1、第七章第七章 傳感器傳感器 輸出類型輸出類型：數字式或模擬式，可以直接：數字式或模擬式，可以直接使用，也可能必須對其進行轉換才能使用。使用，也可能必須對其進行轉換才能使用。 接口接口：傳感器必須能與其他設備相連接。：傳感器必須能與其他設備相連接。如果沒有現成接口、或與其他設備接口不如果沒有現成接口、或與其他設備接口不匹配、或需要其他額外電路，此時，需要匹配、或需要其他額外電路，此時，需要解決傳感器與設備間接口問題。解決傳感器與設備間接口問題。 分辨率分辨率：在測量范圍內所能分辨的最小：在測量范圍內所能分辨的最小值。繞線式電位器值。繞線式電位器一圈電阻值；一圈電阻值；n位位數字設備數字設備滿量程

2、滿量程/2n 機器人為了能夠適應周圍環境進行正常工機器人為了能夠適應周圍環境進行正常工作，需要使用傳感器來感知現場的一些情況，作，需要使用傳感器來感知現場的一些情況，具體來說有以下幾個原因：具體來說有以下幾個原因： 1) 機械定位法難以知道所有工件和設備機械定位法難以知道所有工件和設備的放置位置；的放置位置； 2) 當工件順序不定或需要改變時，缺乏當工件順序不定或需要改變時，缺乏適應性和靈活性；適應性和靈活性； 3) 高精度機械手的造價往往比用低精度高精度機械手的造價往往比用低精度機械手配以傳感器靈活并方便地完成任務所機械手配以傳感器靈活并方便地完成任務所需費用高得多；需費用高得多；特點與分類

3、：特點與分類： 根據物體的特性分：幾何式、機械式、光學根據物體的特性分：幾何式、機械式、光學式、材料的、語音的、電氣的、磁性的、放射式、材料的、語音的、電氣的、磁性的、放射的和化學的等等。的和化學的等等。 傳感器常用的分類方法是將傳感器按其與機傳感器常用的分類方法是將傳感器按其與機器人的相對關系分為器人的相對關系分為內傳感器內傳感器和和外傳感器外傳感器。 內傳感器用來測試內傳感器用來測試機器人本體內部機器人本體內部的一些變的一些變量；量； 外傳感器常用來測試外傳感器常用來測試機器人工作的環境情況機器人工作的環境情況。 傳感器經常安裝在機器人的某些傳感器經常安裝在機器人的某些極限位置極限位置，其

4、目的是為了更方便地探知外部的信號，如何其目的是為了更方便地探知外部的信號，如何選擇合適的位置安裝在設計時要加以考慮。選擇合適的位置安裝在設計時要加以考慮。機器人的感覺順序一般分兩步進行：機器人的感覺順序一般分兩步進行： (1) 變換變換通過硬件把目標特性轉換為信通過硬件把目標特性轉換為信號。號。 (2) 處理處理把所獲信號變換為規劃及執行把所獲信號變換為規劃及執行某個機器人功能所需要的信息。某個機器人功能所需要的信息。 處理通常包括處理通常包括預處理和解釋兩個步驟預處理和解釋兩個步驟。 在預處理階段，在預處理階段，一般通過硬件對信號加一般通過硬件對信號加以改善以改善。 在解釋階段，在解釋階段，

5、一般通過軟件對改善后的一般通過軟件對改善后的信號進行分析，并提取所需要的信息信號進行分析，并提取所需要的信息。在機器人中，傳感器主要作用如下：在機器人中，傳感器主要作用如下： (1) 為了控制系統測試機器人參數；為了控制系統測試機器人參數； (2) 發現物體的位置；發現物體的位置； (3) 糾正機器人模型中的誤差；糾正機器人模型中的誤差； (4) 探知并且避免實效姿態；探知并且避免實效姿態； (5) 探知物體并避障；探知物體并避障； (6) 監測與環境的交互作用；監測與環境的交互作用； (7) 監測可能對執行這項任務有影響的監測可能對執行這項任務有影響的環境狀態；環境狀態； (8) 檢查處理結

6、果。檢查處理結果。傳感器由傳感器由轉換器轉換器和和電路電路組成。組成。 轉換器轉換器是將物理量和化學量轉換為電信是將物理量和化學量轉換為電信號的裝置。通常來自轉換器的信號很小，號的裝置。通常來自轉換器的信號很小，在使用前必須將這些信號放大；此外，經在使用前必須將這些信號放大；此外，經常有些信號是非線性的，在應用前必須將常有些信號是非線性的，在應用前必須將它們線性化。它們線性化。 例如，來自熱電偶的信號必須線性化以例如，來自熱電偶的信號必須線性化以獲得與溫度成正比的電壓。獲得與溫度成正比的電壓。 傳感信號最普通的用途是用在閉環控制傳感信號最普通的用途是用在閉環控制中中 。7.1 7.1 位置傳感

