第四章-工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)

第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)工業(yè)機器人傳感器概述內部傳感器外部傳感器傳感器的選型工業(yè)機器人典型傳感器系統(tǒng)思考題第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)【重點掌握】★機器人傳感器的類型劃分及工業(yè)應用★增量式、絕對式光電編碼器的原理區(qū)別及其應用特點★觸覺傳感器的分類及應用★接近覺傳感器的分類與應用第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)4.1 工業(yè)機器人傳感器概述4.1.1工業(yè)機器人與傳感器傳感器在工業(yè)機器人構成中占據(jù)重要地位。工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)使機器人能夠與外界進行信息交換，是決定工業(yè)機器人性能水平的關鍵因素之一。與普遍、大量應用的工業(yè)檢測傳感器相比，工業(yè)機器人傳感器對傳感信息的種類和智能化處理的要求更高。無論是科學研究還是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，都需要有多種學科、技術和工藝作為支撐。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)4.1.2 工業(yè)機器人傳感器的分類工業(yè)機器人的感覺系統(tǒng)可分為視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺、平衡感覺和其他感覺。可以將傳感器的功能與人類的感覺器官相比擬，光敏傳感器可比為視覺，聲敏傳感器可比為聽覺，氣敏傳感器可比為嗅覺，化學傳感器可比為味覺，壓敏、溫敏、流體傳感器可比為觸覺。與常用的傳感器相比，人類的感覺能力更優(yōu)越，但也有一些傳感器比人的感覺功能優(yōu)越，例如感知紫外線或紅外線輻射的傳感器，感知電磁場、無色無味的氣體的傳感器等。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)內部傳感器是測量機器人自身狀態(tài)的功能元件，具體檢測的對象有關節(jié)的線位移、角位移等幾何量，速度、角速度、加速度等運動量，還有傾斜角、方位角、振動等物理量，即

主要用來采集來自機器人內部的信息；而外部傳感器則主要用來采集機器人和外部環(huán)境以及工作對象之間相互作用的信息。第四章工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)內部傳感器和外部傳感器是根據(jù)傳感器在系統(tǒng)中的作用來劃分的，某些傳感器既可當作內部傳感器使用，又可以當作外部傳感器使用。例如力傳感器，用于末端執(zhí)行器或操作臂的自重補償中，是內部傳感器；用于測量操作對象或障礙物的反作用力時，是外部傳感器。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)4.1.3 工業(yè)機器人對傳感器的要求依據(jù)工業(yè)機器人自身結構特點及工作環(huán)境的特點，通常要求傳感器應具備以下4個特點。(1)精度高，重復性好。機器人傳感器的精度直接影響機器人的工作質量。用于檢測和控制機器人運動的傳感器是控制機器人定位精度的基礎。機器人是否能夠準確無誤地正常工作，往往取決于傳感器的測量精度。第四章工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)穩(wěn)定性好，可靠性高。機器人傳感器的穩(wěn)定性和可靠性是保證機器人能夠長期穩(wěn)定可靠地工作的必要條件。機器人經(jīng)常是在無人照管的條件下代替人來操作，如果它在工作中出現(xiàn)故障，輕者影響生產(chǎn)的正常進行，重者造成嚴重事故?？垢蓴_能力強。機器人傳感器的工作環(huán)境比較惡劣，它應當能夠承受強電磁干擾、強振動，并能夠在一定的高溫、高壓、高污染環(huán)境中正常工作。第四章工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)(4)重量輕，體積小，安裝方便可靠。對于安裝在機器人操作臂等運動部件上的傳感器，重量要輕，否則會加大運動部件的慣性，影響機器人的運動性能。對于工作空間受到某種限制的機器人，對體積和安裝方便的要求也是必不可少的。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)4.2

內部傳感器4.2.1位置傳感器目前，機器人系統(tǒng)中使用的位置傳感器一般是編碼器。編碼器是將物理量轉換為數(shù)字格式的設備。編碼器在機器人運動控制系統(tǒng)中的功能是將位置和角度參數(shù)轉換為數(shù)字量。通過使用電接觸、磁效應、電容效應和光電轉換的機制可以形成各種類型的編碼器。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)透射式旋轉光電編碼器及其光電轉換電路如圖4-1所示。根據(jù)某些編碼規(guī)則形成的遮光和透光部分的組合被雕刻在與測量軸同心的編碼盤上。在編碼盤的一側是發(fā)光管，在另一側是光敏器件。隨著測量軸的旋轉，穿過編碼盤的光束被迫產(chǎn)生間斷。通過光電器件的接收和電子電路的處理，產(chǎn)生特定電信號的輸出。之后，通過數(shù)字處理來計算出位置和速度信息。光電編碼器可根據(jù)角度位置的檢測方式分為絕對型編碼器和增量型編碼器。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)圖4-1旋轉光電編碼器工作原理第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)1.絕對型光電編碼器絕對型光電編碼器具有絕對位置的記憶裝置，可以測量旋轉軸或移動軸的絕對位置，因此它已廣泛應用于機器人系統(tǒng)。對于線性移動軸或旋轉軸，在確定編碼器的安裝位置后，絕

