机器人传感器知识概述

第5章机器人传感器

第一代机器人：不具有感知和反馈，示教再现型

第二代机器人：对外界环境有一定感知能力，具有

视觉、触觉、听觉等功能。

第三代机器人：智能机器人，具有感觉能力，有记

忆、推理和决策的能力，有与外部世界一一对象、

环境和人相适应、相协调的工作机能。

为了检测作业对象、环境或机器人与它们的关系，

在机器人上安装了触觉、视觉、力觉、接近觉、超

声波等传感器，进行定位和控制，实现类似人类感

知作用。

机器人传感器是指机器人对内外部环境感知的物理

量变换为电量输出的装置。

机器人传感器分为内部传感器和外部传感器。

机器人的内部传感器是安装在机器人自身中，用

来感知它自己的状态，以调整并控制机器人的

行动。它通常由位置、加速度、速度及压力传

感器组成。

机器人的外部传感器是检测环境、目标的状态

特征，使机器人一环境发生交互作用，从而使

机器人对环境有自校正和自适应能力。

类型：包括触觉传感器、视觉传感器、接近觉

传感器、听觉传感器等。

通过从结构与功能上模仿人手，实现对各种形

状物体的灵巧操作，精确的力控制与运动控制

三个手指

3个关节

复合触觉传感器

角度传感器

电机

多指多关节

灵巧机械手多指协调控制

抓取规划

传感器在机器人身上分布

光线、醺色的感应31与物体侦避背部触碰感应器

C3”trtMonttttirTOXH

・，:•…

背部扬声器

-------

红外发射H

RfCOvt*

红外接收■

(t43s

力回馈感应器

红外线侦避

F*(VM.f

前方扬声If

TouC*i鹿部热磋感应落

“•CrdCAO^<l$

立体麦克风

andSMfce倾斜与摇晃感应器

NiMHAecMrgatMGantry

30vM，oo(3脚底牌应器

5.1机器人内部传感器

机器人内传感器包括位移（位置）传感器、速

度、加速度传感器等。

一、位置传感器

1.电位器式位移传感器

直线电位器和圆形电位器，用作直线位移和角

位移传感器。

电位器式位移传感器结构简单，性能稳定可靠,

精度高，较方便地选择其输出信号范围。

电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相

连。物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。

阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加

还是减小则表明了位移的方向。

电位器式位移传感器位移和电压关系：

L(2e-E)

工作台

O

A

E：输入电压■

rAAAAAAAAA?vVne

!