7、器位置傳感器 用途：用途：測量位移，包括角位移和線位移，也可用測量位移，包括角位移和線位移，也可用來檢測運動。來檢測運動。（一）電位器（一）電位器 通過電阻把位置信息轉化為隨位置變化的電壓。通過電阻把位置信息轉化為隨位置變化的電壓。電位器原理圖電位器原理圖商品化電位器商品化電位器RRVVccout1（二）二） 編碼器編碼器 功能：功能：檢測細微運動，輸出數字信號。檢測細微運動，輸出數字信號。原理：原理： 碼盤或碼尺被分成若干小區，每一小區可能不透碼盤或碼尺被分成若干小區，每一小區可能不透明也可能透明。明也可能透明。 當光源例如發光二極管有碼盤或碼尺的一側向另當光源例如發光二極管有碼盤或碼尺的一

8、側向另一側發射一束光時，在另一側用光敏傳感器進行檢一側發射一束光時，在另一側用光敏傳感器進行檢測。如果碼盤的角度正好位于光能穿過的地方，則測。如果碼盤的角度正好位于光能穿過的地方，則另一側的傳感器將會導通，輸出高電平。如果碼盤另一側的傳感器將會導通，輸出高電平。如果碼盤的角度正好處在光不能穿過的地方，傳感器將關斷，的角度正好處在光不能穿過的地方，傳感器將關斷，輸出低電平。如果對該信號計數就可測量任意時刻輸出低電平。如果對該信號計數就可測量任意時刻碼盤的近似總位移碼盤的近似總位移兩種基本形式：兩種基本形式：增量式、絕對式增量式、絕對式 增量式增量式：用來測量角位置和直線位置的變化，但：用來測量角

9、位置和直線位置的變化，但不能直接記錄或指示位置的實際值。在所有利用增不能直接記錄或指示位置的實際值。在所有利用增量式編碼器進行位置跟蹤的系統中，都必須在系統量式編碼器進行位置跟蹤的系統中，都必須在系統開始運行時進行開始運行時進行復位復位。只要知道復位時的位置，控。只要知道復位時的位置，控制器就能確定任意時刻的位移。制器就能確定任意時刻的位移。1 增量式增量式簡單旋轉式增量碼盤簡單旋轉式增量碼盤簡單直線增量編碼器簡單直線增量編碼器增量式編碼器的輸出信號增量式編碼器的輸出信號2 2 絕對式絕對式 每個位置都對應著透光與不透光弧段的惟一確定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

10、有惟一的特征。通過這特征，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。在任意時刻都可以確定碼盤的精確位置。#格雷碼格雷碼二進制碼二進制碼#格雷碼格雷碼二進制碼二進制碼00000000060101011010001000170100011120011001081100100030010001191101100140110010010111110105011101011111101011商用增量式碼盤商用增量式碼盤和絕對碼尺和絕對碼尺三三 線位移差動變壓器（線位移差動變壓器（LVDTLVDT）原理：原理：鐵心隨被測位移移動，導致磁通強度的變化，鐵心隨被測位移移動

11、，導致磁通強度的變化，從而引起次級電壓的變化，同時將隨唯一變化的模從而引起次級電壓的變化，同時將隨唯一變化的模擬電壓輸出作為唯一的測量結果。擬電壓輸出作為唯一的測量結果。旋轉變壓器旋轉變壓器原理：轉子轉動引起磁通量旋轉，在次級線圈產生原理：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。變化的電壓。從而可以用來測量角位移。旋轉變壓器原理圖旋轉變壓器原理圖磁反射型傳感器磁反射型傳感器原理：導體發送脈沖，遇到磁體后反射回來，若已原理：導體發送脈沖，遇到磁體后反射回來，若已知脈沖傳輸速度，那么就能將脈沖到達磁體并返回知脈沖傳輸速度，那么就能將脈沖到達磁體并返回的總時間換算成

12、距離。的總時間換算成距離。6.3 速度傳感器速度傳感器編碼器編碼器原理：對任意給定的角位移，編碼器將產生確定數原理：對任意給定的角位移，編碼器將產生確定數量的脈沖信號，通過統計指定時間內脈沖信號的數量的脈沖信號，通過統計指定時間內脈沖信號的數量，能計算出相應的角速度。量，能計算出相應的角速度。測速發電機測速發電機原理：將機械能轉化為電能的裝置，輸出是與輸入原理：將機械能轉化為電能的裝置，輸出是與輸入角速度成正比的模擬電壓，它可與電位器一起來使角速度成正比的模擬電壓，它可與電位器一起來使用來估計速度。用來估計速度。位置信號微分位置信號微分原理：對位置信號求微分來測試速度原理：對位置信號求微分來測

13、試速度 加速度傳感器加速度傳感器 力和壓力傳感器力和壓力傳感器1.壓電晶體：壓電材料受壓后會產生一定電壓。壓電晶體：壓電材料受壓后會產生一定電壓。2.力敏電阻：阻值隨垂直施加在表面的力的增加而力敏電阻：阻值隨垂直施加在表面的力的增加而降低。降低。3.應變片應變片輸出與形變成正比輸出與形變成正比6.4 力矩傳感器力矩傳感器原理：原理：如果在軸上施加力矩，力矩將在軸上產生兩個方向相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。出這兩個力，根據所測力的大小可計算出力矩

