第3章传感器在机器人上的应用

第3章传感器在机器人上的应用v3.1机器人常用传感器简介v3.2机器人的要求与选择v3.3常用机器人内部传感器v3.4常用机器人外部传感器v3.5多传感器信息融合3.1 3.1 机器人常用传感器简介机器人常用传感器简介3.1.1 机器人需要的感觉能力机器人需要的感觉能力1、触觉能力、触觉能力 触觉是智能机器人实现与外界环境直接作用的必需媒介，是仅次于视触觉是智能机器人实现与外界环境直接作用的必需媒介，是仅次于视觉的一种重要感知形式。作为视觉的补充，触觉能感知目标物体的表面觉的一种重要感知形式。作为视觉的补充，触觉能感知目标物体的表面性能和物理特性：柔软性、硬度、弹性、粗糙度和导热性等。触觉能保性能和物理特性：柔软性、硬度、弹性、粗糙度和导热性等。触觉能保证机器人可靠地抓住各种物体，也能使机器人获取环境信息，识别物体证机器人可靠地抓住各种物体，也能使机器人获取环境信息，识别物体形状和表面的纹路，确定物体空间位置和姿态参数等形状和表面的纹路，确定物体空间位置和姿态参数等。检测感知和外部直接接触而产生的接触觉、压觉、滑觉等传感器称为检测感知和外部直接接触而产生的接触觉、压觉、滑觉等传感器称为机器人触觉传感器。机器人触觉传感器。1）接触觉传感器）接触觉传感器 2）压觉传感器）压觉传感器 3）滑觉传感器）滑觉传感器 2 2、力觉能力、力觉能力 力觉传感器是机器人最基本，最重要的一种，也是发展比较成熟的传感力觉传感器是机器人最基本，最重要的一种，也是发展比较成熟的传感器。没有力传感器，机器人就不能获取它与外界环境之间的相互作用力，器。没有力传感器，机器人就不能获取它与外界环境之间的相互作用力，从而难以完成机器人在环境约束下的各种作业。从而难以完成机器人在环境约束下的各种作业。3 3、接近觉能力、接近觉能力 接近觉传感器是机器人用来控制自身与周围物体之间的相对位置或距离接近觉传感器是机器人用来控制自身与周围物体之间的相对位置或距离的传感器。用来探测在一定距离范围内是否有物体接近、物体的接近距离的传感器。用来探测在一定距离范围内是否有物体接近、物体的接近距离和对象的表面形状及倾斜等状态。它一般都装在机器人手部，起两方面作和对象的表面形状及倾斜等状态。它一般都装在机器人手部，起两方面作用。接近觉一般用非接触式测量元件，如用。接近觉一般用非接触式测量元件，如霍尔效应传感器霍尔效应传感器、电磁式接电磁式接近开关、光学接近传感器和超声波式近开关、光学接近传感器和超声波式。4 4、视觉能力、视觉能力视觉信息可分为图形信息、立体信息、空间信息和运动信息视觉信息可分为图形信息、立体信息、空间信息和运动信息 视觉传感器获取的信息量要比其它传感器获取的信息量多得多视觉传感器获取的信息量要比其它传感器获取的信息量多得多 视觉传感器把光学图像转换为电信号视觉传感器把光学图像转换为电信号 视觉传感器摄取的图像经空间采样和模数转换后变成一个灰度矩阵，送入计算机视觉传感器摄取的图像经空间采样和模数转换后变成一个灰度矩阵，送入计算机存储器中，形成数字图像存储器中，形成数字图像 5 5、听觉能力、听觉能力 （1）特定人的语音识别系统特定人的语音识别系统 （2）非特定人的语音识别系统非特定人的语音识别系统6 6、嗅觉能力、嗅觉能力 主要采用了三种方法来实现机器人嗅觉功能：主要采用了三种方法来实现机器人嗅觉功能：在机器人上安装单个或多个气体传感器，再配置相应处理电路来实现嗅在机器人上安装单个或多个气体传感器，再配置相应处理电路来实现嗅觉功能。觉功能。研究者自行研制简易的嗅觉装置研究者自行研制简易的嗅觉装置 采用商业的电子鼻产品，如采用商业的电子鼻产品，如A Loutfi用机器人进行的气味识别研究。用机器人进行的气味识别研究。