第8章-机器人传感器

1、Robotics济南大学济南大学6/25/2022n 第第8 8章章 传感器传感器Robotics济南大学济南大学6/25/2022n 8.1 8.1 引言引言视视 觉觉听听 觉觉嗅嗅 觉觉味味 觉觉触触 觉觉o 给机器人装备什么样的传感器，对这些传感器有什么要给机器人装备什么样的传感器，对这些传感器有什么要求，这是设计机器人感觉系统时遇到的首要问题。选择机器求，这是设计机器人感觉系统时遇到的首要问题。选择机器人传感器应当完全取决于机器人的人传感器应当完全取决于机器人的工作需要工作需要和和应用特点应用特点。多多传传感感器器在在移移动动机机器器人人中中的的应应用用Robotics济南大学济南大学

2、6/25/2022采用两级分布式计算采用两级分布式计算机实时控制系统机实时控制系统 在机器人中，起到内部反馈控制作在机器人中，起到内部反馈控制作用或感知与外部环境的相互作用的用或感知与外部环境的相互作用的装置被称为传感器。装置被称为传感器。灵巧手灵巧手三个手指三个手指3个关节个关节微电机微电机角度传感器角度传感器三维力传感器三维力传感器概念：概念：Robotics济南大学济南大学6/25/2022n 8.2 8.2 传感器分类传感器分类机器人机器人机器人信息传感 内传感器是用于测量机器内传感器是用于测量机器人自身状态的功能元件。人自身状态的功能元件。 测量与机器人作业有关的测量与机器人作业有关

3、的外部因素。通常与机器人的外部因素。通常与机器人的目标识别目标识别、作业安全作业安全等因素等因素有关。有关。Robotics济南大学济南大学6/25/2022传感器如何选择？传感器如何选择？Robotics济南大学济南大学6/25/2022n 传感器特性传感器特性Robotics济南大学济南大学6/25/20228.3 8.3 内传感器：内传感器： 内传感器是用于测量机器人自身状态的功能元内传感器是用于测量机器人自身状态的功能元件。件。 具体检测的对象有：具体检测的对象有： 关节的线位移、角位移等几何量；关节的线位移、角位移等几何量； 速度、角速度、加速度等运动量；速度、角速度、加速度等运动量

4、； 倾斜角、方位角、振动等物理量。倾斜角、方位角、振动等物理量。 内传感器常用于控制系统中，用作内传感器常用于控制系统中，用作反馈元件反馈元件，检测机器人自身的状态参数。检测机器人自身的状态参数。常用的有：常用的有： Robotics济南大学济南大学6/25/20221 1规定位置检测的内传感器：规定位置检测的内传感器：应用场合：应用场合： 检测规定的位置，常用检测规定的位置，常用ON/OFF两个状态值。这两个状态值。这种方法用于检测机器人的种方法用于检测机器人的起始原点起始原点、终点位置终点位置或或某某个确定的位置个确定的位置。典型元器件：典型元器件：给定位置检测常用的检测元件有给定位置检测

5、常用的检测元件有微型开关、光电开关微型开关、光电开关等。等。1）微型开关微型开关 规定的位移量或力作用在微型开关的可动部分上，开规定的位移量或力作用在微型开关的可动部分上，开关的电气触点断开（常闭）或接通（常开）并向控制回关的电气触点断开（常闭）或接通（常开）并向控制回路发出动作信号。路发出动作信号。Robotics济南大学济南大学6/25/2022一般在限位开关的执行器上安装滚轮。一般在限位开关的执行器上安装滚轮。 限位开关限位开关就是用以限定机械设备的运动极限位就是用以限定机械设备的运动极限位置的电气开关。置的电气开关。 这种开关有这种开关有接触式的和非接触式接触式的和非接触式两种。两种。

6、 接触式的比较直观，机械设备的运动部件上，接触式的比较直观，机械设备的运动部件上，安装行程开关，与其相对运动的固定点上安装极限安装行程开关，与其相对运动的固定点上安装极限位置的挡块，或者是相反安装位置。当行程开关的位置的挡块，或者是相反安装位置。当行程开关的机械触头碰上挡块时，切断了（或改变了）控制电机械触头碰上挡块时，切断了（或改变了）控制电路，机械就停止运行或改变运行。由于机械的惯性路，机械就停止运行或改变运行。由于机械的惯性运动，这种行程开关有一定的运动，这种行程开关有一定的“超行程超行程”以保护开以保护开关不受损坏。关不受损坏。 非接触式的形式很多，常见的有干簧管、光电非接触式的形式很

