1、12/17/2022n 第第8 8章章 传感器传感器12/17/2022n 8.1 8.1 引言引言视视 觉觉听听 觉觉嗅嗅 觉觉味味 觉觉触触 觉觉o 给机器人装备什么样的传感器，对这些传感器有什么要给机器人装备什么样的传感器，对这些传感器有什么要求，这是设计机器人感觉系统时遇到的首要问题。选择机器求，这是设计机器人感觉系统时遇到的首要问题。选择机器人传感器应当完全取决于机器人的人传感器应当完全取决于机器人的工作需要工作需要和和应用特点应用特点。多多传传感感器器在在移移动动机机器器人人中中的的应应用用12/17/2022采用采用两级两级分布式分布式计计算算机机实时实时控制系控制系统统 在机器
2、人中，起到在机器人中，起到内内部反部反馈馈控制作控制作用或感知用或感知与与外部外部环环境的相互作用的境的相互作用的装置被装置被称为传称为传感器。感器。灵灵巧手巧手三三个个手指手指3 3个关节个关节微微电电机机角度角度传传感器感器三三维维力力传传感器感器概概念：念：12/17/2022n 8.2 8.2 传感器分类传感器分类机器人机器人机器人信息传感 内传内传感器是用于感器是用于测测量机器量机器人自身人自身状态状态的功能元件。的功能元件。测测量量与与机器人作机器人作业业有有关关的的外部因素。通常外部因素。通常与与机器人的机器人的目目标识别标识别、作作业业安全安全等因素等因素有有关关。12/17/
3、2022传感器如何选择？传感器如何选择？12/17/2022n 传感器特性传感器特性12/17/20228.3 8.3 内传感器：内传感器：内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、角速度、加速度等运动量；倾斜角、方位角、振动等物理量。内传感器常用于控制系统中，用作反馈元件，检测机器人自身的状态参数。常用的有：12/17/20221 1规定位置检测的内传感器：规定位置检测的内传感器：应用场合：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。典型元器件：给定位置检测常用的检测元件有微型
4、开关、光电开关等。1）微型开关 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信号。12/17/2022一般在限位一般在限位开关开关的的执执行器上安装行器上安装滚轮滚轮。限位限位开关开关就是用以限定机械就是用以限定机械设备设备的的运动极运动极限位限位置的置的电气开关电气开关。这种开关这种开关有有接接触触式的和非接式的和非接触触式式两种两种。接接触触式的比式的比较较直直观观，机械，机械设备设备的的运动运动部件上，部件上，安装行程安装行程开关开关，与与其相其相对运动对运动的固定点上安装的固定点上安装极极限限位置的位置的挡块挡块，或者是相反安
5、装位置。，或者是相反安装位置。当当行程行程开关开关的的机械机械触头碰触头碰上上挡块时挡块时，切，切断断了（或改了（或改变变了）控制了）控制电电路，机械就停止路，机械就停止运运行或改行或改变运变运行。由于机械的行。由于机械的惯惯性性运动运动，这种这种行程行程开关开关有一定的有一定的“超行程超行程”以保以保护开关护开关不受不受损损坏。坏。非接非接触触式的形式很多，常式的形式很多，常见见的有干簧管、光的有干簧管、光电电式、感式、感应应式等，式等，这这几几种种形式在形式在电电梯中都能梯中都能够见够见到。到。当当然然还还有更多的先有更多的先进进形式。形式。执行器形状不同的限位开关12/17/20222
6、2）光电开关）光电开关 光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的现控制的。光电开关在一般情况下，有三部分构成，它们分。光电开关在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。为：发送器、接收器和检测电路。光光电开关电开关的原理的原理是根据投光器是根据投光器发发出的光束出的光束,被物体阻被物体阻断断或部分反射或部分反射,受光器最受光器最终终据此作出判据此作出判断断反反应应，启动开关启动开关作用。作用。光光电开关电开关的原理的原理特点：非接特点：非接触触性性检检测测，精度，精度达达0.5mm.0.5mm.12/17
