第04章 机器人传感技术Word文档格式.docx

1、应用位置位置、角度电位器、直线感应同步器角度式电位器、光电编码器位置移动检测角度变化检测速度测速发电机、增量式码盘速度检测加速度压电式加速度传感器压阻式加速度传感器加速度检测触觉接触把握力荷重分布压力多元力力矩滑动限制开关应变计、半导体感压元件弹簧变位测量器导电橡胶、感压高分子材料压阻元件、马达电流计光学旋转检测器、光纤动作顺序控制把握力控制张力控制、指压控制姿势、形状判别装配力控制协调控制滑动判定、力控制接近觉接近间隔倾斜光电开关、LED、红外、激光光电晶体管、光电二极管电磁线圈、超声波传感器障碍物躲避轨迹移动控制、探索视觉平面位置距离形状缺陷摄像机、位置传感器测距仪线图像传感器画图像传感器

2、位置决定、控制移动控制物体识别、判别检查，异常检测听觉声音超声波麦克风超声波传感器语言控制（人机接口）导航嗅觉气体成分气体传感器、射线传感器化学成分探测味觉味道离子敏感器、PH计机器人传感器的选择取决于机器人工作需要和应用特点，对机器人感觉系统的要求时选择传感器的基本依据。机器人传感器的选择的一般要求： 精度高、重复性好； 稳定性和可靠性好； 抗干扰能力强； 重量轻、体积小、安装方便。4.3 内部传感器4.3.位移传感器按照位移的特征，可分为线位移和角位移。线位移是指机构沿着某一条直线运动的距离，角位移是指机构沿某一定点转动的角度。（1）电位器式位移传感器电位器式位移传感器由一个线绕电阻（或薄

3、膜电阻）和一个滑动触点组成。其中滑动触点通过机械装置受被检测量的控制。当被检测的位置量发生变化时，滑动触点也发生位移，从而改变了滑动触点与电位器各端之间的电阻值和输出电压值，根据这种输出电压值的变化，可以检测出机器人各关节的位置和位移量。如图4-1所示，在载有物体的工作台下面有同电阻的触头，当工作台左右移动时，接触触头也随之左右移动，从而改变了与电阻接触的位置。检测的是以电阻中心为基准位置的移动距离。假定输入电压为E，最大移动距离为L，在可动触头从中心向左端只移动x的状态时，电阻右侧的输出电压与电阻的长度成比例，也就是因此可移动的距离x为： （4-1） 把图中的电阻元件弯成弧形，可动触头的另一

4、端固定在圆的中心，并向时针那压扁那个回转时，电阻值随相应的回转角变化而变化，基于上述同样的理论可以构成角度传感器。如图4-2所示这种电位计由环状的电阻器和与其一边电气接触一边旋转的电刷共同组成。当电流沿电阻器流动时，形成电压分布。如果这个电压制作成与角度成比例的形式，则从电刷上提取出的电压值，也与角度成比例。（2）直线型感应同步器直线感应同步器的组成结构如图4-3所示。它由定尺和滑尺组成。定尺和滑尺间保证与一定的间隙，一般为0.25mm左右。在定尺上用铜箔制成单项均匀分布的平面连续绕组，滑尺上用铜箔制成平面分段绕组。绕组和基板之间有一厚度为0.1mm的绝缘层，在绕组的外面也有一层绝缘层，为了防

5、止静电感应，在滑尺的外边还粘贴一层铝箔。定尺固定在设备上不动，滑尺则可以再定尺表面来回移动。感应同步器的工作原理是基于电磁感应的原理，导体运动切割磁力线会产生感应电动势，处于交变磁场中的导体也会产生感应电动势。如果将一个通有交流电的单匝线圈，与另一个单匝线圈靠的很近，后者就会产生一个感应电动势。图4-5是感应感应同步器工作原理图。从图中可知，它由定尺和动尺组成，在定尺和动尺上有印刷绕组。定尺为单相绕组，相距，构成正弦、余弦绕组。当在动尺的某个绕组上加一个频率为的交流电压励磁时，定尺绕组就会产生感应电动势，感应电动势的大小与动、定绕组的相对位置有关。当动尺励磁组与定尺绕组对齐时（图中正弦绕组），

