《機器人傳感器》課件

■第8

是材料學、力學、電學、磁學、微電子學、予要*

學.化城生物學、精密機械、仿生學、測量技術、半導體技術、計

'僦贏術、信息處理技術、乃至系統(tǒng)科學、人工智能、自動化技術等

眾多學科相互交叉的綜合性高新技術密集型前沿技術。

:、環(huán)保、材料、

災害預測預防、農林漁業(yè)煙酒制造汽車、艦船、木

3/18/2021

8.1引言

□給機器人裝備什么樣的傳痘對這些傳感器有什么要求，

這是設,十凄翳*皿傳

感器應當完全取決于機器人的

視覺2超聲波傳感器紅外接近笆觸覺聽覺

立體視覺地標識別障礙探測目標物探測

景物識別融入―內部傳

型口感器功能觸覺

操作規(guī)劃

r0

三個手指

3個關節(jié)

三維力傳感器

角度傳感器

微電機

?概念:

靈巧手

在機器人中，起到內部反饋控制作

采用兩級分布式計算用或感知與外部環(huán)境的相互作用的

機實時控制系統(tǒng)裝置被稱為傳感器。

位置傳感器

內傳感器是用于測■機器

速度傳感器

加速度傳感器接近覺傳感器

內部傳感力和壓力傳感器測距儀

嗅覺傳感器

力矩傳感器

控制器視覺傳感器

微動開關

語音合成器

外部傳感

語音識別裝置

則方與機器人作業(yè)有關的

機器人可見光和紅外傳感器

素。通常與機器人的

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等因素'

接觸和視覺傳感器

“.?

舞畸%

歲c

輸器特性

量程

響應時間

頻率響應

咂性

分辨率精度

3/1￡靈敏度重復精度

O

A

TIT

8.3內傳感震:

?內傳感器是用于測量機器人自身狀態(tài)的功能元

件。

?具體檢測的對象有:

?內傳感器常用于控制系統(tǒng)中，用作

檢測機贛內導身的狀態(tài)參數。常用的有：

L規(guī)定伐置檢測的內傳感基：

應用場合：

檢測規(guī)定的位置，常用兩個狀態(tài)值。

這種方法用于檢測機器人的,或

典型元器件：

給定位置檢測常用的檢測元件有微型開關.光電開關等。

1）微型開關

規(guī)定的位移量或力作用在微型開關的可動部分上，開關

的電氣觸點斷開（常閉）或接通（常開）并向控制回路發(fā)

出動作*

o

位開關就是用以限定機械設備的運動極限位俏鍵按鈕式

C置的電氣開關。

這種開關有接觸式的和非接觸式兩種。壓簧按鈕式

接觸式的比較直觀，機械設備的運動部件上，至

裝行程開關，與其相對運動的固定點上安裝極限位

置的擋塊，或者是相反安裝位置。當行程開關的機

械觸頭碰上擋塊時，切斷了（或改變了）控制電路

機械就停止運行或改變運行。由于機械的慣性運動,

這種行程開關有一定的“超行程”以保護開關不受損

壞。

0非接觸式的形式很多，常見的有干簧管、光電軟桿式

式、感應式等，這幾種形式在電梯中都能夠見到。軌行豕形狀不同的限住開）

當然還有更多的先進形式。

一般在限位開關的執(zhí)行器上安裝滾輪。

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rc

麻9。

光電開關是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實

現控制的。光電開關在一般情況下，有三部分構成，它們分

為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。

光電開關的原理是根據投光器發(fā)出的光束，被物體阻斷或

部分反射，受光器最終據此作出判斷反應，啟動開關作用。

特點：非接觸性檢

測，精度達0.5mm.