7、/20222位置、角度测量 测量机器人测量机器人关节线位移关节线位移和和角位移角位移的传感器是的传感器是机器人位置反馈控制中必不可少的元件。常机器人位置反馈控制中必不可少的元件。常用的有用的有电位器、旋转变压器、编码器电位器、旋转变压器、编码器等。其等。其中编码器既可以检测直线位移，又可以检测中编码器既可以检测直线位移，又可以检测角位移。角位移。12/17/2022 1）光电编码器：光电编码器由发光元件、聚光镜、漏光盘、光栏板、光敏管等构成。灯泡发出的光线经过聚焦后变成平行光束，当漏光盘上的条纹与光栏板上的条纹重合时，光敏管便接受一次光的信号并记数，由此可以测试旋转速度。光光电编码电编码器工作
8、原理器工作原理图图1-光源光源 2-聚光聚光镜镜 3-漏光漏光盘盘 4-光敏管光敏管 5-光光拦拦板板12/17/2022l2 2）电位器）电位器 由由环状环状或棒或棒状电状电阻阻丝丝和滑和滑动动片（片（电电刷）刷）组组成成。将线将线位移或角位移位移或角位移转转化成化成电电阻的阻的变变化，以化，以电压电压或或电电流形式流形式输输出。出。检测检测的是以的是以电电阻中心阻中心为为基准基准位置的移位置的移动动距离。距离。E E：输输入入电压电压 L L：触头触头最大移最大移动动距离距离 X X：向：向左端移左端移动动的距离的距离 e e：电电阻右阻右侧侧的的输输出出电压电压EEeL)2(12/17/
9、2022l 3 3）编码器）编码器检测细检测细微微运动运动，输输出出数数字信字信号号根据信号输出形式分为根据信号输出形式分为增量式和绝对式增量式和绝对式A 增量式增量式简单旋转式增量编码器简单旋转式增量编码器简单直线增量编码器简单直线增量编码器12/17/2022 旋旋转转式增量式增量编码编码器器通通过内过内部部两个两个光光敏接收管敏接收管转转化其角度化其角度码盘码盘的的时时序序和和相相位位关关系系，得到其角度，得到其角度码盘码盘角度位移量角度位移量增加（正方向）或增加（正方向）或减减少（少（负负方向）。方向）。顺时针运动逆时针运动A B1 10 10 01 0A B1 11 00 00 1S
10、2S2S1S1S0S0 S1S1S0S0顺时针顺时针逆逆时针时针S0S0S0S0S2S2S2S212/17/2022无法输出轴转动无法输出轴转动的绝对位置信息的绝对位置信息 增量式编码器是直接利用光电转换增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲原理输出三组方波脉冲A A、B B和和Z Z相；相；A A、B B两组脉冲相位差两组脉冲相位差9090，从而可方，从而可方便地判断出旋转方向，而便地判断出旋转方向，而Z Z相为每转相为每转一个脉冲，用于基准点定位。一个脉冲，用于基准点定位。优优点点原理构造简单原理构造简单寿命长，可靠性高寿命长，可靠性高抗干扰能力强抗干扰能力强缺缺点点12/17
11、/2022B B 绝对式绝对式#格雷码二进制码#格雷码二进制码00000000060101011010001000170100011120011001081100100030010001191101100140110010010111110105011101011111101011 每每个个位置都位置都对应对应着着透光透光与与不透光弧段的惟一不透光弧段的惟一确定确定组组合，合，这种这种确定确定组组合合有惟一的特征。通有惟一的特征。通过这过这特特征，在任意征，在任意时时刻都可以确刻都可以确定定码盘码盘的精确位置。的精确位置。绝对绝对式旋式旋转编码转编码器根据器根据读读出出码盘码盘上的上的编码检测
12、绝对编码检测绝对位置。位置。12/17/20223 3）旋转变压器）旋转变压器原理：原理：转子转动引起磁通量旋转，在次级线圈产生变化转子转动引起磁通量旋转，在次级线圈产生变化的电压。从而可以用来测量角位移。的电压。从而可以用来测量角位移。旋旋转变压转变压器又器又称称分解器分解器，是一是一种种控制用的微控制用的微电电机，机，它将它将机械机械转转角角变变换换成成与该转与该转角呈某一函角呈某一函数关数关系的系的电电信信号号的一的一种间种间接接测测量装置量装置。在在结构结构上上与与二相二相线绕线绕式式异异步步电动电动机相似，由定子和机相似，由定子和转转子子组组成。定子成。定子绕组为变压绕组为变压器的原
