1、机器人原理与应用机器人原理与应用2022-6-61第八章 机器人感觉技术与传感器东北大学人工智能与机器人研究所第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-62主要内容主要内容8.1 感知器的相关概念感知器的相关概念8.2 机器感觉原理、方式与过程机器感觉原理、方式与过程8.3 机器人传感器分类与选择机器人传感器分类与选择 8.4 位移、速度与加速度传感器位移、速度与加速度传感器8.5 触觉技术触觉技术8.6 测距技术测距技术8.7 传感器融合传感器融合第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-638.1感知器的相关概念感知器的相关概念8.1
2、.1 人类智能与人工智能人类智能与人工智能8.1.2 器官功能与传感器器官功能与传感器8.1.3 信息载体信息载体8.1.4 机器人感觉器官的必要性机器人感觉器官的必要性第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-648.1.1 人类智能与人工智能人类智能与人工智能人类智能的主要表现人类智能的主要表现 感知、记忆、思维、表达、动作、学习感知、记忆、思维、表达、动作、学习人工智能人工智能 对人类智能的理解与机器实现对人类智能的理解与机器实现人体有两种感觉系统人体有两种感觉系统1)1)内体感觉系统内体感觉系统: :检测诸如手足关节角、肌肉扩检测诸如手足关节角、肌肉扩张和肌
3、肉拉紧等内部参量。张和肌肉拉紧等内部参量。2)2)外体感觉系统外体感觉系统: :对皮肤表面温度和形状的改变对皮肤表面温度和形状的改变而产生反应，这些参量是直接接触外部物体的而产生反应，这些参量是直接接触外部物体的结果。结果。第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-658.1.2 器官功能与传感器器官功能与传感器人类的感觉器官：人类的感觉器官：视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉还有什么？还有什么？痛觉痛觉热觉热觉接近觉？气功？接近觉？气功？特异功能？天眼？特异功能？天眼？第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-66
4、什么是传感器什么是传感器传感器是一种能将具有某种物理表现形式的传感器是一种能将具有某种物理表现形式的信息信息变换成机器可以处理的输入换能器。变换成机器可以处理的输入换能器。将被测非电量信号转换成与之有对应关系的电量将被测非电量信号转换成与之有对应关系的电量输出的器件或装置。输出的器件或装置。又叫变换器、换能器或探测器。又叫变换器、换能器或探测器。什么是什么是信息信息Clande ShannonClande Shannon：信息是一种减少不确定量的量。：信息是一种减少不确定量的量。R RAndrew Russell:Andrew Russell:信息是增长人类知识的东西。信息是增长人类知识的东西
5、。第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-678.1.3 信息载体信息载体(1)(1)辐射辐射涉及全频段的电磁波。范围包括无线电波到涉及全频段的电磁波。范围包括无线电波到gamagama 射线。射线。辐射的主要参数是强度、频率、偏振和相位。辐射的主要参数是强度、频率、偏振和相位。(2)(2)物理量物理量论述物质的各种外部参量。论述物质的各种外部参量。例如，位置、速度、尺寸、厚度、力和真空。例如，位置、速度、尺寸、厚度、力和真空。(3)(3)热热温度、温度梯度、热和熵。温度、温度梯度、热和熵。 (4)(4)电电电压、电流、电阻、电容等电参数。电压、电流、电阻、电容等
6、电参数。 (5)(5)磁磁磁场强度、磁通密度和磁导率。磁场强度、磁通密度和磁导率。(6)(6)化学量化学量论述物质的内部结构的量。论述物质的内部结构的量。其主要参数是某一材料的浓度、晶体结构和凝聚态。其主要参数是某一材料的浓度、晶体结构和凝聚态。 第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-688.1.4 机器人感觉器官的必要性机器人感觉器官的必要性 1 1、增加机器人功能，提高工作质量，有效完、增加机器人功能，提高工作质量，有效完成任务；机器人传感器能监控所操纵工件的成任务；机器人传感器能监控所操纵工件的质量。例如，及时检查出有毛病的工件。质量。例如，及时检查出有毛