L：触头最大移动距离H-L-H

i

o

X：向左端移动的距离6-------------I-----------------6

e；电阻右侧的输出电压

旋转型电位器式位移传感器

直线型电位器式位移传感器

2.编码式位移传感器一一光电编码器

光电编码器是角度（角速度）检测装置，通过光电

转换，将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲数

字量的传感器。具有体积小，精度高，工作可靠等

优点，应用广泛。

一般装在机器人各关节的转轴上，用来测量各关节

转轴转过的角度。

光电编码器由光栅盘和光电检测装置组成。

常见的光电编码器由光栅盘，发光元件和光敏元件

组成。

光电码盘随电动机转动，输出脉冲信号。根据旋转方向用

计数器对输出脉冲计数就能确定电动机的位移或转速。

根据其刻度方法及信号输出形式，分为增量式、绝对式以

及混合式三种。

透明圆盘上设置n条同心圆环，对环带进行二进制编码。

16码道

每个码道上

黑（不透光）二进制数的1

白（透光），二进制数的0

码道沿径向具有不同的二进制值。

码盘转动，光电元件接受光信号,

并转成相应的数字电信号。

增量式编码器

Z相信号缝隙

0A

A相、B相缝隙/一㈠…

(a)编码世的结构图(b)A相、B相的正弦波\一1主刻度盘

_______________________5V

1

!----------------------------ov

B1___________

11

—1憎—-----------------------5V

光敏元件/发光元件

(c)A相、B相的脉冲数字信号

指示度盘

二、速度传感器

速度传感器：测量机器人关节速度。

测速发电机、增量光电编码器。

测速发电机：把机械转速变换成电压信号，输出

电压与输入的转速成正比。

u=K*〃K是常数

直流测速发电机的结构原理

1—永久磁铁；2—转子线圈；3—电刷；4—整流子

测速发电机转子与机器人关节伺服驱动电动机相

连，就能测出机器人运动过程中关节转动速度。

测速发电机在机器人控制系统中有广泛的应用。

直流测速发电机

交流测速发电机

5.2机器人外部传感器

外部传感器用来检测机器人所处环境及目标状

况，从而使得机器人能够与环境发生交互作用

并对环境具有自我校正和适应能力。

如：是什么物体，离物体的距离有多远，抓取

的物体是否滑落等。

广义来看，机器人外部传感器就是具有人类五

官的感知能力的传感器。

压阻效应

半导体材料受到外力作用时电阻率会发生变化。原因是外力

作用使原子点阵排列发生变化，晶格间距的改变使禁带宽度

变化，导致载流子迁移率及浓度变化，即电阻率发生变化。

压电效应

外力沿压电材料特定晶向作用使晶体产生形变，在相应的晶

面上将产生电荷，去掉外力后压电材料又重回不带电状态，

这种由外力作用产生电极化的现象叫正压电效应。

逆压电效应：压电效应是可逆的。在压电材料特定晶向施加

电场时，不仅有极化现象发生，还特产生机械形变。去掉电

场，应力和形变也随之消失，这种现象称作逆压电效应。

光电效应

物质在光照作用下释放电子的现象称为光电效应，释放的电

子叫光电子，光电子在外电场作用下形成的电流叫光电流。

由实验发现的光电效应的规律是光电流大小与入射光频率有

关，当入射光频率低于某一极限频率时，将不产生光电效应。

只有当入射光频率高于极限额串时，光电流的大小才与入射

光强度成正比。

热释电效应

在既无外电场也无外力作用时，电石、水品等晶体材料受温

度变化的影响，其品格的原子排列发生变化，也能产生自发

极化。这是由于当环境温度变化时，晶体的热膨胀和热振动

状态发生变化，在晶面上将产生电荷，表现出自发极化现象,

称作热释电效应。

一、力觉传感器

力觉是指对机器人的指、肢和关节等运动中所受

力的感知。

主要包括腕力、关节力、指力和支座力传感器，

是机器人重要的传感器之一。

关节力传感器:测量驱动器本身的输出力和力矩,

用于控制中的力反馈。

腕力传感器：测量作用在末端执行器上的各向力

和力矩。

指力传感器：测量夹持物体手指的受力情况。

力觉传感器主要使用的元件是电阻应变片。

六维腕力传感器

具有八个窄长的弹性梁，每个梁只传递力。

梁的另一头贴有应变片。图中从Px+到Qy—代表了8根应

变梁的变形信号的输出。

