机器人感觉技术

机器人感觉技术第一页，共58页。感知器的相关概念机器感觉原理、方式与过程机器人传感器分类与选择常见传感器传感器融合2023/4/242第二页，共58页。传感器是一种能将具有某种物理表现形式的信息变换成机器可以处理的输入换能器。将被测非电量信号转换成与之有对应关系的电量又叫变换器、换能器或探测器。2023/4/243第三页，共58页。1、增加机器人功能，提高工作质量，有效完成任务；机器人传感器能监控所操纵工件的质量。例如，及时检查出有毛病的工件。2、适应复杂情况（对象/环境），扩大应用范围，防止发生意外事故。例如，自动导引车辆(AGV)式机器人，在道路上不能撞到人。3、人机交互的需要，接受指令，表达感情。4、依靠传感器反馈来补偿误差5、降低对机器人及其工作对象精度的要求2023/4/244第四页，共58页。感觉原理感觉原理即传感器构成原理。

分类:

结构型

物性型2023/4/245第五页，共58页。结构型传感器概念：应用通常的物理定律构成的传感器，如：运动定律，牛顿定律，欧姆定律，电磁定律，热力学定律等。特点：传感原理明确，结构比较复杂，一般与结构材料无关。

2023/4/246第六页，共58页。

由两个平行板组成的电容器的电容量为：

C=εA/d式中ε——电容极板间介质的相对介电系数，相对于真空，ε=1；

A——两平行板所覆盖的面积；

d——两平行板之间的距离；

C——电容量。

如果保持其中的两个参数不变而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化转换为电容的变化。因此，电容量的变化的大小与被测参数的大小成比例。

极板d电容式传感器2023/4/247第七页，共58页。

利用电磁感应把被测的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数L和互感系数M的变化，再由测量电路转换成电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。其特点为：1．结构简单，无活动电触点，因此工作可靠寿命长；2．灵敏度和分辨率高，能测出0.01μm的位移变化；3．线性度和重复性都比较好。电感式传感器2023/4/248第八页，共58页。光电式码盘是一种非接触性光电传感器。它具有测量准确度高、响应速度快、结构简单、可靠性高和使用寿命长等优点。电动机上的绝对编码器2023/4/249第九页，共58页。概念：利用物质本身的某种客观性质制作的传感器。特点：受材料性质与使用环境影响较大。结构简单，灵敏度高。举例：

光电传感器压电传感器2023/4/2410第十页，共58页。光电传感器是一种将光量的变化转化为电量的变化的传感器。它的物理基础就是光电效应。光电效应分:外光电效应、内光电效应两大类。在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。当光照射在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为两种：光电导效应和光生伏特效应。2023/4/2411第十一页，共58页。是以某些物质的压电效应制作的一种传感器。当材料表面受力作用变形时，其表面会有电荷产生从而实现非电量测量。压电陶瓷是人造多晶系压电材料。常用的压电陶瓷有钛酸钡、锆钛酸钡、铌酸盐系压电陶瓷。它们的压电常数比石英晶体高，但介电常数、机械性能不如石英好。由于它们品种多，性能各异，可根据它们的特点制作各种不同的压电传感器，这是一种很有发展前途的压电元件。2023/4/2412第十二页，共58页。按感知形式

1.接触型——与被测对象接触；

2.非接触型——经特殊物质联系，与被测物保持一定距离。

如:检测机器人周围的声波、光和其他电磁波，以及电、磁和静电场之间的相互作用。2023/4/2413第十三页，共58页。内部传感器检测机器人自身状态(内部信息)，机器人自身运动与正常工作所必需。外部传感器检测作业对象与作业环境的状态(外部信息)，适应特定环境和完成特定任务所必需。2023/4/2414第十四页，共58页。感觉用途外部传感器

视觉

对象有无、形状、大小识别对象的位置、姿态的识别对象缺陷、好坏的识别对象图样、文字的识别触觉重量、硬度、表面状态识别位置偏差的控制，握力的控制听觉指令的识别，异常状态的检测，障碍物检测其它（接近觉、味觉、嗅觉、湿度、振动等）各种检查，自我保护等内部传感器平衡感觉机器人自身的平衡其它（位置、速度、加速度、压力、转矩)运动器官的控制，自我保护等2023/4/2415第十五页，共58页。

实现运动部件的控制与自我保护位置：直线，转角速度:测速发电机加速度负荷力（力矩），惯性力平衡：走行机器人自身平衡控制2023/4/2416第十六页，共58页。视觉：