7、病的工件。2 2、适应复杂情况（对象、适应复杂情况（对象/ /环境），扩大应用范环境），扩大应用范围，防止发生意外事故。例如，自动导引车围，防止发生意外事故。例如，自动导引车辆辆(AGV)(AGV)式机器人，在道路上不能撞到人。式机器人，在道路上不能撞到人。3 3、人机交互的需要，接受指令，表达感情。、人机交互的需要，接受指令，表达感情。第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-694 4、依靠传感器反馈来补偿误差。、依靠传感器反馈来补偿误差。 5 5、降低对机器人及其工作对象精度的要求、降低对机器人及其工作对象精度的要求“可以吃粗粮可以吃粗粮”； (1)(1)随机
8、安置物体的位置。从而降低购置固定夹随机安置物体的位置。从而降低购置固定夹具所需的高额费用；具所需的高额费用； (2)(2)允许物体的形状变化，可以放宽精度要求，允许物体的形状变化，可以放宽精度要求，而不必制成符合自动化装配线需求的高精度，也而不必制成符合自动化装配线需求的高精度，也不需要高价地制造不需要高价地制造0.1mm0.1mm精度的载体。例如，桔精度的载体。例如，桔子和蛋等食品，其形状和尺寸是变动的，通过触子和蛋等食品，其形状和尺寸是变动的，通过触觉传感器感知的信息，机器人可抓住它。觉传感器感知的信息，机器人可抓住它。第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-
9、6108.2 机器感觉原理、方式与过程机器感觉原理、方式与过程8.2.1 感觉原理感觉原理 感觉原理即传感器构成原理。感觉原理即传感器构成原理。 分为结构型和物性型。分为结构型和物性型。8.2.2 感觉方式感觉方式8.2.3 感觉过程感觉过程阶段性阶段性第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-6118.2.1 感觉原理感觉原理结构型传感器结构型传感器概念概念：应用通常的物理定律构成的传感：应用通常的物理定律构成的传感器，如：运动定律，牛顿定律，欧姆定器，如：运动定律，牛顿定律，欧姆定律，电磁定律，热力学定律等。律，电磁定律，热力学定律等。特点：传感原理明确，结构比
10、较复杂，特点：传感原理明确，结构比较复杂，一般与结构材料无关。一般与结构材料无关。 第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-612结构型传感器举例结构型传感器举例 由两个平行板组成的电容器的由两个平行板组成的电容器的电容量为：电容量为： C= A / dC= A / d式中式中电容极板间介质的相对电容极板间介质的相对介电系数，相对于真空，介电系数，相对于真空，=1=1； A A两平行板所覆盖的面积；两平行板所覆盖的面积； d d两平行板之间的距离；两平行板之间的距离； C C电容量。电容量。 如果保持其中的两个参数不变而仅改变另一个参数，如果保持其中的两个参数不变
11、而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化转换为电容的变化。因此，电容量就可把该参数的变化转换为电容的变化。因此，电容量的变化的大小与被测参数的大小成比例。的变化的大小与被测参数的大小成比例。 极板极板d d电容式传感器电容式传感器第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-613变极距型电容式传感器变极距型电容式传感器变极板面积型电容式传感器变极板面积型电容式传感器变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器改变平行板间距的传感器可用来测量改变平行板间距的传感器可用来测量微米数量级的位移，而变化面积的传微米数量级的位移，而变化面积的传感器只适合测量厘米数量级的位移感器只适合
12、测量厘米数量级的位移。 电容式传感器分为：电容式传感器分为：第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-614结构型传感器举例结构型传感器举例 利用电磁感应把被测利用电磁感应把被测的物理量如位移、压力、的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈流量、振动等转换成线圈的自感系数的自感系数L L和互感系数和互感系数M M的变化，再由测量电路转的变化，再由测量电路转换成电压或电流的变化量换成电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量输出，实现非电量到电量的转换。的转换。其特点为：其特点为：1 1结构简单，无活动电触点，因此工作可靠寿命长；结构简单，无活动电触点，因此工作可靠