7、多，常见的有干簧管、光电式、感应式等，这几种形式在电梯中都能够见到。式、感应式等，这几种形式在电梯中都能够见到。当然还有更多的先进形式。当然还有更多的先进形式。执行器形状不同的限位开关Robotics济南大学济南大学6/25/20222 2）光电开关）光电开关 光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的现控制的。光电开关在一般情况下，有三部分构成，它们分。光电开关在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。为：发送器、接收器和检测电路。 光电开关的原理光电开关的原理是根据投光器发出的光束是根据投光器发出的光束

8、,被物体阻断或被物体阻断或部分反射部分反射,受光器最终据此作出判断反应，启动开关作用。受光器最终据此作出判断反应，启动开关作用。 光电开关的原理光电开关的原理特点：非接触性检特点：非接触性检测，精度达测，精度达0.5mm.Robotics济南大学济南大学6/25/20222位置、角度测量 测量机器人测量机器人关节线位移关节线位移和和角位移角位移的传感器是的传感器是机器人位置反馈控制中必不可少的元件。常机器人位置反馈控制中必不可少的元件。常用的有用的有电位器、旋转变压器、编码器电位器、旋转变压器、编码器等。其等。其中编码器既可以检测直线位移，又可以检测中编码器既可以检测直线位移，又可以检测角位移

9、。角位移。Robotics济南大学济南大学6/25/2022 1）光电编码器）光电编码器： 光电编码器由光电编码器由发光元件、聚光镜、漏光盘、光栏板、光敏发光元件、聚光镜、漏光盘、光栏板、光敏管管等构成。灯泡发出的光线经过聚焦后变成平行光束，当等构成。灯泡发出的光线经过聚焦后变成平行光束，当漏光盘上的条纹与光栏板上的条纹重合时，光敏管便接受漏光盘上的条纹与光栏板上的条纹重合时，光敏管便接受一次光的信号并记数，由此可以测试旋转速度。一次光的信号并记数，由此可以测试旋转速度。光电编码器工作原理图光电编码器工作原理图1-光源光源 2-聚光镜聚光镜 3-漏光盘漏光盘 4-光敏管光敏管 5-光拦板光拦板

10、Robotics济南大学济南大学6/25/2022l2）电位器）电位器 由环状或棒状电阻丝和滑动片（电刷）组成由环状或棒状电阻丝和滑动片（电刷）组成。将线位移或角位移转化。将线位移或角位移转化成电阻的变化，以电压或电流形式输出。检测的是以电阻中心为基准位成电阻的变化，以电压或电流形式输出。检测的是以电阻中心为基准位置的移动距离。置的移动距离。 E：输入电压输入电压 L：触头最大移动距离触头最大移动距离 X：向：向左端移动的距离左端移动的距离 e：电阻右侧的输出电压电阻右侧的输出电压EEeL)2(Robotics济南大学济南大学6/25/2022l 3）编码器）编码器检测细微运动，输出数字信号检

11、测细微运动，输出数字信号根据信号输出形式分为根据信号输出形式分为增量式和绝对式增量式和绝对式A 增量式增量式简单旋转式增量编码器简单旋转式增量编码器简单直线增量编码器简单直线增量编码器Robotics济南大学济南大学6/25/2022 旋转式增量编码器旋转式增量编码器通过内部两个光通过内部两个光敏接收管转化其角度码盘的敏接收管转化其角度码盘的时序时序和和相相位位关系关系，得到其角度码盘角度位移量，得到其角度码盘角度位移量增加（正方向）或减少（负方向）。增加（正方向）或减少（负方向）。顺时针运动逆时针运动A B1 10 10 01 0A B1 11 00 00 1S2S1S0 S1S0顺时针顺时

12、针逆时针逆时针S0S0S2S2Robotics济南大学济南大学6/25/2022无法输出轴转动无法输出轴转动的绝对位置信息的绝对位置信息 增量式编码器是直接利用光电转换增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲原理输出三组方波脉冲A A、B B和和Z Z相相；A A、B B两组脉冲相位差两组脉冲相位差9090，从而可方从而可方便地判断出旋转方向便地判断出旋转方向，而而Z Z相为每转相为每转一个脉冲一个脉冲，用于基准点定位用于基准点定位。优优点点原理构造简单原理构造简单寿命寿命长，可靠性高长，可靠性高抗干扰能力强抗干扰能力强缺缺点点Robotics济南大学济南大学6/25/2022B B