13、器的原边边，转转子子绕组为变压绕组为变压器的副器的副边边。激磁。激磁电压电压接到接到转转子子绕组绕组上，感上，感应应电动势电动势由定子由定子绕组输绕组输出。出。旋旋转变压转变压器器结构简单结构简单，动动作作灵灵敏，敏，对环对环境无特殊要求，境无特殊要求，维护维护方便，方便，输输出信出信号号幅度大，抗干幅度大，抗干扰扰性强，工作可靠。性强，工作可靠。12/17/20223 、速度传感器速度传感器编码器编码器原理原理：在闭环伺服系统中，编码器的反馈脉冲个数和系统所在闭环伺服系统中，编码器的反馈脉冲个数和系统所走位置的多少成正比。走位置的多少成正比。对任意给定的角位移，编码器将产生对任意给定的角位移
14、，编码器将产生确定数量的脉冲信号，通过统计指定时间内脉冲信号的数量，确定数量的脉冲信号，通过统计指定时间内脉冲信号的数量，能计算出相应的角速度。能计算出相应的角速度。速度、角速度的测量是驱动器反馈控制中必不可少的环速度、角速度的测量是驱动器反馈控制中必不可少的环节。可利用前面所述的位移传感器或编码器测量，也可用测节。可利用前面所述的位移传感器或编码器测量，也可用测速发电机测量。速发电机测量。12/17/2022 从从工作原理上工作原理上讲讲,它属它属于于“发电发电机机”的范的范畴畴。测测速速发电发电机在机在控制系控制系统统中主要作中主要作为为阻尼元件、微分元件、阻尼元件、微分元件、积积分元件和
15、分元件和测测速速元件元件来来使用。使用。测测速速发电发电机是一机是一种测种测量量转转速的微型速的微型发电发电机，机，它它把把输输入的机械入的机械转转速速变换为电压变换为电压信信号输号输出出，并并要求要求输输出的出的电压电压信信号与转号与转速成正比，即速成正比，即 测测速速发电发电机分直流机分直流测测速速发电发电机和交流机和交流测测速速发电发电机机两两大大类类。测速发电机测速发电机12/17/2022 1 1）直流直流测测速速发电发电机机 直流测速发电机实际就是一种微型直流发电机直流测速发电机实际就是一种微型直流发电机，按定子磁极的励磁方式，按定子磁极的励磁方式分为电磁式和永磁式。分为电磁式和永
16、磁式。直流测速发电机直流测速发电机的输出电压与转速要严格保持正比的输出电压与转速要严格保持正比关系关系,这在实际中是难以做到的，直流测速发电机输出的是一个这在实际中是难以做到的，直流测速发电机输出的是一个脉动电压脉动电压，其交变分量对速度反馈控制系统、高精度的解算装置有较明显的影响。其交变分量对速度反馈控制系统、高精度的解算装置有较明显的影响。2 2）交流交流测测速速发电发电机机 交流交流异异步步测测速速发电发电机机与交流伺服电动机的结构相似，其转子结构有笼型与交流伺服电动机的结构相似，其转子结构有笼型的，也有杯型的，在自动控制系统中多用的，也有杯型的，在自动控制系统中多用空心杯转子异步测速发
17、电机空心杯转子异步测速发电机。交流同步交流同步测测速速发电发电机机因感应电势频率随转速而变，致使电机本身的阻因感应电势频率随转速而变，致使电机本身的阻抗及负载阻抗均随转速而变化，因此，输出电压不再与转速成正比关系。抗及负载阻抗均随转速而变化，因此，输出电压不再与转速成正比关系。故同步测速发电机应用较少。故同步测速发电机应用较少。测速发电机的作用是将机械速度转换为电气信号，常用作测速发电机的作用是将机械速度转换为电气信号，常用作测速元件、测速元件、校正元件、解算元件校正元件、解算元件，与伺服电机配合，广泛使用于许多速度控制或位置，与伺服电机配合，广泛使用于许多速度控制或位置控制系统中，如在稳速控
18、制系统中，测速发电机将速度转换为电压信号作控制系统中，如在稳速控制系统中，测速发电机将速度转换为电压信号作为速度反馈信号，可达到较高的稳定性和较高的精度，在计算解答装置中，为速度反馈信号，可达到较高的稳定性和较高的精度，在计算解答装置中，常作为微分、积分元件。常作为微分、积分元件。12/17/20228.4 8.4 典型外传感器典型外传感器 用来检测机器人所处环境（如是什么物体，离物体的距离有用来检测机器人所处环境（如是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。主要有：主要有：物体物体识别传识别传感器、物体探感器、物