13、寿命长；2 2灵敏度和分辨率高，能测出灵敏度和分辨率高，能测出0.01m0.01m的位移变化；的位移变化；3 3线性度和重复性都比较好。线性度和重复性都比较好。电感式传感器电感式传感器第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-615光电式码盘是一种非接触性光光电式码盘是一种非接触性光电传感器。电传感器。 它具有测量准确度高、响应速它具有测量准确度高、响应速度快、结构简单、可靠性高和使用度快、结构简单、可靠性高和使用寿命长等优点。寿命长等优点。 典型的光码盘有典型的光码盘有50 750 7，80 080 0等类型。等类型。 为了确保转速测量准确度，使为了确保转速测量准
14、确度，使用单片机系统对脉冲信号处理。用单片机系统对脉冲信号处理。电动机上的绝对编码器电动机上的绝对编码器结构型传感器举例结构型传感器举例 第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-616线型电阻式荷重传感器线型电阻式荷重传感器线型电阻应变计的结构线型电阻应变计的结构应变片与荷重传感器应变片与荷重传感器第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-617电桥回路电桥回路平行梁式测力计平行梁式测力计静力测量静力测量第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-618物性型传感器物性型传感器概念：概念：利用物质本身的某种客观
15、性质制作利用物质本身的某种客观性质制作 的传感器。的传感器。特点特点：受材料性质与使用环境影响较大。受材料性质与使用环境影响较大。 结构简单，灵敏度高。结构简单，灵敏度高。物性型传感器举例：物性型传感器举例： 光电传感器光电传感器 压电传感器压电传感器第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-619光电传感器光电传感器光电传感器是一种将光量的变化转化为电量的光电传感器是一种将光量的变化转化为电量的变化的传感器变化的传感器。它的物理基础就是光电效应。它的物理基础就是光电效应。光电效应分光电效应分:外光电效应、内光电效应外光电效应、内光电效应两大类。两大类。在光线的作用
16、下，物体内的电子逸出物体表面在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。基于外光电效应的光电器件有电子叫光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光电管、光电倍增管等。当光照射在物体上，使物体的电导率发生变化，当光照射在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为两种：光电导效应和光生伏特电效应又可分为两种：光电导效应和光生伏特效应。效应。第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-6
17、20压电式传感器压电式传感器是以某些物质的压电效应制作的一种传感器。是以某些物质的压电效应制作的一种传感器。当材料表面受力作用变形时，其表面会有电荷当材料表面受力作用变形时，其表面会有电荷产生从而实现非电量测量。产生从而实现非电量测量。压电陶瓷是人造多晶系压电材料。常用的压电压电陶瓷是人造多晶系压电材料。常用的压电陶瓷有钛酸钡、锆钛酸钡、铌酸盐系压电陶瓷。陶瓷有钛酸钡、锆钛酸钡、铌酸盐系压电陶瓷。它们的压电常数比石英晶体高，但介电常数、它们的压电常数比石英晶体高，但介电常数、机械性能不如石英好。机械性能不如石英好。由于它们品种多，性能各异，可根据它们的特由于它们品种多，性能各异，可根据它们的特
18、点制作各种不同的压电传感器，这是一种很有点制作各种不同的压电传感器，这是一种很有发展前途的压电元件。发展前途的压电元件。第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-621半导体电阻应变片半导体电阻应变片 导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械形变，导致其阻值变化，这种现象称为时，产生机械形变，导致其阻值变化，这种现象称为“应变应变效应效应”。 电阻应变片工作原理电阻应变片工作原理：用应变片测量应变或应力时，在用应变片测量应变或应力时，在外力作用下，被测对象产生微小机械形变，应变片随其发生外力作用下，被测