13、 绝对式绝对式#格雷码二进制码#格雷码二进制码00000000060101011010001000170100011120011001081100100030010001191101100140110010010111110105011101011111101011 每个位置都对应着透每个位置都对应着透光与不透光弧段的惟一确光与不透光弧段的惟一确定组合，这种确定组合有定组合，这种确定组合有惟一的特征。通过这特征，惟一的特征。通过这特征，在任意时刻都可以确定码在任意时刻都可以确定码盘的精确位置。盘的精确位置。绝对式旋转编码器根据读出码盘上的编码检测绝对位置。绝对式旋转编码器根据读出码盘上的编码检

14、测绝对位置。Robotics济南大学济南大学6/25/20223 3）旋转变压器）旋转变压器原理：原理：转子转动引起磁通量旋转，在次级线圈产生变化转子转动引起磁通量旋转，在次级线圈产生变化的电压。从而可以用来测量角位移。的电压。从而可以用来测量角位移。 旋转变压器又称分解器旋转变压器又称分解器，是一种控制用的微电机，它将机械转角变是一种控制用的微电机，它将机械转角变换成与该转角呈某一函数关系的电信号的一种间接测量装置换成与该转角呈某一函数关系的电信号的一种间接测量装置。 在结构在结构上与二相线绕式异步电动机相似，由定子和转子组成。定子绕组为变压上与二相线绕式异步电动机相似，由定子和转子组成。定

15、子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到转子绕组上，感应器的原边，转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到转子绕组上，感应电动势由定子绕组输出。电动势由定子绕组输出。 旋转变压器结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号旋转变压器结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。幅度大，抗干扰性强，工作可靠。 Robotics济南大学济南大学6/25/20223 、速度传感器速度传感器编码器编码器原理原理：在闭环伺服系统中，编码器的反馈脉冲个数和系统所在闭环伺服系统中，编码器的反馈脉冲个数和系统所走位置的多少成正比。走位置的多少成

16、正比。对任意给定的角位移，编码器将产生对任意给定的角位移，编码器将产生确定数量的脉冲信号，通过统计指定时间内脉冲信号的数量，确定数量的脉冲信号，通过统计指定时间内脉冲信号的数量，能计算出相应的角速度。能计算出相应的角速度。 速度、角速度的测量是驱动器反馈控制中必不可少的环速度、角速度的测量是驱动器反馈控制中必不可少的环节。可利用前面所述的位移传感器或编码器测量，也可用测节。可利用前面所述的位移传感器或编码器测量，也可用测速发电机测量。速发电机测量。Robotics济南大学济南大学6/25/2022 从工作原理上讲从工作原理上讲,它属于它属于“发电机发电机”的范畴。测速发电机的范畴。测速发电机在

17、控制系统中主要作为在控制系统中主要作为阻尼元件、微分元件、积分元件和测阻尼元件、微分元件、积分元件和测速元件速元件来使用。测速发电机是一种测量转速的微型发电机，来使用。测速发电机是一种测量转速的微型发电机，它它把输入的机械转速变换为电压信号输出把输入的机械转速变换为电压信号输出，并要求输出的电，并要求输出的电压信号与转速成正比，即压信号与转速成正比，即 测速发电机分直流测速发电机和交流测速发电机两大类。测速发电机分直流测速发电机和交流测速发电机两大类。 测速发电机测速发电机Robotics济南大学济南大学6/25/2022 1）直流测速发电机直流测速发电机 直流测速发电机实际就是一种微型直流发

18、电机直流测速发电机实际就是一种微型直流发电机，按定子磁极的励磁方式，按定子磁极的励磁方式分为电磁式和永磁式。分为电磁式和永磁式。直流测速发电机直流测速发电机的输出电压与转速要严格保持正比的输出电压与转速要严格保持正比关系关系,这在实际中是难以做到的，直流测速发电机输出的是一个这在实际中是难以做到的，直流测速发电机输出的是一个脉动电压脉动电压，其交变分量对速度反馈控制系统、高精度的解算装置有较明显的影响。其交变分量对速度反馈控制系统、高精度的解算装置有较明显的影响。2）交流测速发电机交流测速发电机 交流异步测速发电机交流异步测速发电机与交流伺服电动机的结构相似，其转子结构有笼型与交流伺服电动机的

