1、第 10 章 机器人传感器 2023-2-151第 10 章 机器人传感器 2023-2-152学习要点学习要点u了解机器人的发展u熟悉机器人的应用u掌握机器人传感器的工作原理 第 10 章 机器人传感器 2023-2-15310.1 10.1 概述概述10.2 10.2 视觉传感器视觉传感器 10.3 10.3 听觉传感器听觉传感器10.4 10.4 触觉传感器触觉传感器10.5 10.5 压觉传感器压觉传感器10.6 10.6 力觉传感器力觉传感器10.7 10.7 接近觉传感器接近觉传感器10.8 10.8 滑觉传感器滑觉传感器10.9 10.9 感觉传感器感觉传感器本章小结本章小结复习
2、思考题复习思考题主要内容返回主目录第 10 章 机器人传感器 2023-2-154“机器人的进步和应用是本世纪自动控制最有说服力的成就，是机器人的进步和应用是本世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义的自动化当代最高意义的自动化”。这是宋健院士对机器人在上个世纪所。这是宋健院士对机器人在上个世纪所取得的成就的精辟概括。进入取得的成就的精辟概括。进入2121世纪，人们已经目睹机器人深入世纪，人们已经目睹机器人深入产业、生活、社会的各个领域。产业、生活、社会的各个领域。近年来，机器人作为近年来，机器人作为机械学、电子学、计算机技术、人工智能机械学、电子学、计算机技术、人工智能等等学科的典型题材
3、被广泛地用来作为高校的研究课题，机器人专业学科的典型题材被广泛地用来作为高校的研究课题，机器人专业研究方向如雨后春笋般地出现，机器人赛事也方兴未艾。研究方向如雨后春笋般地出现，机器人赛事也方兴未艾。本章把机器人作为机电一体化技术的一个特例进行介绍，打破机本章把机器人作为机电一体化技术的一个特例进行介绍，打破机器人的神秘化，用通俗的语言叙述机器人的分类、结构、机器人器人的神秘化，用通俗的语言叙述机器人的分类、结构、机器人传感器、机器人的控制原理及应用。传感器、机器人的控制原理及应用。第 10 章 机器人传感器 2023-2-15510.1 概述 19581958年，美国年，美国Consolida
4、tedConsolidated公司制作出世界第一台工业机器人，公司制作出世界第一台工业机器人，从那时起至今，机器人正在一步步走向成熟。我国也在上世纪从那时起至今，机器人正在一步步走向成熟。我国也在上世纪8080年代初期生产出第一台国产工业机器人。年代初期生产出第一台国产工业机器人。从世界范围来说，机器人的发展和应用尚属初级阶段，原来只有从世界范围来说，机器人的发展和应用尚属初级阶段，原来只有几个发达国家拥有机器人，而随着科学技术的发展，目前世界许几个发达国家拥有机器人，而随着科学技术的发展，目前世界许多国家拥有了机电一体化的机器人。可以展望，多国家拥有了机电一体化的机器人。可以展望，2121世
5、纪必将是机世纪必将是机器人得以在各个领域广泛应用的时代，因此学习、了解、应用机器人得以在各个领域广泛应用的时代，因此学习、了解、应用机器人已成为当务之急。器人已成为当务之急。第 10 章 机器人传感器 2023-2-156第 10 章 机器人传感器 2023-2-157第 10 章 机器人传感器 2023-2-158第 10 章 机器人传感器 2023-2-159第 10 章 机器人传感器 2023-2-1510第 10 章 机器人传感器 2023-2-1511第 10 章 机器人传感器 2023-2-1512第 10 章 机器人传感器 2023-2-1513第 10 章 机器人传感器 202
6、3-2-1514第 10 章 机器人传感器 2023-2-1515第 10 章 机器人传感器 2023-2-151610.1.1 机器人的类型1.1.机器人按照用途分类机器人按照用途分类（1 1）工业机器人）工业机器人 用于焊接、喷漆、组装、搬运、密封用于焊接、喷漆、组装、搬运、密封等行业。等行业。（2 2）医疗福利机器人）医疗福利机器人 用于护理、帮助病人和残疾人。用于护理、帮助病人和残疾人。（3 3）教育和电子游戏机器人）教育和电子游戏机器人 用于教育、研究、电子游用于教育、研究、电子游戏等。戏等。（4 4）特殊工作机器人）特殊工作机器人 用于擦窗、建筑、宇宙开发、原用于擦窗、建筑、宇宙开