19、对象产生微小机械形变，应变片随其发生相同的变化，同时，应变片电阻也发生变化。当测得应变片相同的变化，同时，应变片电阻也发生变化。当测得应变片电阻值变化量时，便可得到被测对象的应变值电阻值变化量时，便可得到被测对象的应变值 第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-6228.2.2 感觉方式感觉方式按感知形式：接触型，非接触型按感知形式：接触型，非接触型1.1.接触型接触型与被测对象接触；与被测对象接触；2.2.非接触型非接触型经特殊物质联系，与经特殊物质联系，与被测物保持一定距离。被测物保持一定距离。如如: :检测机器人检测机器人周围的声波、光和其他电磁波，以及周围
20、的声波、光和其他电磁波，以及电、磁和静电场之间的相互作用。电、磁和静电场之间的相互作用。第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-623接触型：举例接触型：举例开关、探针、触点等：机械运动量到电量的转换。开关、探针、触点等：机械运动量到电量的转换。输出：模拟、开关、脉冲、数字信号。输出：模拟、开关、脉冲、数字信号。可以采用压电材料：压力（振动）可以采用压电材料：压力（振动）电压变化。如：电压变化。如：压电晶体：电压压电晶体：电压振动振动声波或超声波；声波或超声波； 经常采用压阻材料：压力（振动）经常采用压阻材料：压力（振动）电阻变化。其电阻变化。其原理为导体或半导体
21、材料在受到外界力（拉力或压原理为导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械形变，机械变形导致其阻值力）作用时，产生机械形变，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为“应变效应应变效应”。特点：结构简单，工作稳定，抗干。特点：结构简单，工作稳定，抗干扰强。扰强。第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-624非接触型非接触型中间传递介质：中间传递介质：（1 1）电磁波：电场、磁场、可见光、红外、）电磁波：电场、磁场、可见光、红外、紫外、紫外、X-rayX-ray和激光和激光 监测电磁波的存在
22、与状态变化监测电磁波的存在与状态变化 （2 2） 声波：发射某种频率的声波信号声波：发射某种频率的声波信号 检测物体反射波的强弱，时间差从而检测物体反射波的强弱，时间差从而获得某种感觉能力获得某种感觉能力第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-625按特性和性能可将传感器作如下分类按特性和性能可将传感器作如下分类1 1自生型自生型来自输入信号的能量直接变换成输出信号。来自输入信号的能量直接变换成输出信号。如硒光电池如硒光电池 2 2调制型调制型主要能量供给不是输入信号而是一个辅主要能量供给不是输入信号而是一个辅助能源，适合检测弱信号。助能源，适合检测弱信号。 3
23、3绝对型绝对型传感器的输出在任何时候都代表传感器的传感器的输出在任何时候都代表传感器的输入。这种传感器的典型例子是电位计。输入。这种传感器的典型例子是电位计。4 4增量型增量型传感器的输出仅代表传感器输人的改变，传感器的输出仅代表传感器输人的改变，这些改变的积累才是真实传感器输入。使用传感器以这些改变的积累才是真实传感器输入。使用传感器以前要求定标，以保证积累值跟真实传感器输入一致。前要求定标，以保证积累值跟真实传感器输入一致。增量型编码器是这类传感器的实例。增量型编码器是这类传感器的实例。 第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-6268.2.3 感觉过程感觉过
24、程阶段性阶段性定义：定义：如何将人们感兴趣的物理量或其它变量的如何将人们感兴趣的物理量或其它变量的有无、大小转换为人们所要求的信息形式（模有无、大小转换为人们所要求的信息形式（模拟的或数字的拟的或数字的) )。 狭义传感器（检出器，一次表）、广义传感器狭义传感器（检出器，一次表）、广义传感器（一次表二次表）（一次表二次表）1.1.一次表：一次表：将物体内外部的物理特征，如机械、光学等特将物体内外部的物理特征，如机械、光学等特征变为电信号。征变为电信号。实例：热电偶、热电阻，压力应变片实例：热电偶、热电阻，压力应变片 2. 2. 二次表：二次表：将电信号加工处理，变为有用信息。将电信号加工处理，
25、变为有用信息。 第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-627二次表加工处理过程：二次表加工处理过程：信息初步处理：滤波、平滑、线性化、数据分组等信息初步处理：滤波、平滑、线性化、数据分组等信号变送：将微弱的一次检测信号变为抗干扰性强的标准信号变送：将微弱的一次检测信号变为抗干扰性强的标准信号：信号：0 05v 5v 或或 4 420mA20mA信息分析，内容非常丰富。信息分析，内容非常丰富。被测信号被测信号测量仪器的构成测量仪器的构成广义传感器广义传感器输出输出信号处理部分信号处理部分放大变换放大变换输入匹配输入匹配测量环境测量环境狭义传感器狭义传感器检出器检出