19、结构相似，其转子结构有笼型的，也有杯型的，在自动控制系统中多用的，也有杯型的，在自动控制系统中多用空心杯转子异步测速发电机空心杯转子异步测速发电机。 交流同步测速发电机交流同步测速发电机因感应电势频率随转速而变，致使电机本身的阻抗因感应电势频率随转速而变，致使电机本身的阻抗及负载阻抗均随转速而变化，因此，输出电压不再与转速成正比关系。故及负载阻抗均随转速而变化，因此，输出电压不再与转速成正比关系。故同步测速发电机应用较少。同步测速发电机应用较少。 测速发电机的作用是将机械速度转换为电气信号，常用作测速发电机的作用是将机械速度转换为电气信号，常用作测速元件、测速元件、校正元件、解算元件校正元件、

20、解算元件，与伺服电机配合，广泛使用于许多速度控制或位置，与伺服电机配合，广泛使用于许多速度控制或位置控制系统中，如在稳速控制系统中，测速发电机将速度转换为电压信号作控制系统中，如在稳速控制系统中，测速发电机将速度转换为电压信号作为速度反馈信号，可达到较高的稳定性和较高的精度，在计算解答装置中，为速度反馈信号，可达到较高的稳定性和较高的精度，在计算解答装置中，常作为微分、积分元件。常作为微分、积分元件。Robotics济南大学济南大学6/25/20228.4 8.4 典型外传感器典型外传感器 用来检测机器人所处环境（如是什么物体，离物体的距离有用来检测机器人所处环境（如是什么物体，离物体的距离有

21、多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。主要有：主要有：物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。力觉传感器，听觉传感器等。Robotics济南大学济南大学6/25/20228.4.1 8.4.1 外部状况的感觉外部状况的感觉 1、物体识别传感器 典型的是视觉传感器，如摄像机。视觉是利用典型的是视觉传感器，如摄像机。视觉是利用 光（机器人可用红外线等）的非接触方式。光（机器人可用红外线等）的非接触方式。 触觉也能识别物体。机器人可以用触觉传

22、感器触觉也能识别物体。机器人可以用触觉传感器 来实现这种机能。来实现这种机能。 2、物体探测传感器 物体探测传感器是一种识别物体而且知道其存在物体探测传感器是一种识别物体而且知道其存在 的传感器。例如的传感器。例如视觉传感器、光电开关和超声波传感视觉传感器、光电开关和超声波传感器等器等，即使物体较远也能探测其存在。，即使物体较远也能探测其存在。Robotics济南大学济南大学6/25/20223、极近物体探测传感器 探测非常近的物体存在的传感器称为探测非常近的物体存在的传感器称为接近传感器接近传感器。 接近传感器又称无触点接近传感器，是理想的电子开关量传感器。当金属类被检测体接近传感器的感应区

23、域，开关就能在无接触、无压力、无火花的情况下迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程。即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。常用的有： 两线制接近传感器：两线制接近传感器安装简单，接线方便；应用比较广泛，但却有残余电压和漏电流大的缺点。直流三线式接近传感器的输出型有NPN和PNP两种，70年代日本产品绝大多数是NPN输出，西欧各国NPN、PNP两种输出型都有。 PNP输出接近传感器一般应用在PLC或计算机上作为控制指令的较多，NPN输出接近传感器用于控制直流继电器较多，在实际应用中要根据控制电路

24、的特性进行选择其输出形式。 Robotics济南大学济南大学6/25/2022带有带有RS232数据接数据接口激光测距传感器口激光测距传感器超声波距离传感器超声波距离传感器红外线距离传感器红外线距离传感器4 4、距离传感器、距离传感器 摄像机距离传感器。摄像机距离传感器。 超声波距离传感器超声波距离传感器。 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波对液体、超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波对液体、固体的穿透能力很大，尤其是在不透光的固体中，它可穿透几十米的深度。固体的穿透能力很大，尤其是在不透光的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反

