1、第八章 機(jī)器人感覺(jué)技術(shù)與傳感器8/10/20221主要內(nèi)容8.1 感知器的相關(guān)概念8.2 機(jī)器感覺(jué)原理、方式與過(guò)程8.3 機(jī)器人傳感器分類與選擇 8.4 位移、速度與加速度傳感器8.5 觸覺(jué)技術(shù)8.6 測(cè)距技術(shù)8.7 傳感器融合8/10/202228.1感知器的相關(guān)概念8.1.1 人類智能與人工智能8.1.2 器官功能與傳感器8.1.3 信息載體8.1.4 機(jī)器人感覺(jué)器官的必要性8/10/202238.1.1 人類智能與人工智能人類智能的主要表現(xiàn) 感知、記憶、思維、表達(dá)、動(dòng)作、學(xué)習(xí)人工智能 對(duì)人類智能的理解與機(jī)器實(shí)現(xiàn)人體有兩種感覺(jué)系統(tǒng)1)內(nèi)體感覺(jué)系統(tǒng):檢測(cè)諸如手足關(guān)節(jié)角、肌肉擴(kuò)張和肌肉拉緊等內(nèi)

2、部參量。2)外體感覺(jué)系統(tǒng):對(duì)皮膚表面溫度和形狀的改變而產(chǎn)生反應(yīng)，這些參量是直接接觸外部物體的結(jié)果。8/10/202248.1.2 器官功能與傳感器人類的感覺(jué)器官：視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)還有什么？痛覺(jué)熱覺(jué)接近覺(jué)？氣功？特異功能？天眼？8/10/20225什么是傳感器傳感器是一種能將具有某種物理表現(xiàn)形式的信息變換成機(jī)器可以處理的輸入換能器。將被測(cè)非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之有對(duì)應(yīng)關(guān)系的電量輸出的器件或裝置。又叫變換器、換能器或探測(cè)器。什么是信息Clande Shannon：信息是一種減少不確定量的量。RAndrew Russell:信息是增長(zhǎng)人類知識(shí)的東西。8/10/202268.1.3 信息載體(

3、1)輻射涉及全頻段的電磁波。范圍包括無(wú)線電波到gama 射線。輻射的主要參數(shù)是強(qiáng)度、頻率、偏振和相位。(2)物理量論述物質(zhì)的各種外部參量。例如，位置、速度、尺寸、厚度、力和真空。(3)熱溫度、溫度梯度、熱和熵。 (4)電電壓、電流、電阻、電容等電參數(shù)。 (5)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁通密度和磁導(dǎo)率。(6)化學(xué)量論述物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的量。其主要參數(shù)是某一材料的濃度、晶體結(jié)構(gòu)和凝聚態(tài)。 8/10/202278.1.4 機(jī)器人感覺(jué)器官的必要性 1、增加機(jī)器人功能，提高工作質(zhì)量，有效完成任務(wù)；機(jī)器人傳感器能監(jiān)控所操縱工件的質(zhì)量。例如，及時(shí)檢查出有毛病的工件。2、適應(yīng)復(fù)雜情況（對(duì)象/環(huán)境），擴(kuò)大應(yīng)用范圍，防止發(fā)生意

4、外事故。例如，自動(dòng)導(dǎo)引車輛(AGV)式機(jī)器人，在道路上不能撞到人。3、人機(jī)交互的需要，接受指令，表達(dá)感情。8/10/202284、依靠傳感器反饋來(lái)補(bǔ)償誤差。 5、降低對(duì)機(jī)器人及其工作對(duì)象精度的要求“可以吃粗糧”； (1)隨機(jī)安置物體的位置。從而降低購(gòu)置固定夾具所需的高額費(fèi)用； (2)允許物體的形狀變化，可以放寬精度要求，而不必制成符合自動(dòng)化裝配線需求的高精度，也不需要高價(jià)地制造0.1mm精度的載體。例如，桔子和蛋等食品，其形狀和尺寸是變動(dòng)的，通過(guò)觸覺(jué)傳感器感知的信息，機(jī)器人可抓住它。8/10/202298.2 機(jī)器感覺(jué)原理、方式與過(guò)程8.2.1 感覺(jué)原理 感覺(jué)原理即傳感器構(gòu)成原理。 分為結(jié)構(gòu)型

5、和物性型。8.2.2 感覺(jué)方式8.2.3 感覺(jué)過(guò)程階段性8/10/2022108.2.1 感覺(jué)原理結(jié)構(gòu)型傳感器概念：應(yīng)用通常的物理定律構(gòu)成的傳感器，如：運(yùn)動(dòng)定律，牛頓定律，歐姆定律，電磁定律，熱力學(xué)定律等。特點(diǎn)：傳感原理明確，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般與結(jié)構(gòu)材料無(wú)關(guān)。 8/10/202211結(jié)構(gòu)型傳感器舉例 由兩個(gè)平行板組成的電容器的電容量為： C= A / d式中電容極板間介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)，相對(duì)于真空，=1； A兩平行板所覆蓋的面積； d兩平行板之間的距離； C電容量。 如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容的變化。因此，電容量的變化的大小與被測(cè)參數(shù)的大小成比例