6、定尺上感应电动势感应电动势为正向最大；动尺相对定尺移动1/4节距后，两绕组的磁通不变，感应电动势为0；再移动1/4节距，两绕组反向对齐，感应电动势为负向最大。依次类推，动尺每移动一个节距，感应电动势大小周期性地重复变化一次。由于当正弦绕组和定尺绕组对齐时，余弦绕组则错开1/4节距，因此正、余弦绕组励磁后在定尺绕组中产生的感应电动势的相位是不同的，相位相差。当分别给动尺两绕组加频率和幅值相同、但相位相差的交流励磁电压，即同样可以证明，定尺绕组的感应电动势为： （4-2）式中与动尺位移x相对应的电角度，；动尺、定尺绕组的耦合系数。由此看出，根据定尺绕组感应电动势的相位就可以测定动尺的位移。（3）圆

7、形感应同步器圆形感应同步器的基本结构如图4-6所示。圆形感应同步器主要用于测量角位移。它由钉子和转子两部分组成。在转子上分布着连续绕组，绕组的导片是沿圆周的径向分布的。在定子上分布着两相扇形分段绕组。定子和转子的截面构造与直线型同步器是一样的，为了防止静电感应，在转子绕组的表面粘贴一层铝箔。4.3.2 角数字编码器角数字编码器又称码盘，它是测量轴角位置和位移的方法之一，它具有很高的精确度、分辨率和可靠性。根据监测方法不同，角数字编码器又可以分为光学式、磁场式和感应式。一般来说，普通型的分辨率能达到的程度，高精度型的编码器其分辨率可以达到的程度。1. 光学编码器光学编码器是一种应用广泛的角位移传

8、感器，其分辨率完全能够满足机器人的技术要求。这种非接触传感器可分为绝对型和增量型。对绝对型编码器，只要把电源加到用这种传感器的系统中，编码器就能给出实际的线性或旋转位置。因此，用绝对型编码器装备的机器人不需要校准，只要一通电，控制器就知道关节的位置。而增量型编码器只能提供与某基准点对应的位置信息。所以用增量型编码器的机器人在获得真实位置的信息以前，必须首先完成校准程序。2. 磁电感应式速度传感器磁电感应式速度传感器利用导体和磁场发生相对运动而产生感应电动势，是一种磁电能量变换型传感器。不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小且频率响应范围广，通常用于振动、转速、扭矩等测量。（4）绝对速度

9、传感器绝对速度传感器，图4-11为国产CD-1型绝对速度传感器的结构图。途中磁钢6借铝架5固定在壳体4内，并通过壳体形成磁回路。线圈2和阻尼环3安装在芯杆2上，芯杆用弹簧1和8支承在壳体内，构成传感器的活动部分。当传感器的壳体与振动物体一起振动时，如振动的频率较高，由于芯杆组件的质量很大，故产生的惯性力也大，可以阻止芯杆随壳体一起运动。当振动频率高到一定程度时，可以认为芯杆组件基本不动，只是壳体随被测物体振动。这时，线圈以物体的振动速度切割磁力线而在线圈两端产生感应电压。并且线圈输出的电压与线圈相对可替代运动速度成正比。当振动速度高到一定程度时，线圈与壳体的相对速度就是被测振动物体的绝对速度。

10、（5）测速发电机4.3.3 加速度传感器电动式速度传感器的结构如图4-14所示，它由轭铁。永久磁铁、线圈及支承弹簧所组成。由电磁感应定律可知，穿过线圈的磁通量随时间变化时，在线圈两端将产生与磁通量中减少速率成正比的电压U，可表示为：如果线圈沿着与磁场垂直的方向运动，在线圈中便可产生与线圈速度成正比的感应电压，通过测量电路测得其电压的大小，便可得出速度的大小。（2）压电式加速度传感器它也称为压电式加速度计，他是利用压电效应制成的一种加速度传感器。常见的结构形式有基于压电元件厚度变形的压缩式加速度传感器、基于压电元件剪切变形的剪切式和复合型加速度传感器。本节介绍压缩式加速度传感器，其工作原理如图4

11、-15所示。它主要由压电元件4、质量块3.预压弹簧2、基座6及外壳1等部分组成。压电元件置于基座上用弹簧将压电块压紧。测量加速度时，由于被测物体与传感器固定在一起，所以当被测物体做加速度运动时，压电元件也就受到质量块由于加速运动而产生的与加速度成正比的惯性力F，压电元件由于压电效应的原因而产生电荷q，由牛顿第二定律知: F=ma由于q=dijF 所以q=dijma dij压电系数压缩式传感器输出的电压为U=q/C若传感器中电容C不变，则有 U= dijma/C由上可知，输出电压U是加速度a的函数，测得输出电压U就可以知道a的大小。4.4机器人外部传感器4.4.1 力或力矩传感器机器人在工作时，

