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1、1项目 8 机器人传感器机器人可以被定义为计算机控制的能模拟人的感觉、手工操纵的和具有自动行走能力的而又足以完成有效工作的装置。机器人传感器可以被定义为一种能把机器人目标物特性 (或参量 )变换为电量输出的装置。机器人通过传感器实现类似于人类的知觉作用。机器人传感器的应用现状和发展趋势传感器在机器人的发展过程中起着举足轻重的作用。传感器的运用程度已成为衡量机器人智能高低的重要特征。我们要求机器人应具有自我学习、自我补偿、自我诊断能力，应能具备神经网络，能从事越来越复杂的工作，对变化的环境能有更强的适应能力，要求能进行更精确的定位和控制，因而对传感器的应用不仅是十分必要的，而且具有更高的要求。机
2、器人大脑(计算机 )处理的信息，必须要通过各种传感器来获取，因而智能机器人需要有更多的、性能更好的、功能更强的、集成度更高的传感器。机器人的传感系统机器人传感系统是机器人与外界进行信息交换的主要窗口，机器人根据布置在机器人身上的不同传感元件对周围环境状态进行瞬间测量，将结果通过接口送入单片机进行分析处理，控制系统则通过分析结果按预先编写的程序对执行元件下达相应的动作命令。传感器接收能源并传送一个信号到显示器或计算机。传感器使用变换器将输入的信号 (声音、光线、压力、温度等 )改变成机器人可以使用的模拟或数字形式。机器人必须一边对外界信息作出判断，一边采取有效的处理措施。5人类五官感觉与各种传感
3、器之间的对应关系感觉 物理 /化学量 传感器用例视觉 (眼 ) 光 光电二极管、光电三极管， 耳 ) 音 麦克风嗅觉 (鼻 ) 气体 气体传感器、气味传感器味觉 (舌 ) 水质 皮肤 )温度 热敏电阻，热电偶，半导体温度传感器压力 触觉传感器、半导体压力传感器、应变仪、感压传 机器人对传感器的要求和分类1智能机器人对传感器的要求(1) 精度高、可靠性高、稳定性好。智能机器人在感知系统的帮助下，自主完成人类指定的工作。如果传感器的精度差，会影响机器人的作业质量；如果传感器不稳定或可靠性不高，很容易导致智能机器人出现故障，轻者导致工作不能正常进行，重者还会造成严重的事故。因此，传感器的可靠性和稳定
4、性是智能机器人对其最基本的要求。(2) 抗干扰能力强。智能机器人的传感器往往工作在未知的、恶劣的环境中，因此要求传感器具有抗电磁干扰、振动，灰尘和油污等恶劣环境的能力。(3) 重量轻、体积小。对于安装在机器人手臂等运动部件上的传感器，重量要轻，否则会加大运动部件的惯性，影响机器人的运动性能。对于工作空间受到某种限制的机器人，对体积和安装方向的要求也是必不可少的。(4) 安全。智能机器人的安全问题包括两个方面，一方面是智能机器人的自我保护，另一方面则是智能机器人为保护人类安全不受侵犯而采取的措施。72. 机器人运动和速度传感器1位置传感器位置检测和位移检测是机器人最基本的感觉要求。常用的机器人位
5、移传感器有电阻式、电容式、电感式位移传感器，光电式位移传感器，霍尔元件位移传感器、光栅式、磁栅式位移传感器以及机械式位移传感器等。机器人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，主要包括腕力觉、关节力觉和支座力觉等。常用的机器人力传感器和力矩传感器有电阻应变式力传感器、压电式力传感器、电容式力传感器、电感式力传感器以及各种外力传感器等。力觉传感器的共同特点是，首先通过弹性敏感元件将被测力 (或力矩 )转换成某种位移量或变形量，然后通过各自的敏感介质把位移量转换成能够输出的电量。10力觉传感器特点力觉传感器用于感知机器人的指、肢和关节在工作和运动中所受力的大小和方向。特点：检
6、测多维作用力。主要部件：应变片、压电传感器、电容式传感器、光电式传感器和电磁式力传感器。按位置分为三种形式： 关节力传感器、腕力传感器、基座传感器。11力觉传感器的作用力觉传感器的作用：1、感知是否夹起了工件或是否夹持在正确部位；2、控制装配、打磨、研磨抛光的质量；3、装配中提供信息，以产生后续的修正补偿运动来保证装配的质量和速度；4、防止碰撞、卡死和损坏机件。12力觉传感器的一般检测方法力觉传感器用来检测设备内部力或与外界环境相互作用力。力不是直接可测量的物理量，而是通过其他物理量间接测量出的。其测试方法包括：(1)通过检测物体弹性变形测量力，如采用应变片、弹簧的变形测量力；(2)通过检测物
7、体压电效应检测力；(3)通过检测物体压磁效应检测力；(4)采用电动机、液压马达驱动的设备可以通过检测电动机电流及液压马达油压等方法测量力或转矩；(5)装有速度、加速度传感器的设备，可以通过速度与加速度的测量推出作用力。13（ 1）关节力传感器14（ 2）腕力传感器15机器人用六维力和力矩传感器16（ 3）基座力传感器系统17（ 4）器人触觉和滑觉传感器触觉传感器是对人类触觉的模仿，分两类：1）简单的接触传感器，探测是否与周围物体接触，如开关型传感器。2）复杂的触觉传感器，除了能探测周围物体的存在，而且还能感知物体外部的轮廓。机器人的触觉包括：接触觉，压觉，力觉，滑动觉 等。1)检测功能： 对操