對參考零位置就確定了。通常，絕對型光電編碼器的絕對零位的存儲要依靠不間斷的供電電源。目前，一般使用高效的鋰離子電池進行供電。第四章工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)絕對型光電編碼器的編碼盤由幾個同心圓組成，這些同心圓可以稱為碼道，在這些碼道上，沿徑向順序具有各自不同的二進制權值。每個碼道根據(jù)其權值分為遮光和投射段，分別表示二進制0和1。與碼道個數(shù)相同的光電器件分別與各自對應的碼道對準并沿碼盤的半徑直線排列，可以通過這些光電器件的檢測結果來產(chǎn)生絕對位置的二進制編碼。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)用4位絕對型光電編碼器來說明旋轉式絕對型光電編碼器的工作原理，如圖4-2所示。圖4-2(a)所示的碼盤使用標準二進制編碼，其優(yōu)點是可以直接用于絕對位置換算。但是這種代碼盤很少在實踐中使用，因為當編碼器在兩個位置的邊緣交替或前后擺動時，由于碼盤制作或光電器件排列的誤差會產(chǎn)生編碼數(shù)據(jù)的大幅跳動，導致位置顯示和控制錯誤。例如，在位置0111和1000的交叉點處，可能出現(xiàn)諸如1111、1110、1011、0101等數(shù)據(jù)，因此絕對型光電編碼器通常使用格雷碼循環(huán)二進制碼盤，如圖4-2(b)所示。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)圖4-2絕對型光電編碼器的碼盤(a)二進制碼盤(b)格雷碼盤第四章工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)在格雷碼盤上，兩個相鄰數(shù)據(jù)之間只有一個數(shù)據(jù)變化，因此在測量過程中沒有大的數(shù)據(jù)跳躍。格雷碼在本質上是一種對二進制的加密處理，其每位不再具有固定的權值，必須先通過解碼過程將其轉換為二進制代碼，然后才能獲取位置信息。該解碼過程可以由硬件解碼器或軟件實現(xiàn)。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)2.增量型旋轉光電編碼器增量型光電編碼器是常見的編碼器類型，在一般機電系統(tǒng)中有著廣泛的應用。對于通用伺服電機，為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，會在電機內與電機軸同軸安裝光電編碼器，實現(xiàn)電機的精確運動控制。增量型光電編碼器可以記錄旋轉軸或移動軸的相對位置變化，但不能給出移動軸的絕對位置。因此，這種光電編碼器通常用于定位精度較低的機器人，如搬運、碼垛機器人等。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)增量型旋轉光電編碼器通過兩個內部光敏接收管轉換其角碼盤的時序和相位關系，以獲得角度碼盤角位移的增加

(正方向)或減少(負方向)。在進行角度測量和角速度的測量的工作中，與絕對型旋轉光電編碼器相比，增量型旋轉光電編碼器(在加入數(shù)字電路尤其是單片機后)具有更便宜、更簡單的優(yōu)勢，如圖4-3所示。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)圖4-3增量型旋轉光電編碼器第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)增量型旋轉光電編碼器直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈沖A、B、Z相位。A、B兩組脈沖相位差為90°，從

而可以確定旋轉方向。編碼器軸每旋轉一周會輸出一個固定脈沖，脈沖數(shù)由編碼器光柵的線數(shù)決定。當需要提高分辨率時，可以使用相差90°的A、B信號來倍頻或替換高分辨率編碼器。Z相位是每轉一個脈沖，用于參考點定位。其優(yōu)點是原理結構簡單，平均機械壽命可達數(shù)萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適用于遠距離傳輸；缺點是無法輸出軸旋轉的絕對位置信息，如圖4-4所示。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)圖4-4增量型旋轉光電編碼器A、B相脈沖第四章工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)A、B兩點對應兩個光敏接收管，A、B兩點間距為S2，角度碼盤的光柵間距分別為S0和S1。通過輸出波形圖可知每個運動周期的時序如表4-1所示。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)3.直線型光電編碼器(光柵尺)直線型光電編碼器可理解為將旋轉編碼器的編碼部分由環(huán)形拉直而演變成直尺形。直線型光電編碼器同樣可制作為增量型和絕對型。在這里只介紹直線增量型光電編碼器，如圖4-5所示。它與旋轉編碼器的區(qū)別是直線編碼器的分辨率以柵距表示，而不是旋轉編碼器的每轉脈沖數(shù)。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)圖4-5直線增量型光電編碼器工作原理第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)4.2.2速度傳感器速度傳感器是一種機器人內部傳感器，它是閉環(huán)控制系統(tǒng)不可缺少的組成部分，用于測量機器人關節(jié)的運動速度。目前，有許多傳感器可以用于測量速度，比如大多數(shù)執(zhí)行位置測量的傳感器也可以同時獲得速度信息。測速發(fā)電機是使用最廣泛的速度測量傳感器，它可以直接獲得代表轉速的電壓，并具有良好的實時性能。在機器人系統(tǒng)中，以速度為主要目標的伺服控制并不常見，而以機器人的位置控制更為常見。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)1.模擬式速度傳感器測速發(fā)電機是最常用的一種模擬式速度測量傳感器，它是一種小型永磁式發(fā)電機。其工作原理是基于當勵磁磁通恒定時，其輸出電壓和轉子轉速成正比，即U