3.1.2 机器人传感器分类机器人传感器分类1、内部传感器、内部传感器 内部传感器是用于测量机器人自身状态的功能元件。具体检测的对内部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、加速度、角速度等运动量；象有关节的线位移、角位移等几何量；速度、加速度、角速度等运动量；还要倾斜角和振动等物理量还要倾斜角和振动等物理量。2、外部传感器、外部传感器 用来检测机器人所处环境及状况的传感器。一般与机器人的目标识用来检测机器人所处环境及状况的传感器。一般与机器人的目标识别和作业安全等因素有关。具体有触觉传感器、视觉传感器、接近觉传别和作业安全等因素有关。具体有触觉传感器、视觉传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。感器、距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。传感器分类传感器分类3.2 3.2 机器人传感器的要求与选择机器人传感器的要求与选择 3.2.2 3.2.2 选择机器人传感器应考虑的因素选择机器人传感器应考虑的因素3.2.1 3.2.1 机器人与传感器的关系机器人与传感器的关系 传感器处于连接外界环境与机器人的接口位置，是机器人传感器处于连接外界环境与机器人的接口位置，是机器人获取信息的窗口获取信息的窗口。用传感器采集信息是机器人智能化的第一。用传感器采集信息是机器人智能化的第一步；其次，如何采取适当的方法，将多个传感器获取的环境步；其次，如何采取适当的方法，将多个传感器获取的环境信息加以综合处理，控制机器人进行智能作业，则是提高机信息加以综合处理，控制机器人进行智能作业，则是提高机器人智能程度的重要体现。器人智能程度的重要体现。1 成本成本 2 重量重量 3 尺尺 4 输出类型输出类型 5 接口接口 6 分辨率分辨率 7 灵敏度灵敏度 8 线性度线性度 9 量程量程 10 响应时间响应时间 11 可靠性可靠性 12 精度和重复精度精度和重复精度3.3 3.3 常用机器人内部传感器常用机器人内部传感器3.3.1 机器人的位置检测传感器机器人的位置检测传感器v1）检测规定的位置，常用）检测规定的位置，常用ON/OFF两个状态值。这种方两个状态值。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。给定位置检测常用的检测元件有微型开关、光电开关置。给定位置检测常用的检测元件有微型开关、光电开关等。规定的位移量或力作用在微型开关的可动部分上，开等。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。发出动作信号。v2）测量可变位置和角度，即测量机器人关节线位移和角）测量可变位置和角度，即测量机器人关节线位移和角位移的传感器是机器人位置反馈控制中必不可少的元件。位移的传感器是机器人位置反馈控制中必不可少的元件。常用的有电位器、旋转变压器、编码器等。其中编码器既常用的有电位器、旋转变压器、编码器等。其中编码器既可以检测直线位移，又可以检测角位移。可以检测直线位移，又可以检测角位移。1.光电开关光电开关 光电开关是由光电开关是由LED光源和光电二极管或光电三极管等光敏元件，相隔光源和光电二极管或光电三极管等光敏元件，相隔一定距离而构成的透光式开关。光电开关的特点是非接触检测，精度可达一定距离而构成的透光式开关。光电开关的特点是非接触检测，精度可达到到0.5mm左右左右。（1）漫反射式光电开关）漫反射式光电开关 （2）镜反射式光电开关）镜反射式光电开关（3）对射式光电开关）对射式光电开关 （4）槽式光电开关）槽式光电开关（5）光纤式光电开关）光纤式光电开关几种光纤式光电开关几种光纤式光电开关2.