3/18/2021光電開關的原理

住置、角度測量

?測量機器人和的傳感器是

機器人位置反饋控制中必不可少的元件。常

用的有電位器.旋轉變壓器,編碼器等。具

中編碼器既可以檢測直線位移，又可以檢測

角位移。

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質斷力rr電編碼器：

?光電編碼器由發(fā)光元件、聚光鏡,漏光盤、光欄板.光敏

管等構成。燈泡發(fā)出的光線經過聚焦后變成平行光束，當

漏光盤上的條紋與光欄板上的條紋重合時，光敏管便接受

一次光的信號并記數，由此可以測試旋轉速度。

器

由環(huán)狀或棒狀電阻絲和滑動片（電刷）組成。將線位移或角位移轉化

成電阻的變化，以電壓或電流形式輸出。檢測的是以電阻中心為基準位置

的移動距離。

L(2e-E)

rWVVWvVvMn

￡

E:輸入電壓--H

L：觸頭最大移動距離

X：向左端移動的距陶

e；電阻右側的輸出電壓

1

檢測細微運動，輸出數字信號

根據信號輸出形式分為增量式和絕對式

A增量式

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SO工SO

A

逆時針S1h

~~Iso

B

S2S2

順時針逆時針

順時針運動逆時針運動

ABAB

旋轉式增量編碼器通過內部兩個光

1111

敏接收管轉化其角度碼盤的時序和相位

0110

關系，得到其角度碼盤角度位移量增加

0000

（正方向）或減少（負方向）。

1001

o

vw.di&nzinet.COB

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絕對式旋轉編碼器根據讀出碼盤上的編碼檢測絕對位置。

每個位置都對應著

透光與不透光弧段的惟一

確定組合，這種確定組合

有惟一的特征。通過這特

征，在任意時刻都可以確

定碼盤的精確位置。

______

格雷碼二進制碼格雷碼二進制碼

0000000001010110

0001000101000111

0011001011001000

0010001111011001

0110010011111010

0111010111101011

o

「變壓器

旋轉變壓器又稱分解器，是一種控制用的微電機，它將機械轉角變

換成與該轉角呈某一函數關系的電信號的一種間接測量裝置。在結構上

與二相線繞式異步電動機相似，由定子和轉子組成。定子繞組為變壓器

的原邊，轉子繞組為變壓器的副邊。激磁電壓接到轉子繞組上，感應電

動勢由定子繞組輸出。

原理：轉子轉動引起磁通量旋轉，在次級線圈產生變化

的電壓。從而可以用來測量角位移。

三

澤

V=/(sin^)

Lzg

?V=/(cos6)

旋轉變壓器轆蒯&,動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維護方便，輸出信號

幅度大，抗干擾性強，工作可靠。

o

年FA*

熱項。

第星度短感器

?速度、角速度的測量是驅動器反饋控制中必不可少的環(huán)

節(jié)?？衫们懊嫠龅奈灰苽鞲衅骰蚓幋a器測量，也可用測

速發(fā)電機測量。

?編碼器

原理：在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，編碼器的反饋脈沖個數和系統(tǒng)所

走位置的多少成正比。對任意給定的角位移，編碼器將產生

確定數量的脈沖信號，通過統(tǒng)計指定時間內脈沖信號的數量,

能計算出相應的角速度。

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從工作原理上講，它屬于“發(fā)電機”的范疇。測速發(fā)電機在