6、。 極板d電容式傳感器8/10/202212變極距型電容式傳感器變極板面積型電容式傳感器變介質(zhì)型電容式傳感器改變平行板間距的傳感器可用來(lái)測(cè)量微米數(shù)量級(jí)的位移，而變化面積的傳感器只適合測(cè)量厘米數(shù)量級(jí)的位移。 電容式傳感器分為：8/10/202213結(jié)構(gòu)型傳感器舉例 利用電磁感應(yīng)把被測(cè)的物理量如位移、壓力、流量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)L和互感系數(shù)M的變化，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。其特點(diǎn)為：1結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)活動(dòng)電觸點(diǎn)，因此工作可靠壽命長(zhǎng)；2靈敏度和分辨率高，能測(cè)出0.01m的位移變化；3線性度和重復(fù)性都比較好。電感式傳感器8/10/202214光電式碼盤是

7、一種非接觸性光電傳感器。 它具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。 典型的光碼盤有50 7，80 0等類型。 為了確保轉(zhuǎn)速測(cè)量準(zhǔn)確度，使用單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)脈沖信號(hào)處理。電動(dòng)機(jī)上的絕對(duì)編碼器結(jié)構(gòu)型傳感器舉例 8/10/202215線型電阻式荷重傳感器線型電阻應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)變片與荷重傳感器8/10/202216電橋回路平行梁式測(cè)力計(jì)靜力測(cè)量8/10/202217物性型傳感器概念：利用物質(zhì)本身的某種客觀性質(zhì)制作 的傳感器。特點(diǎn)：受材料性質(zhì)與使用環(huán)境影響較大。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高。物性型傳感器舉例： 光電傳感器 壓電傳感器8/10/202218光電傳感器光電傳感器是一種將光量

8、的變化轉(zhuǎn)化為電量的變化的傳感器。它的物理基礎(chǔ)就是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分:外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫光電子。基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。當(dāng)光照射在物體上，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為兩種：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。8/10/202219壓電式傳感器是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)制作的一種傳感器。當(dāng)材料表面受力作用變形時(shí)，其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。壓電陶瓷是人造多晶系壓電材料。常用的壓電陶瓷有鈦酸鋇、鋯鈦酸鋇、鈮酸鹽系壓電陶瓷。它們的壓電

9、常數(shù)比石英晶體高，但介電常數(shù)、機(jī)械性能不如石英好。由于它們品種多，性能各異，可根據(jù)它們的特點(diǎn)制作各種不同的壓電傳感器，這是一種很有發(fā)展前途的壓電元件。8/10/202220半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片 導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在受到外界力（拉力或壓力）作用時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械形變，導(dǎo)致其阻值變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。 電阻應(yīng)變片工作原理：用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，在外力作用下，被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生微小機(jī)械形變，應(yīng)變片隨其發(fā)生相同的變化，同時(shí)，應(yīng)變片電阻也發(fā)生變化。當(dāng)測(cè)得應(yīng)變片電阻值變化量時(shí)，便可得到被測(cè)對(duì)象的應(yīng)變值 8/10/2022218.2.2 感覺(jué)方式按感知形式：接觸型，非接觸型1.接觸型與被測(cè)對(duì)象接觸；2.非接觸型

10、經(jīng)特殊物質(zhì)聯(lián)系，與被測(cè)物保持一定距離。如:檢測(cè)機(jī)器人周圍的聲波、光和其他電磁波，以及電、磁和靜電場(chǎng)之間的相互作用。8/10/202222接觸型：舉例開(kāi)關(guān)、探針、觸點(diǎn)等：機(jī)械運(yùn)動(dòng)量到電量的轉(zhuǎn)換。輸出：模擬、開(kāi)關(guān)、脈沖、數(shù)字信號(hào)。可以采用壓電材料：壓力（振動(dòng)）電壓變化。如：壓電晶體：電壓振動(dòng)聲波或超聲波； 經(jīng)常采用壓阻材料：壓力（振動(dòng)）電阻變化。其原理為導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在受到外界力（拉力或壓力）作用時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械形變，機(jī)械變形導(dǎo)致其阻值變化，這種因形變而使阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，抗干擾強(qiáng)。8/10/202223非接觸型中間傳遞介質(zhì)：（1）電磁波：電場(chǎng)、磁場(chǎng)、可見(jiàn)