7、发、原子能发电站的维修、检修等。子能发电站的维修、检修等。（5 5）其它机器人）其它机器人 用于办公和家庭服务用于办公和家庭服务。第 10 章 机器人传感器 2023-2-15172.机器人按输入信息分类（1)1)手控机器人手控机器人 它具有与人的上肢相同的功能，由人操纵，依靠人的视觉进行工作，它具有与人的上肢相同的功能，由人操纵，依靠人的视觉进行工作，严格地讲，这是一种机械手。严格地讲，这是一种机械手。（2 2）固定顺序机器人固定顺序机器人 它按照预先给定的顺序和条件来依次完成各个阶段的动作，它按照预先给定的顺序和条件来依次完成各个阶段的动作，它的顺序一般不容易改变。这种类型的机器人往往用来
8、作为某种装置的一个自动它的顺序一般不容易改变。这种类型的机器人往往用来作为某种装置的一个自动化部件而组装在该装置中，如加工中心的换刀机械手。化部件而组装在该装置中，如加工中心的换刀机械手。（3 3）可变顺序机器人可变顺序机器人 它与固定顺序机器人相反，其工作顺序可以根据需要随时改它与固定顺序机器人相反，其工作顺序可以根据需要随时改变，这种类型的机器人适用于多品种、小批量的生产服务中。变，这种类型的机器人适用于多品种、小批量的生产服务中。（4 4）再现式机器人再现式机器人 它的工作分为两个阶段。示教阶段：此时由操作者握着机械手它的工作分为两个阶段。示教阶段：此时由操作者握着机械手或通过拨动示教板
9、上的按钮和开关控制机械手完成各种动作，而机械手在完成各或通过拨动示教板上的按钮和开关控制机械手完成各种动作，而机械手在完成各种动作的同时便记住操作者教给它的动作顺序、移动距离以及其它信息；再现阶种动作的同时便记住操作者教给它的动作顺序、移动距离以及其它信息；再现阶段：机器人逐次读出在示教阶段中所记忆的各种信息，并严格完成（再现）操作段：机器人逐次读出在示教阶段中所记忆的各种信息，并严格完成（再现）操作者所教给它的动作。者所教给它的动作。（5 5）数字控制机器人数字控制机器人 首先以数字程序形式给出机器人的动作顺序、位置以及其它首先以数字程序形式给出机器人的动作顺序、位置以及其它信息，然后再由阅
10、读装置逐段读出程序，控制机器人严格地按照程序工作。信息，然后再由阅读装置逐段读出程序，控制机器人严格地按照程序工作。（6 6）智能机器人智能机器人 这种类型的机器人不仅能重复预先记忆的动作，而且还具有能按这种类型的机器人不仅能重复预先记忆的动作，而且还具有能按照变化随时修正和改变动作的自动功能。因此智能机器人为了能感觉环境状态并照变化随时修正和改变动作的自动功能。因此智能机器人为了能感觉环境状态并做出恰当的反应，需要有各种感觉器官（视觉、听觉、触觉等传感器）和处理复做出恰当的反应，需要有各种感觉器官（视觉、听觉、触觉等传感器）和处理复杂信息的计算机硬件与软件。杂信息的计算机硬件与软件。第 10
11、 章 机器人传感器 2023-2-15183.按照动作形态可以将机器人分为4种（1 1）直角坐标机器人直角坐标机器人 其手主要按直角坐标移动。如用其手主要按直角坐标移动。如用于汽车点焊的直角坐标机器人。于汽车点焊的直角坐标机器人。（2 2）圆柱坐标机器人圆柱坐标机器人 其手和臂按圆柱坐标移动。如用其手和臂按圆柱坐标移动。如用于机械加工的圆柱坐标机器人。于机械加工的圆柱坐标机器人。（3 3）极坐标机器人极坐标机器人 其手臂按极坐标转动。如用于喷漆其手臂按极坐标转动。如用于喷漆的极坐标机器人。的极坐标机器人。（4 4）多关节机器人多关节机器人 它的动作主要依靠转动各个关节来它的动作主要依靠转动各个
12、关节来完成。完成。第 10 章 机器人传感器 2023-2-151910.1.2 机器人的特征从从“迎宾机器人迎宾机器人”到到“工业用机器人工业用机器人”，虽然机器人的种类繁多，但都应具备以虽然机器人的种类繁多，但都应具备以下特征：下特征：移动功能、执行机构、感觉和移动功能、执行机构、感觉和智能。智能。第 10 章 机器人传感器 2023-2-152010.1.3 机器人的进化过程 近代机器人的进化过程大概可以分为第四代。近代机器人的进化过程大概可以分为第四代。（1 1）第一代机器人）第一代机器人 第一代工业机器人的最大特点就是能够按照教第一代工业机器人的最大特点就是能够按照教给它的动作重复进
