指?jìng)鞲衅髟试S測(cè)量的最大值與最小值之差，這是選擇傳感器時(shí)的重要參考指標(biāo)。在該范圍之外測(cè)量時(shí)就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，這時(shí)需要選擇其他量程合適的傳感器，或者增加某種轉(zhuǎn)換裝置以擴(kuò)大測(cè)量范圍，但這樣會(huì)引入某種誤差，影響測(cè)量精度。5.1.2傳感器的性能指標(biāo)（1）反應(yīng)傳感器靜態(tài)特性的性能指標(biāo)5.1.2傳感器的性能指標(biāo)（1）反應(yīng)傳感器靜態(tài)特性的性能指標(biāo)5.1.2傳感器的性能指標(biāo)⑦靜態(tài)誤差靜態(tài)誤差指?jìng)鞲衅髟谄淙砍虄?nèi)任一點(diǎn)的輸出值與理論輸出值的偏離程度。如圖所示，如果把全部校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與擬合直線上對(duì)應(yīng)值的殘差看成隨機(jī)分布，則可求出其標(biāo)準(zhǔn)偏差，即（1）反應(yīng)傳感器靜態(tài)特性的性能指標(biāo)Δyi5.1.2傳感器的性能指標(biāo)（1）反應(yīng)傳感器靜態(tài)特性的性能指標(biāo)⑦靜態(tài)誤差

5.1.2傳感器的性能指標(biāo)⑧漂移傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無(wú)關(guān)的、不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移等。理想情況下輸入為0輸出也應(yīng)該為0，但實(shí)際輸出并不為0，如圖所示，這種現(xiàn)象稱為零點(diǎn)漂移。理想情況下靈敏度應(yīng)該一直保持不變，但實(shí)際上它也在隨時(shí)間或溫度而變化，這種現(xiàn)象稱為靈敏度漂移。（1）反應(yīng)傳感器靜態(tài)特性的性能指標(biāo)5.1.2傳感器的性能指標(biāo)⑧漂移零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移又可分為時(shí)間漂移和溫度漂移。時(shí)間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間的緩慢變化；溫度漂移是環(huán)境溫度變化而引起的零點(diǎn)或靈敏度的變化。產(chǎn)生漂移的原因有兩個(gè)方面，一是傳感器元器件老化和性能退化，二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）的變化和干擾。（1）反應(yīng)傳感器靜態(tài)特性的性能指標(biāo)5.1.2傳感器的性能指標(biāo)⑨穩(wěn)定性對(duì)于理想特性的傳感器，輸入量相同時(shí)，不論何時(shí)測(cè)量其輸出量大小總是相同。然而，現(xiàn)實(shí)中傳感器的輸出會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，因此對(duì)于相同大小的輸入量，其輸出量是變化的。穩(wěn)定性表示傳感器在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持其性能的參數(shù)的能力。穩(wěn)定性是一個(gè)綜合指標(biāo)，傳感器的漂移、重復(fù)性誤差、遲滯誤差、靈敏度誤差等均會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。穩(wěn)定性誤差通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得，測(cè)試時(shí)先將傳感器輸出調(diào)至零點(diǎn)或某一特定點(diǎn)，保持輸入及溫度等外部環(huán)境參數(shù)不變，相隔一定的時(shí)間或一定的工作次數(shù)后，再讀出輸出值，前后兩次輸出之差即為穩(wěn)定性誤差。穩(wěn)定性誤差可用相對(duì)誤差表示，也可用誤差表示，如2.1mv/8h，有時(shí)也會(huì)標(biāo)明上次標(biāo)定時(shí)間。所以傳感器應(yīng)該定期標(biāo)定，從而減小穩(wěn)定性誤差。（1）反應(yīng)傳感器靜態(tài)特性的性能指標(biāo)5.1.2傳感器的性能指標(biāo)⑩抗干擾穩(wěn)定性抗干擾穩(wěn)定性指?jìng)鞲衅鲗?duì)各種外界干擾的抵抗能力，例如抗沖擊和振動(dòng)能力、抗潮濕的能力、抗電磁場(chǎng)干擾的能力等，評(píng)價(jià)這些能力比較復(fù)雜，一般也不易給出數(shù)量概念，需要具體問(wèn)題具體分析。（1）反應(yīng)傳感器靜態(tài)特性的性能指標(biāo)5.1.2傳感器的性能指標(biāo)傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指輸入量隨時(shí)間變化時(shí)傳感器的響應(yīng)特性。靜態(tài)特性只要求測(cè)得準(zhǔn)，而動(dòng)態(tài)特性不僅要測(cè)得準(zhǔn)還需要跟得上。一個(gè)具有理想動(dòng)態(tài)特性的傳感器，其輸出將再現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律，即輸入和輸出具有相同的時(shí)間函數(shù)。然而實(shí)際的傳感器，其輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的時(shí)間函數(shù)并不相同,這種輸出與輸入間的差異稱作動(dòng)態(tài)誤差。傳感器的動(dòng)態(tài)特性首先取決于傳感器本身，其次也與被測(cè)量的變化形式有關(guān)。（2）反應(yīng)傳感器動(dòng)態(tài)特性的性能指標(biāo)5.1.2傳感器的性能指標(biāo)時(shí)間響應(yīng)和頻率響應(yīng)是動(dòng)態(tài)測(cè)量中表現(xiàn)出的重要特性，也是研究傳感器動(dòng)態(tài)特性的主要內(nèi)容。傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用它對(duì)某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)來(lái)表示，這不僅因?yàn)閭鞲衅鲗?duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)容易用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得，更是因?yàn)閭鞲衅鲗?duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)與其對(duì)任意輸入信號(hào)的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，通過(guò)前者就能推定后者。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)有兩種，即階躍信號(hào)和正弦信號(hào)，通常用前者研究傳感器的時(shí)間響應(yīng)特性，用后者研究傳感器的頻率響應(yīng)特性。（2）反應(yīng)傳感器動(dòng)態(tài)特性的性能指標(biāo)第5章

機(jī)器人傳感器5.1機(jī)器人傳感器概述5.1.1機(jī)器人傳感器的分類5.1.2傳感器的性能指標(biāo)5.1.3機(jī)器人傳感器的要求5.1.3機(jī)器人傳感器的要求①精度高，重復(fù)性好機(jī)器人傳感器的精度直接影響機(jī)器人的工作質(zhì)量。用于檢測(cè)和控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的傳感器是控制機(jī)器人定位精度的基礎(chǔ)，機(jī)器人能否正確無(wú)誤地工作，很大程度上取決于傳感器的測(cè)量精度。②穩(wěn)定性和可靠性好機(jī)器人傳感器的穩(wěn)定性和可靠性是保證機(jī)器人能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠工作的必要條件。（1）機(jī)器人對(duì)傳感器的一般性要求5.1.3機(jī)器人傳感器的要求③抗干擾能力強(qiáng)機(jī)器人的工作環(huán)境往往比較惡劣，其所用傳感器應(yīng)能承受一定的電磁干擾、震動(dòng)，并能在一定的高溫、高壓、高溫、污染環(huán)境中正常工作。④質(zhì)量小、體積小、成本低、安裝方便安裝在機(jī)器人手臂等運(yùn)動(dòng)部件上的傳感器質(zhì)量要小，否則會(huì)加大運(yùn)動(dòng)部件的慣性，影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能。對(duì)于工作空間受到限制的機(jī)器人，對(duì)體積和安裝方式的要求也是必不可少的。（1）機(jī)器人對(duì)傳感器的一般性要求5.1.3機(jī)器人傳感器的要求①適應(yīng)加工任務(wù)的要求如焊接機(jī)器人對(duì)其傳感器有自身獨(dú)特的要求，如點(diǎn)焊機(jī)器人須配備接近覺(jué)傳感器，弧焊機(jī)器人則需要配備視覺(jué)系統(tǒng)。②滿足機(jī)器人的控制需求多數(shù)機(jī)器人都采用了位置和速度閉環(huán)控制，所以需要配備位置和速度傳感器。加速度傳感器可以檢測(cè)機(jī)器人構(gòu)件受到的慣性力，使控制能夠補(bǔ)償慣性力引起的變形誤差。（2）由作業(yè)任務(wù)和環(huán)境決定的特殊要求5.1.3機(jī)器人傳感器的要求③滿足機(jī)器人的安全性要求和其他輔助工作的需求為了使機(jī)器人安全地工作不受損壞，機(jī)器人的各個(gè)構(gòu)件都不能超過(guò)其受力極限，現(xiàn)在多數(shù)機(jī)器人采用加大構(gòu)件尺寸的方法來(lái)避免其自身?yè)p壞，如果采用力傳感器就能優(yōu)化機(jī)器人結(jié)構(gòu)，改善運(yùn)動(dòng)性能，減少材料損耗。另外，為防止機(jī)器人和周圍物體的碰撞還要求加裝觸覺(jué)傳感器或接近覺(jué)傳感器。（2）由作業(yè)任務(wù)和環(huán)境決定的特殊要求目錄contants5.1機(jī)器人傳感器概述5.2機(jī)器人內(nèi)部傳感器5.3機(jī)器人外部傳感器5.4多傳感器信息融合5.2機(jī)器人內(nèi)部傳感器人即便在黑暗中也能感受到自己的體位、運(yùn)行速度并保持平衡，這是因?yàn)槿说膬?nèi)耳以及肌腱內(nèi)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)傳感器會(huì)將信息反饋給大腦。與之對(duì)應(yīng)，機(jī)器人內(nèi)部傳感器將機(jī)器人每一個(gè)關(guān)節(jié)和連桿的位置和運(yùn)動(dòng)信息發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)就能控制其位置及運(yùn)動(dòng)情況。5.2機(jī)器人內(nèi)部傳感器內(nèi)部傳感器是用于測(cè)量機(jī)器人自身狀態(tài)的功能元件。一類是位置檢測(cè)傳感器，用于檢測(cè)關(guān)節(jié)的線位移、角位移等幾何量；另一類是運(yùn)動(dòng)檢測(cè)傳感器，用于檢測(cè)速度、加速度、角速度等運(yùn)動(dòng)量以及傾斜角、方位角等。第5章