编码器编码器 编码器可分为光电式、磁场式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形编码器可分为光电式、磁场式、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。其中光电式编码器最常用。式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。其中光电式编码器最常用。光电编码器分为光电编码器分为绝对式绝对式和和增量式增量式两种类型。两种类型。增量式光电编码器增量式光电编码器：结构简单、体积小、价格低、精度高、响应速度快、性能：结构简单、体积小、价格低、精度高、响应速度快、性能稳定等优点稳定等优点,应用更为广泛，特别是在高分辨率和大量程角速率应用更为广泛，特别是在高分辨率和大量程角速率/位移测量系统中，增位移测量系统中，增量式光电编码器更具优越性量式光电编码器更具优越性 光电式增量编码器结构图光电式增量编码器结构图 光电编码器的输出波形图光电编码器的输出波形图 3.旋转变压器旋转变压器3.3.2 机器人速度、角速度传感器机器人速度、角速度传感器1编码器编码器 如果用编码器测量位移，那么就没有必要再单独使用速度传感器。对任意如果用编码器测量位移，那么就没有必要再单独使用速度传感器。对任意给定的角位移，编码器将产生确定数量的脉冲信号，通过统计指定时间给定的角位移，编码器将产生确定数量的脉冲信号，通过统计指定时间(dt)内内脉冲信号的数量，就能计算出相应的角速度。脉冲信号的数量，就能计算出相应的角速度。Dt越短，得到的速度值就越准越短，得到的速度值就越准确，越接近实际的瞬时速度。但是，如果编码器的转动很缓慢，则测得的速确，越接近实际的瞬时速度。但是，如果编码器的转动很缓慢，则测得的速度可能会变的不准确。通过对控制器的编程，将指定时间内脉冲信号的个数度可能会变的不准确。通过对控制器的编程，将指定时间内脉冲信号的个数转化为速度信息就可以计算出速度。转化为速度信息就可以计算出速度。2.测速发电机测速发电机 测速发电机是一种把输入的转速信号转换成输出的电压信号的机电式信号测速发电机是一种把输入的转速信号转换成输出的电压信号的机电式信号元件，它可以作为测速、校正和解算元件，广泛应用于机器人的关节速度测元件，它可以作为测速、校正和解算元件，广泛应用于机器人的关节速度测量中。量中。机器人对测速发电机的性能要求：机器人对测速发电机的性能要求：1）输出电压与转速之间有严格的正比关系。）输出电压与转速之间有严格的正比关系。2）输出电压的脉动要尽可能小。）输出电压的脉动要尽可能小。3）温度变化对输出电压的影响要小。）温度变化对输出电压的影响要小。4）在一定转速时所产生的电动势及电压应尽可能大。）在一定转速时所产生的电动势及电压应尽可能大。5）正反转时输出电压应对称。）正反转时输出电压应对称。测速发电机主要可分为直流测速发电机和交流测速发电机测速发电机主要可分为直流测速发电机和交流测速发电机（1）直流测速发电机）直流测速发电机 有永磁式和电磁式两种。其结构与直流发电机相近。永磁式采用高性能永有永磁式和电磁式两种。其结构与直流发电机相近。永磁式采用高性能永久磁钢励磁，受温度变化的影响较小久磁钢励磁，受温度变化的影响较小,输出变化小，斜率高输出变化小，斜率高,线性误差小。这种电线性误差小。这种电机在机在80年代因新型永磁材料的出现而发展较快。电磁式采用他励式，不仅复杂年代因新型永磁材料的出现而发展较快。电磁式采用他励式，不仅复杂且因励磁受电源、环境等因素的影响，输出电压变化较大，用得不多。