13、行工作，所以也叫做给它的动作重复进行工作，所以也叫做“重复进行工作的机器重复进行工作的机器”，如图如图10-1a10-1a所示。所示。如汽车生产线上的如汽车生产线上的“点焊机器人点焊机器人”，机床或压力机使用的，机床或压力机使用的“上下上下料机器人料机器人”以及装饰用的以及装饰用的“喷漆机器人喷漆机器人”都属于第一代机器人。都属于第一代机器人。它虽配有电子存储装置，能记忆重复动作，然而因未采用传感器，它虽配有电子存储装置，能记忆重复动作，然而因未采用传感器，所以没有适应外界环境变化的能力。所以没有适应外界环境变化的能力。第 10 章 机器人传感器 2023-2-1521（2）第二代机器人 与第
14、一代机器人相比，它具有与第一代机器人相比，它具有识别、选取和判断能力识别、选取和判断能力，可在轨道上运，可在轨道上运行，并能做装配之类的较为复杂的工作。为此，这些机器人要有相当行，并能做装配之类的较为复杂的工作。为此，这些机器人要有相当于人的于人的眼睛、耳朵或皮肤眼睛、耳朵或皮肤等一系列感觉装置（传感器），然后还要有等一系列感觉装置（传感器），然后还要有判断功能，利用传感器输入信息对其周围环境进行判断，并根据这种判断功能，利用传感器输入信息对其周围环境进行判断，并根据这种判断来改变自身的行动。如判断来改变自身的行动。如“电弧焊接机器人电弧焊接机器人”或或“单能装配机器单能装配机器人人”。如图。
15、如图10-1b10-1b所示。因而传感器的采用与否已成为衡量第二代机所示。因而传感器的采用与否已成为衡量第二代机器人的重要特征。器人的重要特征。第 10 章 机器人传感器 2023-2-1522（3）第三代机器人 第三代机器人是第三代机器人是智能机器人智能机器人，具有，具有感觉和识别能力感觉和识别能力、声音合成功能声音合成功能、操操作和行动功能作和行动功能，以及，以及判断思考和处理问题的能力判断思考和处理问题的能力。特别适合做管理和服。特别适合做管理和服务部门的工作，如百货商场的机器人能照相、收款和接待、迎宾等。其务部门的工作，如百货商场的机器人能照相、收款和接待、迎宾等。其特征是具有学习功能
16、如图特征是具有学习功能如图10-1c10-1c所示。现有的大部分工业机器人就相当于所示。现有的大部分工业机器人就相当于第三代机器人。第三代机器人。“电脑化电脑化”是这一代机器人的重要标志。然而电脑处理是这一代机器人的重要标志。然而电脑处理的信息，必须要通过各种传感器来获取，因而这一代机器人需要有更多的信息，必须要通过各种传感器来获取，因而这一代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。的、性能更好的、功能更强的、集成度更高的传感器。第一代和第二代机器人都超过了机械本来固有的界限，而真正接近于人第一代和第二代机器人都超过了机械本来固有的界限，而真正接近于人的机器人只有第三代
17、机器人出现后才逐步形成。的机器人只有第三代机器人出现后才逐步形成。第 10 章 机器人传感器 2023-2-1523（4）第四代机器人 第四代机器人是什么样子，还没有确切的定义。也就第四代机器人是什么样子，还没有确切的定义。也就是说，第四代机器人还没有问世。硬要下个定义的话，是说，第四代机器人还没有问世。硬要下个定义的话，就是具有就是具有感情的机器人感情的机器人吧！人们根据自己的要求，提吧！人们根据自己的要求，提出第四代机器人应该具有以下特征：出第四代机器人应该具有以下特征：1 1）能表现自身的需求和意愿；）能表现自身的需求和意愿；2 2）机器人有一定的意志；）机器人有一定的意志；3 3）机器
18、人能成为人的）机器人能成为人的“朋友朋友”。第 10 章 机器人传感器 2023-2-1524 总之，第一代到第四代机器人的进化过程即总之，第一代到第四代机器人的进化过程即由重复进行的简单动作向高级动由重复进行的简单动作向高级动作作方面发展，譬如通过判断周围情况来决定自己应该如何进行动作以及通过方面发展，譬如通过判断周围情况来决定自己应该如何进行动作以及通过简单的学习来修正自己动作的智能机器人就是这种发展趋势的例证。简单的学习来修正自己动作的智能机器人就是这种发展趋势的例证。机器人传感器就是机器人所用的传感器。机器人传感器可以机器人传感器就是机器人所用的传感器。机器人传感器可以定义定义为为一种
19、能将一种能将机器人目标物特性（或参量）变换为电量输出的装置。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机器人通过传感器实现类似于人的知觉作用。现类似于人的知觉作用。传感器传感器被称为机器人的被称为机器人的“电五官电五官”。机器人传感器分为机器人传感器分为机器人机器人外部传感器外部传感器（感觉传感器）（感觉传感器）机器人外部传感器机器人外部传感器的功能是的功能是识别工作环境识别工作环境，为机器人提供信息，检查、控制、，为机器人提供信息，检查、控制、操作对象物体、应付环境变化和修改程序。操作对象物体、应付环境变化和修改程序。机器人机器人内部传感器内部传感器内部传感器的功能是
