傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用

1、第3章 傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用v3.1 機(jī)器人常用傳感器簡(jiǎn)介v3.2 機(jī)器人的要求與選擇v3.3 常用機(jī)器人內(nèi)部傳感器v3.4 常用機(jī)器人外部傳感器v3.5 多傳感器信息融合3.1 機(jī)器人常用傳感器簡(jiǎn)介3.1.1 機(jī)器人需要的感覺(jué)能力1、觸覺(jué)能力、觸覺(jué)能力 觸覺(jué)是智能機(jī)器人實(shí)現(xiàn)與外界環(huán)境直接作用的必需媒介，是僅次于視覺(jué)的一種重要感知形式。作為視覺(jué)的補(bǔ)充，觸覺(jué)能感知目標(biāo)物體的表面性能和物理特性：柔軟性、硬度、彈性、粗糙度和導(dǎo)熱性等。觸覺(jué)能保證機(jī)器人可靠地抓住各種物體，也能使機(jī)器人獲取環(huán)境信息，識(shí)別物體形狀和表面的紋路，確定物體空間位置和姿態(tài)參數(shù)等 。 檢測(cè)感知和外部直接接觸而產(chǎn)生的接觸覺(jué)、壓覺(jué)、

2、滑覺(jué)等傳感器稱為機(jī)器人觸覺(jué)傳感器。 1）接觸覺(jué)傳感器 2）壓覺(jué)傳感器 3）滑覺(jué)傳感器 2 2、力覺(jué)能力、力覺(jué)能力 力覺(jué)傳感器是機(jī)器人最基本，最重要的一種，也是發(fā)展比較成熟的傳感器。沒(méi)有力傳感器，機(jī)器人就不能獲取它與外界環(huán)境之間的相互作用力，從而難以完成機(jī)器人在環(huán)境約束下的各種作業(yè)。3 3、接近覺(jué)能力、接近覺(jué)能力 接近覺(jué)傳感器是機(jī)器人用來(lái)控制自身與周圍物體之間的相對(duì)位置或距離的傳感器。用來(lái)探測(cè)在一定距離范圍內(nèi)是否有物體接近、物體的接近距離和對(duì)象的表面形狀及傾斜等狀態(tài)。它一般都裝在機(jī)器人手部，起兩方面作用。接近覺(jué)一般用非接觸式測(cè)量元件，如霍爾效應(yīng)傳感器、電磁式接近開(kāi)關(guān)、光學(xué)接近傳感器和超聲波式。4

3、 4、視覺(jué)能力、視覺(jué)能力視覺(jué)信息可分為圖形信息、立體信息、空間信息和運(yùn)動(dòng)信息 視覺(jué)傳感器獲取的信息量要比其它傳感器獲取的信息量多得多 視覺(jué)傳感器把光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào) 視覺(jué)傳感器攝取的圖像經(jīng)空間采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換后變成一個(gè)灰度矩陣，送入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中，形成數(shù)字圖像 5 5、聽(tīng)覺(jué)能力、聽(tīng)覺(jué)能力 （1） 特定人的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng) （2） 非特定人的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)6 6、嗅覺(jué)能力、嗅覺(jué)能力 主要采用了三種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人嗅覺(jué)功能： 在機(jī)器人上安裝單個(gè)或多個(gè)氣體傳感器，再配置相應(yīng)處理電路來(lái)實(shí)現(xiàn)嗅覺(jué)功能。 研究者自行研制簡(jiǎn)易的嗅覺(jué)裝置 采用商業(yè)的電子鼻產(chǎn)品，如A Loutfi用機(jī)器人進(jìn)行的氣味識(shí)別研究。3.1.2

4、 機(jī)器人傳感器分類1、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。具體檢測(cè)的對(duì)象有關(guān)節(jié)的線位移、角位移等幾何量；速度、加速度、角速度等運(yùn)動(dòng)量；還要傾斜角和振動(dòng)等物理量 。2、外部傳感器 用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境及狀況的傳感器。一般與機(jī)器人的目標(biāo)識(shí)別和作業(yè)安全等因素有關(guān)。具體有觸覺(jué)傳感器、視覺(jué)傳感器、接近覺(jué)傳感器、距離傳感器、力覺(jué)傳感器，聽(tīng)覺(jué)傳感器等。傳感器分類傳感器分類3.2 機(jī)器人傳感器的要求與選擇3.2.1 機(jī)器人與傳感器的關(guān)系 傳感器處于連接外界環(huán)境與機(jī)器人的接口位置，是機(jī)器人獲取信息傳感器處于連接外界環(huán)境與機(jī)器人的接口位置，是機(jī)器人獲取信息的窗口的窗口 。用傳感器采集信息是