11、光、紅外、紫外、X-ray和激光 監(jiān)測(cè)電磁波的存在與狀態(tài)變化 （2） 聲波：發(fā)射某種頻率的聲波信號(hào) 檢測(cè)物體反射波的強(qiáng)弱，時(shí)間差從而獲得某種感覺(jué)能力8/10/202224按特性和性能可將傳感器作如下分類1自生型來(lái)自輸入信號(hào)的能量直接變換成輸出信號(hào)。如硒光電池 2調(diào)制型主要能量供給不是輸入信號(hào)而是一個(gè)輔助能源，適合檢測(cè)弱信號(hào)。 3絕對(duì)型傳感器的輸出在任何時(shí)候都代表傳感器的輸入。這種傳感器的典型例子是電位計(jì)。4增量型傳感器的輸出僅代表傳感器輸人的改變，這些改變的積累才是真實(shí)傳感器輸入。使用傳感器以前要求定標(biāo)，以保證積累值跟真實(shí)傳感器輸入一致。增量型編碼器是這類傳感器的實(shí)例。 8/10/202225

12、8.2.3 感覺(jué)過(guò)程階段性定義：如何將人們感興趣的物理量或其它變量的有無(wú)、大小轉(zhuǎn)換為人們所要求的信息形式（模擬的或數(shù)字的)。 狹義傳感器（檢出器，一次表）、廣義傳感器（一次表二次表）1.一次表：將物體內(nèi)外部的物理特征，如機(jī)械、光學(xué)等特征變?yōu)殡娦盘?hào)。實(shí)例：熱電偶、熱電阻，壓力應(yīng)變片 2. 二次表：將電信號(hào)加工處理，變?yōu)橛杏眯畔ⅰ?8/10/202226二次表加工處理過(guò)程：信息初步處理：濾波、平滑、線性化、數(shù)據(jù)分組等信號(hào)變送：將微弱的一次檢測(cè)信號(hào)變?yōu)榭垢蓴_性強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)：05v 或 420mA信息分析，內(nèi)容非常豐富。被測(cè)信號(hào)測(cè)量?jī)x器的構(gòu)成廣義傳感器輸出信號(hào)處理部分放大變換輸入匹配測(cè)量環(huán)境狹義傳感器

13、檢出器8/10/202227傳感器信號(hào)的處理主要是進(jìn)行信號(hào)的變換，去除噪聲，信號(hào)的判斷，檢出，信號(hào)成分的分析，信號(hào)合成和再現(xiàn)等。常用濾波方法有移動(dòng)平均、數(shù)字微分、數(shù)字積分、同步積分、對(duì)數(shù)變換、互相關(guān)函數(shù)、自相關(guān)函數(shù)等。通過(guò)綜合多種傳感器信息得到單個(gè)傳感器所不能得到的信息，稱為傳感器融合技術(shù)。對(duì)來(lái)自各個(gè)傳感器的信號(hào)通過(guò)學(xué)習(xí)算法、模糊推理等的有機(jī)結(jié)合，最后進(jìn)行綜合判斷。二次表的信號(hào)加工處理8/10/2022288.3 機(jī)器人傳感器分類與選擇8.3.1 內(nèi)部傳感器 檢測(cè)機(jī)器人自身狀態(tài)(內(nèi)部信息)，機(jī)器人自身運(yùn)動(dòng)與正常工作所必需。 8.3.2 外部傳感器 檢測(cè)作業(yè)對(duì)象與作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)(外部信息)，適應(yīng)

14、特定環(huán)境和完成特定任務(wù)所必需。 8.3.3 傳感器選擇的依據(jù)8/10/202229感覺(jué)用途 外部傳感器視 覺(jué)對(duì)象有無(wú)、形狀、大小、種類的識(shí)別對(duì)象的位置、姿態(tài)的識(shí)別對(duì)象灼傷痕、缺陷、好壞的識(shí)別對(duì)象上的圖樣、文字的識(shí)別觸 覺(jué)對(duì)象重量、硬度、表面狀態(tài)識(shí)別位置偏差的控制，握力的控制聽(tīng) 覺(jué)指令的識(shí)別，異常狀態(tài)的檢測(cè)，障礙物的檢測(cè)其它（接近覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)、濕度、振動(dòng)等）各種檢查，自我保護(hù)等內(nèi)部傳感器平衡感覺(jué)機(jī)器人自身的平衡其它（位置、速度、加速度、壓力、轉(zhuǎn)矩)運(yùn)動(dòng)器官的控制，自我保護(hù)等8/10/2022308.3.1 內(nèi)部傳感器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件的控制與自我保護(hù)位置：直線，轉(zhuǎn)角 速度:測(cè)速發(fā)電機(jī)加速度負(fù)荷力（力