機(jī)器人傳感器5.2機(jī)器人內(nèi)部傳感器5.2.1位置傳感器5.2.2速度傳感器5.2.3加速度傳感器5.2.4姿態(tài)傳感器5.2.1位置傳感器測(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。常用的測(cè)量元件有很多種，如編碼器、電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器等。本節(jié)主要介紹最為典型和常用的三種類型。機(jī)器人各關(guān)節(jié)和連桿的運(yùn)動(dòng)定位精度要求、重復(fù)精度以及運(yùn)動(dòng)范圍要求是選擇機(jī)器人位置傳感器的基本依據(jù)。5.2.1位置傳感器機(jī)器人使用最廣泛的位移傳感器是光電編碼器，屬于數(shù)字式傳感器，它通常會(huì)被集成在關(guān)節(jié)模組之中。（1）光電編碼位移傳感器

（a）外形

（b）內(nèi)部構(gòu)造5.2.1位置傳感器圖為旋轉(zhuǎn)光電編碼器外形以及其主要構(gòu)造。外殼中心的軸為被測(cè)軸，其上裝有與其同心的碼盤(pán)，碼盤(pán)上按照一定規(guī)則刻制有可以透光的光柵。碼盤(pán)的一側(cè)為光源，另一側(cè)是光敏裝置。碼盤(pán)隨著被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使得透過(guò)碼盤(pán)的光束產(chǎn)生時(shí)斷時(shí)續(xù)有規(guī)律的變化，光敏裝置感受到光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電子線路將其處理為特定電信號(hào)再經(jīng)過(guò)數(shù)字處理則可計(jì)算出被測(cè)軸的位置和速度信息。（1）光電編碼位移傳感器

（a）外形

（b）內(nèi)部構(gòu)造5.2.1位置傳感器旋轉(zhuǎn)光電編碼器分為絕對(duì)式和增量式兩種，其工作原理類似，即光線透過(guò)碼盤(pán)上明暗相間的刻線被光敏元件轉(zhuǎn)換為電脈沖，根據(jù)脈沖數(shù)目即可確定被測(cè)軸的位置。不同之處在于，絕對(duì)式編碼器斷電時(shí)可以記住當(dāng)前位置，而增量式編碼器它沒(méi)有記憶，斷電后重啟，需要找到參考點(diǎn)后，才能找回需要的位置。增量式編碼器更便宜，很適合用于確定速度，距離或運(yùn)動(dòng)方向。兩種編碼器的不同特點(diǎn)正是由其不同的構(gòu)造決定的，下面詳細(xì)介紹兩種編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理。（1）光電編碼位移傳感器5.2.1位置傳感器增量式光電編碼器的構(gòu)成如圖所示，光源發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)透鏡變?yōu)槠叫喂獯虻酱a盤(pán)上，碼盤(pán)上黑線部分不透光，白線部分是光線可以通過(guò)的縫隙。光線穿過(guò)光柵照射到下面的光敏元件上，黑線輸出低電平，光柵輸出高電平。（1）光電編碼位移傳感器1）增量式光電編碼傳感器5.2.1位置傳感器如果碼盤(pán)上有n個(gè)光柵，則每個(gè)光柵對(duì)應(yīng)的角度為3600/n，因此根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)記錄的脈沖數(shù)，就可以計(jì)算出被測(cè)軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度，根據(jù)脈沖頻率即可計(jì)算出被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速。（1）光電編碼位移傳感器1）增量式光電編碼傳感器增量式光電編碼器確定轉(zhuǎn)向原理圖

增量式光電編碼器波形圖5.2.1位置傳感器但增量式光電編碼器如何判斷被測(cè)軸的轉(zhuǎn)向呢？不論是光源、碼盤(pán)上的光柵還是光敏與元件上的感應(yīng)區(qū)，都分為A相、B相和Z相。Z相光電感應(yīng)器用于檢測(cè)零位（Zero），轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一圈Z相只發(fā)出一個(gè)脈沖，也稱為標(biāo)志脈沖。（1）光電編碼位移傳感器1）增量式光電編碼傳感器5.2.1位置傳感器（1）光電編碼位移傳感器1）增量式光電編碼傳感器A相和B相光電感應(yīng)器不在同一條半徑方向上，而是有個(gè)錯(cuò)位，這個(gè)錯(cuò)位正好是1/4周期，或者說(shuō)是900