8、作物进行物理性质检测，如表面光洁度、硬度等，其目的是：1)感知危险状态，实施自我保护。2)灵活地控制手爪及关节以操作对象物。3)使操作具有适应性和顺从性。(2)识别功能：识别对象物的形状 (如识别接触到的表面形状 )。22触觉传感器的分类23（ 1）微动开关24触觉传感器的电路25具有微动开关的五指机械手26应用微动开关的触须传感器27（ 2）硅橡胶触觉传感器的工作原理用导电硅橡胶 (成的矩阵式触觉传感器接触物体时，把感觉信息输入计算机进行分析，确定物体的外形和表面特征。硅橡胶矩阵式触觉传感器能获得比单个传感器更大区域的触觉信息。虽然阵列传感器可由若干单个传感器组成，但处理这一问题的最好方法是
9、构成一个由电极组成的矩阵，电极与柔性导电材料 (如石墨基物质 )保持电器接触，导电材料的电阻随压力而变化。当物体压在其表面上时，将引起局部变形，测出连续的电阻变化，就可测量局部变形。电阻的改变转换成电信号，其幅值正比于施加在材料表面上某一点的力。28矩阵式触觉传感器结构示意及检测原理29矩阵式触觉传感器的检测电路30（ 3）几种接触觉传感器31（ 4）有滑动作用力的触觉传感器32常，这种触觉传感器可以采用多个压电晶体来检测物体的表面轮廓。其工作原理是把多个压电晶体压在被测物体上，如果物体表面的高度不同，各个压电晶体的变形也不同，因此，压电晶体产生的电量和输出电压也不同，检测各压电晶体的输出电压
10、就可以检测物体的表面轮廓。34成像型触觉传感器象物的表面性质等的传感器。接近觉介于触觉和视觉之间的感觉。种类：电磁式、光电式、电容式、气动式、超声波式、红外式等类型。36接触棒接近觉传感器37（ 1）电磁式接近觉传感器利用电涡流效应原理制造的传感器称为电涡流传感器。电涡流传感器具有结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量线性范围大、抗干扰能力强和体积小等优点。缺点 :不能感知非金属材料的物体。38电涡流传感器的工作原理当传感器内的线圈通以交变电流 在线圈的周围产生交变磁场 金属导体置于磁场中时，导体内即感生电涡流 电涡流也将产生一个磁场 于两个磁场的方向正好相反，因此电涡流产生的磁场 而导致产生
11、明当金属块置于交变的磁场中时，金属体内产生涡流，涡流大小随激励线圈与对象表面距离的变化有关。39用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容 极板相对覆盖面积； 极板间距离； r 相对介电常数； 0 真空介电常数， 0 m； 电容极板间介质的介电常数。由公式可知电容的变化反映了极板间的距离的变化，即反映了传感器表面与对象物体表面间距离的变化。将这个电容接在电桥电路中，或者把它当做 可检测出距离。 r 0（ 2）电容式接近觉传感器40新型的电容接近觉传感器41（ 3）气动式接近觉传感器42（ 4）光电式接近觉传感器 距离近； 距离远。缺点： 不能测距离；物体折射率影响灵敏度。43光
12、纤光电式接近觉传感器44（ 5）超声波接近觉传感器通过超声波换能器实现，发射的超声波经过物体反射后接收，通过 时间 和 相位 检测出距离。可以使用两个换能器（一发，一收）或一个换能器（兼发、收）。两种距离探测方法：1）脉冲延时法2）相位调制法45两种距离探测方法的波形L= L=（ n+ /2） / 够感知物体在手中的滑动情况，从而调整抓握力的大小。智能机器人在抓握物体时，也应具有感知物体的滑动，从而确定自己最适当的握力目标值，因此需检测出握力不够时所产生的物体滑动。利用这一信号，在不损坏物体的情况下，牢牢抓住物体，为此目的设计的滑动检测器，叫做滑觉传感器。滑觉技术发展较晚，当今急需解决的问题是
13、快速检测滑动，并调整抓握力以免损坏被抓物体。47光电式滑动觉传感器原理图48球形滑觉传感器49光纤式滑（压）觉传感器50传感器感知单元的转换原理51超大规模集成计算传感器阵列 (2用来检测机器人手指的握持面上承受的压力 大小 和 分布 （分布式压觉传感器）。特点： 小型轻便、响应快、阵列密度高、在线性好、可靠性高。2. 应用的目的来看，可以将识别声音的系统分为两大类：发言人识别系统及语义识别系统。55(1) 动圈式传声器56（ 2）光纤声传感器572. 视觉传感器视觉传感器 以光电变换为基础， 是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器件，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波
14、长。视觉传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。581) 激光式视觉传感器激光束以恒定的速度扫描被测物体，由于激光方向性好、亮度高，因此光束在物体边缘形成强对比度的光强分布，经光电器件转换成脉冲电信号，脉冲宽度与被测尺寸成正比，从而实现了机器人对物体尺寸的非接触测量。激光扫描传感器适用于柔软的不允许有测量力的物体、不允许测头接触的高温物体以及不允许表面划伤的物体等的在线测量。由于扫描速度可高达 95m/s，因此允许测量快速运动或振幅不大、频率不高、振动着的物体，因此经常用于机器人在加工中 (即在线 )的非接触主动测量。59激光视觉传感器构成原理n