控制系統(tǒng)中主要作為阻尼元件、微分元件、積分元件和測速元

件來使用。測速發(fā)電機是一種測量轉速的微型發(fā)電機，它把

輸入的機械轉速變換為電壓信號輸出，并要求輸出的電壓信

號與轉速成正比，即

測速發(fā)電機分直流測速發(fā)電機和交流測速發(fā)電機兩大類。

百流

永磁式

網建九電機＜

異步

3,交流

同步

ms流測速發(fā)電機

直流測速發(fā)電機實際就是一種微型直流發(fā)電機，按定子磁極的勵磁方式

分為電磁式和永磁式。直流測速發(fā)電機的輸出電壓與轉速要嚴格保持正比

關系，這在實際中是難以做到的，直流測速發(fā)電機輸出的是一個脈動電壓,

其交變分量對速度反饋控制系統(tǒng).高精度的解算裝置有較明顯的影響。

2）交流測速發(fā)電機

交流異步測速發(fā)電機與交流伺服電動機的結構相似，其轉子結構有籠型

的，也有杯型的，在自動控制系統(tǒng)中多用空心杯轉子異步測速發(fā)電機。

交流同步測速發(fā)電機因感應電勢頻率隨轉速而變，致使電機本身的阻抗

及負載阻抗均隨轉速而變化，因此，輸出電壓不再與轉速成正比關系。故

同步測速發(fā)電機應用較少。

測速發(fā)電機的作用是將機械速度轉換為電氣信號，常用作測速元件、

校正元件.解算元件，與伺服電機配合，廣泛使用于許多速度控制或位置

控制系統(tǒng)中，如在穩(wěn)速控制系統(tǒng)中，測速發(fā)電機將速度轉換為電壓信號作

為速度反饋信號，可達到較高的穩(wěn)定性和較高的精度，在計算解答裝置中,

常作為微分.稠隨傷。

，

-雕

例修

照出

福槐

雅。圜

魄瞄，

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知瞰眸，

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06總量

)雕，

■留

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3

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Q

旺抑3卓

的

典型的是視覺傳感器，如攝像由

事光（機器人可用紅外線等）的非接觸方式。

■■觸覺也能識別物體。機器人可以用觸覺傳感器

能。

!■物體探測傳感手一種識別物體而

感器1光電弁關超聲波傳感

3、極

探測非常近的物體存在的傳感器稱為接近傳感器。

磔晡接近隹欣，是理想的電子開關量傳感器。當金屬

類被檢測體接近傳感器的感應區(qū)域，開關就能在無接觸、無壓力、無火花的

情況下迅速發(fā)出電氣指令，準確反應出運動機構的位置和行程。即使用于一

般的彳控制，其定位精度、操作頻率、使用壽命、安裝調整的方便性和對I

惡劣環(huán)境的適用能力，是一般機械式行程開關所不能相比的。常用的有：I

|加線制接近傳感彝：兩線制接近傳感器安裝簡單,接線方便；應用比較也

泛有殘余電壓和漏電流大的缺點。.

的輸出型有NPN和PNP兩種，70年代日本產品絕大

多數是NPN輸出，西歐各國NPN、PNP兩種輸出型都有。

一般應用在PLC或

計算機上作為控制指令的較多，

用于控制直流繼電器較多，在

實際應用中要根據控制電路的特性進行選

擇其輸出形式。

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--t1

4、匣言傳*以

掠徐機庵豫傳看.