5、機(jī)器人智能化的第一步；其次，如何采取用傳感器采集信息是機(jī)器人智能化的第一步；其次，如何采取適當(dāng)?shù)姆椒ǎ瑢⒍鄠€(gè)傳感器獲取的環(huán)境信息加以綜合處理，控制機(jī)器人適當(dāng)?shù)姆椒?，將多個(gè)傳感器獲取的環(huán)境信息加以綜合處理，控制機(jī)器人進(jìn)行智能作業(yè)，則是提高機(jī)器人智能程度的重要體現(xiàn)。進(jìn)行智能作業(yè)，則是提高機(jī)器人智能程度的重要體現(xiàn)。 3.2.2 選擇機(jī)器人傳感器應(yīng)考慮的因素 1 成本成本 2 重量重量 3 尺寸尺寸 4 輸出類型輸出類型 5 接口接口 6 分辨率分辨率 7 靈敏度靈敏度 8 線性度線性度 9 量程量程 10 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間 11 可靠性可靠性 12 精度和重復(fù)精度精度和重復(fù)精度3.3 常用機(jī)器人內(nèi)部

6、傳感器3.3.1 機(jī)器人的位置檢測(cè)傳感器v1）檢測(cè)規(guī)定的位置，常用ON/OFF兩個(gè)狀態(tài)值。這種方法用于檢測(cè)機(jī)器人的起始原點(diǎn)、終點(diǎn)位置或某個(gè)確定的位置。給定位置檢測(cè)常用的檢測(cè)元件有微型開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)等。規(guī)定的位移量或力作用在微型開(kāi)關(guān)的可動(dòng)部分上，開(kāi)關(guān)的電氣觸點(diǎn)斷開(kāi)（常閉）或接通（常開(kāi)）并向控制回路發(fā)出動(dòng)作信號(hào)。v2）測(cè)量可變位置和角度，即測(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。常用的有電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器、編碼器等。其中編碼器既可以檢測(cè)直線位移，又可以檢測(cè)角位移。1. 光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān) 光電開(kāi)關(guān)是由LED光源和光電二極管或光電三極管等光敏元件，相隔一定距離而構(gòu)成的

7、透光式開(kāi)關(guān)。光電開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)是非接觸檢測(cè)，精度可達(dá)到0.5mm左右 。（1）漫反射式光電開(kāi)關(guān) （2）鏡反射式光電開(kāi)關(guān)（3）對(duì)射式光電開(kāi)關(guān) （4）槽式光電開(kāi)關(guān)（5）光纖式光電開(kāi)關(guān)幾種光纖式光電開(kāi)關(guān)2. 編碼器編碼器 編碼器可分為光電式、磁場(chǎng)式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式、絕對(duì)式以及混合式三種。其中光電式編碼器最常用。 光電編碼器分為絕對(duì)式和增量式兩種類型。增量式光電編碼器：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低、精度高、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用更為廣泛，特別是在高分辨率和大量程角速率/位移測(cè)量系統(tǒng)中，增量式光電編碼器更具優(yōu)越性 光電式增量編碼器結(jié)構(gòu)圖 光電編碼器的輸出波形

8、圖 3. 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器有鐵芯、兩個(gè)定子線圈和一個(gè)轉(zhuǎn)子線圈組成，是測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度的傳感器。旋轉(zhuǎn)變壓器同樣也是變壓器，它的初級(jí)線圈與旋轉(zhuǎn)軸相連，并經(jīng)滑環(huán)通有交變電流（如圖所示）。旋轉(zhuǎn)變壓器具有兩個(gè)次級(jí)線圈，相互成90度放置。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，有轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的磁通量跟隨一起旋轉(zhuǎn)，當(dāng)初級(jí)線圈與兩個(gè)次級(jí)線圈中的一個(gè)平行時(shí)，該線圈中的感應(yīng)電壓最大，而在另一個(gè)垂直于初級(jí)線圈的次級(jí)線圈中沒(méi)有任何感應(yīng)電壓。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，最終第一個(gè)次級(jí)線圈中的電壓達(dá)到零，而第二個(gè)次級(jí)線圈中的電壓達(dá)到最大值。對(duì)于其他角度兩個(gè)次級(jí)線圈產(chǎn)生與初級(jí)線圈夾角正、余弦成正比的電壓。雖然旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出是模擬量，但卻等同于角度

9、的正弦、余弦值，這就避免了以后計(jì)算這些值的必要性。旋轉(zhuǎn)變壓器可靠、穩(wěn)定且準(zhǔn)確 。旋轉(zhuǎn)變壓器原理圖 3.3.2 機(jī)器人速度、角速度傳感器1編碼器編碼器 如果用編碼器測(cè)量位移，那么就沒(méi)有必要再單獨(dú)使用速度傳感器。對(duì)任意給定的角位移，編碼器將產(chǎn)生確定數(shù)量的脈沖信號(hào)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)指定時(shí)間(dt)內(nèi)脈沖信號(hào)的數(shù)量，就能計(jì)算出相應(yīng)的角速度。Dt越短，得到的速度值就越準(zhǔn)確，越接近實(shí)際的瞬時(shí)速度。但是，如果編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)很緩慢，則測(cè)得的速度可能會(huì)變的不準(zhǔn)確。通過(guò)對(duì)控制器的編程，將指定時(shí)間內(nèi)脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)化為速度信息就可以計(jì)算出速度。2. 測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī) 測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種把輸入的轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成輸出的電壓信號(hào)的