。如果被測(cè)軸沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，則A相光電感應(yīng)器轉(zhuǎn)過(guò)零位后先于B相光電感應(yīng)器接收到光信號(hào)產(chǎn)生高電平；如果被測(cè)軸沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，則B相光電感應(yīng)器先于A相光電感應(yīng)器接收到光信號(hào)產(chǎn)生高電平，其波形如圖所示。據(jù)此即可判斷出被測(cè)軸的轉(zhuǎn)向。5.2.1位置傳感器（1）光電編碼位移傳感器1）增量式光電編碼傳感器思考：假設(shè)某增量式光電編碼器的結(jié)構(gòu)如圖（a），觀察圖（b）的三項(xiàng)波形圖，請(qǐng)判斷被測(cè)軸的轉(zhuǎn)向，并說(shuō)明理由。掃描二維碼可看思考題答案。（a）（b）5.2.1位置傳感器下面討論一下增量式編碼器的分辨率。很明顯，碼盤(pán)上的光柵越密集分辨率就越高。通常A,B相的光柵數(shù)一致，比如A，B相均刻有20000個(gè)光柵，稱為20000線。如果以A相上升沿計(jì)算脈沖個(gè)數(shù)，碼盤(pán)轉(zhuǎn)一圈就可以得到20000個(gè)脈沖，編碼器分辨率為3600/20000=0.0180。如果同時(shí)計(jì)算A相上升沿和下降沿，就可以得到40000個(gè)脈沖，分辨率為原來(lái)的2倍；如果再算上B相的上升沿和下降沿，分辨率則為原來(lái)的4倍，即3600/80000=0.00450。這就是分辨率4倍頻的原理。（1）光電編碼位移傳感器1）增量式光電編碼傳感器5.2.1位置傳感器增量式光電編碼器的工作原理總結(jié)為：通過(guò)Z相波形確定零位，通過(guò)脈沖數(shù)目計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度，通過(guò)A/B相波形的相位先后判斷旋轉(zhuǎn)方向，通過(guò)脈沖頻率來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速。增量式光電編碼器的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，功能易于實(shí)現(xiàn)，機(jī)械平均壽命長(zhǎng)（可達(dá)幾萬(wàn)小時(shí)以上），響應(yīng)速度快，抗干擾能力較強(qiáng)，信號(hào)傳輸距離較長(zhǎng)，可靠性較高，而且分辨率高，常用的有2000線、2500線、3000線、20000線、25000線等類型。因此，增量式光電編碼器應(yīng)用廣泛，特別是在高分辨率和大量程角速率測(cè)量系統(tǒng)中更具優(yōu)越性。（1）光電編碼位移傳感器1）增量式光電編碼傳感器5.2.1位置傳感器絕對(duì)式光電編碼傳感器的工作原理與增量式光電編碼傳感器基本類似，主要區(qū)別在于光電碼盤(pán)，圖為一個(gè)16位絕對(duì)式編碼器示意圖。碼盤(pán)整圈被分成了16份，也就是有16個(gè)扇區(qū)，在半徑方向上，每一個(gè)扇區(qū)又被分成了4份。光源發(fā)出的光線經(jīng)透鏡變成平行光照射在碼盤(pán)上，黑線部分不透光，白色光柵部分光線可以通過(guò)，碼盤(pán)另一側(cè)的光敏元件則可以感應(yīng)到。（1）光電編碼位移傳感器2）絕對(duì)式光電編碼傳感器5.2.1位置傳感器如果把有感應(yīng)和無(wú)感應(yīng)看成是兩種狀態(tài)，分別用1和0表示，那么每一個(gè)感應(yīng)區(qū)可以表示2種狀態(tài)。一個(gè)扇區(qū)中被分為4份可以看作4位，4位可以表達(dá)24=16種狀態(tài)。圖中一共16個(gè)扇區(qū)，每一個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)一種狀態(tài)，即每一個(gè)狀態(tài)都有唯一的編碼。如圖所示，扇區(qū)中四格全黑，對(duì)應(yīng)的編碼位0000，從圓心向外，黑黑黑白對(duì)應(yīng)0001，黑黑白黑對(duì)應(yīng)0010，依次類推。（1）光電編碼位移傳感器2）絕對(duì)式光電編碼傳感器5.2.1位置傳感器（1）光電編碼位移傳感器2）絕對(duì)式光電編碼傳感器碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，不同的扇區(qū)依次經(jīng)過(guò)感應(yīng)區(qū)，光敏元件即可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)編碼。以4位碼盤(pán)為例，碼盤(pán)共有16個(gè)扇區(qū)即16個(gè)編碼，編碼器的分辨率則為3600/16=22.50。如果讀到編碼為0000，那么被測(cè)軸的角度就是0度，如果編碼為0100，其對(duì)應(yīng)的10進(jìn)制數(shù)為4，被測(cè)軸的角度為4×22.50=900。因此絕對(duì)式光電編碼器可以直接測(cè)量被測(cè)軸的位置。5.2.1位置傳感器（1）光電編碼位移傳感器2）絕對(duì)式光電編碼傳感器左圖碼盤(pán)有一個(gè)問(wèn)題，就是在兩個(gè)扇區(qū)交替或者來(lái)回?cái)[動(dòng)過(guò)程中，由于碼盤(pán)制作誤差或光電器件安裝誤差會(huì)導(dǎo)致讀碼失誤。例如在扇區(qū)0111與1000的交界處，讀出的編碼有多種可能，比如1111,1110,1011,0101，從而導(dǎo)致測(cè)出的角度出現(xiàn)很大誤差，因此這種碼盤(pán)在實(shí)際中很少使用。為了消除這種誤差，多采用二進(jìn)制循環(huán)碼盤(pán)，即格雷碼盤(pán)，如右圖所示。格雷碼盤(pán)傳統(tǒng)二維碼碼盤(pán)5.2.1位置傳感器（1）光電編碼位移傳感器2）絕對(duì)式光電編碼傳感器格雷碼盤(pán)的特點(diǎn)是每一相鄰編碼之間僅改變一位二進(jìn)制數(shù)。比如0000到0001只改變了第1位，0001到0011只改變了第2位，0011到0010只改變了第1位。這樣，當(dāng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)到扇區(qū)交界處時(shí)，即便制作和安裝不十分準(zhǔn)確，產(chǎn)生的誤差也可以控制在一個(gè)碼位之內(nèi)，即誤差不超過(guò)1。格雷碼在本質(zhì)上是對(duì)二進(jìn)制加密處理后的編碼，每位碼不再具有固定的權(quán)值。因此，必須經(jīng)過(guò)解碼將格雷碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼，然后才能得到正確的位置信息。解碼可以通過(guò)硬件解碼器或軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。表5-1給出了四位二進(jìn)制碼與格雷碼之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。5.2.1位置傳感器（1）光電編碼位移傳感器2）絕對(duì)式光電編碼傳感器四位二進(jìn)制碼與格雷碼對(duì)照表十進(jìn)制數(shù)0123456789101112131415二進(jìn)制碼0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111格雷碼00000001001100100110011101010100110011011111111010101011100110005.2.1位置傳感器（1）光電編碼位移傳感器2）絕對(duì)式光電編碼傳感器如何提高絕對(duì)式光電編碼器的分辨率？無(wú)疑需要提高碼盤(pán)的位數(shù)。如果碼盤(pán)的圓弧道數(shù)為n則稱其有n位(bits)，該碼盤(pán)的編碼數(shù)為2n，其分辨率為3600/2n。格雷碼盤(pán)的圓弧道數(shù)一般為8~12，高精度的道數(shù)可達(dá)14，此時(shí)的分辨率為3600/214=0.0220。絕對(duì)式光電編碼器的應(yīng)用十分廣泛，比如常用它來(lái)檢測(cè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角。該碼盤(pán)分辨率為3600/245.2.1位置傳感器（1）光電編碼位移傳感器光電編碼器直接輸出數(shù)字信號(hào)，電路簡(jiǎn)單，噪聲容限大，容易提高分辨率，因此在機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。其缺點(diǎn)是不耐沖擊，不耐高溫，容易受到輻射干擾，因此不適合用于工作環(huán)境惡劣的機(jī)器人。5.2.1位置傳感器（2）電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器是電阻式傳感器的一種，其基本原理是將機(jī)械位移轉(zhuǎn)化為電阻值的變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為輸出電壓的變化。電位器式位移傳感器屬于模擬式傳感器。電位器式位移傳感器主要由一個(gè)電位器和一個(gè)滑動(dòng)觸點(diǎn)（即電刷）組成。電刷通過(guò)機(jī)械裝置與被測(cè)對(duì)象連接，當(dāng)被檢測(cè)對(duì)象的位置發(fā)生變化時(shí)，電刷也發(fā)生移動(dòng)，從而改變滑動(dòng)觸點(diǎn)與變位器各端之間的電阻值和輸出電壓值，就可以檢測(cè)出機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置和位移量。這種位移傳感器可以測(cè)量直線位移，也可以測(cè)量角位移。5.2.1位置傳感器（2）電位器式位移傳感器5.2.1位置傳感器（2）電位器式位移傳感器思考：當(dāng)電刷位于電位器中心線右側(cè)時(shí)用該式求出的x值是正的還是負(fù)的？該位移傳感器是如何判斷被測(cè)對(duì)象的位移方向的？5.2.1位置傳感器（2）電位器式位移傳感器所以5.2.1位置傳感器（2）電位器式位移傳感器由于滑動(dòng)觸點(diǎn)的限制，圖示的單圈電位器的工作范圍必然小于3600，分辨率也受到一定的限制。如果需要更高分辨率和更大工作范圍，可以選用多圈電位器。5.2.1位置傳感器（2）電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器是最早得到廣泛應(yīng)用的位移傳感器，它有很多優(yōu)點(diǎn)，比如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定可靠、精度高；而且只要改變可變電阻兩端的基準(zhǔn)電壓就可以選擇輸出信號(hào)范圍；測(cè)量過(guò)程中即便出現(xiàn)斷電或發(fā)生故障，輸出信號(hào)能得到保持而不會(huì)丟失。電位器式位移傳感器的缺點(diǎn)是要求輸入能量大，滑動(dòng)觸點(diǎn)容易磨損，從而影響了電位器的可靠性和壽命。近年來(lái)隨著光電編碼器價(jià)格的降低，電位器式位移傳感器日漸淡出在機(jī)器人上應(yīng)用，逐漸被光電編碼器取代和淘汰。5.2.1位置傳感器（3）旋轉(zhuǎn)變壓器5.2.1位置傳感器（3）旋轉(zhuǎn)變壓器5.2.1位置傳感器（3）旋轉(zhuǎn)變壓器由此可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子繞組輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值與勵(lì)磁電壓的幅值成正比，對(duì)勵(lì)磁電壓的相位差等于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。如果將旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子與機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)相連，用鑒相器測(cè)出轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位即可獲得關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角。5.2.1位置傳感器（3）旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種交流勵(lì)磁型的角度檢測(cè)器，檢測(cè)精度高，應(yīng)用范圍廣，不但可用于所有使用旋轉(zhuǎn)編碼器的場(chǎng)合，而且因其具有耐沖擊、耐高溫、耐油污、高可靠、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，還可用于旋轉(zhuǎn)編碼器無(wú)法正常工作的高溫、嚴(yán)寒、潮濕、高速、高振動(dòng)等場(chǎng)合。第5章

機(jī)器人傳感器5.2機(jī)器人內(nèi)部傳感器5.2.1位置傳感器5.2.2速度傳感器5.2.3加速度傳感器5.2.4姿態(tài)傳感器5.2.2速度傳感器速度、角速度測(cè)量是關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器反饋控制必不可少的環(huán)節(jié)。最常用的速度、角速度傳感器是測(cè)速發(fā)電機(jī)、光電編碼器、轉(zhuǎn)速表、比率發(fā)電機(jī)等。下面主要介紹測(cè)速發(fā)電機(jī)和光電編碼器兩種速度傳感器。5.2.2速度傳感器（1）測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)能夠?qū)⑥D(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，它作為測(cè)速、校正和解算元件廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制系統(tǒng)之中。發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)備，這里討論的速度傳感器之所以叫作測(cè)速發(fā)電機(jī)，是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)和工作原理與小型發(fā)電機(jī)十分類似。（a）直流式

（b）交流式5.2.2速度傳感器（1）測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)可分為直流測(cè)速發(fā)電機(jī)和交流測(cè)速發(fā)電機(jī)。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)具有輸出電壓斜率大、沒(méi)有剩余電壓及相位誤差、溫度補(bǔ)償容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)；而交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要電刷和換向器，不產(chǎn)生無(wú)線電干擾火花，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，摩擦阻力小，正、反轉(zhuǎn)電壓對(duì)稱等。下面簡(jiǎn)要介紹這兩類測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理。（a）直流式

（b）交流式5.2.2速度傳感器（1）測(cè)速發(fā)電機(jī)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)又分為電磁式和永磁式兩種。永磁式采用永久磁鋼勵(lì)磁，電磁式則采用他勵(lì)式。永磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是省略了勵(lì)磁電源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，效率高；缺點(diǎn)是永磁體的磁性能會(huì)受到溫度變化和電機(jī)振動(dòng)的影響，長(zhǎng)期使用電機(jī)性能會(huì)逐漸衰減。另外，高性能的永磁材料是這種測(cè)速發(fā)電機(jī)造價(jià)較高的主要因素。1）直流測(cè)速發(fā)電機(jī)（a）電磁式