20、用来测量内部传感器的功能是用来测量运动学及动力学参数运动学及动力学参数，以使机器人按规定的，以使机器人按规定的位置、轨位置、轨迹、速度、加速度和受力大小进行工作迹、速度、加速度和受力大小进行工作。下面就机器人常用的几种传感器，分别介绍它们的结构和工作原理。下面就机器人常用的几种传感器，分别介绍它们的结构和工作原理。第 10 章 机器人传感器 2023-2-1525第 10 章 机器人传感器 2023-2-1526第 10 章 机器人传感器 2023-2-152710.2 10.2 视觉传感器视觉传感器1.1.人的视觉人的视觉u 人的眼睛是由含有人的眼睛是由含有感光细胞的感光细胞的视网膜视网膜和
21、作为附属结构的折光系统和作为附属结构的折光系统等部分组成。人眼的适宜刺激波长是等部分组成。人眼的适宜刺激波长是370370740nm740nm的电磁波；在这的电磁波；在这个可见光谱的范围内，人脑通过接收来自视网膜的传入信息，可个可见光谱的范围内，人脑通过接收来自视网膜的传入信息，可以分辨出视网膜像的不同亮度和色泽，因而可以看清视野内发光以分辨出视网膜像的不同亮度和色泽，因而可以看清视野内发光物体或反光体的轮廓、形状、颜色、大小、远近和表面细节等情物体或反光体的轮廓、形状、颜色、大小、远近和表面细节等情况，自然界形形色色的物体以及文字、图片等，通过视觉系统在况，自然界形形色色的物体以及文字、图片
22、等，通过视觉系统在人脑中的反映。视网膜上有两种感光细胞，人脑中的反映。视网膜上有两种感光细胞，视锥视锥细胞主要感受细胞主要感受白白天天的景象的景象,视杆视杆细胞感受细胞感受夜间夜间的景象的景象.人的视锥细胞大约有人的视锥细胞大约有700700多多万个万个,是听觉细胞的是听觉细胞的30003000多万倍多万倍,因此在各种感官获取的信息中因此在各种感官获取的信息中,视觉约视觉约80%.80%.同样对机器人来说同样对机器人来说,视觉传感器也是最重要的传感器。视觉传感器也是最重要的传感器。第 10 章 机器人传感器 2023-2-15282.机器人视觉 机器人的视觉系统通常是利用机器人的视觉系统通常是
23、利用光电传感器构成光电传感器构成的。的。多数是用电视多数是用电视摄象机和计算机技术来实现的，故又称计算机视觉。视觉传感器摄象机和计算机技术来实现的，故又称计算机视觉。视觉传感器的工作过程可分为的工作过程可分为检测、分析、描绘和识别检测、分析、描绘和识别四个主要步骤。四个主要步骤。客观世界中三维实物经由传感器（如摄像机）成为平面的二维图客观世界中三维实物经由传感器（如摄像机）成为平面的二维图像，再经处理部件给出景象的描述。应该指出，实际的三维物体像，再经处理部件给出景象的描述。应该指出，实际的三维物体形态和特征是相当复杂的，特别是由于识别的背景千差万别，而形态和特征是相当复杂的，特别是由于识别的
24、背景千差万别，而机器人上视觉传感器的视角又在时刻变化，引起图像时刻发生变机器人上视觉传感器的视角又在时刻变化，引起图像时刻发生变化，所以机器人视觉在技术上难度是较大的。化，所以机器人视觉在技术上难度是较大的。三维实物（立体）二维图像（平面）景象描述传感器图像处理机器人的视觉作用的过程机器人的视觉作用的过程第 10 章 机器人传感器 2023-2-152910.3 听觉传感器人的听觉人的听觉u 人的听觉的外周感受器官是耳，耳的适宜刺激是一定频率范围内人的听觉的外周感受器官是耳，耳的适宜刺激是一定频率范围内的声波振动。耳由的声波振动。耳由外耳、中耳和内耳迷路中的耳蜗外耳、中耳和内耳迷路中的耳蜗部分
25、组成。由部分组成。由声源振动引起空气产生的疏密波，通过外耳道、鼓膜和听骨链的声源振动引起空气产生的疏密波，通过外耳道、鼓膜和听骨链的传递，引起耳蜗中传递，引起耳蜗中淋巴液和基底膜的振动淋巴液和基底膜的振动，使，使耳蜗科蒂器官中的耳蜗科蒂器官中的毛细胞产生兴奋毛细胞产生兴奋。科蒂器官和其中所含的毛细胞，是真正的声音。科蒂器官和其中所含的毛细胞，是真正的声音感受装置，外耳和中耳等结构只是辅助振动波到达耳蜗的传音装感受装置，外耳和中耳等结构只是辅助振动波到达耳蜗的传音装置。听神经纤维就分布在毛细胞下方的基底膜中。振动波的机械置。听神经纤维就分布在毛细胞下方的基底膜中。振动波的机械能在这里转变为听神经