简单视觉——对象的有无，孔、边线、拐角检测等复合视觉——对象形状、大小、种类对象位置、姿态对象伤痕、缺欠、好坏对象上的图样、文字的识别、图形指令识别触觉：

简单触觉——确定工作对象是否存在、到位复合触觉——确定对象尺寸、形状、表面状态、硬度、光滑……2023/4/2417第十七页，共58页。接近觉：对工作对象的非接触探测。距离觉：检测距对象的距离范围。听觉：

简单听觉——波长频率单一，发声器单一，指令识别

复合听觉——异常状态检测，障碍物检测，语音理解力觉：

简单力觉——沿一个方向测力，对象重量

复合力觉——沿多个方向测力，倾斜平衡 2023/4/2418第十八页，共58页。1.对机器人传感器的一般要求

机器人传感器除了一般传感器所要求的可靠性好、精度高、寿命长等特点之外,还特别要求以下各点:a.体积小、结构简单；b.重量轻；c.抗干扰；d.对环境的适应性强；e.回路独立:输入、输出回路应互相独立绝缘；f.调整容易;g.价格低廉，性能价格比高（性价比）。2023/4/2419第十九页，共58页。2.机器人传感器的评价指标（1）灵敏度：输出信号变化与输入信号变化之比（2）线性度：y=bxb是常数则线性度高（3）测量范围：被测量最大允许值与最小允许值之差，要覆盖机器人有关被测量的工作范围。（4）精度：输出值与实测值之间的误差。（5）重复性：多次测量同一个信号时的变化程度。（6）分辨力：所能辨别的被测量的最小变化值。（7）响应时间：输入信号变化后，输出信号变化达到稳态所需的时间。2023/4/2420第二十页，共58页。位置检测和位移检测电位计式位移传感器绝对位置光轴编码器相对位置光轴编码器测速发电机加速度传感器2023/4/2421第二十一页，共58页。机器人最基本的感觉要求常用的机器人位置、位移传感器有电阻式位移传感器、电容式位移传感器、电感式位移传感器、光电式位移传感器、霍尔元件位移传感器、磁栅式位移传感器以及机械式位移传感器等。接触式主要有机械式限位开关与微动开关；非接触式传感器常用的有光电开关及各种接近开关。光电开关与各种接近开关是随着电子机械技术的进步而急速发展起来的新型开关。2023/4/2422第二十二页，共58页。

类别项目限位开关

微动开关光电开关接近开关透过形镜反射形直接反射形高频磁形电容形片簧磁形检出方法机械式光学光学电磁场电容量磁场检出距离劣优良劣中劣动作精度良中劣中劣中应答时间劣良良优良良寿命劣良良良良良噪声波动优中中良中优环境温度影响优中中良中中耐灰尘、水、油中劣劣良中优检测对象固体不透明体固体金属介电常数高的物体固体2023/4/2423第二十三页，共58页。电位计法——测量线位移（直线型），角位移（旋转型）优点：线性度好、输出信号选择范围大，性能稳定、结构简单、尺寸小、质量轻、精度高、成本低等缺点：易于磨损2023/4/2424第二十四页，共58页。2023/4/2425第二十五页，共58页。2023/4/2426第二十六页，共58页。常用的接触传感器有：机械式(微动开关用的最多)针式差动变压器含碳海绵及导电橡胶等当接触力作用时，这些传感器以通断方式输出高低电平，实现传感器对接触物体的感知。2023/4/2427第二十七页，共58页。各种接触觉传感器1.导电橡皮2.金属3.绝缘体4.海绵状橡皮5.橡皮6.金属箔7.碳素纤维8.含碳海绵10.泡沫塑料11.铍青铜箔12.基板13.引线

2023/4/2428第二十八页，共58页。

触觉传感器压敏电阻阵列阵列扫描电路2023/4/2429第二十九页，共58页。压觉传感器其实是接触传感器的引申。压觉感知压力的大小。通过高密度地配置这种传感器，把同物体接触时各点不同的压力，变成相应的浓淡画素，获取物体形状的信息。2023/4/2430第三十页，共58页。

用于检测物体接触面之间相对运动大小和方向的传感器。只限相对运动的检测，非表面状态检测。常用的滑动检测方法：１、将滑动转换成滚球和滚柱的旋转；２、用压敏元件和触针，检测滑动时的微小振动；３、检测即将发生的滑动时，手爪部分的压力通过手爪载荷检测器，检测手爪的压力变化，从而推断出滑动的大小等。2023/4/2431第三十一页，共58页。

滚子回转的检出是通过与滚子轴固联的光码盘进行。光码盘上刻有30个透光槽,槽的两侧分别在主体上固定有发光二极管与光电三极管。当对象物在夹持过程中产生滑移时,即带动滚子旋转,通过光电系统即可得到电脉冲信号。