如图为且因励磁受电源、环境等因素的影响，输出电压变化较大，用得不多。如图为直流测速发电机基本结构图。直流测速发电机基本结构图。a)电磁式电磁式 b)永磁式永磁式（2）交流测速发电机）交流测速发电机 交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机。根据转子的结构型式，异步测速发电机又可分为笼型转子异步测速发电根据转子的结构型式，异步测速发电机又可分为笼型转子异步测速发电机和杯型转子异步测速发电机，前者结构简单，输出特性斜率大，但特性差，机和杯型转子异步测速发电机，前者结构简单，输出特性斜率大，但特性差，误差大，转子惯量大，一般仅用于精度要求不高的系统中；后者转子采用非误差大，转子惯量大，一般仅用于精度要求不高的系统中；后者转子采用非磁性空心杯，转子惯量小，精度高，是目前应用最广泛的一种交流测速发电磁性空心杯，转子惯量小，精度高，是目前应用最广泛的一种交流测速发电机。机。1杯型结构杯型结构 2外定子外定子 3内定子内定子 4机壳机壳 5端盖端盖 杯型转子异步测速发电机基本结构杯型转子异步测速发电机基本结构位置信号中噪音较小位置信号中噪音较小 位置信号应尽可能的连续位置信号应尽可能的连续 3、位置信号微分、位置信号微分3.4 3.4 常用机器人外部传感器常用机器人外部传感器3.4.1 机器人接触觉传感器机器人接触觉传感器 机器人接触觉传感器用来判断机器人是否接触物体的测量传感器。传机器人接触觉传感器用来判断机器人是否接触物体的测量传感器。传感器输出信号常为感器输出信号常为0或或1，最经济适用的形式是各种微动开关。常用的微动，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。等特点。简单的接触式传感器以阵列形式排列组合成触觉传感器，它以特定次简单的接触式传感器以阵列形式排列组合成触觉传感器，它以特定次序向控制器发送接触和形状信息。如图所示序向控制器发送接触和形状信息。如图所示 当有力作用在聚合物上时，力就会被当有力作用在聚合物上时，力就会被传给周围的一些传感器，这些传感器会产传给周围的一些传感器，这些传感器会产生与所受力成正比的信号。对于分辨率要生与所受力成正比的信号。对于分辨率要求较低的场合，使用这些传感器会产生令求较低的场合，使用这些传感器会产生令人满意的效果人满意的效果。类皮肤触觉传感器类皮肤触觉传感器 接触觉传感器可提供的物体信息接触觉传感器可提供的物体信息 3.4.2 接近觉传感器接近觉传感器1电磁式接近传感器电磁式接近传感器 如图所示为电磁式接近传感器。加有如图所示为电磁式接近传感器。加有高频信号高频信号is的励磁线圈的励磁线圈 L产生的高频电磁场产生的高频电磁场作用于金属板，在其中产生涡流，该涡流作用于金属板，在其中产生涡流，该涡流反作用于线圈。通过检测线圈的输出可反反作用于线圈。通过检测线圈的输出可反映出传感器与被接近金属间的距离。映出传感器与被接近金属间的距离。2光学接近传感器光学接近传感器 光学接近觉传感器由用做发射器的光源和接收器两部分组成，光源可在内部，光学接近觉传感器由用做发射器的光源和接收器两部分组成，光源可在内部，也可在外部，接收器能够感知光线的有无。也可在外部，接收器能够感知光线的有无。发射器及接受器的发射器及接受器的配置准则配置准则是：是：发射器发出的光只有在物体接近时才能被发射器发出的光只有在物体接近时才能被接收器接收。除非能反射光的物体处在传感器作用范围内，否则接收器就接接收器接收。除非能反射光的物体处在传感器作用范围内，否则接收器就接受不到光线，也就不能产生信号受不到光线，也就不能产生信号。