传感器在机器人上的应用教材

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1、第3章 传感器在机器人上的应用 v3.1 机器人常用传感器简介 v3.2 机器人的要求与选择 v3.3 常用机器人内部传感器 v3.4 常用机器人外部传感器 v3.5 多传感器信息融合 3.1 机器人常用传感器简介 3.1.1 机器人需要的感觉能力 1、触觉能力 触觉是智能机器人实现与外界环境直接作用的必需媒介，是仅次于 视觉的一种重要感知形式。作为视觉的补充，触觉能感知目标物体的表 面性能和物理特性：柔软性、硬度、弹性、粗糙度和导热性等。触觉能 保证机器人可靠地抓住各种物体，也能使机器人获取环境信息，识别物 体形状和表面的纹路，确定物体空间位置和姿态参数等 。 检测感知和外部直接接触而产生的

2、接触觉、压觉、滑觉等传感器称为 机器人触觉传感器。 1）接触觉传感器 2）压觉传感器 3）滑觉传感器 2、力觉能力 力觉传感器是机器人最基本，最重要的一种，也是发展比较成熟的传感 器。没有力传感器，机器人就不能获取它与外界环境之间的相互作用力， 从而难以完成机器人在环境约束下的各种作业。 3、接近觉能力 接近觉传感器是机器人用来控制自身与周围物体之间的相对位置或距离 的传感器。用来探测在一定距离范围内是否有物体接近、物体的接近距离 和对象的表面形状及倾斜等状态。它一般都装在机器人手部，起两方面作 用。接近觉一般用非接触式测量元件，如霍尔效应传感器、电磁式接 近开关、光学接近传感器和超声波式。

3、4、视觉能力 视觉信息可分为图形信息、立体信息、空间信息和运动信息 视觉传感器获取的信息量要比其它传感器获取的信息量多得多 视觉传感器把光学图像转换为电信号 视觉传感器摄取的图像经空间采样和模数转换后变成一个灰度矩阵，送入计算机 存储器中，形成数字图像 5、听觉能力 （1） 特定人的语音识别系统 （2） 非特定人的语音识别系统 6、嗅觉能力 主要采用了三种方法来实现机器人嗅觉功能： 在机器人上安装单个或多个气体传感器，再配置相应处理电路来实现嗅 觉功能。 研究者自行研制简易的嗅觉装置 采用商业的电子鼻产品，如A Loutfi用机器人进行的气味识别研究。 3.1.2 机器人传感器分类 1、内部传

4、感器 内部传感器是用于测量机器人自身状态的功能元件。具体检测的对 象有关节的线位移、角位移等几何量；速度、加速度、角速度等运动量 ；还要倾斜角和振动等物理量 。 2、外部传感器 用来检测机器人所处环境及状况的传感器。一般与机器人的目标识 别和作业安全等因素有关。具体有触觉传感器、视觉传感器、接近觉传 感器、距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。 传感器分类 3.2 机器人传感器的要求与选择 3.2.1 机器人与传感器的关系 传感器处于连接外界环境与机器人的接口位置，是机器人获取信息的 窗口 。用传感器采集信息是机器人智能化的第一步；其次，如何采取适 当的方法，将多个传感器获取的环境信息加以综合

5、处理，控制机器人进 行智能作业，则是提高机器人智能程度的重要体现。 3.2.2 选择机器人传感器应考虑的因素 1 成本 2 重量 3 尺 4 输出类型 5 接口 6 分辨率 7 灵敏度 8 线性度 9 量程 10 响应时间 11 可靠性 12 精度和重复精度 3.3 常用机器人内部传感器 3.3.1 机器人的位置检测传感器 v1）检测规定的位置，常用ON/OFF两个状态值。这种方 法用于检测机器人的起始原点、终点位置或某个确定的位 置。给定位置检测常用的检测元件有微型开关、光电开关 等。规定的位移量或力作用在微型开关的可动部分上，开 关的电气触点断开（常闭）或接通（常开）并向控制回路 发出动作