（b）永磁式5.2.2速度傳感器（1）測(cè)速發(fā)電機(jī)這兩種直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、電樞繞組與小功率直流發(fā)電機(jī)是完全一樣的。其工作原理是基于法拉第電磁感應(yīng)理論。當(dāng)勵(lì)磁磁通恒定時(shí)，位于磁場(chǎng)中的線圈（即轉(zhuǎn)子）旋轉(zhuǎn)切割磁力線，使其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U，該電動(dòng)勢(shì)與線圈的轉(zhuǎn)速成正比，即1）直流測(cè)速發(fā)電機(jī)（a）電磁式

（b）永磁式5.2.2速度傳感器（1）測(cè)速發(fā)電機(jī)由于直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比，將機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)與測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子相連，就可以測(cè)出關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)速，并將測(cè)得的轉(zhuǎn)速反饋給控制系統(tǒng)，形成速度閉環(huán)控制。測(cè)速發(fā)電機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖如圖所示，在下一章中還會(huì)詳細(xì)介紹。作為速度反饋元件，測(cè)速發(fā)電機(jī)在機(jī)器人控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。1）直流測(cè)速發(fā)電機(jī)5.2.2速度傳感器（1）測(cè)速發(fā)電機(jī)交流測(cè)速發(fā)電機(jī)分為同步測(cè)速發(fā)電機(jī)和異步測(cè)速發(fā)電機(jī)。同步測(cè)速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其輸出電壓的幅值和頻率均隨轉(zhuǎn)速變化，很少用于自動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測(cè)量。異步測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓的頻率和勵(lì)磁電壓的頻率相同，而與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，其輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比，因而是交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的首選。2）交流測(cè)速發(fā)電機(jī)5.2.2速度傳感器（1）測(cè)速發(fā)電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)型式，異步測(cè)速發(fā)電機(jī)又可分為籠型轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)和杯型轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)，前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出特性斜率大，但特性差，誤差大，轉(zhuǎn)子慣量大，一般僅用于精度要求不高的系統(tǒng)中；后者轉(zhuǎn)子采用非磁性空心杯，轉(zhuǎn)子慣量小，精度高，是目前應(yīng)用最廣泛的一種交流測(cè)速發(fā)電機(jī)。2）交流測(cè)速發(fā)電機(jī)5.2.2速度傳感器（1）測(cè)速發(fā)電機(jī)2）交流測(cè)速發(fā)電機(jī)5.2.2速度傳感器（1）測(cè)速發(fā)電機(jī)2）交流測(cè)速發(fā)電機(jī)5.2.2速度傳感器（2）增量式光電編碼器在介紹位置傳感器時(shí)，詳細(xì)討論了增量式光電編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理，當(dāng)時(shí)就提到，它不但可以用來(lái)測(cè)量機(jī)器人關(guān)節(jié)的相對(duì)位置，也可以用來(lái)測(cè)量關(guān)節(jié)的角速度。作為速度傳感器，增量式光電編碼器可在以下兩種模式下使用。5.2.2速度傳感器（2）增量式光電編碼器在這種模式下，關(guān)鍵是需要一個(gè)頻率電壓（F/V）轉(zhuǎn)換器，其作用是將編碼器測(cè)得的脈沖轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓，它檢測(cè)的是電動(dòng)機(jī)軸上的瞬時(shí)速度。要求F/V轉(zhuǎn)換器必須有盡量小的溫度漂移，以及良好的零輸入零輸出特性。增量編碼器用作速度傳感器的示意圖如下。1）模擬模式5.2.2速度傳感器（2）增量式光電編碼器編碼器是數(shù)字式元件，其脈沖數(shù)代表位置，而單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)表示該時(shí)間段的平均轉(zhuǎn)速。當(dāng)時(shí)間段足夠小時(shí)，便可以代表某個(gè)時(shí)刻的瞬時(shí)速度。對(duì)于高轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合，常使用M法測(cè)速。如圖所示，編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個(gè)脈沖，在T秒內(nèi)有m1個(gè)脈沖產(chǎn)生，則被測(cè)轉(zhuǎn)速為:2）數(shù)字模式5.2.2速度傳感器（2）增量式光電編碼器例如，有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為1024p/r，在5s時(shí)間內(nèi)測(cè)得65536個(gè)脈沖，則被測(cè)轉(zhuǎn)速為2）數(shù)字模式5.2.2速度傳感器（2）增量式光電編碼器對(duì)于低轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合，常使用T法測(cè)速。如圖所示，編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個(gè)脈沖，用已知頻率fc作為時(shí)鐘，編碼器輸出的兩個(gè)相鄰脈沖之間的時(shí)鐘脈沖數(shù)為m2，則被測(cè)轉(zhuǎn)速為2）數(shù)字模式5.2.2速度傳感器（2）增量式光電編碼器例如，有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為1024p/r，測(cè)得兩個(gè)相鄰脈沖之間的時(shí)鐘脈沖數(shù)為3000，時(shí)鐘頻率fc為1MHz，則被測(cè)轉(zhuǎn)速為：2）數(shù)字模式第5章

機(jī)器人傳感器5.2機(jī)器人內(nèi)部傳感器5.2.1位置傳感器5.2.2速度傳感器5.2.3加速度傳感器5.2.4姿態(tài)傳感器5.2.3加速度傳感器位置和速度傳感器是每個(gè)工業(yè)機(jī)器人都必須具備的，加速度傳感器則并非標(biāo)配。隨著機(jī)器人的高速化、高精度化進(jìn)程，由機(jī)械臂剛性不足所引起的振動(dòng)問(wèn)題開(kāi)始受到關(guān)注。作為抑制振動(dòng)問(wèn)題的對(duì)策，有時(shí)在機(jī)器人桿件上安裝加速度傳感器測(cè)量振動(dòng)加速度并把它反饋到關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器上。有時(shí)把加速度傳感器安裝在機(jī)器人末端執(zhí)行器上，將測(cè)得的加速度進(jìn)行數(shù)值積分加到反饋環(huán)節(jié)中，以改善機(jī)器人的性能。5.2.3加速度傳感器加速度傳感器有很多類型，比如應(yīng)變片式、壓電式、壓阻式、電容式、伺服式等，其基本原理是利用加速度引起某種介質(zhì)產(chǎn)生變形，測(cè)量其變形量并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出。下面簡(jiǎn)要介紹三種加速度傳感器的工作原理。（1）應(yīng)變片加速度傳感器（2）壓電加速度傳感器（3）伺服加速度傳感器5.2.3加速度傳感器金屬電阻應(yīng)變片加速度傳感器的應(yīng)變片材料為鎳銅(Ni-Cu)合金或鎳鉻（Ni-Cr）合金，這類傳感器是一個(gè)由板簧支撐重錘構(gòu)成的振動(dòng)系統(tǒng)，板簧上下兩面分別貼著2個(gè)應(yīng)變片，應(yīng)變片受振動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)變，其電阻值的變化通過(guò)電橋電路的輸出電壓被檢測(cè)出來(lái)。（1）應(yīng)變片加速度傳感器

應(yīng)變片加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖5.2.3加速度傳感器除了金屬電阻外，硅(Si)或鍺(Ge)半導(dǎo)體電阻元件也可用于加速度傳感器。半導(dǎo)體應(yīng)變片的應(yīng)變系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片高50~100倍，靈敏度很高，但溫度特性差，需要加補(bǔ)償電路。應(yīng)變片加速度傳感器主要用于低頻振動(dòng)測(cè)量。（1）應(yīng)變片加速度傳感器5.2.3加速度傳感器壓電加速度傳感器利用壓電敏感元件的壓電效應(yīng)，將振動(dòng)或者加速度轉(zhuǎn)換為與其成正比的電壓。壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖，將傳感器與被測(cè)對(duì)象連接，被測(cè)對(duì)象將振動(dòng)加速度傳給質(zhì)量塊引起質(zhì)量塊的慣性力，大小由F=ma決定。慣性力作用在壓電晶片上產(chǎn)生電荷，電荷由引出電極引出，這樣振動(dòng)加速度就轉(zhuǎn)換成電量。（2）壓電加速度傳感器壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖5.2.3加速度傳感器壓電加速度傳感器的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠和重量輕等。缺點(diǎn)是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來(lái)克服這一缺陷。（2）壓電加速度傳感器壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖5.2.3加速度傳感器與一般加速度計(jì)相同，伺服加速度傳感器的振動(dòng)系統(tǒng)由質(zhì)量彈簧系統(tǒng)組成，不同之處在于質(zhì)量塊上還接著一個(gè)電磁線圈，當(dāng)基座上有加速度輸入時(shí)，質(zhì)量塊偏離平衡位置，位移傳感器檢測(cè)出該偏離量的大小，并經(jīng)伺服放大器放大后轉(zhuǎn)換為電流輸出，該電流流過(guò)電磁線圈，在永磁鐵的磁場(chǎng)中產(chǎn)生電磁恢復(fù)力，該力使質(zhì)量塊在儀表殼體中盡量保持在原來(lái)的平衡位置上，所以伺服加速度傳感器在閉環(huán)狀態(tài)下工作。（3）伺服加速度傳感器5.2.3加速度傳感器根據(jù)右手定則有（3）伺服加速度傳感器由于有反饋?zhàn)饔茫鰪?qiáng)了伺服加速度傳感器抗干擾的能力，提高了測(cè)量精度，擴(kuò)大了測(cè)量范圍。第5章