3超声波接近觉传感器超声波接近觉传感器 超声波传感器有两种工作模式，即对置模式和回波模式。下图为超声波接近觉超声波传感器有两种工作模式，即对置模式和回波模式。下图为超声波接近觉传感器原理图。传感器原理图。4感应式接近觉传感器感应式接近觉传感器 感应式接近觉传感器用于检测金属表面。这种传感器其实就是一个带有铁氧感应式接近觉传感器用于检测金属表面。这种传感器其实就是一个带有铁氧体磁心、振荡器体磁心、振荡器检测器和固态开关的线圈。检测器和固态开关的线圈。5电容式接近容式接近觉传感器感器利用利用电容量的容量的变化化产生接近生接近觉。电容接近容接近觉传感器如感器如图所示。其本身作所示。其本身作为一一个极板，被接近物作个极板，被接近物作为另一个极板。将另一个极板。将该电容接入容接入电桥电路或路或RCRC振振荡电路，利路，利用用电容极板距离的容极板距离的变化化产生生电容的容的变化，可化，可检测出与被接近物的距离。出与被接近物的距离。电容式容式接近接近觉传感器具有感器具有对物体的物体的颜色、构造和表面都不敏感且色、构造和表面都不敏感且实时性好的性好的优点。点。6.涡流接近觉传感器涡流接近觉传感器 涡流：当导体放置在变化的磁场中时，内部就会产生电动势，导体中就会有电涡流：当导体放置在变化的磁场中时，内部就会产生电动势，导体中就会有电流流过，这种电流称为涡流。流流过，这种电流称为涡流。涡流传感器具有两个线圈，第一个线圈产生作为参考用的变化磁通，在有导电涡流传感器具有两个线圈，第一个线圈产生作为参考用的变化磁通，在有导电材料接近时，其中将会感应出涡流，感应出的涡流又会产生与第一个线圈反向的磁通材料接近时，其中将会感应出涡流，感应出的涡流又会产生与第一个线圈反向的磁通使总的磁通减少。总磁通的变化与导电材料的接近程度成正比，它可由第二组线圈检使总的磁通减少。总磁通的变化与导电材料的接近程度成正比，它可由第二组线圈检测出来。涡流传感器不仅能检测是否有导电材料，而且能够对材料的空隙、裂缝、厚测出来。涡流传感器不仅能检测是否有导电材料，而且能够对材料的空隙、裂缝、厚度等进行非破坏性检测。度等进行非破坏性检测。7.霍尔式传感器霍尔式传感器 当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体 3.4.3 测距仪测距仪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的形状，并且用于向系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的形状，并且用于向系统提供早期信息。测距仪一般是基于光（可见光、红外光或激光）和超声波的。常用的统提供早期信息。测距仪一般是基于光（可见光、红外光或激光）和超声波的。常用的测量方法是三角法和测量传输时间法测量方法是三角法和测量传输时间法。1.1.三角法三角法三角法三角法用单束光线照射物体，会在物体上形成一用单束光线照射物体，会在物体上形成一个光斑，形成的光斑用摄像机或光敏三极管个光斑，形成的光斑用摄像机或光敏三极管等接收器接受。距离或深度可根据接收器，等接收器接受。距离或深度可根据接收器，光源及物体上的光斑所形成的三角形计算。光源及物体上的光斑所形成的三角形计算。如图所示从图如图所示从图a可以清楚地看出：物体、可以清楚地看出：物体、光源和接收器之间的布局只在某一瞬间能使光源和接收器之间的布局只在某一瞬间能使接收器接收到光斑，此时距离接收器接收到光斑，此时距离d可依下式计可依下式计算算。2.测量传输时间法测量传输时间法 信号传输的距离包括从发射器到物体和被物体反射到接收器两部分。传感器与物信号传输的距离包括从发射器到物体和被物体反射到接收器两部分。