10、機(jī)電式信號(hào)元件，它可以作為測(cè)速、校正和解算元件，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人的關(guān)節(jié)速度測(cè)量中。機(jī)器人對(duì)測(cè)速發(fā)電機(jī)的性能要求： 1）輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間有嚴(yán)格的正比關(guān)系。 2）輸出電壓的脈動(dòng)要盡可能小。 3）溫度變化對(duì)輸出電壓的影響要小。 4）在一定轉(zhuǎn)速時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)及電壓應(yīng)盡可能大。 5）正反轉(zhuǎn)時(shí)輸出電壓應(yīng)對(duì)稱。測(cè)速發(fā)電機(jī)主要可分為直流測(cè)速發(fā)電機(jī)和交流測(cè)速發(fā)電機(jī) （1）直流測(cè)速發(fā)電機(jī)）直流測(cè)速發(fā)電機(jī) 有永磁式和電磁式兩種。其結(jié)構(gòu)與直流發(fā)電機(jī)相近。永磁式采用高性能永久磁鋼勵(lì)磁，受溫度變化的影響較小,輸出變化小，斜率高,線性誤差小。這種電機(jī)在80年代因新型永磁材料的出現(xiàn)而發(fā)展較快。電磁式采用他勵(lì)式，不僅復(fù)雜且

11、因勵(lì)磁受電源、環(huán)境等因素的影響，輸出電壓變化較大，用得不多。如圖為直流測(cè)速發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖。a) 電磁式 b) 永磁式 （2）交流測(cè)速發(fā)電機(jī)）交流測(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) 。 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)。 1杯型結(jié)構(gòu) 2外定子 3內(nèi)定子 4機(jī)殼 5端蓋 杯型轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)3.4 常用機(jī)器人外部傳感器3.4.1 機(jī)

12、器人接觸覺(jué)傳感器 機(jī)器人接觸覺(jué)傳感器用來(lái)判斷機(jī)器人是否接觸物體的測(cè)量傳感器。傳感器輸出信號(hào)常為0或1，最經(jīng)濟(jì)適用的形式是各種微動(dòng)開(kāi)關(guān)。常用的微動(dòng)開(kāi)關(guān)由滑柱、彈簧、基板和引線構(gòu)成，具有性能可靠、成本低、使用方便等特點(diǎn)。 簡(jiǎn)單的接觸式傳感器以陣列形式排列組合成觸覺(jué)傳感器，它以特定次序向控制器發(fā)送接觸和形狀信息。如圖所示 如右圖所示。當(dāng)有力作用在聚合物上時(shí)，力就會(huì)被傳給周圍的一些傳感器，這些傳感器會(huì)產(chǎn)生與所受力成正比的信號(hào)。對(duì)于分辨率要求較低的場(chǎng)合，使用這些傳感器會(huì)產(chǎn)生令人滿意的效果 。 接觸覺(jué)傳感器可以提供的物體的信息如下圖所示。當(dāng)觸覺(jué)傳感器與物體接觸時(shí)，依據(jù)物體的形狀和尺寸，不同的接觸傳感器將以

13、不同的次序?qū)佑|做出不同的反應(yīng)?？刂破骶屠眠@些信息來(lái)確定物體的大小和形狀。圖中給出了三個(gè)簡(jiǎn)單的例子：接觸立方體、圓柱體和不規(guī)則形狀立方體、圓柱體和不規(guī)則形狀的物體。每個(gè)物體都會(huì)使觸覺(jué)傳感器產(chǎn)生一組唯一的特征信號(hào)，由此可確定接觸的物體。類皮膚觸覺(jué)傳感器 接觸覺(jué)傳感器可提供的物體信息 3.4.2 接近覺(jué)傳感器1電磁式接近傳感器電磁式接近傳感器 如圖所示為電磁式接近傳感器。加有高頻信號(hào)is的勵(lì)磁線圈 L產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)作用于金屬板，在其中產(chǎn)生渦流，該渦流反作用于線圈。通過(guò)檢測(cè)線圈的輸出可反映出傳感器與被接近金屬間的距離。2光學(xué)接近傳感器光學(xué)接近傳感器 光學(xué)接近覺(jué)傳感器由用做發(fā)射器的光源和接收器兩部