=

kn(4-1)第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)式中，U為測速發(fā)電機輸出電壓，單位為V；n為測速發(fā)

電機轉速，單位為r/min；k為比例系數(shù)。當有負載時，電樞繞組流過電流，由于電樞反應而使輸出電壓降低；若負載較大或者測量過程中負載變化，則破壞了線性特性而產(chǎn)生誤差。為減少誤差，必須使負載盡可能地小，而且性質不變。測速發(fā)電機總是與驅動電動機同軸連接，這樣就測出了驅動電動機的瞬時速度。它在機器人控制系統(tǒng)中的應用示意圖如圖4-

6所示。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)圖4-6測速發(fā)電機在控制系統(tǒng)中的應用示意圖第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)2.數(shù)字式速度傳感器在機器人控制系統(tǒng)中，增量型編碼器一般用作位置傳感器，但也可以用作速度傳感器。當把一個增量型編碼器用作速度檢測元件時，有兩種使用方法。(1)模擬式方法。在這種方式下，關鍵是需要一個轉換

器，它必須有盡量小的溫度漂移和良好的零輸入/輸出特性，用它把編碼器的脈沖頻率輸出轉換成與轉速成正比的模擬電壓，它檢測的是電動機軸上的瞬時速度。其示意圖如圖4-7所示。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)圖4-7增量式編碼器用作速度傳感器示意圖第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)(2)數(shù)字式方法。編碼器是數(shù)字元件，它的脈沖個數(shù)代

表了位置，而單位時間里的脈沖個數(shù)表示這段時間里的平均

速度。顯然單位時間越短，越能代表瞬時速度，但在太短的

時間里，只能計到幾個編碼器脈沖，因而降低了速度分辨率。目前，在技術上有多種辦法能夠解決這個問題。例如，可以

采用兩個編碼器脈沖為一個時間間隔，然后用計數(shù)器記錄在

這段時間里高速脈沖源發(fā)出的脈沖數(shù)。利用編碼器的測速原

理如圖4-8所示。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)圖4-8利用編碼器的測速原理第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)設編碼器每轉輸出1000個脈沖，高速脈沖源的周期為0.1

ms，門電路每接收到一個編碼器脈沖就開啟，再接收到一個編碼器脈沖就關閉。這樣周而復始，也就是門電路開啟時間是兩個編碼器脈沖的間隔時間。例如，計數(shù)器的值為

100，則編碼器角位移為第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)時間增量Δt=脈沖源周期×計數(shù)值=0.1

ms×100=

10

ms，則速度為第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)4.2.3 加速度傳感器1.應變片加速度傳感器N-Cu或Ni-Cr金屬電阻應變片加速度傳感器是由板彈簧支撐的重錘組成的振動系統(tǒng)，板彈簧上、下兩側分別粘貼兩個應變片，如圖4-9所示。應變片受到振動的影響產(chǎn)生應變，通過檢測電橋電路的輸出電壓來檢測應變片電阻值的變化。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)圖4-9應變片加速度傳感器第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)2.伺服加速度傳感器伺服加速度傳感器是一種采用了負反饋工作原理的加速度傳感器，又稱“力平衡加速度傳感器”。它屬于一種閉環(huán)系統(tǒng)。伺服加速度傳感器有一個彈性支承的質量塊，質量塊上附著一個位移傳感器(如電容式位移傳感器)。當基座振動時，質量塊也會隨之偏離平衡位置，偏移的大小由位移傳感器檢測得到，該信號經(jīng)伺服放大電路放大后轉換為電流輸出，該