26、纤维上的神经冲动，并以神经冲动的不同能在这里转变为听神经纤维上的神经冲动，并以神经冲动的不同频率和组合形式对声音信息进行编码，传送到大脑皮层的中枢，频率和组合形式对声音信息进行编码，传送到大脑皮层的中枢，产生听觉。产生听觉。第 10 章 机器人传感器 2023-2-1530机器人的听觉 听觉也是机器人的重要感觉器官之一。由于计算机技术语音学的发展，现听觉也是机器人的重要感觉器官之一。由于计算机技术语音学的发展，现在已经实现用机器人代替人耳，通过语音处理及识别技术识别讲话人，还在已经实现用机器人代替人耳，通过语音处理及识别技术识别讲话人，还能正确理解一些简单的语句。然而，由于人类的语言是非常非常
27、复杂的，能正确理解一些简单的语句。然而，由于人类的语言是非常非常复杂的，无论哪个民族，其语言的词汇量都非常大，即使是同一个人，他的发音也无论哪个民族，其语言的词汇量都非常大，即使是同一个人，他的发音也随着环境及身体状况有所变化，因此，使机器人的听觉具有接近耳的功能随着环境及身体状况有所变化，因此，使机器人的听觉具有接近耳的功能还相差甚远。还相差甚远。机器人由听觉传感器实现机器人由听觉传感器实现“人人机机”对话。一台高级的机器人不仅能听懂对话。一台高级的机器人不仅能听懂人讲的话，而且能讲出人能听懂的语言，赋予机器人这些智慧与技术统称人讲的话，而且能讲出人能听懂的语言，赋予机器人这些智慧与技术统称
28、语言处理技术语言处理技术，前者为语言识别技术，后者为，前者为语言识别技术，后者为语音合成技术语音合成技术。具有语音识。具有语音识别功能，能检测出声音或声波的传感器称为听觉传感器，通常用话筒等振别功能，能检测出声音或声波的传感器称为听觉传感器，通常用话筒等振动检测器作为检测元件。动检测器作为检测元件。机器人听觉系统中的听觉传感器的基本形态与传声器相同，所以在声音的机器人听觉系统中的听觉传感器的基本形态与传声器相同，所以在声音的输入端方面问题较少。其工作原理多为利用输入端方面问题较少。其工作原理多为利用压电效应、磁电效应压电效应、磁电效应等。等。第 10 章 机器人传感器 2023-2-1531识
29、别声音功能（1）注册讲话人的识别方式声音识别分为声音识别分为特定讲话者特定讲话者特定语音识别是预先提取特定讲话者发音的单词或特定语音识别是预先提取特定讲话者发音的单词或 音节的各种特征参数并记录在存储器中，要识别的音节的各种特征参数并记录在存储器中，要识别的 声音与之相比较，从而确定讲话者的信息。该项技声音与之相比较，从而确定讲话者的信息。该项技 术目前已进入了实用阶段。术目前已进入了实用阶段。非特定讲话者非特定讲话者自然语音识别，这种语音识别比特定人语音识自然语音识别，这种语音识别比特定人语音识 别要困难得多，自然语音识别技术尚在研究阶别要困难得多，自然语音识别技术尚在研究阶 段。段。第 1
30、0 章 机器人传感器 2023-2-1532实现这一技术的声音识别大规模集成电路已经商品化了，其代表型号有：实现这一技术的声音识别大规模集成电路已经商品化了，其代表型号有：TMS320C25FNLTMS320C25FNL、TMS320C25GBLTMS320C25GBL、TMS320C30GBLTMS320C30GBL和和TMS320C50PQTMS320C50PQ等，采用这些芯片构成的传感器控制系统如等，采用这些芯片构成的传感器控制系统如图图10-210-2所示。所示。这样的听觉传感器，可以有效地用于告诉机器人如何进行操作，从而构成声音控制型机这样的听觉传感器，可以有效地用于告诉机器人如何进
31、行操作，从而构成声音控制型机器人，而且现在正在研制可确认声音合成系统的指令以及可与操作员对话的机器人。器人，而且现在正在研制可确认声音合成系统的指令以及可与操作员对话的机器人。图图10-2 10-2 听觉传感器系统框图听觉传感器系统框图 第 10 章 机器人传感器 2023-2-1533（2）任意（未注册）讲话者的识别方式 由于讲话人的声音没有预先注册，所以首先应对由于讲话人的声音没有预先注册，所以首先应对讲话讲话人的声音特征进行提取人的声音特征进行提取，即提取声音信号中能表征讲，即提取声音信号中能表征讲话者声音有代表性的信息，用这种有代表性的信息可话者声音有代表性的信息，用这种有代表性的信息