26、器第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-628传感器信号的处理主要是进行信号的变换，传感器信号的处理主要是进行信号的变换，去除噪声，信号的判断，检出，信号成分的去除噪声，信号的判断，检出，信号成分的分析，信号合成和再现等。分析，信号合成和再现等。常用滤波方法有移动平均、数字微分、数字常用滤波方法有移动平均、数字微分、数字积分、同步积分、对数变换、互相关函数、积分、同步积分、对数变换、互相关函数、自相关函数等。自相关函数等。通过综合多种传感器信息得到单个传感器所通过综合多种传感器信息得到单个传感器所不能得到的信息，称为传感器融合技术。对不能得到的信息，称为传感器融
27、合技术。对来自各个传感器的信号通过学习算法、模糊来自各个传感器的信号通过学习算法、模糊推理等的有机结合，最后进行综合判断。推理等的有机结合，最后进行综合判断。二次表的信号加工处理二次表的信号加工处理第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-6298.3 机器人传感器分类与选择机器人传感器分类与选择8.3.1 内部传感器内部传感器 检测机器人自身状态检测机器人自身状态( (内部信息内部信息) )，机，机器人自身运动与正常工作所必需。器人自身运动与正常工作所必需。 8.3.2 外部传感器外部传感器 检测作业对象与作业环境的状态检测作业对象与作业环境的状态( (外部外部信
28、息信息) )，适应特定环境和完成特定任务所，适应特定环境和完成特定任务所必需。必需。 8.3.3 传感器选择的依据传感器选择的依据第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-630感觉感觉用途用途 外部传感器外部传感器视视 觉觉对象有无、形状、大小、种类的识别对象有无、形状、大小、种类的识别对象的位置、姿态的识别对象的位置、姿态的识别对象灼伤痕、缺陷、好坏的识别对象灼伤痕、缺陷、好坏的识别对象上的图样、文字的识别对象上的图样、文字的识别触触 觉觉对象重量、硬度、表面状态识别对象重量、硬度、表面状态识别位置偏差的控制，握力的控制位置偏差的控制，握力的控制听听 觉觉指令的
29、识别，指令的识别，异常状态的检测，障碍物的检测异常状态的检测，障碍物的检测其它（接近觉、其它（接近觉、味觉、嗅觉、湿味觉、嗅觉、湿度、振动等）度、振动等）各种检查，自我保护等各种检查，自我保护等内部传感器内部传感器平衡感觉平衡感觉机器人自身的平衡机器人自身的平衡其它（位置、速其它（位置、速度、加速度、压度、加速度、压力、转矩力、转矩) )运动器官的控制，自我保护等运动器官的控制，自我保护等第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-6318.3.1 内部传感器内部传感器实现运动部件的控制与自我保护实现运动部件的控制与自我保护位置：直线，转角位置：直线，转角 速度速度:
30、 :测速发电机测速发电机加速度加速度负荷力（力矩），惯性力负荷力（力矩），惯性力平衡：平衡： 走行机器人自身平衡控制走行机器人自身平衡控制第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-6328.3.2 外部传感器外部传感器视觉：视觉：简单视觉简单视觉对象的有无，孔、边线、拐角检测等对象的有无，孔、边线、拐角检测等复合视觉复合视觉对象形状、大小、种类对象形状、大小、种类对象位置、姿态对象位置、姿态 对象伤痕、缺欠、好坏对象伤痕、缺欠、好坏 对象上的图样、文字的识别、图形指令识别对象上的图样、文字的识别、图形指令识别触觉：触觉：简单触觉简单触觉确定工作对象是否存在、到位确定
31、工作对象是否存在、到位复合触觉复合触觉确定对象尺寸、形状、表面状态、硬确定对象尺寸、形状、表面状态、硬度、光滑度、光滑第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-633外部传感器外部传感器接近觉：接近觉：对工作对象的非接触探测。对工作对象的非接触探测。距离觉：距离觉：检测距对象的距离范围检测距对象的距离范围 。听觉：听觉： 简单听觉简单听觉波长频率单一，发声器单一，指令识别波长频率单一，发声器单一，指令识别 复合听觉复合听觉异常状态检测，障碍物检测，语音理解异常状态检测，障碍物检测，语音理解力觉：力觉： 简单力觉简单力觉沿一个方向测力，对象重量沿一个方向测力，对象重量