電流流過電磁線圈從而產(chǎn)生電磁力，該電磁力的作用將使質量塊回復到原來的平衡位置上。第四章工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)由此可見，電磁力的大小必然正比于質量塊所受加速度的大小，而該電磁力又是正比于電流大小的，所以通過測量該電流的大小即可得到加速度的值。伺服加速度傳感器如圖4-10所示。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)圖4-10伺服加速度傳感器第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)3.壓電加速度傳感器壓電加速度傳感器利用具有壓電效應的材料將產(chǎn)生加速度的力轉化為電壓。具有壓電效應的材料在外力作用下發(fā)生機械變形時，會產(chǎn)生電壓，反之，施加電壓時也會產(chǎn)生機械變形。壓電元件主要由高介電系數(shù)鈦酸鉻鉛材料制成。如果壓電常數(shù)為d，則加在元件上的應力與電荷的關系為Q=dF。如果壓電元件電容為C，輸出電壓為U，則U=Q/C=dF/C，其中U和F在很大動態(tài)范圍內保持線性關系。第四章工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)壓電元件的形變有三種基本模式：壓縮形變、剪切形變和彎曲形變，如圖4-11所示。圖4-12為采用剪切模式的加速度傳感器結構。在傳感器中，一對扁平或圓柱形壓電元件被垂直地固定在軸對稱位置。壓電元件的剪切壓電常數(shù)大于壓電常數(shù)，而且不受橫向加速度的影響。壓電元件在一定溫度下仍能保持穩(wěn)定的輸出。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)圖4-11形變的三種基本模式第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)圖4-12剪切模式的加速度傳感器第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)4.2.4 傾斜角傳感器1.液體式傾斜角傳感器液體式傾斜角傳感器可分為氣泡位移式、電解液式、電容式和磁流體式等。下面介紹氣泡位移式傾斜角傳感器和電解液式傾斜角傳感器。圖4-13為氣泡位移式傾斜角傳感器的結構和測量原理。含有氣泡的液體被密封在一個半球形容器中，并與上面LED發(fā)出的光對齊；容器下部分為四部分，分別安裝四個光電二極管來接收透射光。液體和氣泡有不同的透射率，液體在光電二極管上的投影位置隨傳感器傾角的變化而變化。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)圖4-13氣泡位移式傾斜角傳感器第四章工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)電解液式傾斜角傳感器的結構如圖4-14所示。在管狀容器內封入KCl之類的電解液和氣體，并在其中插入3個電極。容器傾斜時，溶液移動，中央電極和兩端電極間的電阻及電容量改變，使容器相當于一個阻抗可變的元件，可用交流電橋電路進行測量。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)圖4-14電解液式傾斜角傳感器第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)2.垂直振子式傾斜角傳感器圖4-15為垂直振子式傾斜角傳感器示意圖。振子懸掛在一張撓性的薄片上。當傳感器傾斜時，振子離開平衡位置以保持其垂直方向。通常，根據(jù)振子是否偏離平衡位置和偏移角函數(shù)(通常為正弦函數(shù))來檢測傾斜角度。但是由于容器的限制，測量范圍只能在振子自由振蕩的允許范圍內，不能檢測到過大的傾斜角。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)圖4-15垂直振子式傾斜角傳感器第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)根據(jù)圖4-15所示的結構原理圖，當傾斜角傳感器傾斜時，代表位移函數(shù)的輸出電流反饋到轉矩線圈中，使振子回到平衡位置。此時，振子傾斜后產(chǎn)生的作用力由振子重力的分力形成，因此振子產(chǎn)生的力矩M=mg

sinθ?l，電磁轉矩發(fā)生器產(chǎn)生的轉矩T=K?i。當平衡時應該有M=T，所以得到傾斜角度為第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)4.2.5 力覺傳感器力覺是指對機器人手指、四肢和關節(jié)所受的力的知覺，包括腕力知覺、關節(jié)力知覺和支撐力知覺。根據(jù)被測對象的負載，力傳感器可分為力傳感器(單軸力傳感器)、力矩表(單軸力矩傳感器)、手指傳感器(用于檢測機器人手指受力的微型單軸力傳感器)和六軸力覺傳感器。六軸力覺傳感器通常安裝在機器人的手腕上，因此又稱腕力傳感器。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)1.筒式腕力傳感器圖4-16所示為一種筒式6自由度腕力傳感器，主體為鋁圓筒，外側由8根梁支撐，其中4根為水平梁，4根為垂直梁。水平梁的應變片貼于上、下兩側，設各應變片所受到的應變量分別為

；而垂直梁的應變片貼于左右兩側，設各應變片所受到的應變量分別為

。那么，施加于傳感器上的6維力即可計算得到。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)圖4-16一種筒式6自由度腕力傳感器第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)2.十字形腕力傳感器圖4-17為美國最提出的十字形彈性體構成的腕力傳感器結構原理示意圖。十字形所形成的四個臂作為工作梁，四個工作梁的一端與外殼連接。在每個梁的四個表面上選取測量敏感點，通過粘貼應變片獲取電信號。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)圖4-17十字形彈性體構成的腕力傳感器第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)4.3