传感器与物体之间的距离是信号行进距离的一半，知道了传播速度，通过测量信号的往返时间即可体之间的距离是信号行进距离的一半，知道了传播速度，通过测量信号的往返时间即可算出距离。算出距离。3.4.4 超声波测距仪超声波测距仪1、优点、优点超声波系统结构坚固、简单、廉价并且能耗低，可以很容易地用于摄像机调焦、超声波系统结构坚固、简单、廉价并且能耗低，可以很容易地用于摄像机调焦、运动探测报警、机器人导航和测距。运动探测报警、机器人导航和测距。2、缺点、缺点分辨率和最大工作距离受到限制，分辨率的限制是来自声波的波长、传输介质分辨率和最大工作距离受到限制，分辨率的限制是来自声波的波长、传输介质中的温度和传播速度的不一致。最大距离的限制来自于介质对超声波能量的吸收。中的温度和传播速度的不一致。最大距离的限制来自于介质对超声波能量的吸收。3、工作原理、工作原理绝大部分的超声波测距设备采用测量时间的方法进行测距。工作原理是，发射绝大部分的超声波测距设备采用测量时间的方法进行测距。工作原理是，发射器发射高频超声波脉冲，它在介质中型近一段距离，遇到障碍物后返回，由接收器器发射高频超声波脉冲，它在介质中型近一段距离，遇到障碍物后返回，由接收器接收，发射器和物体之间的距离等于超声波行进距离的一半，行进距离则等于传输接收，发射器和物体之间的距离等于超声波行进距离的一半，行进距离则等于传输时间与声速的乘积时间与声速的乘积。4、测量精度、测量精度测量精度不仅与信号的波长有关，还与时间测量精度和声速精度有关。超声波测量精度不仅与信号的波长有关，还与时间测量精度和声速精度有关。超声波在介质中的传播速度与声波的频率、介质密度及介质温度有关。在介质中的传播速度与声波的频率、介质密度及介质温度有关。3.4.5 红外测距仪红外测距仪1、定义、定义 红外线是介于可见光和微波之间的一种电磁波，因此，它不仅具有可见光红外线是介于可见光和微波之间的一种电磁波，因此，它不仅具有可见光直线传播、反射、折射等特性，还具有微波的某些特性，如较强的穿透能力和直线传播、反射、折射等特性，还具有微波的某些特性，如较强的穿透能力和能贯穿某些不透明物质等。红外传感器包括红外发射器件和红外接收器件。自能贯穿某些不透明物质等。红外传感器包括红外发射器件和红外接收器件。自然界的所有物体只要温度高于绝对零度都会辐射红外线，因而，红外传感器须然界的所有物体只要温度高于绝对零度都会辐射红外线，因而，红外传感器须具有更强的发射和接收能力。具有更强的发射和接收能力。2、原理、原理 红外测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原红外测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测。红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二理，进行障碍物远近的检测。红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之红外的检测方向遇到障碍物时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到机器人主机，机器人即可利用红外的返回信号后，通过数字传感器接口返回到机器人主机，机器人即可利用红外的返回信号来识别周围环境的变化。来识别周围环境的变化。3.4.6 机器人姿态传感器机器人姿态传感器1、定义、定义 姿态传感器时用来检测机器人与地面相对关系的传感器姿态传感器时用来检测机器人与地面相对关系的传感器，一般用在移动机器，一般用在移动机器人上。人上。