25、射形成反射回波超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能碰到活动物体能产生产生多普勒效应多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。面。以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。可用于鱼群可用于鱼群探测、金属内部探伤等方面。探测、金属内部探伤等方面。 激光距离传感器激光距离传感器： 利用激光传输时间来测量距离的基本原理是，通过测量激光往返目标利用激光传输时间来测量距离的基本原理是，通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离。所需时间来确定目标距离

26、。Robotics济南大学济南大学6/25/20225. 5. 力觉传感器力觉传感器 力觉传感器使用的主要元件是力觉传感器使用的主要元件是电阻应变片电阻应变片。 （3）装在机器人手爪指关节（或手指上）的力传感器，）装在机器人手爪指关节（或手指上）的力传感器，称为称为指力传感器指力传感器。 （1）装在关节驱动器上的力传感器，称为）装在关节驱动器上的力传感器，称为关节力传感关节力传感 器器。用于控制中的力反馈。用于控制中的力反馈。 （2）装在末端执行器和机器人最后一个关节之间的力）装在末端执行器和机器人最后一个关节之间的力传感器，称为传感器，称为腕力传感器腕力传感器。Robotics济南大学济南大

27、学6/25/2022 SRI （Stanford Research Institute）研制的）研制的六维腕力传感器六维腕力传感器，如图所示。它由一段直径为如图所示。它由一段直径为75mm的铝管铣削而成，具有八个窄长的的铝管铣削而成，具有八个窄长的弹性梁，每个梁的颈部只传递力，弹性梁，每个梁的颈部只传递力，扭矩作用很小。梁的另一头贴有应扭矩作用很小。梁的另一头贴有应变片。图中从变片。图中从Px+到到Qy-代表了代表了8根根应变梁的变形信号的输出。应变梁的变形信号的输出。SRI传感器传感器Robotics济南大学济南大学6/25/2022 日本大和制衡株式会社日本大和制衡株式会社林纯一研制的林纯

28、一研制的腕力传感器腕力传感器。它是一种整体轮辐式结构，它是一种整体轮辐式结构，传感器在十字梁与轮缘联结传感器在十字梁与轮缘联结处有一个柔性环节，在四根处有一个柔性环节，在四根交叉梁上共贴有交叉梁上共贴有3232个应变片个应变片（图中以小方块），组成（图中以小方块），组成8 8路路全桥输出全桥输出 。Robotics济南大学济南大学6/25/2022 非径向中心对称三梁腕力传感器非径向中心对称三梁腕力传感器 传感器的内圈和外圈分别固定于机器传感器的内圈和外圈分别固定于机器人的手臂和手爪，力沿与内圈相切的三人的手臂和手爪，力沿与内圈相切的三根梁进行传递。每根梁上下、左右各贴根梁进行传递。每根梁上下

29、、左右各贴一对应变片，三根梁上共有一对应变片，三根梁上共有6对应变片，对应变片，分别组成六组半桥，对这分别组成六组半桥，对这6组电桥信号进组电桥信号进行解耦可得到六维力（力矩）的精确解。行解耦可得到六维力（力矩）的精确解。Robotics济南大学济南大学6/25/20226 6、其他类型传感器、其他类型传感器 语音识别传感器语音识别传感器。分析振动声音探测机械故障的。分析振动声音探测机械故障的点点传感器传感器。 热传感器：热传感器：温度传感器温度传感器。 通过分析敲打的声音通过分析敲打的声音测定果品成熟程度的传感器测定果品成熟程度的传感器。 根据近红外线的糖度吸收程度根据近红外线的糖度吸收程度

30、测定水果甜度的测定水果甜度的 传感器传感器Robotics济南大学济南大学6/25/20228.4.2 8.4.2 机器人需要的感觉能力机器人需要的感觉能力 触觉能力触觉能力： 主要指确定工作对象主要指确定工作对象是否存在是否存在，以及它的，以及它的尺寸大小尺寸大小和和形状形状等。等。接近觉接近觉能力能力： 主要用于探测机器人自身与周围物体之间主要用于探测机器人自身与周围物体之间相对位置相对位置或或距离距离。接近。接近觉界于触觉与视觉之间。觉界于触觉与视觉之间。视觉视觉能力能力： 孔、边、拐角的孔、边、拐角的检测检测及工作对象及工作对象形状形状的检测等。的检测等。压觉压觉能力能力： 主要用于检