外部傳感器4.3.1觸覺傳感器觸覺用來感知是否與其他物體接觸，是諸如接觸、沖擊和壓力等機械刺激感覺的綜合。觸覺可以用來進一步感知物體的物理屬性，如形狀、柔軟和堅硬等。一般來說，把能夠探測到與外界直接接觸產(chǎn)生的接觸感、壓力感、觸覺和接近覺的傳感器稱為機器人的觸覺傳感器。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)機器人的觸覺傳感器主要有三方面功能。首先，使操作動作適宜，例如感知手指和物體之間的作用力，我們就可以判定這個動作是否適當。這種力也可以作為反饋信號，通過調整給定的操作程序來實現(xiàn)柔性動作控制。這個功能是視覺無法替代的。其次，識別操作對象的屬性，如尺寸、質量、硬度等。有時它也可以在一定程度上代替視覺進行形狀識別，這在視覺無法工作時是非常重要的。再次，它是用來躲避危險、障礙物等，以防止碰撞等事故。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)最簡單的觸覺傳感器是微動開關，它也是最早使用的觸覺傳感器。它工作范圍廣，不受電磁干擾，操作簡單，使用方便，成本低廉。單個微動開關通常工作在開-關狀態(tài)，它

可以用二位的方式指示是否處于接觸狀態(tài)。如果僅僅需要檢測是否與對象物體接觸，那么這種二位微動開關能滿足要求。但是，如果需要檢測物體的形狀，我們需要在接觸面上高密度地安裝敏感元件。雖然微動開關可以很小，但是與高靈敏度觸覺傳感器的要求相比，這種開關式的微動開關仍然太大，無法實現(xiàn)高密度安裝。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)導電合成橡膠是一種常見的觸覺傳感器敏感元件，它是在硅橡膠中添加導電顆粒或半導體材料(如銀或碳)構成的導電材料。這種材料價格低廉，使用方便，有柔性，可用于機器人多指靈巧手的手指表面。導電合成橡膠有多種工業(yè)等級，這種導電橡膠的體電阻隨壓力變化不大，但接觸面積和反向接觸電阻隨外力變化較大?；谶@一原理的觸覺傳感器可以實現(xiàn)在1厘米的面積內有256個觸覺敏感單元，敏感范圍為1g

～100g。圖4-18所示為D截面導電橡膠線的壓阻觸覺傳感器，采用兩根垂直導電橡膠線實現(xiàn)行-列交叉定位。當正壓增大時，D截面導電橡膠發(fā)生變形，接觸面積增大，接觸電阻減小，從而實現(xiàn)觸覺感知。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)圖4-18D截面導電橡膠線觸覺傳感器第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)1.壓電式傳感器常用的壓電晶體是石英晶體，石英晶體在受壓時會產(chǎn)生一定的電信號。石英晶體產(chǎn)生的電信號的強度是由它們所受

的壓力值決定的。通過檢測這些電信號的強度，可以檢測出

被測物體所受的力。壓電式力傳感器不僅可以測量物體受到

的壓力，還可以測量物體的張力。在測量拉緊力時，需要給

壓電晶體一定的預緊力。由于壓電晶體不能承受過大的應變，所以其測量范圍很小。第四章工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)在機器人的應用中，通常不會出現(xiàn)過大的力，所以壓電式力傳感器更適合。壓電式傳感器安裝時，與傳感器表面接觸的零件應具有良好的平行度和較低的表面粗糙度，而且硬度應低于傳感器接觸表面的硬度，確保預緊力垂直于傳感器的表面，以使石英晶體上生成均勻的壓力分布。圖4-19所示為三分力壓電式傳感器。它由三對石英晶片組成，可以同時測量三個方向的作用力。其中上、下兩對晶片利用晶體的剪切效應，分別測量x方向和y方向的作用力；中間一對晶片利用晶體的縱向壓電效應，測量方向的作用力。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)圖4-19三分力壓電式傳感器第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)2.光纖壓力傳感器圖4-20所示的光纖壓力傳感器單元基于全內反射破壞原理，是一種光強度調制的高靈敏度光纖傳感器。發(fā)射光纖和接收光纖通過直角棱鏡連接。棱鏡的斜面與位移膜片之間的氣隙約為0.3