12、需要有合理的握力，握力太小或太大都不合适。力或力矩传感器的种类很多，有电阻应变片式、压电式、电容式、电感式以及各种外力传感器。力或力矩传感器通过弹性敏感元件将被测力或力矩转换成某种位移量或变形量，然后通过各自的敏感介质把位移量或变形量转换成能够输出的电量。机器人常用的力传感器分以下三类。i. 装在关节驱动器上的力传感器，称为关节传感器。它测量驱动器本身的输出力和力矩。用于控制中力的反馈。ii. 装在末端执行器和机器人最有一个关节之间的力传感器，称为腕力传感器。它直接测出作用在末端执行器上的力和力矩。iii. 装在机器人手爪指（关节）上的力传感器，称为指力传感器，它用来测量夹持物体时的受力情况。

13、图4-16所示是20世纪70年代美国斯坦福大学研制的机器人用六维力和力矩传感器。这种传感器的力和力矩敏感元件是应变片，装在铝制筒体上，筒体由8个简支梁（弹性梁）支持。由于机器人各个杆件通过关节连接在一起，运动时各杆件相互联动，所以单个杆件的受力情况非常复杂。但是根据刚体力学知道，刚体上每个点的力都可以表示为笛卡尔坐标系三个坐标轴的分力和绕坐标轴的分力矩，就能计算出合力。在图4-16所示的力和力矩传感器上，8个梁中有4个水平梁和4个垂直梁，每个梁发生的应变集中在梁的一端，把应变片贴在应变最大处就可以测出一个力。设8个弹性梁测出的应变为机器人杆件某点的力与用力和力矩测出的8个应变关系为：F被测点在

14、笛卡尔坐标空间中的受力矩阵kij比例系数（i=16，j=18）4.4.2 触觉传感器人的触觉包括接触觉、压觉、力觉、冷热觉、滑动觉、痛觉等。在机器人中，使用触觉传感器主要有三方面的作用：i. 使操作动作使用，如感知手指同对象物之间的作用力，便可判定动作是否适当，还可以用这种力作为反馈信号，通过调整，使给定的作业程序实现灵活的动作控制。这一作用是视觉无法代替的。ii. 识别操作对象的属性，如规格、质量、硬度等，有时可以代替视觉进行一定程度的形状识别，在视觉无法使用的场合尤为重要。iii. 用以躲避危险、障碍物等以防事故，相当于人的痛觉。如图4-17所示，触头安装在机器人的手指上，用来判断工作中各

15、种状况。用接近觉可感知物体在附近，手臂减慢速度接近物体；用压觉控制握力。如果物件较重，则靠滑觉来检测滑动，修正设定的握力来滑动；靠力觉控制与被测物体重量和转矩相应的力，或举起或移动物体，另外，力觉在旋紧螺母、轴与孔的嵌入等装配工作中也有广泛的应用。图4-18所示为一些典型的触觉传感器，其中（a）所示为平板上安装着多点通断的感觉附着板装置。这一传感器平常为通态，当与物体接触时，弹簧收缩，上、下板间电流断开。它的功能相当于一开关，即输出0或1两种信号。可以用于控制机械手的运动方向和范围、躲避障碍物等。（b）所示为采用海绵中含碳的压敏电阻传感器，每个元件呈圆筒状。上下有电极，元件周围用海绵包围。其触

16、觉的工作原理是：元件上加压力时，电极间隔缩小，从而使电极间的电阻值发生变化。（c）所示是使用压敏导电橡胶的触觉结构。采用压敏橡胶的触觉，与其他元件相比，其元件可以减薄。其中可按装高密度的触觉传感器。另外，因为元件本身有弹性，所以，在实用与封装方面都有许多优点。可是，由于导电橡胶有磁滞与相应延迟，接触电阻的阻差也大，因此，要想获得实际的应用，还必须做更大的努力。（d）所示为能进行高敏度触觉封装的触觉元件。在接点与赋有导电性的石墨之间留一定间隙，加外力时，碳纤维纸与氨基甲酸乙酯泡沫产生如图所示的变形，接点与碳纤维纸之间形成导通状态，触觉的复原力是由富有弹性与绝缘性的海绵体氨基甲酸乙酯造成的。这种触

