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12.10
工业机器人中传感器技术的应用
前言
机器人在生活中和生产中占有越来越重要的地位和作用。
特别实在生产中，它可以代替人的许多人的工作，不但可以完成人类的操作，还可以完成许多人类无法完成的工作；
而且机器人的工作效率和精确度还远远高于人的人；
另外还可以在一些人无法工作的特殊环境下工作。
但是机器人是人类的智慧制造出来代替人类的一些工作的，它不像人类拥有视觉，听觉等感觉器官存在，无法去感觉外面的生活，他要怎么样才能像人类一样呢？
因此传感器在机器人中就起到了至关重要的作用，它就像人的眼睛、耳朵、皮肤等感觉器官一样将外边的视觉、听觉等感觉传给机器人的大脑（cpu）进行处理，让机器人对自己定位，掌握其周围的情况，能够顺利完成其工作。
传感器为推动中国机器人产业快速有序发展立下了汗马功劳。
传感器是用来检测机器人自身的工作状态，以及机器人智能探测外部工作环境和对象状态的核心部件。
能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
（一）传感器简介
1.1传感器的定义
传感器是利用物体的物理、化学变化，并将这些变化变换成电信号（电压、电流、平率）的装置，通常由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成，如图1所示。
其中敏感元件的基本功能是将某种不易测量的物理量装换为容易测量的物理量；
转换元件的功能是将敏感元件输出的物理量转换为电量，它与敏感元件一起构成传感器的主要部分；
基本转换电路的功能是将敏感元件产生的不易测量的小信号进行变换，使传感器的信号输出符合具体工业系统的要求。
1.2传感器的作用
传感器的作用是非常强大的，它可以代替人的感觉器官完成人的感觉器官的感官任务，但它的能力远远超过人，出来能感觉出人能感觉出的感觉外，还能检测到很多人无法通过感官发现的东西。
和人的五大感官相比，光敏传感器就是人的视觉；
声敏传感器就是人的听觉；
气敏传感器就是人的嗅觉；
化学传感器就是人的味觉；
压敏、温敏、流体传感器就是人的触觉。
现代科学技术的发展，进入了许多新领域：
例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到微米的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到瞬间反应。
此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。
显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。
许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。
一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。
传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。
可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。
由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。
世界各国都十分重视这一领域的发展。
相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。
1.3传感器的特性
（1）传感器的主要特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。
（2）传感器的性能指标有灵敏度、线性度、测量范围、精度、重复度、分辨率、响应时间、抗干扰能力。
1.4传感器的分类
传感器的分类方法比较多，常用的有以下几种：
（1）按传感器的检测范畴分类，可分为物理量传感器、化学量传感器、生物量传感器；
（2）安传感器的输出信号性质分类，可分为模拟传感器、数字传感器；
（3）按传感器的结构分类，可分为结构型传感器、物性型传感器、复合型传感器；
（4）按传感器的功能分类，可分为单功能、多功能、智能传感器；
（5）按传感器的转换原理分类，可分为机电传感器、光电传感器、热电传感器、磁电传感器、电化学传感器；
（6）按传感器的能源分类，可分为有源传感器、无源传感器。
（二）传感器的应用情况
工业机器人工作的稳定性和可靠性，依赖于机器人对工作环境的感觉和自主适应能力，因此需要高性能传感器和各传感器之间的协调工作。
由于不同行业工作环境具有特殊性和不确定性，随着工业机器人的应用领域的不断扩大，对机器人的感觉系统的要求也不断提高，机器人感觉系统的设计由此成为机器人技术的一个重要发展方向。
机器人的感觉系统的设计是实现机器人智能化的基础，主要表现在新型传感器的应用以及多传感器信息技术的融合上。
机器人在工作时，需要检测其自身的状态和作业对象与作业环境的状态，据此将工业机器人传感器分为内部传感器和外部传感器。
内部传感器通常由位置、速度、及加速度传感器组成；
外部传感器可进一步分为末端操作器传感器和环境传感器，其中末端操作器传感器有触觉传感器，力觉传感器，环境传感器有视觉传感器和超声波传感器等。
本报告主要介绍两类传感器，位置和位移传感器以及触觉传感器。
（三）位置和位移传感器
工业机器人关节的位置控制是机器人最基本的控制要求，而对于位置和位移的检测也是机器人最基本的感觉要求。
根据工作原理和组成不同可将位置和位移传感器分为电阻式位移传感器、电容式位移传感器、电感式位移传感器、编码式位移传感器、霍尔元件位移传感器、磁删式位移传感器。
3.1电位器式位移传感器
电位器是最常见的一种电阻式位置传感器。
它由一个线绕电阻（或薄膜式电阻）和一个滑动触点组成。
电位器式位移传感器分两类，一类是直线型电位器式位移传感器，另一类是旋转型电位器式位移传感器。
普通直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移和角位移传感器。
但是，为实现测量位移目的而设计的电位器，要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。
电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。
物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。
阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。
通常在电位器上通以电源电压，以把电阻变化转换为电压输出。
线绕式电位器由于其电刷移动时电阻以匝电阻为阶梯而变化，其输出特性亦呈阶梯形。
如果这种位移传感器在伺服系统中用作位移反馈元件，则过大的阶跃电压会引起系统振荡。
因此在电位器的制作中应尽量减小每匝的电阻值。
电位器式传感器的另一个主要缺点是易磨损。
它的优点是：
结构简单，输出信号大，使用方便，价格低廉。
典型的传感器是电位计。
检测的是以电阻中心为基准位置的移动距离。
电位器式位移传感器是通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。
3.1.1直线型电位器式位移传感器
直线型电位器式位移传感器的工作原理图和实物图如图2和图3所示。
根据欧姆定律，移动距离
E：
输入电压
L：
最大移动距离触头
X：
向左端移动的距离
电阻右侧的输出电压