19、体探伤传伤传感器、接近感器、接近觉传觉传感器、距离感器、距离传传感器、感器、力力觉传觉传感器，听感器，听觉传觉传感器等。感器等。12/17/20228.4.1 8.4.1 外部状况的感觉外部状况的感觉 1、物体识别传感器 典型的是视觉传感器，如摄像机。视觉是利用典型的是视觉传感器，如摄像机。视觉是利用 光（机器人可用红外线等）的非接触方式。光（机器人可用红外线等）的非接触方式。触觉也能识别物体。机器人可以用触觉传感器触觉也能识别物体。机器人可以用触觉传感器 来实现这种机能。来实现这种机能。2、物体探测传感器 物体探测传感器是一种识别物体而且知道其存在物体探测传感器是一种识别物体而且知道其存在
20、的传感器。例如的传感器。例如视觉传感器、光电开关和超声波传感视觉传感器、光电开关和超声波传感器等器等，即使物体较远也能探测其存在。，即使物体较远也能探测其存在。12/17/20223、极近物体探测传感器 探测非常近的物体存在的传感器称为探测非常近的物体存在的传感器称为接近传感器接近传感器。接近传感器又称无触点接近传感器，是理想的电子开关量传感器。当金属类被检测体接近传感器的感应区域，开关就能在无接触、无压力、无火花的情况下迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程。即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相
21、比的。常用的有：两线制接近传感器：两线制接近传感器安装简单，接线方便；应用比较广泛，但却有残余电压和漏电流大的缺点。直流三线式接近传感器的输出型有NPN和PNP两种，70年代日本产品绝大多数是NPN输出，西欧各国NPN、PNP两种输出型都有。PNP输出接近传感器一般应用在PLC或计算机上作为控制指令的较多，NPN输出接近传感器用于控制直流继电器较多，在实际应用中要根据控制电路的特性进行选择其输出形式。12/17/2022带带有有RS232RS232数数据接据接口激光口激光测测距距传传感器感器超超声声波距离波距离传传感器感器红红外外线线距离距离传传感器感器4 4、距离传感器、距离传感器 摄像机距
22、离传感器。摄像机距离传感器。超声波距离传感器超声波距离传感器。超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波对液体超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波对液体、固体的穿透能力很大，尤其是在不透光的固体中，它可穿透几十米的深、固体的穿透能力很大，尤其是在不透光的固体中，它可穿透几十米的深度。度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物碰到活动物体能产生体能产生多普勒效应多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。以超声波作为检测手段，必须产
23、生超声波和接收超声波。等方面。以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。可用于可用于鱼群探测、金属内部探伤等方面。鱼群探测、金属内部探伤等方面。激光距离传感器激光距离传感器：利用激光传输时间来测量距离的基本原理是，通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离。12/17/20225.5.力觉传感器力觉传感器 力觉传感器使用的主要元件是力觉传感器使用的主要元件是电阻应变片电阻应变片。（3）装在机器人手爪指关节（或手指上）的力传感器，）装在机器人手爪指关节（或手指上）的力传感器，称为称为指力传感器指力传感器。（1）装在关节驱动器上的力传感器，称为）装在关节驱动器上的力传感器，称为关节力传感关