μm，在膜片的下表面包覆有光學吸收層。當膜片受壓力向下移動時，棱鏡的斜面與光吸收層間的氣隙發(fā)生改變，從而引起棱鏡界面內全內反射的局部破壞，使部分光離開上界面進入吸收層并被吸收。因此，接收光纖中的光強也隨之改變。當膜片受壓時，便產(chǎn)生彎曲變形，對于周邊固定的膜片，在小撓度時(W≤0.5t)，膜片中心位移與所受壓力成正比。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)圖4-20光纖壓力傳感器第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)4.3.2滑覺傳感器當機器人抓取一個屬性未知的物體時，其自身應能確定最佳握緊力的給定值。當抓取力不足時，需要檢測被抓取物體的滑動情況。利用檢測信號，在不損壞物體的前提下，考慮最可靠的夾持方法。實現(xiàn)這一功能的傳感器稱為滑覺傳感器，它有振動式和球式兩種。當物體在傳感器表面滑動時，和滾輪或環(huán)相接觸，把滑動變成旋轉。圖4-21顯示了南斯拉夫貝爾格萊德大學制造的球式滑覺傳感器，由一個金屬球和一個觸針組成。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)圖4-21球式滑覺傳感器第四章工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)另一種傳感器，它通過振動來檢測滑動的感覺，稱為振動滑覺傳感器。圖4-22所示為振動滑覺傳感器，其表面伸出的觸針能和物體接觸。當物體滾動時，觸針與物體接觸而產(chǎn)生振動，這種振動由壓電傳感器或帶有磁場線圈結構的微小位移計檢測。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)圖4-22振動式滑覺傳感器第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)接近覺傳感器接近覺傳感器是機器人用來檢測自身與周圍物體的相對位置和距離的傳感器。它的使用對于機器人工作過程中及時進行軌跡規(guī)劃和預防事故發(fā)生具有重要意義。它主要有以下三個方面的作用：在接觸物體之前，先獲取必要的信息，為以后的動作做好準備。當發(fā)現(xiàn)障礙物時，改變路線或停止運行，以避免發(fā)生碰撞。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)(3)得到對象物體表面形狀的信息。根據(jù)傳感范圍，接近覺傳感器大致可分為三類：磁力式(感應式)、氣壓式、電容式、視覺接近傳感器等用于近距離物體(mm級)的傳感；

紅外式接近傳感器用于感知中等距離(30

cm以內)的物體；

超聲波和激光等傳感器用于感知遠距離(30

cm以上)的物體。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)1.磁力式接近傳感器圖4-23所示為磁力式接近傳感器結構原理。它由勵磁線圈C0和檢測線圈C1及C2組成，C1、C2的圈數(shù)相同，接成差動式。當未接近物體時由于這種傳感器構造上的對稱性，輸出為0；當接近物體(金屬)時，由于金屬產(chǎn)生渦流而使磁通發(fā)生變化，從而使檢測線圈輸出產(chǎn)生變化。這種傳感器不大受光、熱、物體表面特征影響，可小型化與輕量化，但只能探測金屬對象。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)圖4-23磁力式接近傳感器結構原理第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)2.氣壓式接近傳感器圖4-24所示為氣壓式接近傳感器的基本原理與特性圖。它是根據(jù)噴嘴-擋板作用原理設計的，氣壓源PV經(jīng)過節(jié)流孔進入背壓腔，又經(jīng)噴嘴射出，氣流碰到被測物體后形成背壓輸出PA。合理地選擇壓力值(恒壓源)、噴嘴尺寸及節(jié)流孔大小，便可得出輸出PA與距離X間的對應關系，一般不是線性的，但可以做到局部近似線性輸出。這種傳感器具有較強防火、防磁、防輻射能力，但要求氣源保持一定程度的凈化。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)圖4-24氣壓式接近傳感器基本原理與特性圖第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)3.紅外式接近傳感器紅外傳感器是一種比較有效的接近傳感器，傳感器發(fā)出的光的波長大約在幾百納米范圍內，是短波長的電磁波。它是一種輻射能轉換器，主要用于將接收到的紅外輻射能轉換為便于測量或觀察的電能、熱能等其他形式的能量。根據(jù)能量轉換方式，紅外探測器可分為熱探測器和光子探測器兩大類。紅外傳感器具有不受電磁波干擾、非噪聲源、可實現(xiàn)非常接觸性測量等特點。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)另外，紅外線(指中、遠紅外線)不受周圍可見光的影響，故在晝夜都可進行測量。同聲吶傳感器相似，紅外傳感器工作處于發(fā)射/接收狀態(tài)。這種傳感器由同一發(fā)射源發(fā)射紅外線，并用兩個光檢測器測量反射回來的光量。由于這些儀器測量光的差異，它們受環(huán)境的影響非常大，物體的顏色、方向、周圍的光線都能導致測量誤差。但由于發(fā)射光線是光而不是聲音，可以在相當短的時間內獲得較多的紅外線傳感器測量值，測距范圍較近。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)基于三角測量原理的紅外傳感器測距原理為：紅外線發(fā)射器按照一定的角度發(fā)射紅外光束，當遇到物體以后，光束會反射回來，圖4-25所示反射回來的紅外光線被CCD檢測器檢測到以后，會獲得一個偏移值L；利用三角關系，在知道了發(fā)射角度α、偏移距L、中心距X以及濾鏡的焦距以后，傳感器到物體的距離D就可以通過幾何關系計算出來了。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)圖4-25紅外傳感器測距原理圖第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)4.超聲波接近傳感器超聲波接近傳感器用于機器人對周圍物體的存在與距離的探測。尤其對移動式機器人，安裝這種傳感器可隨時探測前進道路上是否出現(xiàn)障礙物，以免發(fā)生碰撞。超聲波是人耳聽不見的一種機械波，其頻率在20