31、测机器人与作业对象之间接触面的主要用于检测机器人与作业对象之间接触面的法向压力值法向压力值的大小。的大小。滑觉滑觉能力能力： 主要用于检测物体因自主要用于检测物体因自重相对于机器人手爪的重相对于机器人手爪的滑移量滑移量的大小。的大小。Robotics济南大学济南大学6/25/20221 1接触觉传感器：接触觉传感器： 接触觉传感器检测机器人是否接触觉传感器检测机器人是否接触目标或环境接触目标或环境，用于寻找物体或感知碰撞。，用于寻找物体或感知碰撞。工作工作原理原理： 在电极和柔性导体之间留有间隙，当施加外力时，受压部分的柔性导体在电极和柔性导体之间留有间隙，当施加外力时，受压部分的柔性导体和柔

32、性绝缘体发生变形，利用柔性导体和电极之间的接通状态形成接触觉。和柔性绝缘体发生变形，利用柔性导体和电极之间的接通状态形成接触觉。8.5 机器人的触觉机器人的触觉 一般认为触觉包括一般认为触觉包括接触觉、压觉、滑觉接触觉、压觉、滑觉、力觉四种，狭义的、力觉四种，狭义的触觉按字面上来看是指前三种感知接触的感觉。触觉按字面上来看是指前三种感知接触的感觉。Robotics济南大学济南大学6/25/2022外形尺寸十分大外形尺寸十分大空间分辨率低空间分辨率低利用利用阵列阵列这一概这一概念已开发了许多念已开发了许多重要的传感器。重要的传感器。开关式触觉传感器开关式触觉传感器( 柔性绝缘体柔性绝缘体) (

33、柔性导体柔性导体) Robotics济南大学济南大学6/25/2022碳毡（碳毡（CSA）灵敏度高，具有较强的耐过载能力。缺点是有灵敏度高，具有较强的耐过载能力。缺点是有迟滞，线性差。迟滞，线性差。 导电橡胶导电橡胶的电阻也会随压力的变化而变化，因此也常用来作的电阻也会随压力的变化而变化，因此也常用来作为触觉传感器的为触觉传感器的敏感材料敏感材料。压阻式阵列触觉传感器压阻式阵列触觉传感器碳毡（碳毡（CSA）Robotics济南大学济南大学6/25/20222 2压觉传感器压觉传感器： 压觉传感器检测传感器面上受到的作用力，压觉传感器检测传感器面上受到的作用力，它由它由弹性体弹性体及检测弹性位移

34、的及检测弹性位移的敏感元件敏感元件构成。构成。用弹簧支承的平板作为机械手的物体夹持面。用弹簧支承的平板作为机械手的物体夹持面。在平板上加负载时，平板发生位移，该位移在平板上加负载时，平板发生位移，该位移量由电位器检测。量由电位器检测。 如果已知弹簧的刚如果已知弹簧的刚性系数，则可根据位性系数，则可根据位移计的输出求出力的移计的输出求出力的大小。大小。 Robotics济南大学济南大学6/25/2022压觉传感器图例：压觉传感器图例：Robotics济南大学济南大学6/25/20223. 3. 滑觉传感器滑觉传感器 机械手一般采用两种抓取方式：硬抓取和软抓取。机械手一般采用两种抓取方式：硬抓取和

35、软抓取。硬抓取硬抓取（无感知时采用）（无感知时采用） ：末端执行器利用最大的夹紧力抓取工件。：末端执行器利用最大的夹紧力抓取工件。软软抓取抓取（有滑觉传感器时采用）：末端执行器使夹紧力保持在能稳（有滑觉传感器时采用）：末端执行器使夹紧力保持在能稳固抓取工件的最小值，以免损伤工件。固抓取工件的最小值，以免损伤工件。采用压觉传感器实现滑觉感知采用压觉传感器实现滑觉感知检测垂直加压方向的检测垂直加压方向的力和位移力和位移Robotics济南大学济南大学6/25/2022 滑觉传感器有滑觉传感器有滚轮式滚轮式和和球式球式。物体在传感。物体在传感器表面上滑动时，和滚轮或球相接触，把器表面上滑动时，和滚轮