24、节力传感 器器。用于控制中的力反馈。用于控制中的力反馈。（2）装在末端执行器和机器人最后一个关节之间的力）装在末端执行器和机器人最后一个关节之间的力传感器，称为传感器，称为腕力传感器腕力传感器。12/17/2022 SRI（Stanford Research Institute）研制的）研制的六维腕力传感器六维腕力传感器，如，如图所示。它由一段直径为图所示。它由一段直径为75mm的的铝管铣削而成，具有八个窄长的弹铝管铣削而成，具有八个窄长的弹性梁，每个梁的颈部只传递力，扭性梁，每个梁的颈部只传递力，扭矩作用很小。梁的另一头贴有应变矩作用很小。梁的另一头贴有应变片。图中从片。图中从Px+到到Qy
25、-代表了代表了8根应根应变梁的变形信号的输出。变梁的变形信号的输出。SRI传感器传感器12/17/2022 日本大和制衡株式会社日本大和制衡株式会社林纯一研制的林纯一研制的腕力传感器腕力传感器。它是一种整体轮辐式结构，它是一种整体轮辐式结构，传感器在十字梁与轮缘联结传感器在十字梁与轮缘联结处有一个柔性环节，在四根处有一个柔性环节，在四根交叉梁上共贴有交叉梁上共贴有3232个应变片个应变片（图中以小方块），组成（图中以小方块），组成8 8路路全桥输出全桥输出 。12/17/2022 非径向中心对称三梁腕力传感器非径向中心对称三梁腕力传感器 传感器的内圈和外圈分别固定于机器传感器的内圈和外圈分别固
26、定于机器人的手臂和手爪，力沿与内圈相切的三人的手臂和手爪，力沿与内圈相切的三根梁进行传递。每根梁上下、左右各贴根梁进行传递。每根梁上下、左右各贴一对应变片，三根梁上共有一对应变片，三根梁上共有6对应变片，对应变片，分别组成六组半桥，对这分别组成六组半桥，对这6组电桥信号进组电桥信号进行解耦可得到六维力（力矩）的精确解。行解耦可得到六维力（力矩）的精确解。12/17/20226 6、其他类型传感器、其他类型传感器 语音识别传感器语音识别传感器。分析振动声音探测机械故障的。分析振动声音探测机械故障的点点传感器传感器。热传感器：热传感器：温度传感器温度传感器。通过分析敲打的声音通过分析敲打的声音测定
27、果品成熟程度的传感器测定果品成熟程度的传感器。根据近红外线的糖度吸收程度根据近红外线的糖度吸收程度测定水果甜度的测定水果甜度的 传感器传感器12/17/20228.4.2 8.4.2 机器人需要的感觉能力机器人需要的感觉能力 触觉能力：主要指确定工作对象是否存在，以及它的尺寸大小和形状等。接近觉能力：主要用于探测机器人自身与周围物体之间相对位置或距离。接近觉界于触觉与视觉之间。视觉能力：孔、边、拐角的检测及工作对象形状的检测等。压觉能力：主要用于检测机器人与作业对象之间接触面的法向压力值的大小。滑觉能力：主要用于检测物体因自重相对于机器人手爪的滑移量的大小。12/17/20221 1接触觉传感
28、器：接触觉传感器：接触觉传感器检测机器人是否接触觉传感器检测机器人是否接触目标或环境接触目标或环境，用于寻找物体或感知碰撞。，用于寻找物体或感知碰撞。工作工作原理原理：在电极和柔性导体之间留有间隙，当施加外力时，受压部分的柔性导体在电极和柔性导体之间留有间隙，当施加外力时，受压部分的柔性导体和柔性绝缘体发生变形，利用柔性导体和电极之间的接通状态形成接触觉。和柔性绝缘体发生变形，利用柔性导体和电极之间的接通状态形成接触觉。8.5 机器人的触觉机器人的触觉 一般认为触觉包括一般认为触觉包括接触觉、压觉、滑觉接触觉、压觉、滑觉、力觉四种，狭义的、力觉四种，狭义的触觉按字面上来看是指前三种感知接触的感
29、觉。触觉按字面上来看是指前三种感知接触的感觉。12/17/2022外形尺寸十分大外形尺寸十分大空间分辨率低空间分辨率低利用利用阵列阵列这一概这一概念已开发了许多念已开发了许多重要的传感器。重要的传感器。开关式触觉传感器开关式触觉传感器(柔性绝缘体柔性绝缘体)(柔性导体柔性导体)12/17/2022碳毡（碳毡（CSA）灵敏度高，具有较强的耐过载能力。缺点是有灵敏度高，具有较强的耐过载能力。缺点是有迟滞，线性差。迟滞，线性差。导电橡胶导电橡胶的电阻也会随压力的变化而变化，因此也常用来作的电阻也会随压力的变化而变化，因此也常用来作为触觉传感器的为触觉传感器的敏感材料敏感材料。压阻式阵列触觉传感器压阻