2、陀螺仪、陀螺仪 典型的姿态传感器是陀螺仪，陀螺仪是典型的姿态传感器是陀螺仪，陀螺仪是一种传感器，它利用高速旋转物体（转子）一种传感器，它利用高速旋转物体（转子）经常保持其一定姿态的性质。转子通过一个经常保持其一定姿态的性质。转子通过一个支撑它的，被称为万向接头的自由支持机构，支撑它的，被称为万向接头的自由支持机构，安装在机器人上。如图所示为一个速率陀螺安装在机器人上。如图所示为一个速率陀螺仪原理图。机器人围绕着输入轴以角速度转仪原理图。机器人围绕着输入轴以角速度转动时，与输入轴正交的输出轴仅转过角度。动时，与输入轴正交的输出轴仅转过角度。在速率陀螺仪中，加装了弹簧。缷掉这个弹在速率陀螺仪中，加装了弹簧。缷掉这个弹簧后的陀螺仪，称为速率积分陀螺仪，此时簧后的陀螺仪，称为速率积分陀螺仪，此时输出轴以角速度旋转，且此角速度与围绕输输出轴以角速度旋转，且此角速度与围绕输入轴的旋转角速度成正比。入轴的旋转角速度成正比。速率陀螺仪原理图速率陀螺仪原理图 3.4.6 机器人姿态传感器机器人姿态传感器 姿态传感器设置在机器人的躯干部分，它用来姿态传感器设置在机器人的躯干部分，它用来检测移动中的姿态和方位变化，保持机器人的正确检测移动中的姿态和方位变化，保持机器人的正确姿态，并且实现指令要求的方位。姿态，并且实现指令要求的方位。除此以外，还有气体速率陀螺仪、光陀螺仪，除此以外，还有气体速率陀螺仪、光陀螺仪，前者利用了姿态变化时，气流也发生变化这一现象；前者利用了姿态变化时，气流也发生变化这一现象；后者则利用了当环路状光径相对于惯性空间旋转时，后者则利用了当环路状光径相对于惯性空间旋转时，沿这种光径传播的光，会因向右旋转而呈现速度变沿这种光径传播的光，会因向右旋转而呈现速度变化的现象。化的现象。3.4.7 机器人力觉传感器机器人力觉传感器1、定义、定义 力觉是指对机器人的指、肢和关节等运动中所受力的感知，用于感知夹持物力觉是指对机器人的指、肢和关节等运动中所受力的感知，用于感知夹持物体的状态；校正由于手臂变形引起的运动误差；保护机器人及零件不会损坏。它体的状态；校正由于手臂变形引起的运动误差；保护机器人及零件不会损坏。它们对装配机器人具有重要意义。主要包括关节力传感器、腕力传感器、机座传感们对装配机器人具有重要意义。主要包括关节力传感器、腕力传感器、机座传感器等。器等。1）关节传感器）关节传感器 用于电流检测、液压系统的背压检测和应力式关节力传感器等。用于电流检测、液压系统的背压检测和应力式关节力传感器等。2）腕力传感器）腕力传感器 可以采用应变式、电容式、压电式等。可以采用应变式、电容式、压电式等。1.力力力矩传感器力矩传感器 竖梁式竖梁式 6自由度力传感器原理图自由度力传感器原理图 力力矩觉传感器主要用于测量机器人自身或与外界相互作用而产生的力或力力矩觉传感器主要用于测量机器人自身或与外界相互作用而产生的力或力矩的传感器。它通常装在机器人各关节处。力矩的传感器。它通常装在机器人各关节处。刚体在空间的运动可以用刚体在空间的运动可以用 6个坐标来描述，例个坐标来描述，例如用表示刚体质心位置的三个直角坐标和分别绕三如用表示刚体质心位置的三个直角坐标和分别绕三个直角坐标轴旋转的角度坐标来描述。可用多种结个直角坐标轴旋转的角度坐标来描述。可用多种结构的弹性敏感元件来敏感机器人关节所受的构的弹性敏感元件来敏感机器人关节所受的 6个自个自由度的力或力矩，再由粘贴其上的应变片（见半导由度的力或力矩，再由粘贴其上的应变片（见半导体应变计、电阻应变计）将力或力矩的各个分量转体应变计、电阻应变计）将力或力矩的各个分量转换为相应的电信号。常用弹性敏感元件的形式有十换为相应的电信号。常用弹性敏感元件的形式有十字交叉式、三根竖立弹性梁式和八根弹性梁的横竖字交叉式、三根竖立弹性梁式和八根弹性梁的横竖混合结构等。