32、可以以区分不同的讲话人区分不同的讲话人，且对同一讲话人的变化保持相，且对同一讲话人的变化保持相对稳定。这种方法其实是利用讲话人的对稳定。这种方法其实是利用讲话人的习惯风格、情习惯风格、情感状态、遣词造句感状态、遣词造句的特点来进行识别。但是到目前为的特点来进行识别。但是到目前为止，还没有好的方法将其定量化或找到它们与声音信止，还没有好的方法将其定量化或找到它们与声音信号特征参数之间的关系，所以目前这一应用还不成熟。号特征参数之间的关系，所以目前这一应用还不成熟。第 10 章 机器人传感器 2023-2-153410.4 触觉传感器 人的触觉是通过人的触觉是通过四肢和皮肤四肢和皮肤对外界物体的一
33、种物性感对外界物体的一种物性感知。知。触觉传感器能感知被接触物体的特征以及传感器接触触觉传感器能感知被接触物体的特征以及传感器接触外界物体后的外界物体后的自身状况自身状况，如是否握牢对象物体或对象，如是否握牢对象物体或对象物体在传感器的什么位置。物体在传感器的什么位置。常使用的触觉传感器有机械式（如微动开关）、针式常使用的触觉传感器有机械式（如微动开关）、针式差动变压器、含碳海绵及导电橡胶等几种。当接触力差动变压器、含碳海绵及导电橡胶等几种。当接触力作用时，这些传感器以通断方式输出高低电平，实现作用时，这些传感器以通断方式输出高低电平，实现传感器对被接触物体的感知。传感器对被接触物体的感知。第
34、 10 章 机器人传感器 2023-2-1535 如图如图10-310-3所示，是针式差动变压器矩阵式触觉传感器，它由若干个触针式触觉所示，是针式差动变压器矩阵式触觉传感器，它由若干个触针式触觉传感器构成矩阵形状。每个触针传感器由传感器构成矩阵形状。每个触针传感器由钢针、塑料套筒以及使针杆复位的磷钢针、塑料套筒以及使针杆复位的磷青铜弹簧青铜弹簧等构成，并在每个触针上绕着等构成，并在每个触针上绕着激励线圈与检测线圈激励线圈与检测线圈，用以将感知的信，用以将感知的信息转换成电信号，再由计算机判定接触程度和接触位置等。当针杆与物体接触息转换成电信号，再由计算机判定接触程度和接触位置等。当针杆与物体接
35、触而产生而产生位移时位移时，其根部的，其根部的磁极体将随之运动磁极体将随之运动，从而增强了两个线圈，从而增强了两个线圈-激励线圈激励线圈与检测线圈间的与检测线圈间的耦合系数耦合系数，检测线圈上的感应电压随针杆的位移增加而增大。，检测线圈上的感应电压随针杆的位移增加而增大。通过扫描电路轮流读出各列检测线圈上的感应电压（代表针杆的位移量），经通过扫描电路轮流读出各列检测线圈上的感应电压（代表针杆的位移量），经计算机运算判断，即可知道被接触物体的特征或传感器自身的感知特性。计算机运算判断，即可知道被接触物体的特征或传感器自身的感知特性。图图10-3 10-3 针式差动变压器矩阵式触觉传感器针式差动变
36、压器矩阵式触觉传感器第 10 章 机器人传感器 2023-2-153610.5 压觉传感器 压觉传感器实际上也是一种触觉传感器，只是它专门对压觉传感器实际上也是一种触觉传感器，只是它专门对压觉有感知作用压觉有感知作用。目前。目前压觉传感器主要有如下几种：压觉传感器主要有如下几种：（1 1）压阻效应式压觉传感器压阻效应式压觉传感器 利用某些材料的内阻随压力变化而变化的压阻效应，利用某些材料的内阻随压力变化而变化的压阻效应，制成的压阻器件，将它们密集配置成阵列，即可检测压力的分布。如压敏导电制成的压阻器件，将它们密集配置成阵列，即可检测压力的分布。如压敏导电橡胶或塑料等。橡胶或塑料等。（2 2）压
37、电效应式压觉传感器压电效应式压觉传感器 利用某些材料在压力的作用下，其相应表面上会产利用某些材料在压力的作用下，其相应表面上会产生电荷的压电效应制成压电器件，如压电晶体等，将它们制成类似人类的皮肤生电荷的压电效应制成压电器件，如压电晶体等，将它们制成类似人类的皮肤的压电薄膜，感知外界的压力。其优点是耐腐蚀，频带宽和灵敏度高等，但缺的压电薄膜，感知外界的压力。其优点是耐腐蚀，频带宽和灵敏度高等，但缺点是无直流响应，不能直接检测静态信号。点是无直流响应，不能直接检测静态信号。（3 3）集成压敏压觉传感器集成压敏压觉传感器 利用半导体力敏器件与信号电路构成集成压敏传感器。利用半导体力敏器件与信号电路