30、式阵列触觉传感器碳毡（碳毡（CSA）12/17/20222 2压觉传感器压觉传感器：压觉传感器检测传感器面上受到的作用力，它由压觉传感器检测传感器面上受到的作用力，它由弹性体弹性体及检测弹性位移的及检测弹性位移的敏感元件敏感元件构成构成。用弹簧支承的平板作为机械手的物体夹持面。在平板上加负载时，平板发生位移，该。用弹簧支承的平板作为机械手的物体夹持面。在平板上加负载时，平板发生位移，该位移量由电位器检测。位移量由电位器检测。如果已知弹簧的刚性系数，如果已知弹簧的刚性系数，则可根据位移计的输出求出力则可根据位移计的输出求出力的大小。的大小。12/17/2022压觉传感器图例：压觉传感器图例：12
31、/17/20223.3.滑觉传感器滑觉传感器 机械手一般采用两种抓取方式：硬抓取和软抓取。机械手一般采用两种抓取方式：硬抓取和软抓取。硬抓取硬抓取（无感知时采用）（无感知时采用）：末端执行器利用最大的夹紧力抓取工件。：末端执行器利用最大的夹紧力抓取工件。软软抓取抓取（有滑觉传感器时采用）：末端执行器使夹紧力保持在能稳（有滑觉传感器时采用）：末端执行器使夹紧力保持在能稳固抓取工件的最小值，以免损伤工件。固抓取工件的最小值，以免损伤工件。采用压觉传感器实现滑觉感知采用压觉传感器实现滑觉感知检测检测垂直加垂直加压压方向的方向的力和位移力和位移12/17/2022滑觉传感器有滑觉传感器有滚轮式滚轮式和
32、和球式球式。物体在传感器表面上滑动时，和滚轮或球相接触，把滑。物体在传感器表面上滑动时，和滚轮或球相接触，把滑动变成转动。滑动物体引起滚轮的转动，用磁铁和静止的磁头进行检测。动变成转动。滑动物体引起滚轮的转动，用磁铁和静止的磁头进行检测。12/17/2022它它由一个金属球和触针组成由一个金属球和触针组成，金属球表面分成许多个相间排，金属球表面分成许多个相间排列的导电和绝缘小格。触针头很细，每次只能触及一格。当工件列的导电和绝缘小格。触针头很细，每次只能触及一格。当工件滑动时，金属球也随之转动，在触针上输出脉冲信号，脉冲信号滑动时，金属球也随之转动，在触针上输出脉冲信号，脉冲信号的频率反映了滑
33、移速度，个数对应滑移的距离。的频率反映了滑移速度，个数对应滑移的距离。12/17/2022根据振动原理制成的滑觉传感器根据振动原理制成的滑觉传感器。钢球指针与被抓物体接触。钢球指针与被抓物体接触。若工件滑动，则指针振动，线圈输出信号。若工件滑动，则指针振动，线圈输出信号。12/17/20228.6 力和压力传感器力和压力传感器1.1.压电晶体：压电材料受压后会产生一定电压。压电晶体：压电材料受压后会产生一定电压。2.2.力敏电阻：阻值随垂直施加在表面的力的增加而力敏电阻：阻值随垂直施加在表面的力的增加而降低。降低。力敏力敏电电阻阻3.3.应变片应变片12/17/20223.3.应变片应变片惠斯
34、通电桥惠斯通电桥 压压阻式阻式压压力力传传感器感器采用集成采用集成电电路工路工艺艺技技术术，在硅片上制造出四，在硅片上制造出四个个等等值值的薄膜的薄膜电电阻阻并并组组成成电桥电电桥电路，路，当当不受力作用不受力作用时时，电桥处电桥处于于平衡平衡状态状态，无，无电压输电压输出出;当当受到受到压压力作用力作用时时，电桥电桥失去平衡而失去平衡而输输出出电压电压（ABAB之之间产间产生微小生微小电电位差），且位差），且输输出的出的电压与压电压与压力成比例。力成比例。压压力使得力使得圆圆形金形金属属筒以及筒以及电电阻阻应变应变片片变变形，形，从从而使而使电电阻阻应应变变片的片的电电阻阻值产值产生生变变化
35、。化。12/17/20228.7 8.7 力矩传感器力矩传感器原理：原理：如果在轴上施加力矩，如果在轴上施加力矩，力矩将在轴上产生两个方力矩将在轴上产生两个方向相反的力和两个方向相反的形变向相反的力和两个方向相反的形变，两个力传感器可，两个力传感器可以测出这两个力，根据所测力的大小可计算出力矩。以测出这两个力，根据所测力的大小可计算出力矩。用六个传感器用六个传感器测量三个彼此测量三个彼此独立的轴上的独立的轴上的力和力矩力和力矩12/17/20228.8 8.8 测距仪测距仪 与接近觉传感器不同，测距仪用于测量较长的距离，它与接近觉传感器不同，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