17、觉，以极小的力工作，能进行高密度的封装。（e）（i）为采用斯坦福研究所研制的导电橡胶制成的触觉传感器。这种传感器与以往的传感器一样，都是利用两个电极的接触。其中图4-18（f）触觉部分，有相当于人的头发突起，一旦物体与突起接触，它就会变形，夹住绝缘体的上下金属称为导通的结构。这是以往的传感器所不具备的功能。（j）所示的触觉传感器原理为：与手指接触进行实际操作时，触觉中除与接触面垂直的作用力外，还有平行的滑动作用力。人们以提高触觉传感器接触压力灵敏度作为研制这种传感器的主要目的。用铍青铜箔覆盖手指表面，通过它与手指间或者手指与绝缘体之间的导通来检测触觉。4.4.3 接近觉传感器接近觉是指机器人能

18、感觉到距离几毫米到十几厘米远的对象物或障碍物，能检测出物体的距离、相对倾角或对象物表面的性质。这就是非接触式感觉。（1）电磁接近式传感器电磁接近式传感器是利用当线圈与某一金属物接近时会产生磁场的原理，这个磁场接近金属物时，会在金属物中产生感应电流，也就是涡流。涡流大小随对象物体表面和线圈距离的大小而变化，这个变化反过来又影响线圈内磁场的强度。磁场强度可用另一组线圈检测出来，也可以根据励磁线圈本身电感的变化或励磁电流的变化来检测。这种传感器精度较高，在工业中应用广泛。（2）电容式接近觉传感器电容式接近觉传感器的工作原理可用下式说明： （4-22）极板面积极板间距离 相对介电常数真空介电常数电极板

19、间介质的介电常数由式（4-22）可知电容的变化反映了极板间“距离的变化”即反应了传感器表面与对象物体表面间距离的变化。将这个电容接在电桥电路中，或者把它当做RC振荡器中的元件，都可检测出距离。（3）超声波传感器超声波传感器一般采用双压电陶瓷片制成。在压电陶瓷片上加有大小和方向不断变化的交流电压时，压电陶瓷晶片就会产生机械变形，这种机械变形的大小和方向与外加电压的大小和方向成正比。也就是说，在压电陶瓷片上加有频率为的交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种振动推动空气等媒质就会发出声波。如果在压电陶瓷片上有超声机械波的作用，这将产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的。机械变形使压电陶瓷

20、晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便地改变其固有频率，利用这一特性可制成各种频率的超声波传感器。超声波传感器的外形与结构如图4-24所示。超声波传感器由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成。其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波的能量集中，并使传感器有一定的指向角。金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损害，同时金属网不影响发射与接收超声波。4.4.4 滑觉传感器机器人要抓住属性未知的物体时，必须确定自己最适当的握力目标值，因此需检测出握力不够时所产生的物体滑动。利用这一

21、信号，在不损坏物体的情况下，牢牢抓住物体。为此目地设计的滑动检测器，叫做滑觉传感器。检测滑动的方法有以下几种:i. 根据滑动时产生的振动检测，如图4-25（a）所示。ii. 把滑动的位移变成转动，检测其角位移，如图4-25（b）所示。iii. 根据滑动时手指与对象物体间动静摩擦力来检测，4-25（c）所示。iv. 根据手指压力分布的改变来检测，4-25（d）所示。图4-26所示是一种测振式滑觉传感器。传感器尖端用一个的钢球接触被握物体，振动通过杠杆传向磁铁，磁铁的振动在线圈中感应电流并输出。在传感器中设有橡胶阻尼圈和油阻尼器。滑动信号能清楚地从噪声中分离出来。但其检测头需要直接与对象物接触，在

22、握持类似于圆柱体的对象物时，就必须准确选择握持位置，否则就不能起到检测滑觉的作用；而其接触为点接触，可能因造成接触压力过大而损坏对象表面。图4-27所示的柱型滚轮式滑觉传感器比较实用。小型滑轮安装在机器人手指上，其表面稍突出于手指表面，使物体的滑动变成滚动。滚轮表面贴有高摩擦因数的弹性物质，一般用橡胶薄膜。也弄个板型弹簧将滚轮固定，可以使滚轮与物体紧密接触，并使滚轮不产生纵向位移，滚轮内部装有发光二极管和光电三极管，通过圆盘形光栅把光信号转变为脉冲信号。滚轮式传感器只能检测一个方向的滑动。图4-28所示为南斯拉夫贝尔格莱德大学研制的机器人专用滑觉传感器。它由一个金属球和触针组成，金属表面分成许

23、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移速度，脉冲信号的个数对应滑移的距离。接触器触头面积小于球面上露出的导体面积，它不仅可做的很小，而且提高了检测灵敏度。球与被握物体相接触，无论滑动方向如何，只要球一转动，传感器就会产生脉冲输出。该球体在冲击力作用下不转动，因此抗干扰能力强。4.4.5 视觉传感器每个人都能体会到，眼睛对人来说多么重要。有研究表明，视觉获得的信息占人对外界感知信息的80%。人类视觉细胞数量的数量级大约为106，时听觉细胞的300多倍，时皮肤感觉细胞的100多倍。人工视觉系统可以