38、构成集成压敏传感器。常用的有三种：压电型（如常用的有三种：压电型（如ZnOZnO/Si-IC/Si-IC）、电阻型）、电阻型SIRSIR（硅集成）和电容型（硅集成）和电容型SICSIC。其优点是体积小、成本低、便于与计算机连用，缺点是耐压负载小，不柔软。其优点是体积小、成本低、便于与计算机连用，缺点是耐压负载小，不柔软。（4 4）利用压磁传感器利用压磁传感器、扫描电路和针式差动变压器式触觉传感器构成的压觉传感扫描电路和针式差动变压器式触觉传感器构成的压觉传感器器。压磁器件具有较强的过载能力，但体积较大。压磁器件具有较强的过载能力，但体积较大。第 10 章 机器人传感器 2023-2-1537
39、如图如图10-410-4所示是利用半导体技术制成的高密度智能压觉传感器，它是一种很所示是利用半导体技术制成的高密度智能压觉传感器，它是一种很有发展前途的压觉传感器。其中传感元件以有发展前途的压觉传感器。其中传感元件以压阻式与电容式压阻式与电容式为最多。虽然压为最多。虽然压阻式器件比电容式器件的线性好，封装也简单，但是其灵敏度要比电容式器阻式器件比电容式器件的线性好，封装也简单，但是其灵敏度要比电容式器件小一个数量级，温度灵敏度比电容式器件大一个数量级。因此电容式压觉件小一个数量级，温度灵敏度比电容式器件大一个数量级。因此电容式压觉传感器，特别是硅电容式压觉传感器得到了广泛的应用。传感器，特别是
40、硅电容式压觉传感器得到了广泛的应用。图图10-4 10-4 半导体高密度智能压觉传感器半导体高密度智能压觉传感器第 10 章 机器人传感器 2023-2-153810.6 力觉传感器 力觉传感器是用来检测机器人的力觉传感器是用来检测机器人的手臂和手腕所产生的力或其所受手臂和手腕所产生的力或其所受反力的传感器反力的传感器。手臂部分和手腕部分的力觉传感器，可用于控制。手臂部分和手腕部分的力觉传感器，可用于控制机器人手所产生的力，在进行费力的工作中以及限制性作业、协机器人手所产生的力，在进行费力的工作中以及限制性作业、协调作业等方面是有效的，特别是在镶嵌类的装配工作中，它是一调作业等方面是有效的，特
41、别是在镶嵌类的装配工作中，它是一种特别重要的传感器。种特别重要的传感器。力觉传感器的元件大多使用半导体应变片。将这种传感器件安装力觉传感器的元件大多使用半导体应变片。将这种传感器件安装于弹性结构的被检测处，就可以直接地或通过计算机检测具有多于弹性结构的被检测处，就可以直接地或通过计算机检测具有多维的力和力矩。维的力和力矩。使全部的检测部件都相互垂直，并且如能将应变片粘贴于与部件使全部的检测部件都相互垂直，并且如能将应变片粘贴于与部件中心线准确对称的位置上，则各个方向的力的干扰就可降低至中心线准确对称的位置上，则各个方向的力的干扰就可降低至1%1%以下。这样就可以简化信息处理，也便于进行控制。以
42、下。这样就可以简化信息处理，也便于进行控制。第 10 章 机器人传感器 2023-2-1539手指部分的握力控制，最简单的形式就是采用将应变片直接粘贴于手指根部的检测方法。手指部分的握力控制，最简单的形式就是采用将应变片直接粘贴于手指根部的检测方法。关于握力传感器的信息处理，为了保证其稳定性，消除接触时的冲击力，或实现微小的关于握力传感器的信息处理，为了保证其稳定性，消除接触时的冲击力，或实现微小的握力，在两个手指式的钳形机构中，通常是利用握力，在两个手指式的钳形机构中，通常是利用PIDPID运算反馈。运算反馈。PIDPID是通过比例、积分和是通过比例、积分和微分参数的适当给定，从而实现软接触
43、、软掌握、反射接触、零掌握等动作。微分参数的适当给定，从而实现软接触、软掌握、反射接触、零掌握等动作。图图10-5 10-5 脉冲电动机的指力传感器脉冲电动机的指力传感器检测指力的方法，一般是从检测指力的方法，一般是从螺螺旋弹簧的应变量推算出来的旋弹簧的应变量推算出来的。在图在图10-510-5所示的结构中，由脉所示的结构中，由脉冲电动机通过螺旋弹簧去驱动冲电动机通过螺旋弹簧去驱动机器人的手指。所检测出的机器人的手指。所检测出的螺螺旋弹簧的转角与脉冲电动机转旋弹簧的转角与脉冲电动机转角之差即为变形量角之差即为变形量，从而也就，从而也就可以知道手指所产生的力。对可以知道手指所产生的力。对这种手指
44、可以控制它，令其完这种手指可以控制它，令其完成搬运之类的工作。手指部分成搬运之类的工作。手指部分的应变片，是一种控制力量大的应变片，是一种控制力量大小的器件。小的器件。第 10 章 机器人传感器 2023-2-1540 对于以精密镶嵌为代表的装对于以精密镶嵌为代表的装配操作，就必须检测出手腕配操作，就必须检测出手腕部分的力并进行反馈，以控部分的力并进行反馈，以控制手臂和手腕。图制手臂和手腕。图10-6 10-6 是是这种用途的手腕部分与力传这种用途的手腕部分与力传感器的结构示意图。这种手感器的结构示意图。这种手腕是具有弹性的，通过应变腕是具有弹性的，通过应变片而构成力觉传感器，从这片而构成力觉