14、分組成，光源可在內(nèi)部，也可在外部，接收器能夠感知光線的有無(wú)。 發(fā)射器及接受器的配置準(zhǔn)則配置準(zhǔn)則是：發(fā)射器發(fā)出的光只有在物體接近時(shí)才能被接收器接收。除非能反射光的物體處在傳感器作用范圍內(nèi)，否則接收器就接受不到光線，也就不能產(chǎn)生信號(hào)。3超聲波接近覺(jué)傳感器超聲波接近覺(jué)傳感器 超聲波傳感器有兩種工作模式，即對(duì)置模式和回波模式。下圖為超聲波接近覺(jué)傳感器原理圖。4感應(yīng)式接近覺(jué)傳感器感應(yīng)式接近覺(jué)傳感器 感應(yīng)式接近覺(jué)傳感器用于檢測(cè)金屬表面。這種傳感器其實(shí)就是一個(gè)帶有鐵養(yǎng)體磁心、振蕩器檢測(cè)器和固態(tài)開(kāi)關(guān)的線圈。5電容式接近覺(jué)傳感器電容式接近覺(jué)傳感器利用電容量的變化產(chǎn)生接近覺(jué)。電容接近覺(jué)傳感器如圖所示。其本身作為一

15、個(gè)極板，被接近物作為另一個(gè)極板。將該電容接入電橋電路或RC振蕩電路，利用電容極板距離的變化產(chǎn)生電容的變化，可檢測(cè)出與被接近物的距離。電容式接近覺(jué)傳感器具有對(duì)物體的顏色、構(gòu)造和表面都不敏感且實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)。6. 渦流接近覺(jué)傳感器渦流接近覺(jué)傳感器 渦流傳感器具有兩個(gè)線圈第一個(gè)線圈產(chǎn)生作為參考用的變化磁通，在有導(dǎo)電材料接近時(shí)，其中將會(huì)感應(yīng)出渦流，感應(yīng)出的渦流又會(huì)產(chǎn)生與第一個(gè)線圈反向的磁通使總的磁通減少?？偞磐ǖ淖兓c導(dǎo)電材料的接近程度成正比，它可由第二組線圈檢測(cè)出來(lái)。渦流傳感器不僅能檢測(cè)是否有導(dǎo)電材料，而且能夠?qū)Σ牧系目障丁⒘芽p、厚度等進(jìn)行非破壞性檢測(cè)。7. 霍爾式傳感器霍爾式傳感器 當(dāng)磁性物件移近

16、霍爾開(kāi)關(guān)時(shí)，開(kāi)關(guān)檢測(cè)面上的霍爾元件因產(chǎn)生霍爾效應(yīng)而使開(kāi)關(guān)內(nèi)部電路狀態(tài)發(fā)生變化，由此識(shí)別附近有磁性物體存在，進(jìn)而控制開(kāi)關(guān)的通或斷。這種接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)對(duì)象必須是磁性物體 3.4.3 測(cè)距儀測(cè)距儀用于測(cè)量較長(zhǎng)的距離，它可以探測(cè)障礙物和物體表面的形狀，并且用于向系統(tǒng)提供早期信息。測(cè)距儀一般是基于光（可見(jiàn)光、紅外光或激光）和超聲波的。常用的測(cè)量方法是三角法和測(cè)量傳輸時(shí)間法 。用單束光線照射物體，會(huì)在物體上形成一個(gè)光斑，形成的一個(gè)光斑，形成的光斑用攝像機(jī)或光敏三極管等接收器接受。距離或深度可根據(jù)接收器，光源及物體上的光斑所形成的三角形計(jì)算出來(lái)，如圖所示從圖a可以清楚地看出：物體、光源和接收器之間的布局只在

17、某一瞬間能使接收器接收到光斑，此時(shí)距離d可依下式計(jì)算，式中L和 已知，如果能測(cè)出，那么就可以計(jì)算出d2. 測(cè)量傳輸時(shí)間法測(cè)量傳輸時(shí)間法 信號(hào)傳輸?shù)木嚯x包括從發(fā)射器到物體和被物體反射到接收器兩部分。傳感器與物體之間的距離是信號(hào)行進(jìn)距離的一半，知道了傳播速度，通過(guò)測(cè)量信號(hào)的往返時(shí)間即可算出距離。3.4.4 超聲波測(cè)距儀1、優(yōu)點(diǎn)超聲波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、簡(jiǎn)單、廉價(jià)并且能耗低，可以很容易地用于攝像機(jī)調(diào)焦、運(yùn)動(dòng)探測(cè)報(bào)警、機(jī)器人導(dǎo)航和測(cè)距。2、缺點(diǎn)分辨率和最大工作距離受到限制，分辨率的限制是來(lái)自聲波的波長(zhǎng)、傳輸介質(zhì)中的溫度和傳播速度的不一致。最大距離的限制來(lái)自于介質(zhì)對(duì)超聲波能量的吸收。3、工作原理絕大部分的超聲