36、的形状，并且用于向系统提供早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。常用的测量方法是期信息。常用的测量方法是三角法三角法和和测量传输时间法测量传输时间法。三角法：三角法：测量原理如图所示测量原理如图所示 测量原理测量原理：仅在发射器以特定角度发射光线时，接收器才能：仅在发射器以特定角度发射光线时，接收器才能检测到物体上的光斑，利用发射角的角度可以计算出距离。检测到物体上的光斑，利用发射角的角度可以计算出距离。12/17/2022测量传输时间法测量传输时间法：信号传输的距离信号传输的距离包括包括从发射器到物体和被物体从发射器到物体和被物体反射到接收器两部分。传反射到接收器两部
37、分。传感器与物体之间的距离是感器与物体之间的距离是信号行进距离的一半，知信号行进距离的一半，知道了传播速度，通过测量道了传播速度，通过测量信号的往返时间即可计算信号的往返时间即可计算出距离。出距离。12/17/2022超声波测距仪超声波测距仪工作原理：工作原理：发射器发射发射器发射高频超声波脉冲高频超声波脉冲，它在介质中行进一段，它在介质中行进一段距离，遇到障碍物后返回，由接受器接受，发射器和距离，遇到障碍物后返回，由接受器接受，发射器和物体之间的距离等于超声波行进距离的一半，行进距物体之间的距离等于超声波行进距离的一半，行进距离则等于传输时间与声速的乘积。离则等于传输时间与声速的乘积。特点：
38、特点：结构坚固、简单、廉价并且能耗低，但是分辨率和结构坚固、简单、廉价并且能耗低，但是分辨率和最大工作距离受到限制。最大工作距离受到限制。关键技术：关键技术：时间测量的准确性，时间测量精度，声速精度，背时间测量的准确性，时间测量精度，声速精度，背景噪声。景噪声。12/17/2022光测距仪光测距仪原理原理：基于光（包括激光），采用：基于光（包括激光），采用直接延迟时间测直接延迟时间测量法、间接幅值调制法和三角法量法、间接幅值调制法和三角法等方法测量到物体等方法测量到物体的距离。的距离。12/17/20228.9 8.9 嗅觉传感器嗅觉传感器原理：原理：对特定的气体敏感，当探测到这些气体时就发对
39、特定的气体敏感，当探测到这些气体时就发出信号。出信号。12/17/20228.108.10 视觉系统视觉系统视觉系统是视觉系统是应用在机器应用在机器人中最复杂人中最复杂的传感器的传感器12/17/2022有研究结果表明，视觉获得的感知信息占人对外界感知信息有研究结果表明，视觉获得的感知信息占人对外界感知信息的的 人类视觉细胞数量的量级大约为人类视觉细胞数量的量级大约为108，是听觉细胞的，是听觉细胞的300多倍，多倍，是皮肤感觉细胞的是皮肤感觉细胞的100多倍。多倍。12/17/20221.超声波传感器超声波传感器 超声波探测原理比较简单，一般是采用超声波探测原理比较简单，一般是采用时差法时差
40、法。=tt2 2其中（的函数）为超声波波速，为环境摄氏温度。其中（的函数）为超声波波速，为环境摄氏温度。从广义上讲，也把它算成机器人视觉中的一种。从广义上讲，也把它算成机器人视觉中的一种。超声波传感器主要用途：超声波传感器主要用途：（1 1）实时地检测自身所处空间的位置，用以进行自定位；）实时地检测自身所处空间的位置，用以进行自定位；（2 2）实时地检测障碍物，为行动决策提供依据；）实时地检测障碍物，为行动决策提供依据；（3 3）检测目标姿态以及进行简单形体的识别；）检测目标姿态以及进行简单形体的识别；（4 4）用于导航目标跟踪。）用于导航目标跟踪。12/17/20222.CCD图像传感器图像
41、传感器1）CCD（电荷耦合器件：（电荷耦合器件：charge coupled devices）12/17/2022 CCD（电荷耦合器件）的基本结构是一个间隙很小的光敏电（电荷耦合器件）的基本结构是一个间隙很小的光敏电极阵列，即无数个极阵列，即无数个CCD单元组成，也称为像素点（如单元组成，也称为像素点（如448380）。）。它可以是一维的线阵，也可以是二维的面阵。它可以是一维的线阵，也可以是二维的面阵。优点：优点：体积小、质量轻、寿命长、抗冲击、耗电极少，一般体积小、质量轻、寿命长、抗冲击、耗电极少，一般只需几十毫瓦就可以启动。只需几十毫瓦就可以启动。（1）基本结构）基本结构12/17/20