6、信号。 v2）测量可变位置和角度，即测量机器人关节线位移和角 位移的传感器是机器人位置反馈控制中必不可少的元件。 常用的有电位器、旋转变压器、编码器等。其中编码器既 可以检测直线位移，又可以检测角位移。 1. 光电开关 光电开关是由LED光源和光电二极管或光电三极管等光敏元件，相隔 一定距离而构成的透光式开关。光电开关的特点是非接触检测，精度可达 到0.5mm左右 。 （1）漫反射式光电开关 （2）镜反射式光电开关 （3）对射式光电开关 （4）槽式光电开关 （5）光纤式光电开关 几种光纤式光电开关 2. 编码器 编码器可分为光电式、磁场式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形 式，可分为

7、增量式、绝对式以及混合式三种。其中光电式编码器最常用。 光电编码器分为绝对式和增量式两种类型。 增量式光电编码器：结构简单、体积小、价格低、精度高、响应速度快、性能 稳定等优点,应用更为广泛，特别是在高分辨率和大量程角速率/位移测量系统中， 增量式光电编码器更具优越性 光电式增量编码器结构图 光电编码器的输出波形图 3. 旋转变压器 旋转变压器有铁芯、两个定子线圈和两个转子线圈组成，是测量旋转角度的传感器 。旋转变压器同样也是变压器，它的初级线圈与旋转轴相连，并经滑环通有交变电流 （如图所示）。旋转变压器具有两个次级线圈，相互成90度放置。随着转子的旋转， 有转子所产生的磁通量跟随一起旋转，当

8、初级线圈与两个次级线圈中的一个平行时， 该线圈中的感应电压最大，而在另一个垂直于初级线圈的次级线圈中没有任何感应电 压。随着转子的转动，最终第一个次级线圈中的电压达到零，而第二个次级线圈中的 电压达到最大值。对于其他角度两个次级线圈产生与初级线圈夹角正、余弦成正比的 电压。虽然旋转变压器的输出是模拟量，但却等同于角度的正弦、余弦值，这就避免 了以后计算这些值的必要性。旋转变压器可靠、稳定且准确 。 旋转变压器原理图 3.3.2 机器人速度、角速度传感器 1编码器 如果用编码器测量位移，那么就没有必要再单独使用速度传感器。对任意 给定的角位移，编码器将产生确定数量的脉冲信号，通过统计指定时间(d

9、t)内 脉冲信号的数量，就能计算出相应的角速度。Dt越短，得到的速度值就越准 确，越接近实际的瞬时速度。但是，如果编码器的转动很缓慢，则测得的速 度可能会变的不准确。通过对控制器的编程，将指定时间内脉冲信号的个数 转化为速度信息就可以计算出速度。 2. 测速发电机 测速发电机是一种把输入的转速信号转换成输出的电压信号的机电式信号 元件，它可以作为测速、校正和解算元件，广泛应用于机器人的关节速度测 量中。 机器人对测速发电机的性能要求： 1）输出电压与转速之间有严格的正比关系。 2）输出电压的脉动要尽可能小。 3）温度变化对输出电压的影响要小。 4）在一定转速时所产生的电动势及电压应尽可能大。

10、5）正反转时输出电压应对称。 测速发电机主要可分为直流测速发电机和交流测速发电机 （1）直流测速发电机 有永磁式和电磁式两种。其结构与直流发电机相近。永磁式采用高性能永 久磁钢励磁，受温度变化的影响较小,输出变化小，斜率高,线性误差小。这种电 机在80年代因新型永磁材料的出现而发展较快。电磁式采用他励式，不仅复杂 且因励磁受电源、环境等因素的影响，输出电压变化较大，用得不多。如图为 直流测速发电机基本结构图。 a) 电磁式 b) 永磁式 （2）交流测速发电机 交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机 。 根据转子的结构型式，异步测速发电机又可分为笼型转子异步测速发电 机和杯型转子异步测

11、速发电机，前者结构简单，输出特性斜率大，但特性差 ，误差大，转子惯量大，一般仅用于精度要求不高的系统中；后者转子采用 非磁性空心杯，转子惯量小，精度高，是目前应用最广泛的一种交流测速发 电机。 1杯型结构 2外定子 3内定子 4机壳 5端盖 杯型转子异步测速发电机基本结构 3.4 常用机器人外部传感器 3.4.1 机器人接触觉传感器 机器人接触觉传感器用来判断机器人是否接触物体的测量传感器。传 感器输出信号常为0或1，最经济适用的形式是各种微动开关。常用的微动 开关由滑柱、弹簧、基板和引线构成，具有性能可靠、成本低、使用方便 等特点。 简单的接触式传感器以阵列形式排列组合成触觉传感器，它以特定