14、。用六個傳感器用六個傳感器測量三個彼此測量三個彼此獨立的軸上的獨立的軸上的力和力矩力和力矩6.5 其它類型傳感器其它類型傳感器1.微動開關微動開關可以用它切斷通過導體的電流，因此能用于安全保護。可以用它切斷通過導體的電流，因此能用于安全保護。此外，還可以用來監測是否有接觸或用作位移開關發此外，還可以用來監測是否有接觸或用作位移開關發送信號。送信號。2.可見光和紅外傳感器可見光和紅外傳感器電阻隨著投射在其上面光強的變化而改變，與移動光源電阻隨著投射在其上面光強的變化而改變，與移動光源聯用，測量位移。建立與機器人進行遠程通信的鏈路。聯用，測量位移。建立與機器人進行遠程通信的鏈路。3.接觸和觸覺傳感

15、器接觸和觸覺傳感器在實際接觸時發出信號。在實際接觸時發出信號。簡單的接觸式傳感器以陣列形式排列組合成觸覺傳簡單的接觸式傳感器以陣列形式排列組合成觸覺傳感器，它以特定次序向控制器發送接觸和形狀信息。感器，它以特定次序向控制器發送接觸和形狀信息。觸覺傳感器可以提供的物體的信息如下圖觸覺傳感器可以提供的物體的信息如下圖類皮膚類皮膚觸覺傳觸覺傳感器感器6.6 接近覺傳感器接近覺傳感器用途：探測兩個物體接觸之前一物體向另一物體接近。用途：探測兩個物體接觸之前一物體向另一物體接近。常見接近覺傳感器常見接近覺傳感器（1）磁感應接近傳感器）磁感應接近傳感器（2）光學接近傳感器）光學接近傳感器5 超聲波接近覺傳

16、感器超聲波接近覺傳感器6 感應式接近覺傳感器感應式接近覺傳感器7 電容式接近覺傳感器電容式接近覺傳感器8 渦流接近覺傳感器渦流接近覺傳感器6.7 測距儀測距儀與接近覺傳感器不同，測距儀用于測量較長的距離，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，并且用于向系它可以探測障礙物和物體表面的形狀，并且用于向系統提供早期信息。常用的測量方法是三角法和測量傳統提供早期信息。常用的測量方法是三角法和測量傳輸時間法。輸時間法。三角法：測量原理如圖所示三角法：測量原理如圖所示測量原理：僅在發射器以特定角度發射光線時，接收測量原理：僅在發射器以特定角度發射光線時，接收器才能

17、檢測到物體上的光斑，利用發射角的角度可以器才能檢測到物體上的光斑，利用發射角的角度可以計算出距離。計算出距離。測量傳輸時間法：測量傳輸時間法：信號傳輸的距離包括從發信號傳輸的距離包括從發射器到物體和被物體發射射器到物體和被物體發射到接收器兩部分。傳感器到接收器兩部分。傳感器與物體之間的距離是信號與物體之間的距離是信號行進距離的一半，知道了行進距離的一半，知道了傳播速度，通過測量信號傳播速度，通過測量信號的往返時間即可計算出距的往返時間即可計算出距離。離。超聲波測距儀超聲波測距儀特點：特點：結構堅固、簡單、廉價并且能耗低，但是分辨率和最結構堅固、簡單、廉價并且能耗低，但是分辨率和最大工作距離受到

18、限制。大工作距離受到限制。工作原理：工作原理：發射器發射高頻超聲波脈沖，它在介質中行進一段距發射器發射高頻超聲波脈沖，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，發射器和物離，遇到障礙物后返回，由接受器接受，發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。則等于傳輸時間與聲速的乘積。關鍵技術：關鍵技術：時間測量的準確性，時間測量精度，聲速精度，背景時間測量的準確性，時間測量精度，聲速精度，背景噪聲。噪聲。光測距儀光測距儀原理：基于光（包括激光），采用直接延遲時間測原理：基于光（包括激光），采用直接延遲

19、時間測量法、間接幅值調制法和三角法等方法測量到物體量法、間接幅值調制法和三角法等方法測量到物體的距離。的距離。6.8 嗅覺傳感器嗅覺傳感器原理：原理：對特定的氣體敏感，當探測到這些氣體時就發出信對特定的氣體敏感，當探測到這些氣體時就發出信號。號。6.9 視覺系統視覺系統6.9 語音識別裝置語音識別裝置原理：原理：所有信號都有各自的主要頻率，它們構成了信號所有信號都有各自的主要頻率，它們構成了信號的特征頻譜，通過識別這種頻譜的特征就可以做的特征頻譜，通過識別這種頻譜的特征就可以做到語音識別。為了進行語音識別，用戶必須對系到語音識別。為了進行語音識別，用戶必須對系統進行訓練。統進行訓練。6.10 語音合成器語音合成器語音合成的方法：語音合成的方法：一、將音素和元音組合來產生單詞的發音一、將音素和元音組合來產生單詞的發音二、錄下系統可能需要合成的詞，當需要時就從存二、錄下系統可能需要合成的詞，當需要時就從存儲器或磁帶中讀出。儲器或磁帶中讀出。6.11 遠