24、分为图像输入（获取）、图像处理、图像理解、图像存储和图像输出几个部分，如图4-31所示。实际系统可以根据需要选择其中的若干部件。4.4.5.1 图像的获取图像的获取实际上是将被测物体的可视化图像和内在特征转换成能被计算机处理的一系列数据、它主要由照明、图像聚焦成像、图像处理形成输出信号三部分组成。 照明 是影响机器视觉系统输入的主重要因素，因为它直接影响输入数据的质量和至少30%的应用效果。由于没有通用的机器视觉照明设备，所有选择相应的照明装置，以达到最佳效果。 图像成像聚焦 被测物的图像通过一个透镜聚焦在敏感元件上，机器视觉系统使用传感器来捕捉图像，传感器可将可视化图像转化为电信号，便于计算

25、机处理。 图像处理形成输出信号 机器视觉系统实际上是一个光电转换装置，即将传感器所收到的透镜成像，转化为计算机能处理的电信号。近年来开发了CCD（电荷耦合器件）和MOS（金属氧化物半导体器件）等组成的固体视觉传感器。4.4.5.2 图像处理技术机器视觉系统中，视觉信息的处理技术主要依赖于图像处理方法，它包括图像增强、数据编码和传输、平滑、边缘锐化、分割、特征抽取、图像识别与理解等内容。经过这些处理后，输出图像的质量得到相当程度的改善，既改善了图像的数据效果，又便于计算机对图像进行分析、处理和识别。 图像的增强 图像的增强用于调整图像的对比度，突出图像中的重要细节，改善视觉质量。通常采用灰度直方

26、图修改技术进行图像增强。 图像的平滑 图像的平滑处理技术即图像的去噪声处理，主要是为了去除实际成像过程中，因成像设备和环境所造成的图像失真，提取有用信息。 图像的数据编码和传输 图像的信息量巨大，因此图像在传输过程中，对图像数据的压缩显得十分重要，数据的压缩主要通过图像数据的编码和变换压缩完成。图像的编码一般用预测公式表示，如果知道了某一像素的前面各相邻像素值之后，可以用公式预测该像素值。采用预测码，一般只需传输图像数据的起始值和预测误差，因此可将8bit/像素压缩到2bit/像素。 边缘锐化 图像边缘锐化处理主要是加强图像中的轮廓边缘和细节，形成完整的物体边界，达到将物体从图像中分离出来或将

27、表示同一物体表面的区域检测出来的目的。 图像的分割 图像分割时将图像分成若干份，每一部分对应于某一物体的表面。在进行分割时，每一部分的灰度或纹理符合某一种均匀测度度量。其本质是将像素分类。分类的依据是像素的灰度值、颜色、频谱特性、空间特性或纹理特征等。4.4.5.3 图像的识别图像的识别过程实际上可以看做是一个标记过程，即利用识别算法来辨别景物中已分割好的各个物体，给这些物体赋予特定的标记，它是机器视觉系统必须完成的一个任务。按照图像识别从易到难，可分为三类问题。第一类识别问题中，图形中的像素表达来某一物体的某种特定信息。如遥感图像中的某一像素代表地面某一位置第五的一定光谱波段的反射特性，通过

28、它即可判别该地物的种类。第二类问题中，待识别物体是有形的整体，二维图像信息已经足够识别该物体，如文字识别、某些具有稳定可视表面的三维物体识别等。第三类问题是由输入的二维图、要素图等，得出被测物体的三维表示。4.4.4.5 固体电荷耦合成像器件（CCD）4.4.6 听觉传感器智能机器人在为人类服务的时候，需要能听懂主人的吩咐，需要给机器人安装耳朵，首先分析人耳的构造。声音是由不同频率的机械振动波组成，外界声音使外耳鼓产生振动，中耳将这种振动放大、压缩和限幅、并抑制噪声。经过处理的声音传送到中耳的听小骨，再通过卵圆窗传到内耳耳蜗，由柯蒂氏器、神经纤维进入大脑。内耳耳蜗充满液体，其中有30000各长度不同的纤维组成的基底膜，它是一个共鸣器。长度不同的纤维能听到不同频率的声音，因此内耳相当于一个声音分析器。智能机器人的耳朵首先要具有接受声音信号的器官，其次还需要语音识别系统。 在机器人中常用的声音传感器主要有动圈式传感器