/000k11

00^00

。“34。&6。

0^000

000^0

%3。。

十字梁腕力传感器

日本大和制衡株式会社林纯一研制的腕力传感器。

整体轮辐式结构，传感器在十字梁与轮缘联结处

有一个柔性环节，在四根交叉梁上共贴有32个应

变片（图中小方块），组成8路全桥输出o

二、接近觉传感器

接近觉传感器：感知传感器与物体之间接近程度。

主要有两个用途：避障和防止冲击。

移动机器人绕开障碍物

机械手抓取物体时柔性接触

探测的距离一般在几毫米到十几厘米之间。

一般采用非接触型测量元件。

常用有电涡流式、光纤式、超声波式及红外线式等

类型。

1.电涡流式传感器

变化的磁场将在金属体内产

生感应电涡流。

涡流的大小随金属体表面与

线圈的距离大小而变化。

当电感线圈内通以高频电流

时，金属体表面的涡流电流

反作用于线圈L,改变L内的

电感大小。

通过检测电感便可获得线圈

与金属体表面的距离信息。

2.光纤式传感器

光纤在远距离通信和遥测方面应用广泛。

光纤接近觉传感器可以检测较远距离的目标。

具有抗电磁干扰能力强，灵敏度高，响应快的

特点。

待於洌J

物体

单向光纤束

发射需

接收器

单向光纤束

控制

(a)射点中断型光纤传感器

待检测

物体

只能检测出不透明物体

发射器

接收器

Y型光纤束

回射忙

控制

(b)回射型光纤传感器

可检测透光和不透光材料

被检测物体

发射器

接收相

Y型光纤束

控制

(C)扩散型光纤传感器

反射光

可检测透光或半透光物体

3.超声波接近觉传感器

检测物体的存在和测量距离，不能用于测量小于

30至50cm的距离。

利用超声波检测迅速、简单方便、对材料的依赖

性小、易于实时控制，测量精度高，应用广泛。

在移动式机器人上，检验前进道路上的障碍物，

避免碰撞。

超声波传感器对于水下机器人的作业非常重要。

水下机器人安装超声波传感器后能使其定位精度

达到微米级。

压电效应

时间与超声波的传播速度和距离成正比

测量出超声波从物体发射经反射回到该物体（被

接收）的时间

小科普：超声波测距原理

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始

计时，超声波在空气中传播途中碰到障碍物即返回，超声波接收器

收到反射波立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s,

根据计时时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离(s),即：

s=3401/2------时间差测距法。

超声波测距误差：一是计时误差。当要求测距误差小于1mm时，

若超声波速度C=344m/s(20C室温)，忽略声速的”播*,时间误

差001/344)^0.000002907s,即2.907毫秒。采用MHz级的

高精度石英晶振一般可以达到微秒量级误差。

另一个是传播速度误差。超声波传播速度受空气密度影响，空

气密度越高则超声波传播速度就越快，而空气密度又与温度有关。

当温度0℃时超声波速度是332m/s,30℃时是350m/s,超声波速度变

化为18m/s。若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离，

测量误差达到5m,测量1m误差将达到5mm。

4.红外线接近觉传感器

任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对

零度），都能辐射红外线。

非接触式测量，红外发光管发射经调制的信号，经

目标物反射，红外光敏管接收到红外光强的调制信

号。具有灵敏度高，响应快等优点。

发送器和接收器都很小，能够装在机器人夹手上。

易于检测出工作空间内是否存在某个物体。

三、触觉传感器

触觉是仅次于视觉的一种重要感知形式。

触觉能保证机器人可靠地抓握各种物体，也能使

机器人获取环境信息，识别物体形状和表面纹理,

确定物体空间位置和姿态参数。

机器人触觉与视觉一样，基本上是模拟人的感觉。

广义上包括接触觉、压觉、力觉、滑觉等与接触

有关的感觉。

狭义上它是机械手与对象接触面上的力感觉。

触觉传感器：测量自身敏感面和外界物体相互作用。

触觉传感器的作用:

⑴感知操作手指的作用力，使手指动作适当。

(2)识别操作物的大小、形状、质量及硬度等。

⑶躲避危险，以防碰撞障碍物。

抓住鸡蛋

开关式触觉传感器

最早的触觉传感器为开关式传感器，只有0和I两个信号,

用于表示接触与不接触。

光电开关由发射器、接收器和检测电路三部分组成。

发射器对准目标发射光束，在光束被中断时产生一个

开关信号变化

指端应变式触觉传感器2567

/\//

柔顺指端结构8

9

3,

10

4<1/

II

、I2

人工指端应变式触觉传感器

1—支獐座；2—底座，3—应变片，4一金属弹性薄板1

5-压头；6—盖板；7一触头；8—橡胶，9—海绵，

10一电流变流体，】1一导电橡胶；12—凸缘

柔顺人工指端用金属弹性薄板4作弹性元件，应变片3作敏感

元件，两个金属弹性薄板4安装在支撑座1上。

当人工手指抓握物体时，触头7向左滑动，由压头5作用在弹

性元件4上。

凸缘到盖板的距离为最大量程。当被抓物体重量超过最大量

程时，凸缘与盖板接触，将力传到底座2上。

触头7右侧为封装电变流体部分，两层导电橡胶H之间用海

绵隔开，海绵层填充电变流体。

电流变流体作为人工手指的皮下组织介质，没有通电时.电

流变流体层作保护层用；通电时，变成塑性体，借助电流变

流体的柔顺可控性稳定抓握，防止被抓物体滑落。

小科普：电流变流体

电流变流体是一种极具工程应用价值的新型智能材料。

电流变流体是一种加入非导电介质微粒和高分子表面活

性剂混合而成的液体，因其独特的电流变效应成为材料

科学领域的研究热点。

电流变效应指液体在电场作用下，电流变流体的力学性质

发生变化甚至相变固化。这种变化是可逆的、连续无级

的和可控制的。

电流变效应的这种特性使电流变流体具有广阔的工程应

用前景。

压阻阵列触觉传感器

利用压阻材料制成阵列式触觉传感器，可有效地提

高阵列数、阵列密度、灵敏度、柔顺性和强固性。

压阻阵列触觉传感器基本结构：

压阻材料上面排列平行的列电极，下理排列平行的

行电极，行列交叉点构成阵列压阻触元。

在压力作用下，触元的触觉性能可由上下电极间的

—a列

电阻值表不O

阵列间距感压膜

压阻阵列触觉传感器的基本结构

压阻材料：导电橡胶、碳毡(CSA)和碳纤维等。

导电橡胶是在橡胶类材料中添加金属微粒而构

成的聚合高分子导电材料，具有柔顺性，电阻

随压力的变化而变化。

导电橡胶作为压阻材料，工作温度范围宽，可

塑性好，可浇铸成复杂(指尖)形状复合曲面，其

输出电压信号强，频率响应可达至100Hz，但

易疲劳、蠕变大、滞后大。

导电橡胶受压时接触面积增加，电阻下降

希m

刁

柒

基

也

初始增加接触列导电带

接触面积面积

法向压力与传感器电导率关系曲线采用D型裁面导电横股压阻器

D型截面导电橡胶作行连接导线和列导电带构成

行列寻址阵列。

正向压力通过改变D型截面橡胶的变形程度来改

变行与列间的接触电阻

碳毡(CSA)

碳毡是一种渗碳纤维材料，灵敏度高，有较强的

耐过载能力，缺点是迟滞大，线性差。

在金属电板间夹入碳毡，在负载(压力)作用下，

导电接触面积增加，纤维电阻值下降。

可制成人工指尖。

F/N

CSA的压阻特性

压觉传感器

压觉是手指给予被测物的力，或者加在手指上外

力的感觉，实际是接触觉的延伸。

用于握力控制与手的支撑力的检测。

压觉传感器主要是分布式压觉传感器，敏感元件

排列成阵列。

常用敏感元件有：

导电橡胶、感应高分子、应变计、光电器件和霍

尔元件.