機(jī)器人傳感器5.2機(jī)器人內(nèi)部傳感器5.2.1位置傳感器5.2.2速度傳感器5.2.3加速度傳感器5.2.4姿態(tài)傳感器5.2.4姿態(tài)傳感器機(jī)械臂的姿態(tài)對(duì)某些作業(yè)質(zhì)量會(huì)有很大的影響，比如弧焊機(jī)器人，又如管道機(jī)器人，因此機(jī)器人也需要感知自身的姿態(tài)信息。大部分工業(yè)機(jī)器人并未安裝姿態(tài)傳感器，因?yàn)樗鼈児潭ㄓ诘孛?，可以通過(guò)關(guān)節(jié)角和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程來(lái)確定其末端位姿。姿態(tài)測(cè)量常用的有兩類傳感器，即（1）針對(duì)物體角度變化發(fā)生在鉛垂面內(nèi)的傾斜角傳感器（2）針對(duì)物體角度變化發(fā)生在水平面內(nèi)的方位角傳感器5.2.4姿態(tài)傳感器傾斜角傳感器測(cè)量的是重力方向，可用于機(jī)器人末端執(zhí)行器或移動(dòng)機(jī)器人的姿態(tài)控制中。最簡(jiǎn)單的傾斜角傳感器就是水銀開(kāi)關(guān)，稍一傾斜，水銀珠就會(huì)滾向比較低的一側(cè)。（1）針對(duì)物體角度變化發(fā)生在鉛垂面內(nèi)的傾斜角傳感器5.2.4姿態(tài)傳感器傾斜角傳感器是根據(jù)擺的工作原理制成的。當(dāng)傳感器殼體相對(duì)于重力方向產(chǎn)生傾角時(shí)，由于重力的作用擺錘會(huì)力圖保持在鉛垂方向，因而相對(duì)殼體擺動(dòng)一個(gè)角度。如果利用某種傳感元件將這個(gè)角度量轉(zhuǎn)換成電量輸出，或者將與擺相連的敏感元件的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電量輸出，就實(shí)現(xiàn)了傾斜角的電測(cè)量。根據(jù)測(cè)量原理，傾斜角傳感器分為液體式、電解液式和垂直振子式等。（1）針對(duì)物體角度變化發(fā)生在鉛垂面內(nèi)的傾斜角傳感器5.2.4姿態(tài)傳感器比如陀螺儀和地磁傳感器等。（2）針對(duì)物體角度變化發(fā)生在水平面內(nèi)的方位角傳感器感謝大家觀看化學(xué)工業(yè)出版社第5章機(jī)器人傳感器機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)目錄contants5.1機(jī)器人傳感器概述5.2機(jī)器人內(nèi)部傳感器5.3機(jī)器人外部傳感器5.4多傳感器信息融合第5章

機(jī)器人傳感器5.3機(jī)器人外部傳感器5.3.1視覺(jué)傳感器5.3.2聽(tīng)覺(jué)傳感器5.3.3觸覺(jué)傳感器5.3.4接近與距離覺(jué)傳感器5.3.5工業(yè)機(jī)器人的常用傳感器5.3

機(jī)器人外部傳感器機(jī)器人外部傳感器主要用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境及工作對(duì)象的狀況，從而使機(jī)器人能夠與環(huán)境發(fā)生交互作用并對(duì)環(huán)境具有自我矯正和適應(yīng)能力。機(jī)器人外部傳感器相當(dāng)于人類的五官，具有多種外部傳感器是先進(jìn)工業(yè)機(jī)器人的重要標(biāo)志。常用的工業(yè)機(jī)器人外部傳感器如圖所示，主要包括視覺(jué)傳感器，聽(tīng)覺(jué)傳感器、觸覺(jué)傳感器、接近與距離覺(jué)傳感器及平衡覺(jué)傳感器等，嗅覺(jué)、味覺(jué)等傳感器在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用較少，它們多用于一些特殊用途，如科研、海洋資源探測(cè)、視頻分析及救火等領(lǐng)域。5.3