36、或球相接触，把滑动变成转动。滑动物体引起滚轮的转动，滑动变成转动。滑动物体引起滚轮的转动，用磁铁和静止的磁头进行检测。用磁铁和静止的磁头进行检测。Robotics济南大学济南大学6/25/2022它它由一个金属球和触针组成由一个金属球和触针组成，金属球表面分成许多个相间排，金属球表面分成许多个相间排列的导电和绝缘小格。触针头很细，每次只能触及一格。当工件列的导电和绝缘小格。触针头很细，每次只能触及一格。当工件滑动时，金属球也随之转动，在触针上输出脉冲信号，脉冲信号滑动时，金属球也随之转动，在触针上输出脉冲信号，脉冲信号的频率反映了滑移速度，个数对应滑移的距离。的频率反映了滑移速度，个数对应滑移

37、的距离。Robotics济南大学济南大学6/25/2022根据振动原理制成的滑觉传感器根据振动原理制成的滑觉传感器。钢球指针与被抓物体接触。钢球指针与被抓物体接触。若工件滑动，则指针振动，线圈输出信号。若工件滑动，则指针振动，线圈输出信号。Robotics济南大学济南大学6/25/20228.6 力和压力传感器力和压力传感器1.压电晶体：压电材料受压后会产生一定电压。压电晶体：压电材料受压后会产生一定电压。2.力敏电阻：阻值随垂直施加在表面的力的增加而力敏电阻：阻值随垂直施加在表面的力的增加而降低。降低。力敏电阻力敏电阻3.3.应变片应变片Robotics济南大学济南大学6/25/20223.

38、3.应变片应变片惠斯通电桥惠斯通电桥 压阻式压力传感器压阻式压力传感器采用集成电路工艺技采用集成电路工艺技术，在硅片上制造出四个等值的薄膜电阻并术，在硅片上制造出四个等值的薄膜电阻并组成电桥电路，当不受力作用时，电桥处于组成电桥电路，当不受力作用时，电桥处于平衡状态，无电压输出平衡状态，无电压输出;当受到压力作用时，当受到压力作用时，电桥失去平衡而输出电压（电桥失去平衡而输出电压（AB之间产生微小之间产生微小电位差），且输出的电压与压力成比例。电位差），且输出的电压与压力成比例。 压力使得圆形金属筒以及电阻压力使得圆形金属筒以及电阻应变片变形，从而使电阻应变应变片变形，从而使电阻应变片的电阻值

39、产生变化。片的电阻值产生变化。Robotics济南大学济南大学6/25/20228.7 8.7 力矩传感器力矩传感器原理：原理： 如果在轴上施加力矩，如果在轴上施加力矩，力矩将在轴上产生两个方力矩将在轴上产生两个方向相反的力和两个方向相反的形变向相反的力和两个方向相反的形变，两个力传感器可，两个力传感器可以测出这两个力，根据所测力的大小可计算出力矩。以测出这两个力，根据所测力的大小可计算出力矩。用六个传感器用六个传感器测量三个彼此测量三个彼此独立的轴上的独立的轴上的力和力矩力和力矩Robotics济南大学济南大学6/25/20228.8 测距仪测距仪 与接近觉传感器不同，测距仪用于测量较长的距

40、离，它与接近觉传感器不同，测距仪用于测量较长的距离，它可以探测障碍物和物体表面的形状，并且用于向系统提供早可以探测障碍物和物体表面的形状，并且用于向系统提供早期信息。常用的测量方法是期信息。常用的测量方法是三角法三角法和和测量传输时间法测量传输时间法。三角法：三角法：测量原理如图所示测量原理如图所示 测量原理测量原理：仅在发射器以特定角度发射光线时，接收器才能：仅在发射器以特定角度发射光线时，接收器才能检测到物体上的光斑，利用发射角的角度可以计算出距离。检测到物体上的光斑，利用发射角的角度可以计算出距离。Robotics济南大学济南大学6/25/2022测量传输时间法测量传输时间法： 信号传输

41、的距离信号传输的距离包括包括从发射器到物体和被物体从发射器到物体和被物体反射到接收器两部分。传反射到接收器两部分。传感器与物体之间的距离是感器与物体之间的距离是信号行进距离的一半，知信号行进距离的一半，知道了传播速度，通过测量道了传播速度，通过测量信号的往返时间即可计算信号的往返时间即可计算出距离。出距离。Robotics济南大学济南大学6/25/2022超声波测距仪超声波测距仪工作原理：工作原理： 发射器发射发射器发射高频超声波脉冲高频超声波脉冲，它在介质中行进一段，它在介质中行进一段距离，遇到障碍物后返回，由接受器接受，发射器和距离，遇到障碍物后返回，由接受器接受，发射器和物体之间的距离等

