机器人导论 课件第四章-机器人传感器

机器人导论梁桥康湖南大学∙电气与信息工程学院机器人传感器第1讲机器人传感器概述

传感器的定义传感器是将非电量转换为电量的装置，类似人类的感觉器官，帮助机器人感知外部环境和自身状态。传感器的组成由敏感元件（感知被测量变化）和转换元件（将感知变化转换为电信号）组成，由于涉及信息处理，通常还包含相关的信号调理电路和辅助电源。传感器的分类通常根据被测对象的位置分布情况，将机器人传感器分为内部传感器和外部传感器两大类常见机器人传感器组成示意图

辅助决策传感器数据输入机器人控制系统，经处理分析后，为决策提供支持。传感器数据实时反馈，使机器人能快速响应环境变化，调整行为提升性能高性能传感器提高机器人精度和稳定性，使其能完成高精度任务。传感器数据融合技术可进一步提升机器人性能，增强其适应性感知环境传感器帮助机器人感知周围环境，如距离、角度、颜色等，为决策提供依据。通过传感器，机器人可识别物体位置、形状和状态，实现自主导航和避障010203

01静态性能指标线性度（反映输入输出关系的线性程度）、灵敏度（输出变化量与输入变化量的比例）、分辨力（能检测到的最小输入变化量）等，影响测量精度。02动态性能指标时间常数（反映响应速度）、超调量（反映稳定性）、响应时间（反映快速性）等，影响传感器在动态环境中的表现。03信号处理包括滤波（去除噪声）、阻抗变换（匹配电路）、信号放大（增强信号）等，提升信号质量，确保传感器输出准确可靠。第2讲机器人位置姿态传感器

电位器式位移传感器基于电阻变化测量位移，结构简单，成本低，但精度和寿命受限，适用于一般位置检测。电阻应变式位移传感器利用力学形变测量位移，精度高，适用于高精度位置控制，但结构复杂，需定期校准。电容式位移传感器基于电容变化测量位移，响应速度快，精度高，但易受环境影响，需进行温度补偿。

电子罗盘利用地磁场测量方向，适用于机器人导航和姿态测量，但易受外界磁场干扰，需进行抗干扰设计。磁角度传感器基于磁阻效应测量角度，精度高，适用于旋转部件的角度检测，但对磁场环境要求较高。第3讲机器人运动传感器

利用光电转换原理测量速度，精度高，适用于高精度速度控制，但成本较高，需注意防尘防水。光电编码器式速度传感器在机器人关节速度控制中，光电编码器式速度传感器能够实时反馈关节速度，实现精确的速度控制，提高机器人运动的平稳性和准确性。应用案例基于电磁感应测量速度，结构简单，但精度和响应速度有限，适用于一般速度检测。可以分为可变磁阻测速发电机和交流发电机型两大类。测速发电机式速度传感器

基于电容变化测量加速度，精度高，功耗低，适用于机器人运动状态监测，但易受温度影响。电容式加速度传感器加速度传感器能够实时监测机器人的加速度变化，为运动控算法制（例如导纳控制）提供数据支持应用案例利用压电效应测量加速度，响应速度快，适用于动态加速度测量，但灵敏度和线性度较差。压电式加速度传感器

基于微机电系统（MEMS）技术测量角速度，体积小，功耗低，适用于机器人姿态控制，但精度和稳定性有限。微机械陀螺仪利用光纤干涉原理测量角速度，精度高，稳定性好，适用于高精度姿态测量，但成本较高。光纤陀螺仪在机器人姿态控制中，光纤陀螺仪能够实时测量机器人的角速度变化，为姿态控制算法提供高精度数据应用案例第4讲机器人测距传感器