42、22共共256级灰度，从图（级灰度，从图（a）到（）到（f）分辨率依次为）分辨率依次为512512，256256，128128，6464，3232，1616。（2）图像处理）图像处理12/17/2022 从图（从图（a）到（）到（f）分辨率为）分辨率为512512，灰度级依次为，灰度级依次为256，64，16，8，4，2。b)灰度变化对图像的影响灰度变化对图像的影响12/17/2022从图（从图（a）到（）到（f）依次为：）依次为：256256，128级灰度；级灰度；181 181，64级灰度；级灰度；128 128，32级灰度；级灰度；90 90，16级灰度；级灰度；64 64，8级灰度；级
43、灰度；45 45，4级灰度。级灰度。c)分辨率和灰度同时变化对图像的影响分辨率和灰度同时变化对图像的影响12/17/2022听觉系统的粗略框图听觉系统的粗略框图8.11 机器人的听觉机器人的听觉特定人的语音识别系统特定人的语音识别系统特定人语音识别方法特定人语音识别方法是将事先指定的人的声音中的每一个字音是将事先指定的人的声音中的每一个字音的特征矩阵存储起来，形成一个标准模板（或叫模板），然后再进的特征矩阵存储起来，形成一个标准模板（或叫模板），然后再进行匹配。它首先要记忆一个或几个语音特征，而且被指定人讲话的行匹配。它首先要记忆一个或几个语音特征，而且被指定人讲话的内容也必须是事先规定好的有
44、限的几句话。特定人语音识别系统可内容也必须是事先规定好的有限的几句话。特定人语音识别系统可以识别讲话的人是否是事先指定的人，讲的是哪一句话。以识别讲话的人是否是事先指定的人，讲的是哪一句话。12/17/2022非特定人的语音识别方法非特定人的语音识别方法则需要对一组有代表性的人的语音则需要对一组有代表性的人的语音进行训练，找出同一词音的共性，这种训练往往是开放式的，能进行训练，找出同一词音的共性，这种训练往往是开放式的，能对系统进行不断的修正。在系统工作时，将接收到的声音信号用对系统进行不断的修正。在系统工作时，将接收到的声音信号用同样的办法求出它们的特征矩阵，再与标准模式相比较。看它与同样的
45、办法求出它们的特征矩阵，再与标准模式相比较。看它与哪个模板相同或相近，从而识别该信号的含义。哪个模板相同或相近，从而识别该信号的含义。非特定人的语音识别系统大致可以分为非特定人的语音识别系统大致可以分为语言识别系统，单词语言识别系统，单词识别系统，及数字音（识别系统，及数字音（09）识别系统。）识别系统。非特定人的语音识别系统非特定人的语音识别系统12/17/20228.12 多传感器信息融合多传感器信息融合 多传感器信息融合技术多传感器信息融合技术是通过对这些传感器及其观测信息的是通过对这些传感器及其观测信息的合理支配和使用，把多个传感器在时间和空间上的冗余或互补信合理支配和使用，把多个传感
46、器在时间和空间上的冗余或互补信息依据某种准则进行组合，以获取被观测对象的一致性解释或描息依据某种准则进行组合，以获取被观测对象的一致性解释或描述。述。多传感器融合系统多传感器融合系统主要特点是：主要特点是：（1）提供了冗余、互补信息。提供了冗余、互补信息。（2）信息分层的结构特性。（）信息分层的结构特性。（3）实时性。（）实时性。（4）低代价性。）低代价性。多传感与单传感的比较：多传感与单传感的比较：多传感器数据融合系统可更大程度多传感器数据融合系统可更大程度获取被探测目标和环境的信息量。获取被探测目标和环境的信息量。单传感器信号处理或低层次的单传感器信号处理或低层次的数据处理方式只是对人脑信息处理的一种低水平模仿。数据处理方式只是对人脑信息处理的一种低水平模仿。12/17/2022 多传感器融合常用的方法有：多传感器融合常用的方法有：加权平均法、贝叶斯估计、卡加权平均法、贝叶斯估计、卡尔曼滤波、尔曼滤波、DS证据推理、模糊逻辑、产生式规则、人工神经网络证据推理、模糊逻辑、产生式规则、人工神经网络等方法。等方法。三种结构形式：串联、并联和混合融合形式。三种结构形式：串联、并联和混合融合形式。可编辑感感谢谢下下载载