32、 复合力觉复合力觉沿多个方向测力，倾斜平衡沿多个方向测力，倾斜平衡 第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-6348.3.3 传感器选择的依据和评价传感器选择的依据和评价1.1.对机器人传感器的一般要求对机器人传感器的一般要求 机器人传感器除了一般传感器所要求的可靠性机器人传感器除了一般传感器所要求的可靠性好、精度高、寿命长等特点之外好、精度高、寿命长等特点之外, ,还特别要求以下各还特别要求以下各点点: :a.a.体积小、结构简单；体积小、结构简单；b.b.重量轻；重量轻；c.c.抗干扰；抗干扰；d.d.对环境的适应性强；对环境的适应性强；e.e.回路独立回路独
33、立: :输入、输出回路应互相独立绝缘；输入、输出回路应互相独立绝缘；f.f.调整容易调整容易; ;g.g.价格低廉，性能价格比高（性价比）。价格低廉，性能价格比高（性价比）。第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-6352.对机器人传感器选择的特殊要求对机器人传感器选择的特殊要求按照加工任务选择传感器按照加工任务选择传感器（1）搬运：力，触觉，视觉）搬运：力，触觉，视觉（2）装配：力，触觉，视觉）装配：力，触觉，视觉（3）喷漆：位置检测，对象识别）喷漆：位置检测，对象识别（4）焊接：位置，速度）焊接：位置，速度点焊：接近觉点焊：接近觉弧焊：视觉弧焊：视觉按照对机器
34、人的控制方式选择传感器：位置，速度，加速度按照对机器人的控制方式选择传感器：位置，速度，加速度按照辅助工作的要求：按照辅助工作的要求：（1）外观检测：视觉）外观检测：视觉（2）工件定位：视觉，触觉，力）工件定位：视觉，触觉，力按照安全要求：力，触觉按照安全要求：力，触觉3. 对机器人传感器的评价对机器人传感器的评价第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-636（1）灵敏度：输出信号变化与输入信号变化之比）灵敏度：输出信号变化与输入信号变化之比线性线性 S=y/ x非线性非线性 S=dy/dxS越大越好，但太高的灵敏度使稳定性下降（抗扰能力差）越大越好，但太高的灵敏
35、度使稳定性下降（抗扰能力差）（2）线性度）线性度 y=bx b是常数则线性度高是常数则线性度高（3）测量范围：被测量最大允许值与最小允许值之差，要覆盖机）测量范围：被测量最大允许值与最小允许值之差，要覆盖机器人有关被测量的工作范围。器人有关被测量的工作范围。（4）精度：输出值与实测值之间的误差。）精度：输出值与实测值之间的误差。（5）重复性：多次测量同一个信号时的变化程度。）重复性：多次测量同一个信号时的变化程度。（6）分辨力：所能辨别的被测量的最小变化值。）分辨力：所能辨别的被测量的最小变化值。（7）响应时间：输入信号变化后，输出信号变化达到稳态所需的）响应时间：输入信号变化后，输出信号变化
36、达到稳态所需的时间。（振荡越短越好）时间。（振荡越短越好）第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-6378.4 位移、速度与加速度传感器位移、速度与加速度传感器8.4.1 位置检测和位移检测位置检测和位移检测8.4.2 电位计式位移传感器电位计式位移传感器8.4.3 绝对位置光轴编码器绝对位置光轴编码器8.4.4 相对位置光轴编码器相对位置光轴编码器8.4.5 测速发电机测速发电机8.4.6 加速度传感器加速度传感器第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-6388.4.1 位置检测和位移检测位置检测和位移检测这是机器人最基本的感觉要求
37、，它可以通过多种传感这是机器人最基本的感觉要求，它可以通过多种传感器来实现。器来实现。常用的机器人位置、位移传感器有电阻式位移传感器、常用的机器人位置、位移传感器有电阻式位移传感器、电容式位移传感器、电感式位移传感器、光电式位移电容式位移传感器、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、磁栅式位移传感器以传感器、霍尔元件位移传感器、磁栅式位移传感器以及机械式位移传感器等。及机械式位移传感器等。二值输出的位置检出用传感器大体上分接触式二值输出的位置检出用传感器大体上分接触式( (触点式触点式) )与非接触式与非接触式( (无触点式无触点式) )两大类。两大类。接触式主要有机械式限位
38、开关与微动开关；非接触式接触式主要有机械式限位开关与微动开关；非接触式传感器常用的有光电开关及各种接近开关。传感器常用的有光电开关及各种接近开关。光电开关与各种接近开关是随着电子机械技术的进步光电开关与各种接近开关是随着电子机械技术的进步而急速发展起来的新型开关。而急速发展起来的新型开关。第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-639各检出用开关的概略比较各检出用开关的概略比较 类别类别项目项目限位开关限位开关 微动开关微动开关光电开关光电开关接近开关接近开关透过形透过形镜 反 射镜 反 射形形直接反射形直接反射形高频磁高频磁形形电容形电容形片 簧 磁片 簧 磁形