機(jī)器人外部傳感器外部傳感器的分類大致如圖所示。接下來(lái)將介紹主要的外部傳感器，其中包含常用傳感器的工作原理，這些知識(shí)是對(duì)傳感器進(jìn)行合理選型的基礎(chǔ)。5.3.1視覺(jué)傳感器有研究表明，視覺(jué)獲得的感知信息占人類對(duì)外界感知信息的80%。人類視覺(jué)細(xì)胞的數(shù)量級(jí)大約為108，是聽(tīng)覺(jué)細(xì)胞的300多倍，是皮膚感覺(jué)細(xì)胞的100多倍。與此類似，機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)同樣占據(jù)非常重要的地位。5.3.1視覺(jué)傳感器機(jī)器人對(duì)工作環(huán)境中的信息進(jìn)行感知、記錄，并對(duì)獲得的圖像進(jìn)行處理和分析的系統(tǒng)稱作機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)。目前多數(shù)工業(yè)機(jī)器人并不具有視覺(jué)系統(tǒng)，但視覺(jué)系統(tǒng)的應(yīng)用正日趨廣泛。機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)主要用于測(cè)量、檢測(cè)、引導(dǎo)和識(shí)別四大領(lǐng)域。5.3.1視覺(jué)傳感器測(cè)量指測(cè)量產(chǎn)品的長(zhǎng)度、角度、圓弧及其半徑等幾何信息；檢測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量是否合格、檢查傳送帶上產(chǎn)品的有/無(wú)都屬于檢測(cè)的內(nèi)容；引導(dǎo)包括機(jī)器人的定位、糾偏及實(shí)時(shí)反饋等內(nèi)容，比如焊縫跟蹤傳感器的作用就是引導(dǎo)弧焊機(jī)器人嚴(yán)格地沿著焊縫運(yùn)動(dòng)；識(shí)別指對(duì)包裝上二維碼、一維碼的識(shí)別，對(duì)字符識(shí)別和驗(yàn)證（OCR/OCV），對(duì)產(chǎn)品顏色的識(shí)別等。5.3.1視覺(jué)傳感器按照信號(hào)的流動(dòng)順序，視覺(jué)系統(tǒng)包括四大模塊，它們共同完成圖像采集和信息提取的任務(wù)。如圖所示，首先是光學(xué)成像模塊，包括光源和鏡頭兩部分，作用是將目標(biāo)清晰地聚焦在圖像傳感器上；第二便是圖像傳感模塊，核心是視覺(jué)傳感器，主要任務(wù)是完成圖像采集工作，本節(jié)主要介紹的就是這一部分；5.3.1視覺(jué)傳感器第三是圖像處理模塊，該模塊主要負(fù)責(zé)圖像的處理與信息參數(shù)的提取，包括用于圖像處理的計(jì)算機(jī)和圖像處理軟件；最后是信息輸出及顯示模塊，包括存儲(chǔ)、顯示及繪圖設(shè)備，用于輸出視覺(jué)系統(tǒng)運(yùn)算結(jié)果和數(shù)據(jù)。5.3.1視覺(jué)傳感器為了確保機(jī)器人視覺(jué)按照統(tǒng)一節(jié)拍協(xié)調(diào)工作，整個(gè)系統(tǒng)需要計(jì)算機(jī)統(tǒng)一指揮，比如當(dāng)距離測(cè)定器檢測(cè)到被檢測(cè)物體到位時(shí)會(huì)通知主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)通過(guò)光源控制器和攝像機(jī)控制器分別控制光源和相機(jī)（視覺(jué)傳感器）開(kāi)始工作，圖像處理完畢后，計(jì)算機(jī)通知圖像輸出設(shè)備進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示或繪圖。5.3.1視覺(jué)傳感器客觀世界中的三維物體由視覺(jué)傳感器（攝像機(jī)）轉(zhuǎn)換為平面的二維圖像，再經(jīng)過(guò)圖像給出景象的描述。視覺(jué)傳感器的基本原理是將光信號(hào)通過(guò)光電元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)各種成像技術(shù)對(duì)看到的作業(yè)對(duì)象進(jìn)行分析和處理，提取有用的信息，并輸入到機(jī)器人的控制系統(tǒng)中，起到反饋外界環(huán)境信息的作用。視覺(jué)傳感器（攝像機(jī)）5.3.1視覺(jué)傳感器攝像機(jī)是常見(jiàn)的視覺(jué)傳感器，它是一種被廣泛使用的景物和圖像輸入設(shè)備，它能將景物、圖片等光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娨曅盘?hào)或圖像數(shù)據(jù)，主要有黑白攝像機(jī)和彩色攝像機(jī)兩種。目前彩色攝像機(jī)雖然已經(jīng)很普遍，價(jià)格也不高，但在工業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)中常選用黑白攝像機(jī)，主要原因是系統(tǒng)只需要具有一定灰度的圖像，經(jīng)過(guò)處理后變成二值圖像，再進(jìn)行匹配和識(shí)別。視頻攝像頭具有處理數(shù)據(jù)量小、處理速度快等優(yōu)點(diǎn)。視覺(jué)傳感器（攝像機(jī)）5.3.1視覺(jué)傳感器攝像機(jī)的關(guān)鍵部件是圖像傳感器，目前常用的是固體視覺(jué)傳感器，它是采用固體圖像敏感器件將二維圖像變換為電信號(hào)的光電式傳感器。固體圖像敏感器件是高度集成化（即固體化）的半導(dǎo)體光敏元陣列。20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著硅半導(dǎo)體工藝和集成電路技術(shù)的發(fā)展，已能在大尺寸的硅襯底上制成特性均勻的半導(dǎo)體結(jié)，并能達(dá)到很高的集成度。這就為制造固體圖像敏感器件創(chuàng)造了條件，使固體圖像傳感器迅速發(fā)展起來(lái)。5.3.1視覺(jué)傳感器固體圖像敏感器件有一維和二維兩種。在采用一維敏感器件的傳感器中，由敏感器件完成一維掃描，同時(shí)將圖像作另一維方向的移動(dòng)，從而完成二維圖像的掃描。二維圖像敏感器件是光敏元的二維陣列，工作時(shí)每個(gè)光敏元本身對(duì)應(yīng)著圖像的一個(gè)像素，在驅(qū)動(dòng)電路的作用下按行輸出脈沖信號(hào)，每個(gè)脈沖的幅值與它所對(duì)應(yīng)的像素的光強(qiáng)度成正比。目前二維面陣傳感器在機(jī)器人中應(yīng)用較多。5.3.1視覺(jué)傳感器固體圖像傳感器有兩種，各有優(yōu)劣。CCD（chargecoupleddevice，電荷耦合器件）CMOS（complementarymetaloxidesemiconductor，互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體），5.3.1視覺(jué)傳感器CCD由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的W.S.博伊爾和G.E.史密斯于1970年發(fā)明。CCD芯片是在N型或P型硅襯底上生長(zhǎng)一薄層二氧化硅，然后在二氧化硅薄層上依次沉積金屬電極形成規(guī)則排列的金屬氧化物（MOS，metaloxidesemiconductor）電容器陣列（即無(wú)數(shù)個(gè)CCD像素點(diǎn)），最后在兩端加上輸入輸出二極管而制成。一塊CCD芯片上包含的像素越多，其提供的圖像分辨率也就越高。（1）CCD5.3.1視覺(jué)傳感器工作時(shí)CCD通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移把光信號(hào)變換成電脈沖信號(hào)輸出，脈沖幅度與它所對(duì)應(yīng)的光敏元的受光強(qiáng)度（對(duì)應(yīng)于圖像的某個(gè)像素）成正比，而脈沖順序則反映光敏元的位置。由CCD視覺(jué)傳感器得到的電信號(hào)經(jīng)過(guò)A\D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，稱作數(shù)字圖像。CCD的優(yōu)勢(shì)在于成像質(zhì)量好，但制造工藝復(fù)雜，導(dǎo)致制造成本較高，特別是大型精密CCD，商用價(jià)格非常高，此外其耗電量也比較大。（1）CCD5.3.1視覺(jué)傳感器CMOS主要利用硅和鍺半導(dǎo)體元素互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流被相應(yīng)敏感元件記錄并形成影像。面陣圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的互補(bǔ)性MOS場(chǎng)效應(yīng)管組成的二維像素陣列，由光敏二極管和CMOS型放大器組成，分別設(shè)有X-Y水平和垂直選址掃描電路，通過(guò)選擇水平掃描線與垂直掃描線確定像素位置，使各個(gè)像素的CMOS型放大器處于導(dǎo)通，然后從與之成對(duì)的光電二極管輸出像素點(diǎn)信息。（2）CMOS5.3.1視覺(jué)傳感器CMOS的優(yōu)點(diǎn)是體積小、耗電量小、售價(jià)便宜，其主要缺點(diǎn)是容易出現(xiàn)雜點(diǎn)，從而出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象?，F(xiàn)在市售的視頻攝像頭多使用CMOS作為光電轉(zhuǎn)換元件。隨著硅晶圓加工技術(shù)的進(jìn)步，CMOS的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)有望超過(guò)CCD，它在圖像傳感器中的應(yīng)用也會(huì)日趨廣泛。（2）CMOS5.3.2聽(tīng)覺(jué)傳感器能聽(tīng)懂人的語(yǔ)言稱為語(yǔ)言識(shí)別功能，能講出人的語(yǔ)言稱為語(yǔ)音合成功能。具有語(yǔ)音識(shí)別功能，能檢測(cè)出聲音或聲波的傳感器稱為聽(tīng)覺(jué)傳感器。機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)傳感器的功能相當(dāng)于機(jī)器人的耳朵，要具有接收聲音信號(hào)和語(yǔ)音識(shí)別的功能。聲源通過(guò)空氣震動(dòng)產(chǎn)生的聲波，聽(tīng)覺(jué)傳感器將聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而具備接收聲音信號(hào)的功能。接收聲音信號(hào)的聽(tīng)覺(jué)傳感器實(shí)際上就是麥克風(fēng)，常用的有動(dòng)圈式傳感器、壓電式傳感器和電容式傳感器。5.3.2聽(tīng)覺(jué)傳感器動(dòng)圈式傳感器的工作原理如圖所示，當(dāng)聲波經(jīng)空氣傳播至膜片時(shí)膜片產(chǎn)生振動(dòng)，在膜片和電極之間的碳粒接觸電阻發(fā)生變化，從而改變送話器的電流，該電流經(jīng)變壓器耦合至放大器，信號(hào)經(jīng)放大后輸出。（1）動(dòng)圈式傳感器（電阻變換型聲敏傳感器）5.3.2聽(tīng)覺(jué)傳感器電容式聲敏傳感器利用電容大小變化將聲音轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。