18、波測(cè)距設(shè)備采用測(cè)量時(shí)間的方法進(jìn)行測(cè)距。工作原理是，發(fā)射器發(fā)射高頻超聲波脈沖，它在介質(zhì)中型近一段距離，遇到障礙物后返回，由接收器接收，發(fā)射器和物體之間的距離等于超聲波行進(jìn)距離的一半，行進(jìn)距離則等于傳輸時(shí)間與聲速的乘積 。4、測(cè)量精度測(cè)量精度不僅與信號(hào)的波長(zhǎng)有關(guān)，還與時(shí)間測(cè)量精度和聲速精度有關(guān)。超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與聲波的頻率、介質(zhì)密度及介質(zhì)溫度有關(guān)。3.4.5 紅外測(cè)距儀1、定義 紅外線是介于可見(jiàn)光和微波之間的一種電磁波，因此，它不僅具有可見(jiàn)光直線傳播、反射、折射等特性，還具有微波的某些特性，如較強(qiáng)的穿透能力和能貫穿某些不透明物質(zhì)等。紅外傳感器包括紅外發(fā)射器件和紅外接收器件。自然界的所有物體

19、只要溫度高于絕對(duì)零度都會(huì)輻射紅外線，因而，紅外傳感器須具有更強(qiáng)的發(fā)射和接收能力。2、原理 紅外測(cè)距傳感器利用紅外信號(hào)遇到障礙物距離的不同反射的強(qiáng)度也不同的原理，進(jìn)行障礙物遠(yuǎn)近的檢測(cè)。紅外測(cè)距傳感器具有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號(hào)，接收管接收這種頻率的紅外信號(hào)，當(dāng)紅外的檢測(cè)方向遇到障礙物時(shí)，紅外信號(hào)反射回來(lái)被接收管接收，經(jīng)過(guò)處理之后，通過(guò)數(shù)字傳感器接口返回到機(jī)器人主機(jī)，機(jī)器人即可利用紅外的返回信號(hào)來(lái)識(shí)別周圍環(huán)境的變化。3.4.6 機(jī)器人姿態(tài)傳感器1、定義 姿態(tài)傳感器時(shí)用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人與地面相對(duì)關(guān)系的傳感器 ，一般用在移動(dòng)機(jī)器人上。2、陀螺儀 典型的姿態(tài)傳感器是陀螺儀，

20、陀螺儀是一種傳感器，它利用高速旋轉(zhuǎn)物體（轉(zhuǎn)子）經(jīng)常保持其一定姿態(tài)的性質(zhì)。轉(zhuǎn)子通過(guò)一個(gè)支撐它的，被稱為萬(wàn)向接頭的自由支持機(jī)構(gòu)，安裝在機(jī)器人上。如圖所示為一個(gè)速率陀螺儀原理圖。機(jī)器人圍繞著輸入軸以角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與輸入軸正交的輸出軸僅轉(zhuǎn)過(guò)角度。在速率陀螺儀中，加裝了彈簧。缷掉這個(gè)彈簧后的陀螺儀，稱為速率積分陀螺儀，此時(shí)輸出軸以角速度旋轉(zhuǎn)，且此角速度與圍繞輸入軸的旋轉(zhuǎn)角速度成正比。速率陀螺儀原理圖 3.4.7 機(jī)器人力覺(jué)傳感器1、定義 力覺(jué)是指對(duì)機(jī)器人的指、肢和關(guān)節(jié)等運(yùn)動(dòng)中所受力的感知，用于感知夾持物體的狀態(tài)；校正由于手臂變形引起的運(yùn)動(dòng)誤差；保護(hù)機(jī)器人及零件不會(huì)損壞。它們對(duì)裝配機(jī)器人具有重要意義。主要

21、包括關(guān)節(jié)力傳感器、腕力傳感器、機(jī)座傳感器等。1）關(guān)節(jié)傳感器 電流檢測(cè)，液壓系統(tǒng)的背壓檢測(cè)和應(yīng)力式關(guān)節(jié)力傳感器等。2）腕力傳感器 可以采用應(yīng)變式、電容式、壓電式等，主要采用應(yīng)變式。如筒式六維力和力矩傳感器、十字輪六維力和力矩傳感器等。1. 力力矩傳感器 豎梁式 6自由度力傳感器原理圖 力力矩覺(jué)傳感器主要用于測(cè)量機(jī)器人自身或與外界相互作用而產(chǎn)生的力或力矩的傳感器。它通常裝在機(jī)器人各關(guān)節(jié)處。 剛體在空間的運(yùn)動(dòng)可以用 6個(gè)坐標(biāo)來(lái)描述，例如用表示剛體質(zhì)心位置的三個(gè)直角坐標(biāo)和分別繞三個(gè)直角坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度坐標(biāo)來(lái)描述?？捎枚喾N結(jié)構(gòu)的彈性敏感元件來(lái)敏感機(jī)器人關(guān)節(jié)所受的 6個(gè)自由度的力或力矩，再由粘貼其上的應(yīng)變