15、矩），慣性力平衡： 走行機(jī)器人自身平衡控制8/10/2022318.3.2 外部傳感器視覺(jué)：簡(jiǎn)單視覺(jué)對(duì)象的有無(wú)，孔、邊線、拐角檢測(cè)等復(fù)合視覺(jué)對(duì)象形狀、大小、種類對(duì)象位置、姿態(tài) 對(duì)象傷痕、缺欠、好壞 對(duì)象上的圖樣、文字的識(shí)別、圖形指令識(shí)別觸覺(jué)：簡(jiǎn)單觸覺(jué)確定工作對(duì)象是否存在、到位復(fù)合觸覺(jué)確定對(duì)象尺寸、形狀、表面狀態(tài)、硬度、光滑8/10/202232外部傳感器接近覺(jué)：對(duì)工作對(duì)象的非接觸探測(cè)。距離覺(jué)：檢測(cè)距對(duì)象的距離范圍 。聽(tīng)覺(jué)： 簡(jiǎn)單聽(tīng)覺(jué)波長(zhǎng)頻率單一，發(fā)聲器單一，指令識(shí)別 復(fù)合聽(tīng)覺(jué)異常狀態(tài)檢測(cè)，障礙物檢測(cè)，語(yǔ)音理解力覺(jué)： 簡(jiǎn)單力覺(jué)沿一個(gè)方向測(cè)力，對(duì)象重量 復(fù)合力覺(jué)沿多個(gè)方向測(cè)力，傾斜平衡 8/10/

16、2022338.3.3 傳感器選擇的依據(jù)和評(píng)價(jià)1.對(duì)機(jī)器人傳感器的一般要求 機(jī)器人傳感器除了一般傳感器所要求的可靠性好、精度高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)之外,還特別要求以下各點(diǎn):a.體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；b.重量輕；c.抗干擾；d.對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)；e.回路獨(dú)立:輸入、輸出回路應(yīng)互相獨(dú)立絕緣；f.調(diào)整容易;g.價(jià)格低廉，性能價(jià)格比高（性價(jià)比）。8/10/2022342.對(duì)機(jī)器人傳感器選擇的特殊要求按照加工任務(wù)選擇傳感器（1）搬運(yùn)：力，觸覺(jué)，視覺(jué)（2）裝配：力，觸覺(jué)，視覺(jué)（3）噴漆：位置檢測(cè)，對(duì)象識(shí)別（4）焊接：位置，速度點(diǎn)焊：接近覺(jué)弧焊：視覺(jué)按照對(duì)機(jī)器人的控制方式選擇傳感器：位置，速度，加速度按照輔助工作的要

17、求：（1）外觀檢測(cè)：視覺(jué)（2）工件定位：視覺(jué)，觸覺(jué)，力按照安全要求：力，觸覺(jué)3. 對(duì)機(jī)器人傳感器的評(píng)價(jià)8/10/202235（1）靈敏度：輸出信號(hào)變化與輸入信號(hào)變化之比線性 S=y/ x非線性 S=dy/dxS越大越好，但太高的靈敏度使穩(wěn)定性下降（抗擾能力差）（2）線性度 y=bx b是常數(shù)則線性度高（3）測(cè)量范圍：被測(cè)量最大允許值與最小允許值之差，要覆蓋機(jī)器人有關(guān)被測(cè)量的工作范圍。（4）精度：輸出值與實(shí)測(cè)值之間的誤差。（5）重復(fù)性：多次測(cè)量同一個(gè)信號(hào)時(shí)的變化程度。（6）分辨力：所能辨別的被測(cè)量的最小變化值。（7）響應(yīng)時(shí)間：輸入信號(hào)變化后，輸出信號(hào)變化達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間。（振蕩越短越好）8/1

18、0/2022368.4 位移、速度與加速度傳感器8.4.1 位置檢測(cè)和位移檢測(cè)8.4.2 電位計(jì)式位移傳感器8.4.3 絕對(duì)位置光軸編碼器8.4.4 相對(duì)位置光軸編碼器8.4.5 測(cè)速發(fā)電機(jī)8.4.6 加速度傳感器8/10/2022378.4.1 位置檢測(cè)和位移檢測(cè)這是機(jī)器人最基本的感覺(jué)要求，它可以通過(guò)多種傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。常用的機(jī)器人位置、位移傳感器有電阻式位移傳感器、電容式位移傳感器、電感式位移傳感器、光電式位移傳感器、霍爾元件位移傳感器、磁柵式位移傳感器以及機(jī)械式位移傳感器等。二值輸出的位置檢出用傳感器大體上分接觸式(觸點(diǎn)式)與非接觸式(無(wú)觸點(diǎn)式)兩大類。接觸式主要有機(jī)械式限位開(kāi)關(guān)與微動(dòng)開(kāi)關(guān)

19、；非接觸式傳感器常用的有光電開(kāi)關(guān)及各種接近開(kāi)關(guān)。光電開(kāi)關(guān)與各種接近開(kāi)關(guān)是隨著電子機(jī)械技術(shù)的進(jìn)步而急速發(fā)展起來(lái)的新型開(kāi)關(guān)。8/10/202238各檢出用開(kāi)關(guān)的概略比較 類別項(xiàng)目限位開(kāi)關(guān) 微動(dòng)開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)接近開(kāi)關(guān)透過(guò)形鏡反射形直接反射形高頻磁形電容形片簧磁形檢出方法機(jī)械式光學(xué)光學(xué)電磁場(chǎng)電容量磁場(chǎng)檢出距離劣優(yōu)良劣中劣動(dòng)作精度良中劣中劣中應(yīng)答時(shí)間劣良良優(yōu)良良?jí)勖恿剂剂剂剂荚肼暡▌?dòng)優(yōu)中中良中優(yōu)環(huán)境溫度影響優(yōu)中中良中中耐灰塵、水、油中劣劣良中優(yōu)檢測(cè)對(duì)象固體不透明體固體金屬介電常數(shù)高的物體固體8/10/2022398.4.2 電位計(jì)式位移傳感器電位計(jì)法測(cè)量線位移（直線型），角位移（旋轉(zhuǎn)型）由電阻和滑動(dòng)觸點(diǎn)