電容式聲敏傳感器由膜片、護(hù)蓋及固定電極組成。膜片是一片質(zhì)量輕而彈性好的金屬薄片，它與固定電極組成一個(gè)間距很小的可變電容器。當(dāng)膜片在聲波作用下震動(dòng)時(shí)，膜片與固定電極間的距離發(fā)生變化，從而引起電容量的變化。如果在傳感器的兩極間串接負(fù)載RL和直流電壓E，當(dāng)電容量隨聲波的振動(dòng)而變化時(shí)，在RL兩端就會(huì)產(chǎn)生交變電壓。（2）電容式聲敏傳感器5.3.2聽(tīng)覺(jué)傳感器壓電式聲敏傳感器是利用壓電晶體的壓電效應(yīng)制成的。當(dāng)聲波作用在膜片上使其振動(dòng)時(shí)，膜片帶動(dòng)壓電晶體產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，壓電晶體在機(jī)械應(yīng)力的作用下產(chǎn)生隨聲壓大小變化的電壓，從而完成聲電轉(zhuǎn)換。（3）壓電式聲敏傳感器5.3.2聽(tīng)覺(jué)傳感器采用以上聽(tīng)覺(jué)傳感器接收到語(yǔ)音信息后，還需要進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別。語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)一般是根據(jù)話語(yǔ)的頻率成分來(lái)進(jìn)行識(shí)別的，主要分為兩類，特定語(yǔ)言識(shí)別和自然語(yǔ)言識(shí)別。特定語(yǔ)言識(shí)別需要預(yù)先提取特定講話者發(fā)音的單詞或音節(jié)的各種特征參數(shù)，并記錄在存儲(chǔ)器中，將要識(shí)別的聲音與之比較，從而確定講話者的信息。目前該技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段，語(yǔ)音識(shí)別芯片已經(jīng)商品化。5.3.2聽(tīng)覺(jué)傳感器采用語(yǔ)言識(shí)別芯片構(gòu)成的傳感器控制系統(tǒng)如圖所示，其中麥克風(fēng)代表聲敏傳感器，由此獲得的電信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理和A/D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別芯片進(jìn)行識(shí)別，主控計(jì)算機(jī)根據(jù)識(shí)別結(jié)果控制機(jī)器人完成相應(yīng)的動(dòng)作，如果必要也可以進(jìn)行聲音合成，用聲音完成人機(jī)交互。5.3.2聽(tīng)覺(jué)傳感器自然語(yǔ)言識(shí)別無(wú)法預(yù)先提取講話人的聲音，要識(shí)別其聲音特征參數(shù)就困難很多。但是隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，自然語(yǔ)言識(shí)別與處理已經(jīng)邁入深度學(xué)習(xí)時(shí)代，越來(lái)越多的自然語(yǔ)言處理技術(shù)趨于成熟并顯示出巨大商業(yè)價(jià)值。5.3.3觸覺(jué)傳感器人的觸覺(jué)是通過(guò)四肢和皮膚對(duì)外界物體性狀的一種感知。機(jī)器人觸覺(jué)的重要性僅次于視覺(jué)，它是接觸、沖擊、壓迫等機(jī)械刺激感覺(jué)的綜合，通過(guò)觸覺(jué)傳感器與被識(shí)別物體相接觸或相互作用來(lái)完成對(duì)物體表面特征和物理性能的感知。圖示為機(jī)械手以正確的姿態(tài)和力度握持一枚雞蛋，若沒(méi)有觸覺(jué)傳感器的協(xié)助，是很難做到的。5.3.3觸覺(jué)傳感器觸覺(jué)傳感器的作用主要有三類：①感知操作手指的作用力，使手指動(dòng)作適當(dāng)。②識(shí)別操作物的大小、形狀、質(zhì)量及硬度等。③躲避危險(xiǎn)，以防碰撞障礙物。機(jī)器人觸覺(jué)傳感器又可細(xì)分為接觸覺(jué)、壓覺(jué)、滑覺(jué)、力覺(jué)傳感器。5.3.3觸覺(jué)傳感器接觸覺(jué)傳感器安裝在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部件或末端執(zhí)行器上，用來(lái)判斷機(jī)器人部件是否接觸到外界物體，也可以用來(lái)檢測(cè)被接觸物體特征。接觸覺(jué)傳感器也可以安裝在機(jī)器人工作站的其他輔助設(shè)備上，比如用作行程開(kāi)關(guān)。（1）接觸覺(jué)傳感器5.3.3觸覺(jué)傳感器機(jī)械式接觸覺(jué)傳感器利用觸點(diǎn)的接通、斷開(kāi)獲取信息，微動(dòng)開(kāi)關(guān)是為最簡(jiǎn)單的單點(diǎn)式接觸覺(jué)傳感器，輸出為二值量（即0和1），常用于感受對(duì)象物的存在與否。微動(dòng)開(kāi)關(guān)是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的單點(diǎn)式接觸覺(jué)傳感器，主要由彈簧和觸頭構(gòu)成，當(dāng)外力通過(guò)傳動(dòng)元件作用于動(dòng)作簧片上，其末端的定觸點(diǎn)與動(dòng)觸點(diǎn)就會(huì)快速接通或斷開(kāi)，從而起到開(kāi)關(guān)作用。（1）接觸覺(jué)傳感器1）點(diǎn)動(dòng)式接觸覺(jué)傳感器5.3.3觸覺(jué)傳感器微動(dòng)開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)是觸點(diǎn)間距小、動(dòng)作行程短、按動(dòng)力小、通斷迅速、使用方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是易產(chǎn)生機(jī)械振蕩，且觸頭易氧化。在實(shí)際應(yīng)用中，通常以微動(dòng)開(kāi)關(guān)會(huì)與相應(yīng)的機(jī)械裝置如探頭、探針等相結(jié)合，構(gòu)成一種觸角傳感器。（1）接觸覺(jué)傳感器1）點(diǎn)動(dòng)式接觸覺(jué)傳感器5.3.3觸覺(jué)傳感器如果僅用于檢測(cè)是否接觸，點(diǎn)動(dòng)式微動(dòng)開(kāi)關(guān)就可以滿足需求；如果需要檢測(cè)對(duì)象物體的形狀，就需要在接觸面上高密度地安裝敏感元件，而點(diǎn)動(dòng)式開(kāi)關(guān)太大不便于集成。用于辨識(shí)物體接觸面輪廓的傳感器是分布式的，比如壓阻陣列觸覺(jué)傳感器，其信號(hào)的處理涉及圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、模式識(shí)別等學(xué)科。（1）接觸覺(jué)傳感器2）分布式觸覺(jué)接觸傳感器5.3.3觸覺(jué)傳感器利用壓阻材料制成的陣列式觸覺(jué)傳感器是分布式觸覺(jué)傳感器代表，它可將壓力信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)。壓阻材料上面排列平行的列電極，下面排列平行的行電極，行列交叉點(diǎn)構(gòu)成陣列壓阻觸元，其結(jié)構(gòu)如圖所示。（1）接觸覺(jué)傳感器2）分布式觸覺(jué)接觸傳感器壓阻陣列觸覺(jué)傳感器基本結(jié)構(gòu)5.3.3觸覺(jué)傳感器常用的壓阻材料是導(dǎo)電橡膠或碳?xì)郑–SA）。碳?xì)质且环N滲碳纖維材料，在金屬電板間夾入碳?xì)?，在壓力作用下，?dǎo)電接觸面積增加，纖維電阻值下降，其電阻值隨壓力的變化如圖所示。碳?xì)值膬?yōu)點(diǎn)是靈敏度高、有較強(qiáng)的耐過(guò)載能力，缺點(diǎn)是遲滯大、線性度差。利用陣列式觸覺(jué)傳感器可制成人工指尖，這類傳感器也可以用于壓覺(jué)測(cè)量。（1）接觸覺(jué)傳感器2）分布式觸覺(jué)接觸傳感器5.3.3觸覺(jué)傳感器壓覺(jué)是指用手指把持物體時(shí)感受到的壓力感覺(jué)，壓覺(jué)傳感器是接觸覺(jué)傳感器的延伸。現(xiàn)有的壓力傳感器一般有以下幾種：1）壓阻效應(yīng)式2）壓電效應(yīng)式3）集成壓敏式4）利用壓磁傳感器、掃描電路和針式差動(dòng)變壓器式觸覺(jué)傳感器構(gòu)成的壓覺(jué)傳感器（2）壓覺(jué)傳感器5.3.3觸覺(jué)傳感器壓阻材料的內(nèi)阻隨壓力變化而變化，稱為壓阻效應(yīng)。將壓組元件密集配置成陣列，即可檢測(cè)壓力的分布。例如，多晶硅或者單晶硅等半導(dǎo)體材料的某一晶面受壓力時(shí)，晶體固有電阻率會(huì)發(fā)生變化。如圖所示，R1，R2，R3，R4為利用擴(kuò)散工藝在半導(dǎo)體材料的感壓膜片上產(chǎn)生的四個(gè)敏感電阻條，將其連接形成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，其輸入電壓為Us，使用恒流源或者恒壓源供電。電阻初始值都相等即R1=R2=R3=R4，此時(shí)電橋處于平衡狀態(tài)，輸出電壓Uo=0。當(dāng)有壓力作用于膜片時(shí)，敏感電阻的阻值就會(huì)改變，電橋的平衡狀態(tài)被打破，所以輸出電壓Uo發(fā)生改變，從而能夠測(cè)量出所受壓力。（2）壓覺(jué)傳感器1）壓阻效應(yīng)式壓阻式壓力傳感器工作原理圖5.3.3觸覺(jué)傳感器壓電材料在壓力的作用下相應(yīng)表面會(huì)產(chǎn)生電荷，稱為壓電效應(yīng)?？梢詫弘姴牧现瞥深愃迫祟惼つw的壓電薄膜感知外界的壓力。其優(yōu)點(diǎn)是耐腐蝕、頻帶寬、靈敏度高。缺點(diǎn)是無(wú)直流響應(yīng)，不能直接檢測(cè)靜態(tài)信號(hào)。（2）壓覺(jué)傳感器2）壓電效應(yīng)式5.3.3觸覺(jué)傳感器利用半導(dǎo)體力敏元件與信號(hào)電路構(gòu)成的集成壓敏傳感器，常用的有壓電型、電阻型和電容型三種。其優(yōu)點(diǎn)是體積小、成本低，便于同計(jì)算機(jī)連接，缺點(diǎn)是耐壓負(fù)載小，不柔軟。（2）壓覺(jué)傳感器3）集成壓敏式5.3.3觸覺(jué)傳感器這種傳感器有較強(qiáng)的過(guò)載能力，但體積較大。（2）壓覺(jué)傳感器4）利用壓磁傳感器、掃描電路和針式差動(dòng)變壓器式觸覺(jué)傳感器構(gòu)成的壓覺(jué)傳感器5.3.3觸覺(jué)傳感器（2）壓覺(jué)傳感器機(jī)器人的壓力傳感器安裝在手爪上面，可以在把持物體時(shí)檢測(cè)到物體與手爪間產(chǎn)生的壓力及其分布情況。比如把多個(gè)壓電元件和彈簧排列成平面狀，就可識(shí)別各處壓力的大小以及壓力的分布，由于壓力分布可表示物體的形狀，所以也可用作識(shí)別物體。通過(guò)對(duì)壓覺(jué)的巧妙控制，機(jī)器人即可抓取豆腐及雞蛋等軟物體，圖為機(jī)械手在壓力傳感器的輔助下抓取塑料吸管。5.3.3觸覺(jué)傳感器（3）滑覺(jué)傳感器一般可將機(jī)械手抓取物體的方式分為硬抓取和軟抓取兩種。硬抓取指末端執(zhí)行器利用最大的夾緊力抓取工件，只考慮工件能否被抓起，不考慮是否會(huì)損傷工件。