45、传感器，从这些传感器的信号，就可以推些传感器的信号，就可以推算出力的大小和方向。算出力的大小和方向。图图10-6 10-6 装配机器人腕力传感器装配机器人腕力传感器第 10 章 机器人传感器 2023-2-154110.7 10.7 接近觉传感器接近觉传感器u 接近是机器人能感知相距接近是机器人能感知相距几毫米到几十厘米内对象物或障碍物的几毫米到几十厘米内对象物或障碍物的距离距离、对象物的表面性质等的传感器。其目的是在接触对象前得、对象物的表面性质等的传感器。其目的是在接触对象前得到必要的信息，以便后续动作。这种感觉是非接触的，实质上可到必要的信息，以便后续动作。这种感觉是非接触的，实质上可以
46、认为是介于触觉之间的感觉。以认为是介于触觉之间的感觉。这种传感器，是有检测全部这种传感器，是有检测全部信息的视觉和力学信息的触觉的综合功能的传感器。信息的视觉和力学信息的触觉的综合功能的传感器。它对于实用的机器人控制方面，具有非常重要的作用。它对于实用的机器人控制方面，具有非常重要的作用。接近觉传感器的检测有如下几种方法。接近觉传感器的检测有如下几种方法。u 接近觉传感器有电磁式、光电式、电容式、气动式、超声波式和接近觉传感器有电磁式、光电式、电容式、气动式、超声波式和红外式等类型。红外式等类型。第 10 章 机器人传感器 2023-2-1542接近觉传感器的检测方法接近觉传感器的检测方法（1
47、 1）触针法触针法 检测出安装于机器人手前端的触针位移；检测出安装于机器人手前端的触针位移；（2 2）电磁感应法电磁感应法 根据金属对象物体表面上的涡流效应，检测出阻根据金属对象物体表面上的涡流效应，检测出阻抗的变化，进而测出线圈电压的变化；抗的变化，进而测出线圈电压的变化；（3 3）光学法）光学法 通过光的照射，检测出反射光的变化、反射时间等；通过光的照射，检测出反射光的变化、反射时间等；（4 4）气压法气压法 根据喷嘴与对象物体表面之间间隙的变化，检测出压根据喷嘴与对象物体表面之间间隙的变化，检测出压力的变化；力的变化；（5 5）超声波、微波法超声波、微波法 检测出反射波的滞后时间、相位偏
48、移。检测出反射波的滞后时间、相位偏移。这些方法的选择，可根据对象物体的性质以及操作内容来选择。这些方法的选择，可根据对象物体的性质以及操作内容来选择。触针式在上述触觉传感器中已作了说明，下面只介绍几种非接触触针式在上述触觉传感器中已作了说明，下面只介绍几种非接触式接近觉传感器。式接近觉传感器。第 10 章 机器人传感器 2023-2-1543非接触式接近觉传感器非接触式接近觉传感器 以金属表面为对象的焊接机器以金属表面为对象的焊接机器人大多采用电磁感应法，如图人大多采用电磁感应法，如图10-710-7所示为利用涡流原理的接所示为利用涡流原理的接近觉传感器的原理图。在激磁近觉传感器的原理图。在激
49、磁线圈中有高频电流通过，用连线圈中有高频电流通过，用连接成差动的测量线圈和就可测接成差动的测量线圈和就可测出由涡流引起的磁通变化。这出由涡流引起的磁通变化。这种传感器具有优良的温度特性，种传感器具有优良的温度特性，抗干扰能力强等特点。当温度抗干扰能力强等特点。当温度在在200200以下时，其测量范围为以下时，其测量范围为0 08mm8mm，精度为，精度为4%4%以下。以下。图图10-7 10-7 电感式接近觉传感器电感式接近觉传感器第 10 章 机器人传感器 2023-2-1544反射光接近觉传感器反射光接近觉传感器 在处理一般物体的情况下，当有在处理一般物体的情况下，当有必要将敏感头小型化时
50、，可采用必要将敏感头小型化时，可采用光学法，如图光学法，如图10-810-8所示。它是利所示。它是利用光电二极管的接近觉传感器将用光电二极管的接近觉传感器将发光元件和感光元件的光轴相交发光元件和感光元件的光轴相交而构成的传感器。反射光量（接而构成的传感器。反射光量（接受信号的强弱）表示了某一距离受信号的强弱）表示了某一距离的点（光轴的交点）的峰值特性。的点（光轴的交点）的峰值特性。利用这种特性的线性部分来测定利用这种特性的线性部分来测定距离，测出峰值点就可确定物体距离，测出峰值点就可确定物体的位置。的位置。图图10-8 10-8 反射光接近觉传感器反射光接近觉传感器第 10 章 机器人传感器