蔑施I

渡指感器是利用超聲波的特性研制而成的傳

超聲i

二。的穿透能力很大，尤其是在不透光的固體中，它可穿透幾十米的深度。

艮皤碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射回波，碰到活動物體能7

E多普勤效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、防、生物醫(yī)學等方面。

凈聲波作為做手段，蜉產生超聲波和接收超聲波?？捎糜隰~群探測、

利用激光傳輸時間來測量距離的基本原理是,

所需時間

■超聲波距禹傳感器帶有RS232

3/18/2021□激光匯一

力覺傳感器使用的主要元件是電阻應變片。

通常我們將機器人的力傳感器分為三類：

(1)裝在關節(jié)驅動器上的力傳感器，稱為關節(jié)力傳感

器。用于控制中的力反饋。

(2)裝在末端執(zhí)行器和機器人最后一個關節(jié)之間的力

傳感器，稱為腕力傳感器。

(3)裝在機器人手爪指關節(jié)(或手指上)的力傳感器,

稱為指力傳感器。

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SRI(StanfordResearchInsti

tute）研制的六維腕力傳感器，如

旨所示。它由一段直徑為75mm的

鋁管銃削而成，具有八個窄長的彈:二

性梁，每個梁的頸部只傳遞力，扭

矩作用很小。梁的另一頭貼有應變

片。圖中從Px+到Qy?代表了8根應

變梁的變形信號的輸出。SRI傳感器應

變片連接方式

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o

日本大和制衡株式會社林

純一研制的腕力傳感器。它

是一種整體輪輻式結構，傳

感器在十字梁與輪緣聯結處

有一個柔性環(huán)節(jié)，在四根交

叉梁上共貼有32個應變片

（圖中以小方塊），組成8路林純的腕力傳感器

全橋輸出。

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c非桎的'中心對稱三禁癰力特威基

傳感器的內圈和外圈分別固定于機器

人的手臂和手爪，力沿與內居相切的三

根梁進行傳遞。每根梁上下、左右各貼

一對應變片，三根梁上共有6對應變片，

分別組成六組半橋，對這6組電橋信號進

行解耦可得到六維力（力矩）的精確解。

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)f

6、其他類型傳席

語a別傳感I不振動聲音探測機械故障的點傳

感器,

喇專感器：溫度傳感器。

通過分析敲打的聲音測定果品成熟程度的傳感器。

4L二——

2機工人需要的或黨能力

，觸覺能力：

?主要指確定工作對象，以及它的

，接近覺能力：

?主要用于探測機器人自身與周圍物體之間o接近

界于觸覺與視覺之間。

，視覺能力：

?孔、邊、拐角的及工作對象的檢測等。

壓覺能力：

?主要用于檢測機器人與作業(yè)對象之間接觸面的的大小。

（滑覺能力：

?主要用于惇測物件因自重相對于機器人手爪的的大小。

一般認為觸覺包括接觸覺、壓覺、滑覺.力覺狹義的

觸覺按字面上來看是指前三種感知接觸的感覺

1.按觸光傳感暴：

接觸覺傳感器檢測機器人是否用于尋找物體或感知碰

工作甦：

在電極和柔性導體之間有間隙，當施加外力時，受壓部分的柔性導體

和柔性絕緣體發(fā)生變形，利用柔性導體和電極之間的接通狀態(tài)形成接觸覺

柔性絕緣體柔性導體

對象物

基板（非導體）

3/18

(a)Cb)

（柔性絕緣體）

（柔性導體）

金及薄片、

特點：增壓血體一

外形尺寸十分大

電極1

空間分辨率低埠尼的罩

利用陣列這一概

用件薄層

念已開發(fā)了許多產

重要的傳感器。

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擋光桿光電開關

開關式觸覺傳感器的例f

碳氈（CSA）靈敏度高，具有較強的耐過載能力。缺點是有

遲滯，線性差。

導電橡膠的電阻也會隨壓力的變化而變化，因此也常用來作

為觸覺傳感器的感材料。

22,壓2傳*春：

-壓覺傳感器檢測傳感器面上受到的作用力，它由及檢測彈性位移的構成

o用彈簧支承的平板作為機械手的物體夾持面。在平板上加負載時，平板發(fā)生位移，該

位移量由電位器檢測。

包覆罩布

?如果已知彈簧的剛性系數，

則可根據位移計的輸出求出力

的大小。

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壓覺傳感器

負我

3/必2U2JL

機械手一般采用兩種抓取方式：硬抓取和軟抓取。硬抓取

(無感知時采用)：末端執(zhí)行器利用最大的夾緊力抓取工件。軟

抓取(有滑覺傳感器時采用)：末端執(zhí)行器使夾緊力保持在能穩(wěn)

固抓取工件的最小值，以免損傷工件。

檢測垂直加壓方向的力和位移

原擦力

Ik覺傳超器

物體

阻力

,h

(a)力的平曲(b)中心的移動

彳專感器有和。物體在傳感器表面上滑動時，和滾輪或球相接觸，把滑

成轉動?；瑒游矬w引起滾輪的轉動，用磁鐵和靜止的磁頭進行檢測。

（匐視圖）（前視圖）次輪式高覺傳感同

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o

l貝爾格萊德大學研制的機器人專用滑覺傳感器）

它由一個金屬球和觸針組成，金屬球表面分成許多個相間排

列的導電和絕緣小格。觸針頭很細，每次只能觸及一格。當工件

滑動時，金屬球也隨之轉動，在觸針上輸出脈沖信號，脈沖信號

的頻率反映了滑蹣度，個數對應滑移的距離。

振子

（基f振動的機器人專用滑覺傳感器）

根據振動原理制成的滑覺傳感器。鋼球指針與破抓物體接觸。

若工件滑動，則指針振動，線輸出信號。

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電阻&麥片壓阻式壓力傳感器采用集成電路工藝技術,

在硅片上制造出四個等值的薄膜電阻并組成電

橋電路，當不受力作用時，電橋處于平衡狀

態(tài)，無電壓輸出;當受到壓力作用時，電橋失

去平衡而輸出電壓（AB之間產生微小電位

差），且輸出的電壓與壓力成比例。

壓力使得圓形金屬筒以及電阻

應變片變形，從而使電阻應變片

的電阻值產生變化。

惠斯通電橋

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原理:

如果在軸上施加力矩，力矩將在軸上產生兩個方

向相反的力和兩個方向相反的形變，兩個力傳感器可

以測出這兩個力，根據所測力的大小可計算出力矩。

4

用六個傳感器

測量三個彼此

獨立的軸上的

力和力矩

3/18/2021M

o

與接近覺傳感器不同，測距儀用于測量較長的距離，它

可以探測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。常用的測量方法是三角法和測量傳輸時間法。

三角法：測量原理如圖所示

測量原理：僅在發(fā)射器以特定角度發(fā)射光線時，接收器才能

檢測到物體上的光斑，利用發(fā)射角的角度可以計算出距離。

接收器接收器

d

i2

旋轉的a旋轉的

發(fā)射器發(fā)射雷

（。）㈤

O

匹

測量傳輸時間法：

L.

信號傳輸的距離包括I?%.

rIK?

從發(fā)射器到物體和被物體t正況3.

反射到接收器兩部分。傳

感器與物體之間的距離是

信號行進距離的一半，知

道了傳播速度，通過測量

信號的往返時間即可計算

出距離。

,-

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O

-fg《，

?超聲波測距儀

工作原理：

發(fā)射器發(fā)射高頻超聲波脈沖，它在介質中行進一段

距離，遇到障礙物后返回，由接受器接受，發(fā)射器和

物體之間的距離等于超聲波行進距離的一半，行進距

離則等于傳輸時間與聲速的乘積。

特點：

結構堅固,簡單.廉價并且能耗低，但是分辨率和

最大工作距離受到限制。

關鍵技術:

時間疝量的準確性，時間測量精度，聲速精度，背

景噪聲。3/18/2021

ro,

煮！I距儀

原理：基于光（包括激光），采用直接延遲時間測

量法,間接幅值調制法和三角法等方法測量到物體

的距離。

為

灑"0

及等嗅覺傳感器

原理:

對特定的氣體敏感，當探測到這些氣體時就發(fā)

出信號。

視覺系統(tǒng)是

應用在機器

人中最復雜

的傳感器

有研究結果表明,

的80%

8,是聽覺細胞的300多彳

/18/2021

Q汽

G波傳感器

從廣義上講，也把它算成機器人視覺中的一種。

超聲波探測原理比較簡單，一般是采用時差法。

d=cAt/2

其中C(T的函數)為超聲波波速，T為環(huán)境攝氏溫度。

超聲波傳感器主要用途：

(1)實時地檢測自身所處空間的位置，用以進行自定位；

(2)實時地檢測障礙物，為行動決策提供依據；

(3)檢測目標姿態(tài)以及進行簡單形體的識別；

(4)用于導航目標跟蹤。

圖像傳感器?采用光中聯換原理，用火攝取平何光學圖像并使其轉換為中.廣圖像信叱

的器件圖像傳感器必須同行兩個作用，-是同行把光信號轉換為電信號的作用;二是件

古舊'|'間圖像卜的像桁”什點的取樣，并把這此像素按時I訶取;Il的di描作川Q圖像傳感器

用于攝像目的較多,因此又稱它R攝像管I攝像管的發(fā)展很迅速,它經歷了光電攝像管、

超光電攝像管、正析攝像管、光導攝像管、二次電r導電硅靶管以及目前新發(fā)展起來的

CCD圖像傳感格同體攝像笆等。

1）CCD（電荷耦合器件:chargecoupleddevices）

電荷用合器件又稱為CCD器件.它是匕卜年代新發(fā)展起火的一種『?導體功能器件。電

荷耦介密件是在大規(guī)模集成電路技術發(fā)展基礎上產生的,它具合療儲、傳移并逐例IG；

號電荷的功能U利用電荷耦介器件的這種功能，