20、組成，滑動(dòng)觸點(diǎn)受到被檢測(cè)量控制，當(dāng)位置發(fā)生變化，滑動(dòng)觸點(diǎn)發(fā)生位移，改變觸點(diǎn)到電阻器各端的阻值和輸出電壓，根據(jù)測(cè)得的電壓變化可得位移變化。優(yōu)點(diǎn)：線性度好、輸出信號(hào)選擇范圍大，性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、質(zhì)量輕、精度高、成本低等缺點(diǎn)：易于磨損旋轉(zhuǎn)型：?jiǎn)稳﹄娢挥?jì)，多圈電位計(jì)8/10/2022408.4.3 絕對(duì)位置光軸編碼器8/10/202241絕對(duì)編碼器4位二進(jìn)制編碼9位格林碼8/10/202242編碼的重要性8/10/2022438.4.4 相對(duì)位置光軸編碼器 (增量式光軸編碼器 )8/10/202244碼盤脈沖個(gè)數(shù)代表了位置，而單位時(shí)間里的脈沖個(gè)數(shù)表示這段時(shí)間里的平均速度。顯然，單位時(shí)間越短，

21、越能代表瞬時(shí)速度，但在太短的時(shí)間里，只能記到幾個(gè)碼盤脈沖，因而降低了速度分辨率。目前解決方法如：可以采用兩個(gè)碼盤脈沖為一個(gè)時(shí)間間隔，然后用計(jì)數(shù)器記錄在這段時(shí)間里高速脈沖源發(fā)出的脈沖數(shù)。數(shù)字式速度檢測(cè)方法8/10/202245兩種編碼器的比較 絕對(duì)位置編碼器只能測(cè)位置，碼值與位置一一對(duì)應(yīng)，計(jì)算機(jī)處理簡(jiǎn)單，不需要方向辨別電路，抗干擾能力強(qiáng)，但加工難、安裝嚴(yán)、體積大、價(jià)格高。 增量式編碼器，既能測(cè)位置也能測(cè)速度，體積小，加工及安裝較容易，價(jià)格低，但抗干擾能力差，需要方向辨別電路，計(jì)算機(jī)處理較復(fù)雜。因相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟，因此現(xiàn)在大都使用增量式光軸編碼器。 傳感器功能信息處理體積加工價(jià)格絕對(duì)測(cè)量位置簡(jiǎn)單大

22、難高增量測(cè)量位置和速度復(fù)雜、參考點(diǎn)鑒向小易低8/10/2022468.4.5 測(cè)速發(fā)電機(jī) 測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種將轉(zhuǎn)子速度轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)的機(jī)電式信號(hào)元件。 伺服系統(tǒng)中的基本元件之一。 作為測(cè)速、校正、解算元件，它廣泛應(yīng)用于各種速度和位置控制系統(tǒng)中。 測(cè)速發(fā)電機(jī)可分為：直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、異步測(cè)速發(fā)電機(jī)和同步測(cè)速發(fā)電機(jī)。8/10/202247(1)、直流測(cè)速發(fā)電機(jī) 一般，自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)其元件的要求主要是高的精確度、靈敏度、可靠性等。因此，直流測(cè)速發(fā)電機(jī)在電氣性能方面應(yīng)滿足以下要求： 1) 輸出電壓和轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系； 2) 輸出特性的斜率大，即其靈敏度高； 3) 溫度變化對(duì)輸出特性的影響小； 4) 輸出電壓

23、紋波小； 5) 正、反轉(zhuǎn)的輸出特性應(yīng)一致。8/10/202248直流測(cè)速發(fā)電機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用8/10/202249(2)、交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī) 主要優(yōu)點(diǎn)是 ：1 不需電刷和換向器，構(gòu)造簡(jiǎn)單，維護(hù)容易，運(yùn)行可靠；2 無(wú)滑動(dòng)接觸，輸出特性穩(wěn)定，精度高；3 摩擦阻力矩小，慣量小；4 不產(chǎn)生干擾無(wú)線電的火花；5 正、反轉(zhuǎn)輸出電壓對(duì)稱。 主要缺點(diǎn)是： 存在相位誤差和剩余電壓，輸出斜率小，其輸出特性因負(fù)載的性質(zhì)不同而有所不同。8/10/202250模擬式與數(shù)字式模擬式測(cè)速發(fā)電機(jī)模擬法的相位滯后較小，反應(yīng)速度快；用在數(shù)字系統(tǒng)時(shí)需要A/D轉(zhuǎn)換。數(shù)字式光電碼盤數(shù)字法雖對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定不利，但因成本低，易實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用也