kHz以上，波長較短，繞射小，能夠作為射線而定向傳播。超聲波傳感器由超聲波發(fā)生器和接收器組成。超聲波發(fā)生器有壓電式、電磁式及磁滯伸縮式等，在檢測技術中最常用的是壓電式。壓電式超聲波傳感器，就是利用了壓電材料的壓電效應，如石英、電氣石等。逆壓電效應將高頻電振動轉換為高頻機械振動，以產(chǎn)生超聲波，可作為“發(fā)射”探頭。利用正壓電效應，則將接收的超聲振動轉換為電信號，可作為接收探頭。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)由于用途不同，壓電式超聲傳感器有多種結構形式。圖4-26所示為其中一種，即所謂雙探頭(一個探頭發(fā)射，另一個探頭接收)，帶有晶片座的壓電晶片裝入金屬殼體內，壓電晶片兩面鍍有銀層，作為電極板，底面接地上面接有引出線。阻尼塊(或稱吸收塊)的作用是降低壓電片的機械品質因素，吸收聲能量，防止電脈沖振蕩停止時，壓電片因慣性作用而繼續(xù)振動。阻尼塊的聲阻抗等于壓電片聲阻抗時，效果最好。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)圖4-26超聲雙探頭結構第四章工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)真實環(huán)境中，超聲波接近傳感器數(shù)據(jù)的精確度和可靠性會隨著距離的增加和環(huán)境模型的復雜性上升而下降?？偟膩碚f，超聲波接近傳感器的可靠性很低，測距的結果存在很大的不確定性，主要表現(xiàn)在以下4點：(1)超聲波接近傳感器測量距離的誤差。除了傳感器本身的測量精度問題外，還受外界條件變化的影響。如聲波在空氣中的傳播速度受溫度影響很大，同時和空氣濕度也有一定的關系。第四章工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)超聲波接近傳感器散射角。超聲波接近傳感器發(fā)射的聲波有一個散射角，超聲波接近傳感器可以感知障礙物在散射角所在的扇形區(qū)域范圍內，但是不能確定障礙物的準確位置。串擾。機器人通常都裝備多個超聲波接近傳感器，

此時可能會發(fā)生串擾問題，即一個傳感器發(fā)出的探測波束被

另外一個傳感器當作自己的探測波束接收到。這種情況通常

發(fā)生在比較擁擠的環(huán)境中，對此只能通過幾個不同位置多次

反復測量驗證，同時合理安排各個超聲波傳感器工作的順序。第四章工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)(4)聲波在物體表面的反射。聲波信號在環(huán)境中不理想的反射是實際環(huán)境中超聲波接近傳感器遇到的最大問題。當光、聲波、電磁波等碰到反射物體時，任何測量到的反射都是只保留原始信號的部分，剩下的部分能量或被介質物體吸收，或被散射，或穿透物體。有時超聲波傳感器甚至接收不到反射信號。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)5.激光傳感器激光傳感器是利用激光技術進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。其中，激光器是產(chǎn)生激光的一個裝置。(1)脈沖激光測距傳感器的原理是：由脈沖激光器發(fā)出持續(xù)時間極短的脈沖激光，經(jīng)過待測距離后射到被測目標，有一部分能量會被反射回來，被反射回來的脈沖激光稱為回波?；夭ǚ祷氐綔y距儀，由光電探測器接收。根據(jù)主波信號和回波信號之間的間隔，即激光脈沖從激光到被測目標之間的往返時間，就可以算出待測目標的距離。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)相位激光測距傳感器的原理是：對發(fā)射的激光進行光強調制，利用激光空間傳播時調制信號的相位變化量，根據(jù)調制波的波長計算出該相位延遲所代表的距離。即用相位延遲測量的間接方法代替直接測量激光往返所需的時間，實現(xiàn)距離的測量。這種方法精度可達到毫米級。三角法激光測距傳感器的原理是：由激光器發(fā)出的