22、片（見(jiàn)半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)、電阻應(yīng)變計(jì)）將力或力矩的各個(gè)分量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)。常用彈性敏感元件的形式有十字交叉式、三根豎立彈性梁式和八根彈性梁的橫豎混合結(jié)構(gòu)等。如圖所示為豎梁式 6自由度力傳感器的原理。在每根梁的內(nèi)側(cè)粘貼張力測(cè)量應(yīng)變片，外側(cè)粘貼剪切力測(cè)量應(yīng)變片，從而構(gòu)成 6個(gè)自由度的力和力矩分量輸出。 2. 應(yīng)變片應(yīng)變片 應(yīng)變片也能用于測(cè)量力。應(yīng)變片的輸出是與其形變成正比的阻值，而形變本身又與施加的力成正比。于是，通過(guò)測(cè)量應(yīng)變片的電阻，就可以確定施加力的大小。 應(yīng)變片常用于測(cè)量末端執(zhí)行器和機(jī)器人腕部的作用力。應(yīng)變片也可用于測(cè)量機(jī)器人關(guān)節(jié)和連桿上的載荷，但不常用。下圖a是應(yīng)變片的簡(jiǎn)單的原理圖。應(yīng)變片常

23、用在惠斯通電橋中，如圖b所示，電橋平衡時(shí)A點(diǎn)和B點(diǎn)電位相等。四個(gè)電阻只要有一個(gè)變化，兩點(diǎn)間就會(huì)有電流通過(guò)。因此，必須首先調(diào)整電橋使電流計(jì)歸零。假定R1是應(yīng)變片的電阻，在壓力作用下該阻值會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致惠更斯電橋不平衡，并使A點(diǎn)和B點(diǎn)間有電流通過(guò)。仔細(xì)調(diào)整一個(gè)其他電阻的阻值，直到電流為零，應(yīng)力片的阻值變化可由下式得到： a）應(yīng)變片 b）惠斯通電橋應(yīng)變片傳感器3. 多維力傳感器多維力傳感器1）定義 多維力傳感器指的是一種能夠同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向以上力及力矩分量的力傳感器，在笛卡爾坐標(biāo)系中力和力矩可以各自分解為三個(gè)分量，因此，多維力最完整的形式是六維力/力矩傳感器,即能夠同時(shí)測(cè)量三個(gè)力分量和三個(gè)力矩分量

24、的傳感器，目前廣泛使用的多維力傳感器就是這種傳感器。在某些場(chǎng)合，不需要測(cè)量完整的六個(gè)力和力矩分量而只需要測(cè)量其中某幾個(gè)分量，因此，就有了二、三、四、五維的多維力傳感器，其中每一種傳感器都可能包含有多種組合形式 。2）應(yīng)用 多維力傳感器廣泛應(yīng)用于機(jī)器人手指、手爪研究；機(jī)器人外科手術(shù)研究；指力研究；牙齒研究；力反饋；剎車檢測(cè)；精密裝配、切削；復(fù)原研究；整形外科研究；產(chǎn)品測(cè)試；觸覺(jué)反饋；示教學(xué)習(xí)。行業(yè)覆蓋了機(jī)器人、汽車制造、自動(dòng)化流水線裝配、生物力學(xué)、航空航天、輕紡工業(yè)等領(lǐng)域。 如圖所示為六維力傳感器結(jié)構(gòu)圖 。六維力傳感器結(jié)構(gòu)圖3）測(cè)量方式 應(yīng)力的測(cè)量方式很多,這里采用電阻應(yīng)變計(jì)的方式測(cè)量彈性體上應(yīng)

25、力的大小。理論研究表明，在彈性體上只受到軸向的拉壓作用力,因此只要在每個(gè)彈性體連桿上粘貼一片應(yīng)變計(jì)(如六維力傳感器結(jié)構(gòu)圖所示) ,然后和其它三個(gè)固定電阻器正確連接即可組成測(cè)量電橋，從而通過(guò)電橋的輸出電壓測(cè)量出每個(gè)彈性體上的應(yīng)力大小。整個(gè)傳感器力敏元件的彈性體連桿有6 個(gè)，因此需要6 個(gè)測(cè)量電橋分別對(duì)6 個(gè)應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。傳感器力敏元件的彈性體連桿機(jī)械應(yīng)變一般都較小，為將這些微小的應(yīng)變引起的應(yīng)變計(jì)電阻值的微小變化測(cè)量出來(lái), 并有效提高電壓靈敏度，測(cè)量電路采用直流電橋的工作方式,其基本形式如下圖所示為測(cè)量電橋。測(cè)量電橋4. 機(jī)器人腕力傳感器機(jī)器人腕力傳感器1）定義 機(jī)器人腕力傳感器測(cè)量的是三個(gè)方

26、向的力（力矩），所以一般均采用六維力力矩傳感器。由于腕力傳感器既是測(cè)量的載體又是傳遞力的環(huán)節(jié)，所以腕力傳感器的結(jié)構(gòu)一般為彈性結(jié)構(gòu)梁，通過(guò)測(cè)量彈性體的變形得到3個(gè)方向的力（力矩） 。2）林純一六維腕力傳感器 如圖所示日本大和制衡株式會(huì)社林純一在JPL實(shí)驗(yàn)室研制的腕力傳感器基礎(chǔ)上提出的一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)。它是一種整體輪輻式結(jié)構(gòu)，傳感器在十字架與輪緣聯(lián)接處有一個(gè)柔性環(huán)節(jié)，因而簡(jiǎn)化了彈性體的受力模型（在受力分析時(shí)可簡(jiǎn)化為懸臂梁）。在四根交叉梁上總共貼有32個(gè)應(yīng)變片（圖中以小方塊表示），組成8路全橋輸出，六維力的獲得須通過(guò)解耦計(jì)算。這一傳感器一般將十字交叉主桿與手臂的聯(lián)接件設(shè)計(jì)成彈性體變形限幅的形式，可有效起