39、形检出方法检出方法机械式机械式光学光学光学光学电磁场电磁场电容量电容量磁场磁场检出距离检出距离劣劣优优良良劣劣中中劣劣动作精度动作精度良良中中劣劣中中劣劣中中应答时间应答时间劣劣良良良良优优良良良良寿命寿命劣劣良良良良良良良良良良噪声波动噪声波动优优中中中中良良中中优优环境温度影响环境温度影响优优中中中中良良中中中中耐灰尘、水、耐灰尘、水、油油中中劣劣劣劣良良中中优优检测对象检测对象固体固体不 透 明不 透 明体体固体固体金属金属介 电 常介 电 常数 高 的数 高 的物体物体固体固体第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-6408.4.2 电位计式位移传感器电位
40、计式位移传感器电位计法电位计法测量线位移（直线型），角测量线位移（直线型），角位移（旋转型）位移（旋转型）由电阻和滑动触点组成，滑动触点受到被由电阻和滑动触点组成，滑动触点受到被检测量控制，当位置发生变化，滑动检测量控制，当位置发生变化，滑动触点发生位移，改变触点到电阻器各触点发生位移，改变触点到电阻器各端的阻值和输出电压，根据测得的电端的阻值和输出电压，根据测得的电压变化可得位移变化。压变化可得位移变化。优点优点：线性度好、输出信号选择范围大，：线性度好、输出信号选择范围大，性能稳定、结构简单、尺寸小、质量性能稳定、结构简单、尺寸小、质量轻、精度高、成本低等轻、精度高、成本低等缺点缺点：易于
41、磨损：易于磨损旋转型：单圈电位计，多圈电位计旋转型：单圈电位计，多圈电位计第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-6418.4.3 绝对位置光轴编码器绝对位置光轴编码器第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-642绝对编码器绝对编码器4位二进制编码位二进制编码9位格林码位格林码第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-643编码的重要性编码的重要性第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-6448.4.4 相对位置光轴编码器相对位置光轴编码器 ( (增量式光轴编码器增量式光轴编码
42、器 ) )第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-645码盘脉冲个数代表了位置，而单位时间里的脉冲个数表示这段时间里码盘脉冲个数代表了位置，而单位时间里的脉冲个数表示这段时间里的平均速度。显然，单位时间越短，越能代表瞬时速度，但在太短的的平均速度。显然，单位时间越短，越能代表瞬时速度，但在太短的时间里，只能记到几个码盘脉冲，因而降低了速度分辨率。时间里，只能记到几个码盘脉冲，因而降低了速度分辨率。目前解决方法如：可以采用两个码盘脉冲为一个时间间隔，然后用计目前解决方法如：可以采用两个码盘脉冲为一个时间间隔，然后用计数器记录在这段时间里高速脉冲源发出的脉冲数。数器记
43、录在这段时间里高速脉冲源发出的脉冲数。数字式速度检测方法数字式速度检测方法第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-646两种编码器的比较两种编码器的比较 绝对位置编码器只能测位置，码值与位置一一对应，绝对位置编码器只能测位置，码值与位置一一对应，计算机处理简单，不需要方向辨别电路，抗干扰能力强，计算机处理简单，不需要方向辨别电路，抗干扰能力强，但加工难、安装严、体积大、价格高。但加工难、安装严、体积大、价格高。 增量式编码器，既能测位置也能测速度，体积小，增量式编码器，既能测位置也能测速度，体积小，加工及安装较容易，价格低，但抗干扰能力差，需要方加工及安装较容易，
44、价格低，但抗干扰能力差，需要方向辨别电路，计算机处理较复杂。因相关技术已经成熟，向辨别电路，计算机处理较复杂。因相关技术已经成熟，因此现在大都使用增量式光轴编码器。因此现在大都使用增量式光轴编码器。 传感传感器器功能功能信息处理信息处理体积体积加工加工价格价格绝对绝对测量位置测量位置简单简单大大难难高高增量增量测量位置测量位置和速度和速度复杂、参考点鉴向复杂、参考点鉴向小小易易低低第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-6478.4.5 测速发电机测速发电机 测速发电机是一种将转子速度转换为电测速发电机是一种将转子速度转换为电气信号的机电式信号元件。气信号的机电式