24、很廣泛。速度傳感器比較8/10/2022518.4.6 加速度傳感器壓電式加速度傳感器：(a) 剪切型；(b) 壓縮型懸臂梁8/10/202252地震式加速度傳感器等效力學(xué)模型加速度傳感器的基本構(gòu)造8/10/2022538.5 觸覺(jué)技術(shù)8.5.1 接觸覺(jué)感覺(jué)手指等部位與物體是否接觸 8.5.2 壓覺(jué)感覺(jué)手與物表面垂直方向的壓力大小及其分布8.5.3 滑動(dòng)覺(jué)感受沿機(jī)器人與物體接觸平行方向受的切向力、同握面垂直方向的變形、物體移位8.5.4 力覺(jué)感受夾持力、腕力 8.5.5 接近覺(jué)探測(cè)機(jī)器人與物體的接近距離及物體的傾斜等8.5.6 多種觸覺(jué)的配合應(yīng)用8/10/202254觸覺(jué)作用使操作動(dòng)作適宜，視

25、覺(jué)無(wú)法代替 識(shí)別操作對(duì)象的屬性，如大小、重量等 用于安全保護(hù)，躲避障礙，防止事故8/10/2022558.5.1 接觸覺(jué) 觸覺(jué)傳感器應(yīng)包含：(1)提供使傳感器跟待檢測(cè)物體接觸的手段；(2)通過(guò)附加額外傳感器確定觸覺(jué)傳感器的位置 和取向；(3)實(shí)現(xiàn)獲取和解釋觸覺(jué)信息的“智能”功能。 因此，觸覺(jué)器官應(yīng)考慮手爪、致動(dòng)器、換能器、信息處理等環(huán)節(jié)。 最簡(jiǎn)單也是最早使用的接觸覺(jué)傳感器是微動(dòng)開(kāi)關(guān)，但其需較大作用力，又響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。8/10/202256接觸覺(jué)傳感器常用的接觸傳感器有機(jī)械式(微動(dòng)開(kāi)關(guān)用的最多)針式差動(dòng)變壓器含碳海綿及導(dǎo)電橡膠等當(dāng)接觸力作用時(shí)，這些傳感器以通斷方式輸出高低電平，實(shí)現(xiàn)傳感器對(duì)接觸物體

26、的感知。8/10/202257各種接觸覺(jué)傳感器1.導(dǎo)電橡皮2.金屬 3.絕緣體 4.海綿狀橡皮 5. 橡皮 6.金屬箔 7.碳素纖維8.含碳海綿10.泡沫塑料 11.鈹青銅箔 12.基板 13.引線 8/10/202258觸覺(jué)傳感器壓敏電阻陣列與掃描電路 觸覺(jué)傳感器壓敏電阻陣列陣列掃描電路8/10/2022598.5.2 壓覺(jué)壓覺(jué)傳感器其實(shí)是接觸傳感器的引申。壓覺(jué)感知壓力的大小。壓覺(jué)中使人感興趣的是分布?jí)河X(jué)。通過(guò)高密度地配置這種傳感器，把同物體接觸時(shí)各點(diǎn)不同的壓力，變成相應(yīng)的濃淡畫(huà)素，獲取物體形狀的信息。 8/10/2022608.5.3 滑動(dòng)覺(jué) 用于檢測(cè)物體接觸面之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)大小和方向的傳感

27、器。只限相對(duì)運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)，非表面狀態(tài)檢測(cè) 常用的滑動(dòng)檢測(cè)方法：、將滑動(dòng)轉(zhuǎn)換成滾球和滾柱的旋轉(zhuǎn)；、用壓敏元件和觸針，檢測(cè)滑動(dòng)時(shí)的微小振動(dòng)；、檢測(cè)即將發(fā)生的滑動(dòng)時(shí)，手爪部分的壓力通過(guò)手 爪載荷檢測(cè)器，檢測(cè)手爪的壓力變化，從而推斷 出滑動(dòng)的大小等。8/10/202261利用光電系統(tǒng)的滑移傳感器滾子回轉(zhuǎn)的檢出是通過(guò)與滾子軸固聯(lián)的光碼盤進(jìn)行。光碼盤上刻有30個(gè)透光槽,槽的兩側(cè)分別在主體上固定有發(fā)光二極管與光電三極管。當(dāng)對(duì)象物在夾持過(guò)程中產(chǎn)生滑移時(shí),即帶動(dòng)滾子旋轉(zhuǎn),通過(guò)光電系統(tǒng)即可得到電脈沖信號(hào)。 8/10/202262東京工業(yè)大學(xué)研制的光電式滑動(dòng)覺(jué)傳感器8/10/202263磁帶式滑動(dòng)覺(jué)傳感器 滑覺(jué)傳感器