因此在电位器的制作中应尽量减小每匝的电阻值
3.1.2旋转型电位器式位移传感器
旋转型电位器式位移传感器的工作原理图和实物图如图4和图5所示。
角位移传感器的工作原理是：
把机械部件的的旋转传递到角位移传感器的轴上，带动与之相连的扰流片/铁心，改变线圈中的感应电压/电感量，输出与旋转角度成比例的电压/电流信号。
3.2光电编码器
3.2.1光电编码器的工作原理
光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。
光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。
由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图6所示；
通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。
此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90º
的两路脉冲信号。
图6光电编码器原理图
根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。
根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。
3.2.2增量式编码器
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A、B和Z相；
A、B两组脉冲相位差90º
，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。
它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。
其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。
增量式编码器的组成图和脉冲信号图如图6和图7：
图6增量式光电编码器的组成图
图7增量式光电编码器的脉冲信号图
3.2.3绝对式编码器
绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；
当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。
这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。
显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。
目前国内已有16位的绝对编码器产品。
绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。
绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。
编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。
它的特点是：
可以直接读出角度坐标的绝对值、没有累积误差、电源切除后位置信息不会丢失。
但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。
4位绝对式光电编码器码盘如图8所示：
图84位绝对式光电编码器码盘
2.3.4混合式绝对值编码器
混合式绝对值编码器，它输出两组信息：
一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；
另一组则完全同增量式编码器的输出信息。
光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。
它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。
（四）触觉传感器
触觉是人与外界环境直接接触时的重要感觉功能，研制出满足要求的触觉传感器是机器人发展中的关键之一。
触觉信息的获取是机器人对环境信息的直接感知的结果。
触觉是接触、冲击、压迫等机械刺激感觉的综合，利用触觉可进一步感知物体的形状及其软硬等物理特征。
触觉包括接触觉、压觉、力觉、滑觉、冷热觉等与接触有关的感觉。
觉时刻接触、冲击、压迫等机械刺激感觉的综合，触觉可以用来进行机器人抓取，利用触觉可进一步感知物体的形状、软硬等物理性质。
对机器人触觉的研究，集中于扩展机器人能力所必需的触觉功能，一般把检测感知和外部直接接触产生的接触觉、压力、触觉及接近觉得传感器称为机器人触觉传感器。
4.1接触觉传感器
接触觉传感器是指装于机器人手爪上、以判断是否接触物体为基本特征的测量传感器。
采用分布密度比较高的接触觉传感器，还可以判断对象物的大致几何形状。
接触觉传感器的输出是开关方式的二值量信息，因而，微动开关、光电开关等器件可作为最简单的接触觉传感器，用以感受对象物的存在与否。
常用类型：
传感器输出信号常为0或1，最经济适用的形式是各种微动开关。
常用的微动开关由滑柱、弹簧、基板和引线构成，具有性能可靠、成本低、使用方便等特点。
接触觉传感器不仅可以判断是否接触物体，而且还可以大致判断物体的形状。
一般传感器装于机器人末端执行器上。
除微动开关外，接触觉传感器还采用碳素纤维及聚氨基甲酸酯为基本材料构成触觉传感器。
机器人与物体接触，通过碳素纤维与金属针之间建立导通电路，与微动开关相比，碳素纤维具有更高的触电安装密度、更好的柔性、可以安装于机械手的曲面手掌上。
接触觉传感器：
探测是否接触到物体，传感器接受于接触产生的柔量；
微动开关：
按下开关就能进入电信号的简单机构;
猫胡须传感器如图a,b
4.2压觉传感器
压觉传感器是以检测机器人与作业对象之间接触面法向方向压力值大小为特征的传感器，它通常装于机器人手爪的内侧。
压觉传感器可分为单一输出值压觉传感器和多输出值的分布式压觉传感器，其输出为连续信号，通过放大，送往计算机解释处理后，最终可测定所抓取物体的软硬质地。
分布式压觉传感器还可用以判别被抓物体的几何形状。
压觉传感器：
检测物体同手爪间产生的压力和力以及其分布情况；
利用压电元件或弹簧，如图9
图9使用弹簧的平面传感器
4.3滑觉传感器
机器人手爪在抓起物体时，由于被抓取物体的自重或者由于物体在外力作用下相对于手爪有滑移，对于这种滑移的感觉就必须用滑觉传感器来检测。
滑移检测方法：
（1）根据滑移时产生的振动；
（2）把滑移量转换成转动量；
（3）根据滑移时手爪与对象物间动、静摩擦力的变化；
（4）根据手爪压力分布的改变。
滑觉传感器：
检测垂直家压力方向的力和位移如图10和图11：
参考文献
[1]吴建平.传感器原理及应用（第2版）.北京：
机械工业出版社
[2]韩建海.工业机器人（第二版）.武汉：
华中科技大学出版社
小结
通过对《传感器原理及应用》课程的学习，我对传感器有了一定的了解和认识，并掌握了一些传感器的原理及应用场合，通过翻阅书籍，网上阅览资料终于按要求完成了老师要求的报告。
由于对知识的掌握有限报告中还有很多的不足和错误，但通过这个过程，我对传感器又有了进一步的认识。
在查阅有关传感器的资料和工业机器人的资料中，我发现传感器在我们生活中的应用真是无处不在，很多的电器上都使用了一种或多种传感器，比如手机中的光感器，走道点灯的光感和生感器，还有冰箱中的温感器等等，传感器将越来越重要，要求也越来越高。
在工业机器人的应用中，传感器也是主要的器件之一，没有传感器，机器人将无法完成其工作。
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