超声波测距激光测距

相位式：利用激光的相位变化测量距离，精度高，适用于中短距离测量，但对环境要求较高，成本较高。

脉冲式：利用激光脉冲的时间差测量距离，测量范围广，适用于远距离测量，但精度和分辨率较低。

利用超声波的反射特性测量距离，原理简单，成本低，适用于近距离测距，但精度和方向性较差。

优点是抗干扰能力强，适用于复杂环境；局限是波束角大，易受环境温湿度影响，存在测距盲区。红外测距

利用红外线的反射特性测量距离，响应速度快，适用于近距离测距，但精度和方向性较差。

优点是抗干扰能力强，适用于复杂环境；局限是易受环境光照影响，测量范围有限第5讲机器人视觉传感器

二维图像传感器应用案例通过感光元件获取二维RGB图像，适用于目标识别和环境监测，但无法提供深度信息。在机器人目标识别和抓取任务中，RGB-D深度图像传感器能够实时获取目标物体的二维图像和深度信息，为机器人提供精确的目标位置和形状信息，实现机器人对目标物体的准确抓取。结合二维图像与深度信息，能够实现三维环境感知和物体定位，但成本较高，数据处理复杂。RGB-D深度图像传感器

传统相机标定法主动视觉相机标定法利用标定物（如棋盘格）进行标定，操作简单，精度高，但对环境要求较高。通过控制相机运动进行标定，精度高，但对实验条件要求严格，操作复杂。在机器人视觉系统中，通过传统相机标定法对视觉传感器进行标定，能够准确获取相机的内参和外参，提高视觉系统的测量精度，为机器人提供可靠的视觉信息。相机自标定法分层逐步标定法：通过射影重建和非线性优化逐步求得相机参数基于Kruppa：利用二次曲线约束方程和至少三对点对来标定相机第6讲机器人力触觉传感器

基于压阻效应测量力，结构简单，灵敏度高，但易受温度影响，需进行温度补偿压阻式利用压电效应测量力，适用于动态力测量，但灵敏度和线性度较差，需定期校准压电式基于电容计算原理测量力，分辨率高，频率相应宽，耐用性好，但受寄生电容和边缘效应影响电容式基于光学原理（波长或光强）测量力，体积小，质量轻，无电磁干扰，耐高低温、无零点漂移光学式基于摩擦电效应，通过两层不同材料接触分离产生电荷和电位差，实现机械能向电能转换，具有自供电、低功耗、灵敏度高、响应速度快等优点摩擦电式利用摄像头捕捉接触表面的图像变化，通过图像处理和分析来感知物体的触觉信息，具有非接触测量、高分辨率、可获取丰富信息等优点基于视觉

结构解耦通过优化传感器的机械结构设计，减少不同维度之间的耦合效应，提高测量精度，但设计和加工难度较大。算法解耦利用数据处理技术和数学模型对传感器数据进行解耦处理，成本低，易于实现，但对数据质量和算法精度要求较高。应用案例在机器人多维力测量中，利用算法解耦技术对力触觉传感器的数据进行解耦处理，能够准确分离不同维度的力信号，为机器人提供精确的力信息，实现机器人在复杂操作中的精确力控制。第7讲其他机器人传感器

1温度传感器检测机器人工作环境的温度，确保机器人在适宜的温度范围内运行，防止因温度过高或过低导致机器人故障。2湿度传感器检测机器人工作环境的湿度，为机器人提供环境湿度信息，防止因湿度变化导致机器人内部电路故障。3应用案例在机器人室内环境中，温度传感器和湿度传感器能够实时监测环境的温度和湿度变化，为机器人提供环境信息，确保机器人在适宜的环境中稳定运行。

压电陶瓷传声器应用案例在机器人语音交互系统中，听觉传感器能够实时采集环境中的声音信号，通过语音识别算法实现语音指令的识别和理解，为机器人提供语音交互功能，实现人机之间的自然交互驻极体传声器利用压电陶瓷的压电效应将声波振动转化为电信号，灵敏度高，结构简单，适用于语音识别和声源定位。具有体积小、性能好等优点，适用于机器人听觉系统，能够实现语音识别和人机交互

Omni-φ6.0*2.2/2.7mm第8讲机器人传感器发展趋势

传感器尺寸不断缩小，满足机器人对空间和资源的限制要求，提高机器人的集成度和灵活性微型化具有生物兼容性，能直接与组织或生物机体直接接触，向医疗等领域发展兼容性提高传感器的测量精度，满足机器人