如果抓取的是類似雞蛋的易碎物，其握力應(yīng)盡量小，但又不會(huì)導(dǎo)致工件滑落，這時(shí)候就必須采用軟抓取——在手爪上安裝滑覺(jué)傳感器，它能檢測(cè)出握力不夠時(shí)工件的滑動(dòng)，利用這一信號(hào)，可以做到在不損壞工件的情況下牢牢抓住它。5.3.3觸覺(jué)傳感器（3）滑覺(jué)傳感器滑覺(jué)傳感器用于判斷和測(cè)量機(jī)器人抓握或搬運(yùn)物體時(shí)物體所產(chǎn)生的滑移，它實(shí)際上是一種位移傳感器。滑覺(jué)傳感器按有無(wú)滑動(dòng)方向檢測(cè)功能分為無(wú)方向性、單方向性和全方向性三類。5.3.3觸覺(jué)傳感器（3）滑覺(jué)傳感器滑覺(jué)傳感器用于判斷和測(cè)量機(jī)器人抓握或搬運(yùn)物體時(shí)物體所產(chǎn)生的滑移，它實(shí)際上是一種位移傳感器?；X(jué)傳感器按有無(wú)滑動(dòng)方向檢測(cè)功能分為無(wú)方向性、單方向性和全方向性三類。①無(wú)方向性傳感器有探針耳機(jī)式，它由藍(lán)寶石探針、金屬緩沖器、壓電羅謝爾鹽晶體和橡膠緩沖器組成?；瑒?dòng)時(shí)探針產(chǎn)生振動(dòng)，由羅謝爾鹽晶體轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)。緩沖器的作用是減小噪聲。5.3.3觸覺(jué)傳感器（3）滑覺(jué)傳感器②單方向性傳感器有滾筒光電式，被抓物體的滑移使?jié)L筒轉(zhuǎn)動(dòng)，光敏二極管接收到透過(guò)碼盤(pán)（裝在滾筒的圓面上）的光信號(hào)，通過(guò)滾筒的轉(zhuǎn)角信號(hào)而測(cè)出物體的滑動(dòng)，原理與光電編碼器類似。如圖所示，當(dāng)手爪中的物體滑動(dòng)時(shí)，滾軸將旋轉(zhuǎn)，滾軸帶動(dòng)安裝在其中的光電傳感器和縫隙碼盤(pán)而產(chǎn)生脈沖信號(hào)，這些信號(hào)通過(guò)計(jì)數(shù)電路和D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，通過(guò)反饋系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)控制，不斷修正握力，達(dá)到消除滑動(dòng)的目的。滾軸式滑覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖5.3.3觸覺(jué)傳感器（3）滑覺(jué)傳感器③全方向性傳感器典型代表是球形滑覺(jué)傳感器，其中有一個(gè)表面包有絕緣材料并構(gòu)成經(jīng)緯分布的導(dǎo)電與不導(dǎo)電區(qū)的金屬球，當(dāng)傳感器接觸物體并產(chǎn)生滑動(dòng)時(shí)，球發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使球面上的導(dǎo)電與不導(dǎo)電區(qū)交替接觸電極，從而產(chǎn)生通斷信號(hào)，通過(guò)對(duì)通斷信號(hào)的計(jì)數(shù)和判斷可測(cè)出滑移的大小和方向。這種傳感器可以檢測(cè)全方位的滑動(dòng)，但制作工藝要求較高。球形滑覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖5.3.3觸覺(jué)傳感器（4）力覺(jué)傳感器機(jī)器人的力覺(jué)傳感器用于檢測(cè)機(jī)器人的手臂和手腕等所產(chǎn)生的自身力，或與外部環(huán)境之間的作用力，力覺(jué)傳感器是智能機(jī)器人感知系統(tǒng)中最重要的傳感器之一。力覺(jué)傳感器可用于感知夾持物體的狀態(tài)、校正由手臂變形引起的運(yùn)動(dòng)誤差、防止碰撞、控制裝配、打磨、研磨拋光的質(zhì)量等，應(yīng)用十分廣泛。5.3.3觸覺(jué)傳感器（4）力覺(jué)傳感器根據(jù)檢測(cè)原理，力覺(jué)傳感器可分為應(yīng)變片式、壓電元件式、差動(dòng)變壓器、電容位移計(jì)等等多種形式。其中電阻應(yīng)變片式力覺(jué)傳感器使用比較廣泛，在腕力傳感器中尤為普遍。根據(jù)傳感器安裝位置和測(cè)量對(duì)象的不同，力覺(jué)傳感器又可分為關(guān)節(jié)力傳感器、腕力傳感器和指力傳感器。5.3.3觸覺(jué)傳感器（4）力覺(jué)傳感器關(guān)節(jié)力傳感器安裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器上測(cè)量驅(qū)動(dòng)器本身的輸出力和力矩，用于控制過(guò)程的力反饋，這種傳感器信息量單一，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，是一種專用的力傳感器。工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)力矩傳感器根據(jù)檢測(cè)原理不同，目前可以分為應(yīng)變片型、磁彈性型、光電型和電容型等。其中應(yīng)變片型最為成熟，應(yīng)用最為普遍。1）關(guān)節(jié)力傳感器5.3.3觸覺(jué)傳感器（4）力覺(jué)傳感器應(yīng)變片型關(guān)節(jié)力矩傳感器在傳感器彈性體上粘貼若干應(yīng)變片并將其組成惠斯通電橋電路，利用應(yīng)變片的應(yīng)變電阻效應(yīng)，感知傳感器彈性體在負(fù)載作用下產(chǎn)生的變形，將彈性體產(chǎn)生的微小應(yīng)變轉(zhuǎn)化為容易測(cè)量的電橋電壓，再經(jīng)過(guò)一系列信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)扭矩測(cè)量。1）關(guān)節(jié)力傳感器5.3.3觸覺(jué)傳感器（4）力覺(jué)傳感器腕力傳感器安裝在末端執(zhí)行器和機(jī)器人最后一個(gè)關(guān)節(jié)之間，它能直接測(cè)出作用在末端執(zhí)行器上的各向力和力矩，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。由于其安裝部位在末端執(zhí)行器和機(jī)器人手臂之間，比較容易形成通用化的產(chǎn)品系列。腕力傳感器有單維和多維之分。機(jī)器人擰螺絲時(shí)，需要感知其輸出的力矩確保螺絲松緊合適，這時(shí)單維力矩傳感器即可滿足需要。應(yīng)變片式單維力矩傳感器工作原理與關(guān)節(jié)力矩傳感器十分相似。2）腕力傳感器5.3.3觸覺(jué)傳感器（4）力覺(jué)傳感器更復(fù)雜的作業(yè)則需要使用多維力傳感器。六維力覺(jué)傳感器是機(jī)器人最重要的外部傳感器之一，該傳感器能同時(shí)獲取包括三個(gè)力和三個(gè)力矩在內(nèi)的全部信息，因而被廣泛用于力/位置控制、軸孔配合、輪廓跟蹤及雙機(jī)器人協(xié)調(diào)等先進(jìn)機(jī)器人控制之中，已成為保證機(jī)器人操作安全與完善作業(yè)能力方面不可缺少的重要工具。腕力傳感器大部分采用應(yīng)變電測(cè)原理，常見(jiàn)的有十字腕力傳感器和桶式腕力傳感器。2）腕力傳感器5.3.3觸覺(jué)傳感器（4）力覺(jué)傳感器圖為一種典型的多維十字腕力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，這種傳感器做成十字形狀，四個(gè)工作梁的橫斷面都為正方形，每根梁的一端與圓柱形外殼連接在一起，另一端固定在手腕軸上。在每根梁的上下左右表面選取測(cè)量敏感點(diǎn)粘貼半導(dǎo)體應(yīng)變片，并將每根工作梁相對(duì)表面上的兩塊應(yīng)變片以插動(dòng)方式與電位計(jì)電路連接。在外力作用下，電位計(jì)的輸出電壓正比于該對(duì)應(yīng)變片敏感方向上力的大小，然后再利用傳感器的特征數(shù)據(jù)，可將電位計(jì)的輸出信號(hào)進(jìn)行解耦，得到六個(gè)力或力矩的精確解。2）腕力傳感器5.3.3觸覺(jué)傳感器（4）力覺(jué)傳感器圖為六維腕力傳感器采用桶式結(jié)構(gòu)，它由一根直徑為75毫米的鋁管銑削而成，分為上下兩層，上層由四根豎直梁組成，下層由四根水平梁組成，在八根梁的相應(yīng)位置上粘貼應(yīng)變片作為測(cè)量敏感點(diǎn)。傳感器兩端通過(guò)法蘭盤(pán)與機(jī)器人腕部連接。機(jī)器人腕部受力時(shí)八根彈性梁產(chǎn)生不同性質(zhì)的變形，使敏感點(diǎn)的應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變并輸出電信號(hào)。通過(guò)一定的數(shù)學(xué)關(guān)系式可以算出XYZ三個(gè)坐標(biāo)上的分力和分力矩。圖中PX+，QY-等代表八根應(yīng)變梁的變形信號(hào)輸出。該傳感器具有良好的線性重復(fù)性和較好的遲滯性，并且對(duì)溫度有補(bǔ)償性，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易加工，而且剛度較低。2）腕力傳感器5.3.3觸覺(jué)傳感器（4）力覺(jué)傳感器指力傳感器安裝在機(jī)器人手指或手指關(guān)節(jié)上，用來(lái)測(cè)量夾持物體時(shí)的手指的受力情況。指力傳感器一般測(cè)量范圍較小、同時(shí)受手爪尺寸和重量的限制，在結(jié)構(gòu)上要求小巧。指力傳感器也可以用來(lái)防止碰撞，機(jī)器人如果感知到壓力將發(fā)送信號(hào)，從而限制或停止機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。3）指力傳感器5.3.4接近與距離覺(jué)傳感器接近與距離覺(jué)傳感器是機(jī)器人用以探測(cè)自身與周圍物體之間相對(duì)位置和距離的傳感器。它主要起以下三個(gè)方面的作用：①接觸對(duì)象物前獲取必要的信息，為后面動(dòng)作做準(zhǔn)備；②發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)，改變路徑或停止，以免發(fā)生碰撞；③得到對(duì)象物體表面形狀的信息。5.3.4接近與距離覺(jué)傳感器傳感器越接近物體，越能精確地確定物體位置，因此常安裝于機(jī)器人的手部，也可用于機(jī)器人工作站中的其他輔助設(shè)備上。根據(jù)感知范圍，接近與距離覺(jué)傳感器大致可分為三類，如圖所示，此外前面介紹過(guò)的視覺(jué)傳感器也具有接近覺(jué)傳感器的功能。5.3.4接近與距離覺(jué)傳感器接觸和距離覺(jué)傳感器種類繁多原理各異，下圖將其工作原理做了歸納，我們可以從測(cè)量量、媒介及被測(cè)對(duì)象的反應(yīng)三個(gè)方面理解此類傳感器的工作原理。接近和距離覺(jué)傳感器工作原理5.3.4接近與距離覺(jué)傳感器由于工業(yè)機(jī)器人的工作對(duì)象大多是金屬部件，因此電磁式接近覺(jué)傳感器的應(yīng)用較廣，比如在焊接機(jī)器人中可用它來(lái)探測(cè)焊縫。電磁式接近覺(jué)傳感器常用于毫米級(jí)測(cè)距，測(cè)量量是電感量，其工