28、是由磁頭、磁帶、滑輪、磁帶輪及殼體所組成。其中一個(gè)磁帶輪與滑輪固聯(lián)在一起。磁帶上錄有固定頻率和幅度的正弦信號(hào)。8/10/202264電磁式滑移傳感器在滾子測(cè)面固定有一小塊永久磁鐵,通過(guò)本體上固定的磁頭,即可檢出滑移。同圖給出了對(duì)側(cè)的一個(gè)手指,在其上設(shè)有壓覺(jué)傳感器。通過(guò)兩個(gè)傳感器檢知的信號(hào),就可以進(jìn)行夾持力的調(diào)節(jié)。 8/10/202265全方向滑移傳感器在用導(dǎo)電體作成的球表面上用絕緣體分割成方格花紋,黑格與白格分別是絕緣部分與導(dǎo)電部分,與球表面接觸的對(duì)象物不論向哪一方向滑動(dòng)都會(huì)使球轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)與球表面接觸的觸針就可取出脈沖電壓,并通過(guò)控制電路來(lái)控制握力。8/10/2022668.5.4 力覺(jué)力覺(jué)傳

29、感器用于檢測(cè)和控制機(jī)器人臂及手腕的力與力矩，其敏感元件一般用半導(dǎo)體應(yīng)變片。力覺(jué)傳感器分用于夾緊和傳送工件時(shí)的夾持力檢測(cè)和用于裝配時(shí)的腕力檢測(cè)。8/10/202267夾持力覺(jué)傳感器4個(gè)應(yīng)變片分別安裝在寬而薄的梁的上表面和下表面。假設(shè)有一個(gè)夾持力F作用于指頭上的G點(diǎn)，而G點(diǎn)距應(yīng)變片組A和B的距離分別是LA和LB，可用二個(gè)測(cè)量電橋及應(yīng)變儀分別測(cè)得力矩 MA = F LA MB = F LB由上述二式可求得夾持力F及其位置LA: F = ( MB-MA ) / ( LB-LA ) LA = MA ( LB-LA ) / ( MB-MA ) 8/10/202268腕力傳感器裝配時(shí)使用 腕力傳感器用于裝配

30、作業(yè)機(jī)器人，大多用于軸孔插入的測(cè)力定心系統(tǒng)。傳感器測(cè)得軸在插入孔時(shí)的力信息，反饋至計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，控制插軸的后續(xù)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，以完成裝配作業(yè)。 腕力傳感器由一個(gè)彈性(或撓性)組件和以撓曲應(yīng)變來(lái)測(cè)力(力矩)的傳感器構(gòu)成。可測(cè)出三個(gè)分力(力矩)。 8/10/202269應(yīng)變片式腕力力覺(jué)傳感器4根梁結(jié)構(gòu)8根梁結(jié)構(gòu)8/10/202270應(yīng)變片式腕力力覺(jué)傳感器笛卡爾坐標(biāo)系中三個(gè)力分量和三個(gè)力矩分量，信息來(lái)自8個(gè)梁，4垂直R1-R4，4水平Q1-Q4研制腕力傳感器呈二種趨勢(shì)，一是設(shè)計(jì)得較簡(jiǎn)單，但須經(jīng)過(guò)復(fù)雜計(jì)算，求出傳遞矩陣、提取六個(gè)分量，這稱間接輸出型腕力傳感器。二是設(shè)計(jì)得比較復(fù)雜，但只需簡(jiǎn)單計(jì)算，甚至可直接

31、得到六個(gè)力分量，這種稱為直接輸出型腕力傳感器。8/10/202271力和力矩檢測(cè)傳感器8/10/2022728.5.5 接近覺(jué) 接近覺(jué)傳感器：是檢測(cè)對(duì)象物體與傳感器距離信息的一種傳感器。利用距離信息測(cè)出對(duì)象物體的表面狀態(tài)。接近覺(jué)是視覺(jué)傳感器功能的一部分，但它只給出距離信息，接近覺(jué)傳感器有電磁感應(yīng)式、光電式、電容式、氣壓式、超聲波和微波式等多種。實(shí)際使用應(yīng)根據(jù)對(duì)象物體性質(zhì)而定。 接近覺(jué)感知對(duì)象接近的情況，其作用為： (1)在接觸到對(duì)象前獲取信息，為后續(xù)動(dòng)作先做準(zhǔn)備； (2)發(fā)現(xiàn)障礙物，規(guī)定行程范圍，以免碰撞； (3)得到關(guān)于對(duì)象表面形狀的信息。 目前常用的接近覺(jué)傳感器有磁力式和超聲波式，前者測(cè)距