2023/4/2432第三十二页，共58页。滑觉传感器是由磁头、磁带、滑轮、磁带轮及壳体所组成。其中一个磁带轮与滑轮固联在一起。磁带上录有固定频率和幅度的正弦信号。2023/4/2433第三十三页，共58页。

在滚子测面固定有一小块永久磁铁,通过本体上固定的磁头,即可检出滑移。同图给出了对侧的一个手指,在其上设有压觉传感器。通过两个传感器检知的信号,就可以进行夹持力的调节。2023/4/2434第三十四页，共58页。

在用导电体作成的球表面上用绝缘体分割成方格花纹,黑格与白格分别是绝缘部分与导电部分,与球表面接触的对象物不论向哪一方向滑动都会使球转动,通过与球表面接触的触针就可取出脉冲电压,并通过控制电路来控制握力。2023/4/2435第三十五页，共58页。力觉传感器用于检测和控制机器人臂及手腕的力与力矩，其敏感元件一般用半导体应变片。力觉传感器用于夹紧和传送工件时的夹持力检测和用于装配时的腕力检测。2023/4/2436第三十六页，共58页。

接近觉传感器：是检测对象物体与传感器距离信息的一种传感器。利用距离信息测出对象物体的表面状态。接近觉是视觉传感器功能的一部分，但它只给出距离信息，接近觉传感器有电磁感应式、光电式、电容式、气压式、超声波和微波式等多种。实际使用应根据对象物体性质而定。接近觉感知对象接近的情况，其作用为：

(1)在接触到对象前获取信息，为后续动作先做准备；

(2)发现障碍物，规定行程范围，以免碰撞；

(3)得到关于对象表面形状的信息。

2023/4/2437第三十七页，共58页。2023/4/2438第三十八页，共58页。检测精度：(a)从反射光的光量变化和时间关系求出发光角度，就可能在2～10mm范围以0.5mm的精度检出。(b)利用收光信号的相位偏差是距离的函数，能在10—60mm内得到土2mm左右的精度。2023/4/2439第三十九页，共58页。2023/4/2440第四十页，共58页。超声波式传感器适于较长距离和较大物体的探测，比视觉系统简单便宜，应用较广。可通过测定发出超声波脉冲的时刻到接收到回波电压的时间间隔，算出物体同机器人的距离

r＝C*T／2其中C为空气中的音速，T为时间间隔。

2023/4/2441第四十一页，共58页。2023/4/2442第四十二页，共58页。2023/4/2443第四十三页，共58页。激光测距红外检测声纳检测GPS定位2023/4/2444第四十四页，共58页。

激光测距是利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，以实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等等。激光传感器的优点是发散小或没有发散，并对大多数物体无镜面反射现象，缺点是存在潜在的安全问题（首先是人眼安全问题），且不适用于透明物质．2023/4/2445第四十五页，共58页。激光测距仪与微波雷达结合，还可以发挥激光波速窄的特长，弥补微波雷达低仰角工作时受地面干扰的不足。激光测距与光学经纬仪、红外及电视跟踪系统相结合，组成光电跟踪测量系统，既可作为靶场试验的测量设备，又常用作武器的光电火力控制系统。这种激光测距仪已广泛用于地面火炮、坦克炮的火控系统，大大提高了命中率2023/4/2446第四十六页，共58页。红外距离传感器（红外测距仪）适合机器人应用，价格低，测量距离相对较短。与超声传感器相比,红外测距的准确度不高,但红外传感器可以在短时间内提供大量测量数据,易于安装在扫描仪上以获得全景图像,而且它的波束极窄,与超声传感器固有的锥形波相比,更有优势。2023/4/2447第四十七页，共58页。声纳测距（超声测距）是一种非接触的检测方式，在近距离范围内有不受外界光线影响、硬件结构简单、容易操作、成本低等优点,在高性能自主移动机器人上获得了广泛应用。缺点：速度慢，存在较大的波束角，且对光滑表面存在镜面反射。2023/4/2448第四十八页，共58页。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，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射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。2023/4/2449第四十九页，共58页。2023/4/2450第五十页，共58页。红外传感器探测特性与超声传感器恰好相反,具有角度分辨力高的优点,并且最大探测范围可以覆盖超声传感器的盲区。2023/4/2451第五十一页，共58页。全球定位系统(GlobalPositioningSystem,缩写GPS)包括三大部分：空间部分—GPS卫星；地面控制部分—地面监控系统；用户设备部分—GPS信号接收机。全球定位系统