27、到過(guò)載保護(hù)作用，是一種較實(shí)用的結(jié)構(gòu) 。林純一六維腕力傳感器 3）六維腕力傳感器 如圖所示為斯坦福大學(xué)（Stanford Research Institute）研制的六維腕力傳感器。該傳感器利用一段鋁管加工成串聯(lián)的彈性梁，在梁上粘貼一對(duì)應(yīng)變片，其中一片用于溫度補(bǔ)償。筒體由8各彈性梁支撐。由于機(jī)器人各個(gè)桿件通過(guò)關(guān)節(jié)連接在一起，運(yùn)動(dòng)時(shí)各桿件相互聯(lián)動(dòng)，所以單個(gè)桿件的受力情況很復(fù)雜。但我們可以根據(jù)剛體力學(xué)的原理：剛體上任何一點(diǎn)的力都可以表示為笛卡爾坐標(biāo)系三個(gè)坐標(biāo)軸的分力和繞三個(gè)軸的分力矩，只要測(cè)出這三個(gè)分力和分力矩，就能計(jì)算出該點(diǎn)的合力 。六維腕力傳感器3.4.8 機(jī)器人滑覺(jué)傳感器1、定義 機(jī)器人在抓取

28、不知屬性的物體時(shí)，其自身應(yīng)能確定最佳握緊力的給定值。當(dāng)握緊力不夠時(shí)，要檢測(cè)被握緊物體的滑動(dòng)，利用該檢測(cè)信號(hào)，在不損害物體的前提下，考慮最可靠的夾持方法，實(shí)現(xiàn)此功能的傳感器稱為滑覺(jué)傳感器滑覺(jué)傳感器。2、分類 有滾動(dòng)式和球式，還有一種通過(guò)振動(dòng)檢測(cè)滑覺(jué)的傳感器。3、工作原理 物體在傳感器表面上滑動(dòng)時(shí)，和滾輪或環(huán)相接觸，把滑動(dòng)變成轉(zhuǎn)動(dòng)。磁力式滑覺(jué)傳感器中，滑動(dòng)物體引起滾輪滾動(dòng)，用磁鐵和靜止的磁頭，或用光傳感器進(jìn)行檢測(cè)，這種傳感器只能檢測(cè)到一個(gè)方向的滑動(dòng)。球式傳感器用球代替滾輪，可以檢測(cè)各個(gè)方向的滑動(dòng)，振動(dòng)式滑覺(jué)傳感器表面伸出的觸針能和物體接觸，物體滾動(dòng)時(shí)，觸針與物體接觸而產(chǎn)生振動(dòng)，這個(gè)振動(dòng)由壓點(diǎn)傳感器

29、或磁場(chǎng)線圈結(jié)構(gòu)的微小位移計(jì)檢測(cè) 。1. 光纖滑覺(jué)傳感器光纖滑覺(jué)傳感器1）定義）定義：將光纖傳感器用于機(jī)器人機(jī)械手上的有關(guān)研究主要是光纖壓覺(jué)或力覺(jué)傳感器和光纖觸覺(jué)傳感器。2）優(yōu)點(diǎn)）優(yōu)點(diǎn)：由于光纖傳感器具有體積小、不受電磁干擾、本質(zhì)上防燃防爆等優(yōu)點(diǎn)，因而在機(jī)械手作業(yè)過(guò)程中，可靠性較高。3）原理）原理：在光纖滑覺(jué)傳感系統(tǒng)中，利用滑球的微小轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行切向滑覺(jué)的轉(zhuǎn)換，在滑球中心嵌入一平 面反射鏡。光纖探頭由中心的發(fā)射光纖和對(duì)稱布設(shè)的四根光信號(hào)接收光纖組成。來(lái)自發(fā)射光纖的出射光經(jīng)平面鏡反射后，被發(fā)射光纖周圍的四根光纖所接收，形成同一光場(chǎng)的四象限光探測(cè)，所接收的四象限光信號(hào)經(jīng)前置放大后被送入信號(hào)處理系統(tǒng)。當(dāng)