32、近，后者測(cè)距較遠(yuǎn)。8/10/202273電磁式接近覺(jué)傳感器8/10/202274檢測(cè)精度：(a)從反射光的光量變化和時(shí)間關(guān)系求出發(fā)光角度，就可能在210mm范圍以0.5mm的精度檢出。(b)利用收光信號(hào)的相位偏差是距離的函數(shù)，能在1060mm內(nèi)得到土2mm左右的精度。光學(xué)式接近覺(jué)傳感器8/10/202275用接近覺(jué)的焊接位置示教與檢出8/10/202276超聲波式接近覺(jué)傳感器超聲波式傳感器適于較長(zhǎng)距離和較大物體的探測(cè)，比視覺(jué)系統(tǒng)簡(jiǎn)單便宜，應(yīng)用較廣。可通過(guò)測(cè)定發(fā)出超聲波脈沖的時(shí)刻到接收到回波電壓的時(shí)間間隔，算出物體同機(jī)器人的距離 rC*T2其中C為空氣中的音速，T為時(shí)間間隔。 8/10/2022

33、77超聲波測(cè)厚系統(tǒng)原理圖8/10/2022788.5.6 多種觸覺(jué)的配合應(yīng)用8/10/2022798.6 測(cè)距技術(shù)8.6.1 激光測(cè)距8.6.2 紅外檢測(cè)8.6.3 聲納檢測(cè)8.6.4 GPS定位8/10/2022808.6.1 激光測(cè)距激光測(cè)距是利用激光的單色性和相干性好、方向性強(qiáng)等特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)高精度的計(jì)量和檢測(cè)，如測(cè)量長(zhǎng)度、距離、速度、角度等等。激光測(cè)距在技術(shù)途徑上可分為脈沖式激光測(cè)距和連續(xù)波相位式激光測(cè)距。脈沖式激光測(cè)距原理與雷達(dá)測(cè)距相似，測(cè)距儀向目標(biāo)發(fā)射激光信號(hào)，碰到目標(biāo)就要被反射回來(lái)，由于光的傳播速度是已知的，所以只要記錄下光信號(hào)的往返時(shí)間，用光速（30萬(wàn)千米/秒）乘以往返時(shí)間的二分

34、之一，就是所要測(cè)量的距離。8/10/202281現(xiàn)在廣泛使用的手持式和便攜式測(cè)距儀，作用距離為數(shù)百米至數(shù)十千米，測(cè)量精度為五米左右。我國(guó)研制的對(duì)衛(wèi)星測(cè)距的高精度測(cè)距儀，測(cè)量精度可達(dá)到幾厘米。連續(xù)波相位式激光測(cè)距是用連續(xù)調(diào)制的激光波束照射被測(cè)目標(biāo)，從測(cè)量光束往返中造成的相位變化，可換算出被測(cè)目標(biāo)的距離。為了確保測(cè)量精度，一般要在被測(cè)目標(biāo)上安裝激光反射器。它測(cè)量的相對(duì)誤差為百萬(wàn)分之一。8/10/202282激光傳感器的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)散小或沒(méi)有發(fā)散，并對(duì)大多數(shù)物體無(wú)鏡面反射現(xiàn)象，缺點(diǎn)是存在潛在的安全問(wèn)題（首先是人眼安全問(wèn)題），且不適用于透明物質(zhì)8/10/202283激光測(cè)距儀與微波雷達(dá)結(jié)合，還可以發(fā)揮激光

35、波速窄的特長(zhǎng)，彌補(bǔ)微波雷達(dá)低仰角工作時(shí)受地面干擾的不足。激光測(cè)距與光學(xué)經(jīng)緯儀、紅外及電視跟蹤系統(tǒng)相結(jié)合，組成光電跟蹤測(cè)量系統(tǒng)，既可作為靶場(chǎng)試驗(yàn)的測(cè)量設(shè)備，又常用作武器的光電火力控制系統(tǒng)。這種激光測(cè)距儀已廣泛用于地面火炮、坦克炮的火控系統(tǒng)，大大提高了命中率8/10/2022848.6.2 紅外檢測(cè)紅外距離傳感器（紅外測(cè)距儀）適合機(jī)器人應(yīng)用，價(jià)格低，測(cè)量距離相對(duì)較短。 與超聲傳感器相比,紅外測(cè)距的準(zhǔn)確度不高,但紅外傳感器可以在短時(shí)間內(nèi)提供大量測(cè)量數(shù)據(jù),易于安裝在掃描儀上以獲得全景圖像,而且它的波束極窄,與超聲傳感器固有的錐形波相比,更有優(yōu)勢(shì)。 8/10/2022858.6.3 聲納檢測(cè)聲納測(cè)距（超聲測(cè)距）是一種非接觸的檢測(cè)方式，在近距離范圍內(nèi)有不受外界光線影響、硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易操作、成本低等優(yōu)點(diǎn),在高性能自主移動(dòng)機(jī)器人上獲得了廣泛應(yīng)用。 缺點(diǎn)是速度慢，存在較大的波束角，且對(duì)光滑表面存在鏡面反射。8/10/202286超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超