45、信号元件。 伺服系统中的基本元件之一。伺服系统中的基本元件之一。 作为测速、校正、解算元件，它广泛应用作为测速、校正、解算元件，它广泛应用于各种速度和位置控制系统中。于各种速度和位置控制系统中。 测速发电机可分为：直流测速发电机、异测速发电机可分为：直流测速发电机、异步测速发电机和同步测速发电机。步测速发电机和同步测速发电机。第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-648(1)(1)、直流测速发电机、直流测速发电机 一般，自动控制系统对其元件的要求主要一般，自动控制系统对其元件的要求主要是高的精确度、灵敏度、可靠性等。因此，直流是高的精确度、灵敏度、可靠性等。因此
46、，直流测速发电机在电气性能方面应满足以下要求：测速发电机在电气性能方面应满足以下要求： 1) 1) 输出电压和转速成线性关系；输出电压和转速成线性关系； 2) 2) 输出特性的斜率大，即其灵敏度高；输出特性的斜率大，即其灵敏度高； 3) 3) 温度变化对输出特性的影响小；温度变化对输出特性的影响小； 4) 4) 输出电压纹波小；输出电压纹波小； 5) 5) 正、反转的输出特性应一致。正、反转的输出特性应一致。第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-649直流测速发电机在控制系统中的应用直流测速发电机在控制系统中的应用第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术
47、与传感器2022-6-650(2)(2)、交流异步测速发电机、交流异步测速发电机 主要优点是主要优点是 ：1 1 不需电刷和换向器，构造简单，维护容易，不需电刷和换向器，构造简单，维护容易，运行可靠；运行可靠；2 2 无滑动接触，输出特性稳定，精度高；无滑动接触，输出特性稳定，精度高；3 3 摩擦阻力矩小，惯量小；摩擦阻力矩小，惯量小；4 4 不产生干扰无线电的火花；不产生干扰无线电的火花；5 5 正、反转输出电压对称。正、反转输出电压对称。 主要缺点是：主要缺点是： 存在相位误差和剩余电压，输出斜率小，其存在相位误差和剩余电压，输出斜率小，其输出特性因负载的性质不同而有所不同。输出特性因负载
48、的性质不同而有所不同。第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-651模拟式与数字式模拟式与数字式模拟式模拟式测速发电机测速发电机模拟法的相位滞后较小，反应速度快；用在模拟法的相位滞后较小，反应速度快；用在数字系统时需要数字系统时需要A/DA/D转换。转换。数字式数字式光电码盘光电码盘数字法虽对系统稳定不利，但因成本低，易数字法虽对系统稳定不利，但因成本低，易实现，应用也很广泛。实现，应用也很广泛。速度传感器比较速度传感器比较第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-6528.4.6 加速度传感器加速度传感器压电式加速度传感器：压电式加速
49、度传感器：(a) (a) 剪切型；剪切型；(b) (b) 压缩型压缩型悬臂梁悬臂梁第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-653地震式加速度传感器地震式加速度传感器等效力学模型等效力学模型加速度传感器的基本构造加速度传感器的基本构造第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-6548.5 触觉技术触觉技术8.5.1 接触觉接触觉感觉手指等部位与物体是否接触感觉手指等部位与物体是否接触 8.5.2 压觉压觉感觉手与物表面垂直方向的压力大小及其分布感觉手与物表面垂直方向的压力大小及其分布8.5.3 滑动觉滑动觉感受沿机器人与物体接触平行方向受
50、的切向力、同感受沿机器人与物体接触平行方向受的切向力、同握面垂直方向的变形、物体移位握面垂直方向的变形、物体移位8.5.4 力觉力觉感受夹持力、腕力感受夹持力、腕力 8.5.5 接近觉接近觉探测机器人与物体的接近距离及物体的倾斜等探测机器人与物体的接近距离及物体的倾斜等8.5.6 多种触觉的配合应用多种触觉的配合应用第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2022-6-655触觉作用触觉作用使操作动作适宜，视觉无法代替使操作动作适宜，视觉无法代替 识别操作对象的属性，如大小、重量等识别操作对象的属性，如大小、重量等 用于安全保护，躲避障碍，防止事故用于安全保护，躲避障碍，防止事