12、次 序向控制器发送接触和形状信息。如图所示 如右图所示。当有力作用在聚合物上时 ，力就会被传给周围的一些传感器，这些 传感器会产生与所受力成正比的信号。对 于分辨率要求较低的场合，使用这些传感 器会产生令人满意的效果 。 接触觉传感器可以提供的物体的信息如下图所示。当触觉传感器与物体接触时， 依据物体的形状和尺寸，不同的接触传感器将以不同的次序对接触做出不同的反 应。控制器就利用这些信息来确定物体的大小和形状。图中给出了三个简单的例 子：接触立方体、圆柱体和不规则形状的物体。每个物体都会使触觉传 感器产生一组唯一的特征信号，由此可确定接触的物体。 类皮肤触觉传感器 接触觉传感器可提供的物体信息

13、 3.4.2 接近觉传感器 1电磁式接近传感器 如图所示为电磁式接近传感器。加有 高频信号is的励磁线圈 L产生的高频电磁场 作用于金属板，在其中产生涡流，该涡流 反作用于线圈。通过检测线圈的输出可反 映出传感器与被接近金属间的距离。 2光学接近传感器 光学接近觉传感器由用做发射器的光源和接收器两部分组成，光源可在内部， 也可在外部，接收器能够感知光线的有无。 发射器及接受器的配置准则是：发射器发出的光只有在物体接近时才能被 接收器接收。除非能反射光的物体处在传感器作用范围内，否则接收器就接 受不到光线，也就不能产生信号。 3超声波接近觉传感器 超声波传感器有两种工作模式，即对置模式和回波模式

14、。下图为超声波接近觉 传感器原理图。 4感应式接近觉传感器 感应式接近觉传感器用于检测金属表面。这种传感器其实就是一个带有铁养 体磁心、振荡器检测器和固态开关的线圈。 5电电容式接近觉传觉传 感器 利用电容量的变化产生接近觉。电容接近觉传感 器如图所示。其本身作为一个极板，被接近物作为另 一个极板。将该电容接入电桥电 路或RC振荡电路， 利用电容极板距离的变化产生电容的变化，可检测 出与被接近物的距离。电容式接近觉传感器具有对物 体的颜色、构造和表面都不敏感且实时性好的优点。 6. 涡流接近觉传感器 涡流传感器具有两个线圈第一个线圈产生作为参考用的变化磁通，在有导电材 料接近时，其中将会感应出

15、涡流，感应出的涡流又会产生与第一个线圈反向的磁通 使总的磁通减少。总磁通的变化与导电材料的接近程度成正比，它可由第二组线圈 检测出来。涡流传感器不仅能检测是否有导电材料，而且能够对材料的空隙、裂缝 、厚度等进行非破坏性检测。 7. 霍尔式传感器 当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内 部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。 这种接近开关的检测对象必须是磁性物体 3.4.3 测距仪 测距仪用于测量较长的距离，它可以探测障碍物和物体表面的形状，并且用于向系 统提供早期信息。测距仪一般是基于光（可见光、红外光或激光）和超声波的。常用的

16、 测量方法是三角法和测量传输时间法 。 1. 1. 三角法三角法 用单束光线照射物体，会在物体上形成一 个光斑，形成的一个光斑，形成的光斑用摄 像机或光敏三极管等接收器接受。距离或深 度可根据接收器，光源及物体上的光斑所形 成的三角形计算出来，如图所示从图a可以 清楚地看出：物体、光源和接收器之间的布 局只在某一瞬间能使接收器接收到光斑，此 时距离d可依下式计算，式中L和 已知，如 果能测出，那么就可以计算出d 2. 测量传输时间法 信号传输的距离包括从发射器到物体和被物体反射到接收器两部分。传感器与物 体之间的距离是信号行进距离的一半，知道了传播速度，通过测量信号的往返时间即可 算出距离。 3.4.4 超声波测距仪 1、优点 超声波系统结构坚固、简单、廉价并且能耗低，可以很容易地用于摄像机调焦 、运动探测报警、机器人导航和测距。 2、缺点 分辨率和最大工作距离受到限制，分辨率的限制是来自声波的波长、传输介质 中的温度和传