42、于超声波行进距离的一半，行进距物体之间的距离等于超声波行进距离的一半，行进距离则等于传输时间与声速的乘积。离则等于传输时间与声速的乘积。特点：特点： 结构坚固、简单、廉价并且能耗低，但是分辨率和结构坚固、简单、廉价并且能耗低，但是分辨率和最大工作距离受到限制。最大工作距离受到限制。关键技术：关键技术： 时间测量的准确性，时间测量精度，声速精度，背时间测量的准确性，时间测量精度，声速精度，背景噪声。景噪声。Robotics济南大学济南大学6/25/2022光测距仪光测距仪原理原理：基于光（包括激光），采用：基于光（包括激光），采用直接延迟时间测直接延迟时间测量法、间接幅值调制法和三角法量法、间接

43、幅值调制法和三角法等方法测量到物体等方法测量到物体的距离。的距离。Robotics济南大学济南大学6/25/20228.9 嗅觉传感器嗅觉传感器原理：原理： 对特定的气体敏感，当探测到这些气体时就发对特定的气体敏感，当探测到这些气体时就发出信号。出信号。Robotics济南大学济南大学6/25/20228.10 视觉系统视觉系统视觉系统是视觉系统是应用在机器应用在机器人中最复杂人中最复杂的传感器的传感器Robotics济南大学济南大学6/25/2022有研究结果表明，视觉获得的感知信息占人对外界感知信息有研究结果表明，视觉获得的感知信息占人对外界感知信息的的 人类视觉细胞数量的量级大约为人类视

44、觉细胞数量的量级大约为108，是听觉细胞的，是听觉细胞的300多倍，多倍，是皮肤感觉细胞的是皮肤感觉细胞的100多倍。多倍。Robotics济南大学济南大学6/25/20221. 超声波传感器超声波传感器 超声波探测原理比较简单，一般是采用超声波探测原理比较简单，一般是采用时差法时差法。 = =tt2 2其中（的函数）为超声波波速，为环境摄氏温度。其中（的函数）为超声波波速，为环境摄氏温度。 从广义上讲，也把它算成机器人视觉中的一种。从广义上讲，也把它算成机器人视觉中的一种。超声波传感器主要用途超声波传感器主要用途：（1 1）实时地检测自身所处空间的位置，用以进行自定位；）实时地检测自身所处空

45、间的位置，用以进行自定位；（2 2）实时地检测障碍物，为行动决策提供依据；）实时地检测障碍物，为行动决策提供依据；（3 3）检测目标姿态以及进行简单形体的识别；）检测目标姿态以及进行简单形体的识别；（4 4）用于导航目标跟踪。）用于导航目标跟踪。Robotics济南大学济南大学6/25/20222. CCD图像传感器图像传感器1） CCD（电荷耦合器件：（电荷耦合器件：charge coupled devices）Robotics济南大学济南大学6/25/2022 CCD （电荷耦合器件）的基本结构是一个间隙很小的光敏电（电荷耦合器件）的基本结构是一个间隙很小的光敏电极阵列，即无数个极阵列，即

46、无数个CCD单元组成，也称为像素点（如单元组成，也称为像素点（如448380）。）。它可以是一维的线阵，也可以是二维的面阵。它可以是一维的线阵，也可以是二维的面阵。 优点：优点：体积小、质量轻、寿命长、抗冲击、耗电极少，一般体积小、质量轻、寿命长、抗冲击、耗电极少，一般只需几十毫瓦就可以启动。只需几十毫瓦就可以启动。（1）基本结构）基本结构Robotics济南大学济南大学6/25/2022共共256级灰度，从图（级灰度，从图（a）到（）到（f）分辨率依次为）分辨率依次为512512， 256256，128128，6464，3232，1616。（2）图像处理）图像处理Robotics济南大学济南大学6/25/2022 从图（从图（a）到（）到（f）分辨率为）分辨率为512512，灰度级依次为，灰度级依次为256 ，64，16，8，4，2。b) 灰度变化对图像的影响灰度变化对图像的影响Robotics济南大学济南大学6/25/2022从图（从图（a）到（）到（f）依次为：）依次