光線經(jīng)過會聚透鏡聚焦后入射到被測物體表面上，接收透鏡

接收來自入射光點處的散射光，并將其成像在光電位置探測

器敏感面上。當物體移動時，通過光點在成像面上的位移來

計算出物體移動的相對距離。三角法激光測距的分辨率很高，可以達到微米數(shù)量級。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)4.3.4 力覺傳感器力覺是指對機器人的指、肢和關節(jié)等運動中所受力的感知，主要包括腕力覺、關節(jié)力覺和支座力覺等。根據(jù)被測對象的負載，可以把力覺傳感器分為測力傳感器(單軸力傳感器)、力矩表(單軸力矩傳感器)、手指傳感器(檢測機器人手指作用力的超小型單軸力傳感器)和六軸力覺傳感器。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)力覺傳感器根據(jù)力的檢測方式不同，可以分為：檢測應變或應力的應變片式。應變片式力覺傳感器被機器人廣泛采用。利用壓電效應的壓電元件式。用位移計測量負載產(chǎn)生的位移的差動變壓器、電容位移計。在選用力傳感器時，首先要特別注意額定值，其次注意在機器人通常的力控制中力的精度意義不大，重要的是分辨率。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)4.3.5 傳感器融合系統(tǒng)中使用的傳感器種類和數(shù)量越來越多，每種傳感器都有一定的使用條件和感知范圍，并且又能給出環(huán)境或對象的部分或整個側面的信息，為了有效地利用這些傳感器信息，需要采用某種形式對傳感器信息進行綜合、融合處理。不同類型信息的多種形式的處理系統(tǒng)就是傳感器融合。傳感器的融合技術涉及神經(jīng)網(wǎng)絡、知識工程、模糊理論等信息、檢測、控制領域的新理論和新方法。傳感器融合類型有多種，現(xiàn)舉兩種例子。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)1.競爭性融合在傳感器檢測同一環(huán)境或同一物體的同一性質時，傳感器提供的數(shù)據(jù)可能是一致的，也可能是矛盾的。若有矛盾，就需要系統(tǒng)裁決。裁決的方法有多種，如加權平均法、決策法等。在一個導航系統(tǒng)中，車輛位置的確定可以通過計算法定位系統(tǒng)(利用速度、方向等記錄數(shù)據(jù)進行計算)或陸標(如交叉路口、人行道等參照物)觀測確定。若陸標觀測成功，則

用陸標觀測的結果對計算法的值進行修正，否則利用計算法所得的結果。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)2.互補性融合傳感器提供不同形式的數(shù)據(jù)。例如，識別三維物體的任務就說明這種類型的融合。利用彩色攝像機和激光測距儀確定一段階梯道路，彩色攝像機提供圖像(如顏色、特征)，而激光測距儀提供距離信息，兩者融合即可獲得三維信息。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)4.4 傳感器的選型在選擇合適的傳感器以滿足特定的需要時，必須從多個方面考慮傳感器的不同特性。這些特性決定了傳感器的性能、經(jīng)濟性、簡單性和適用范圍。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)成本傳感器的成本是需要考慮的一個重要因素，特別是當一臺機器需要多個傳感器時。但是，成本必須與其他設計要求相平衡，例如可靠性、傳感器數(shù)據(jù)的重要性、精度和壽命。尺寸根據(jù)傳感器的應用，尺寸有時可能是最重要的。例如，關節(jié)位移傳感器必須適應關節(jié)設計，能夠與機器人的其他部件一起移動，但關節(jié)周圍的可用空間可能有限。此外，大型傳感器可能會限制關節(jié)的運動范圍。因此，確保為關節(jié)傳感器留出足夠的空間非常重要。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)重量由于機器人是一個移動裝置，傳感器的重量非常重要。傳感器過重會增加機械手的慣性，并降低總載荷。輸出的類型(數(shù)字式或模擬式)根據(jù)不同的應用，傳感器的輸出可以是數(shù)字量也可以是模擬量，它們可以直接使用，也可能必須對其進行轉換后才能使用。例如，電位器的輸出是模擬量，而編碼器的輸出則是數(shù)字量。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)接口傳感器必須能與其他設備相連接，如微處理器和控制器。倘若傳感器與其他設備的接口不匹配或兩者之間需要其他的額外電路，那么需要解決傳感器與設備間的接口問題。分辨率分辨率是傳感器在測量范圍內所能分辨的最小值。在繞線式電位器中，它等同于一圈的電阻值。在一個n位的數(shù)字設備中，分辨率=滿量程/2n。例如，四位絕對式編碼器在測量位置時，最多能有24=16個不同等級。因此，分辨率是360°/16=22.5°。第四章

工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)靈敏度靈敏度是輸出響應變化與輸入變化的比。高靈敏度傳感器的輸出會由于輸入波動(包括噪聲)而產(chǎn)生較大的波動。線性度線性度反映了輸入變量與輸出變量之間的關系。這意味著具有線性輸出的傳感器在其量程范圍內，任意相同的輸入變化將會產(chǎn)生相同的輸出變化。幾乎所有器件在本質上都具有