30、傳感器的滑球在有滑動(dòng)趨勢(shì)的物體作用下繞球心產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由此引起反射光場(chǎng)發(fā)生變化，導(dǎo)致四象限接收光纖所接收到的光信號(hào)受到調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)全方位光纖滑覺(jué)檢測(cè)。系統(tǒng)如框圖所示。 光纖滑覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)如圖所示。傳感器殼體中開(kāi)有一球冠形槽，可使滑球在其中滑動(dòng)?；?球的一小部分露出并與乳膠膜相接觸，滑動(dòng)物體通過(guò)乳膠膜與滑球發(fā)生相互作用。滑球中心平面與一個(gè)內(nèi)嵌平面反射鏡的剛性圓板固接，該圓板通過(guò)八個(gè)儀表彈簧與傳感器殼體相連。構(gòu)成了該滑覺(jué)傳感器的彈性恢復(fù)系統(tǒng)。 2. 機(jī)器人專用滑覺(jué)傳感器機(jī)器人專用滑覺(jué)傳感器如圖所是貝爾格萊德大學(xué)研制的球型機(jī)器人專用滑覺(jué)傳感器。它由一個(gè)金屬球和觸針組成，金屬球表面分別許多間隔排

31、列的導(dǎo)電和絕緣小格。觸針頭很細(xì)，每次只能觸及一個(gè)格。當(dāng)工件滑動(dòng)時(shí)，金屬球也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，在觸針上輸出脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)的頻率反映了滑移速度，脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)滑移的距離。接觸器觸頭面積小于球面上露出的導(dǎo)體面積，它不僅可做得很小，而且檢測(cè)靈敏度。球與別握物體相接觸，無(wú)論滑動(dòng)方向如何，只要球一轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器就會(huì)產(chǎn)生脈沖輸出。該球體在沖擊力作用下不轉(zhuǎn)動(dòng)，因此抗干擾能力強(qiáng)。3.4.9 機(jī)器人視覺(jué)傳感器1. 人的視覺(jué)人的視覺(jué) 1）人的眼睛是由含有感光細(xì)胞的視網(wǎng)膜和作為附屬結(jié)構(gòu)的折光系統(tǒng)等部分組成。 2）人眼的適宜刺激波長(zhǎng)是370740nm的電磁波。 3）在這個(gè)可見(jiàn)光譜的范圍內(nèi)，人腦通過(guò)接收來(lái)自視網(wǎng)膜的傳入信息

32、，可以分辨出視網(wǎng)膜像的不同亮度和色澤。 4）因而可以看清視野內(nèi)發(fā)光物體或反光物體的輪廓、形狀、顏色、大小、遠(yuǎn)近和表面細(xì)節(jié)等情況。 5）人眼視網(wǎng)膜上有兩種感光細(xì)胞，視錐細(xì)胞主要感受白天的景象。 6）視桿細(xì)胞感受夜間景象。 7）人的視錐細(xì)胞大約有700多萬(wàn)個(gè)，是聽(tīng)覺(jué)細(xì)胞的3000多萬(wàn)倍。2. 機(jī)器人視覺(jué)機(jī)器人視覺(jué)機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)通常是利用光電傳感器構(gòu)成的。 機(jī)器人的視覺(jué)作用的過(guò)程如圖所示。機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)要能達(dá)到實(shí)用，至少要滿足以下幾方面的要求。 首先是實(shí)時(shí)性。 其次是可靠性。 再次是要求有柔性。 最后是價(jià)格適中。機(jī)器人傳感器應(yīng)用的條件如下： 在空間中判斷物體的位置和形狀一般需要兩類信息：距離信息和

33、明暗信息 獲得距離信息的方法可以有超聲波、激光反射法、立體攝像法等。 明暗信息主要靠電視攝像機(jī)、CCD固態(tài)攝像機(jī)來(lái)獲得。 3. 機(jī)器人視覺(jué)傳感器機(jī)器人視覺(jué)傳感器（1）人工網(wǎng)膜人工網(wǎng)膜是用光電管陣列代替網(wǎng)膜感受光信號(hào)。其最簡(jiǎn)單的形式是33的光電管矩陣，多的可達(dá)256256個(gè)像素的陣列甚至更高。以33陣列為例。數(shù)字字符1，得到的正、負(fù)像如圖所示，大寫(xiě)字母字符I ，所得正、負(fù)像如圖3.29所示，事先作為標(biāo)準(zhǔn)圖像存儲(chǔ)起來(lái)。 數(shù)字字符1的正、負(fù)像大寫(xiě)字符I的正、負(fù)像 與1比較與I比較正像相關(guān)值33負(fù)像相關(guān)值62總相關(guān)值95 工作時(shí)得到數(shù)字字符1的輸入，其正、負(fù)像可與已存儲(chǔ)的1和I的正、負(fù)像進(jìn)行比較。結(jié)果見(jiàn)下表 在兩者比較中，是1的總相關(guān)值是9，等于陣列中光電管的總數(shù)。這表示所輸入的圖像信息與預(yù)先存儲(chǔ)的圖像數(shù)字字符1的信息是完全一致的。由此可判斷輸入的字符是數(shù)字字符1，不是大寫(xiě)字母字符I，也不是其他字符。 （2）光電探測(cè)器件 最簡(jiǎn)單的光探測(cè)器是光電管和光敏二極管。固態(tài)探測(cè)器件可以排列成線性陣列和矩陣陣列使之具有直接