高密度智能压常传魔器（星南者）

丹敏橡胶R100

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手泞;:•产;官铲W；至述二;产•:：匕/

儡面有源回路

硅晶片

b）

压觉传感器实例

硅电容压觉传感器阵列（电容式）

滑觉传感器

滑觉传感器检测垂直于加压方向的力和位移。

修正受力值、防止滑动、进行多层次作业及测量物

体重量和表面特性等的目的。

例如：机器人的手指夹住物体，为了不发生滑动,

最小把持力：F二G/因

利用滑觉传感器判断是否握住物体，以及应该使用

多大的力等。摩擦力

传感琳

手乐H

物体

—-阻力R

X力mg

检测滑动方法：

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）检测出即将发生滑动时，手爪部分的变形和压力。

滚球式滑觉传感器

滚球式滑觉传感器

钢球表面有导体和绝缘体配置成的网眼。当工件滑

动时，金属球随之转动，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，能检测全方位的滑动。

滚轴式滑觉传感器

当手爪中的物体滑动时，使滚轴旋转，滚轴带动光

电传感器和缝隙圆板而产生脉冲信号。

这些信号通过计数电路和D/A转换器转换成模拟电压

信号，通过反馈系统构成闭环控制。可通过不断修

正握力，达到消除滑动的目的。

基于振动的机器人滑觉传感器

通过检测滑动时的微小振动来检测滑动

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。

油阻花器

像胶阻尼器

振子

机器人视觉

视觉传感器是智能机器人最重要的传感器之一。

机器人视觉通过视觉传感器获取环境的二维图像,

并通过视觉处理器进行分析和解释，转换为符号,

让机器人能够辨识物体，并确定其位置。

又称为计算机视觉。

在捕获图像之后，视觉传感器将其与内存中存储

的基准图像进行比较，以做出分析,

机器视觉系统称现代工业生产的“机器眼睛”。

欧姆龙视觉传感器FZ3

通过摄像头捕捉图像信息，检测拍摄对象的数量、位置关

系、形状等特点，用于判断产品是否合格或将检验数据传

送给机器人等其它生产设备。

FZ3从微妙的色差乃至光泽物体的表面伤痕都能清晰识别

用于检测注重件的嗔漆印畸果

德国SICKInspectorPIM60视觉传感器

应用：

机器人抓取定位

零部件组装检查、定位、尺寸测量

太阳能硅片边缘缺陷检查

包装物标签检测

AGV视觉导航

Barnier工程公司提供的部分视觉传感器能够捕获130万

像素，无论距离目标数米或数厘米远，传感器都能“看

到”十分细腻的目标图像。

机器人视觉传感器的工作过程可分为四个步骤：检测、分析、

绘制和识别

1.视觉检测

视觉信息一般通过光电检测转化成电信号。

光电检测器有摄像管和固态图像传感器。

获得距离信息的方法有光投影法、立体视法。

光投影法：向被测物体投射特殊形状的光束并检测其反射光,

即可获得位置信息。激光扫描法。

立体视法：同一物体的两张具有轻微角度差别的照片放在一

起观看，产生一种深度的常规立体视觉的方法。

立体摄影：从左右两个具有轻微角度差异的观察点拍摄同一

个物体，左右摄像机分别采集左视觉和右视觉的照片，通过

计算机的合成处理，获得有立体深度的立体画面。

视觉图像分析

成像图像中的像素含有杂波，必须进行（预）处理。通过处

理消除杂波，把全部像素重新按线段或区域排列成有效像素

集合。

视觉图像绘制

指以识别的目的而从物体图像中提取特征。理论上这些特征

应该与物体的位置和取向无关，并包含足够的绘制信息，以

便能唯一的把一个物体从其他物体中鉴别出来。

图像识别技术

将事先物体的特征信息存储起来，然后将此信息与所看到的

物体信息进行比对。

小科普：人类视觉原理

人类眼睛是一套功能完整的摄影系统，具有变焦镜头、可

变光圈以及能将光信号转变成大脑可以识别的电信号。

在二维图像中，利用物体提供的有关尺寸和重叠等视觉线

索，可以“判断出”位于背景前这些物体的前后排列次序,

但是却无法知道它们之间究竟距离多远。

人类两只眼睛观察物体时，由于两只眼睛所处的角度有略

微不同，看到的图像是有略微差别的。大脑将这两幅画面

综合在一起，形成一种有深度的视觉画面。处理过程十分

迅速，而一只眼睛看到的画面是没有前后深度的。

更