如图所示为竖梁式混合结构等。如图所示为竖梁式 6自由度力传感器自由度力传感器的原理。在每根梁的内侧粘贴张力测量应变片，外的原理。在每根梁的内侧粘贴张力测量应变片，外侧粘贴剪切力测量应变片，从而构成侧粘贴剪切力测量应变片，从而构成 6个自由度的个自由度的力和力矩分量输出。力和力矩分量输出。2.应变片应变片 应变片也能用于测量力。应变片的输出是与其形变成正比的阻值，而形变本身又应变片也能用于测量力。应变片的输出是与其形变成正比的阻值，而形变本身又与施加的力成正比。于是，通过测量应变片的电阻，就可以确定施加力的大小。与施加的力成正比。于是，通过测量应变片的电阻，就可以确定施加力的大小。应变片常用于测量末端执行器和机器人腕部的作用力。应变片也可用于测量机器人应变片常用于测量末端执行器和机器人腕部的作用力。应变片也可用于测量机器人关节和连杆上的载荷，但不常用。关节和连杆上的载荷，但不常用。a）应变片）应变片 b）惠斯通电桥）惠斯通电桥应变片传感器应变片传感器3.多维力传感器多维力传感器1）定义）定义 多维力传感器指的是一种能够同时测量两个方向以上力及力矩分量的力传感器，多维力传感器指的是一种能够同时测量两个方向以上力及力矩分量的力传感器，在笛卡尔坐标系中力和力矩可以各自分解为三个分量，因此，多维力最完整的形式在笛卡尔坐标系中力和力矩可以各自分解为三个分量，因此，多维力最完整的形式是六维力是六维力/力矩传感器力矩传感器,即能够同时测量三个力分量和三个力矩分量的传感器，目前即能够同时测量三个力分量和三个力矩分量的传感器，目前广泛使用的多维力传感器就是这种传感器。在某些场合，不需要测量完整的六个力广泛使用的多维力传感器就是这种传感器。在某些场合，不需要测量完整的六个力和力矩分量而只需要测量其中某几个分量，因此，就有了二、三、四、五维的多维和力矩分量而只需要测量其中某几个分量，因此，就有了二、三、四、五维的多维力传感器，其中每一种传感器都可能包含有多种组合形式力传感器，其中每一种传感器都可能包含有多种组合形式。2）应用）应用 多维力传感器广泛应用于机器人手指、手爪研多维力传感器广泛应用于机器人手指、手爪研究；机器人外科手术研究；指力研究；牙齿研究；究；机器人外科手术研究；指力研究；牙齿研究；力反馈；刹车检测；精密装配、切削；复原研究；力反馈；刹车检测；精密装配、切削；复原研究；整形外科研究；产品测试；触觉反馈；示教学习。整形外科研究；产品测试；触觉反馈；示教学习。行业覆盖了机器人、汽车制造、自动化流水线装行业覆盖了机器人、汽车制造、自动化流水线装配、生物力学、航空航天、轻纺工业等领域配、生物力学、航空航天、轻纺工业等领域六维力传感器结构图六维力传感器结构图4.机器人腕力传感器机器人腕力传感器1）定义）定义 机器人腕力传感器测量的是三个方向的力（力矩），所以一般均采用六维力机器人腕力传感器测量的是三个方向的力（力矩），所以一般均采用六维力力矩传感器。由于腕力传感器既是测量的载体又是传递力的环节，所以腕力传感器力矩传感器。由于腕力传感器既是测量的载体又是传递力的环节，所以腕力传感器的结构一般为弹性结构梁，通过测量弹性体的变形得到的结构一般为弹性结构梁，通过测量弹性体的变形得到3个方向的力（力矩）个方向的力（力矩）。2）林纯一六维腕力传感器）林纯一六维腕力传感器林纯一六维腕力传感器林纯一六维腕力传感器 3）六维腕力传感器）六维腕力传感器 六维腕力传感器六维腕力传感器3.4.8 机器人滑觉传感器机器人滑觉传感器1、定义、定义 机器人在抓取不知属性的物体时，其自身应能确定最佳握紧力的给定值。当握机器人在抓取不知属性的物体时，其自身应能确定最佳握紧力的给定值。当握紧力不够时，要检测被握紧物体的滑动，利用该检测信号，在不损害物体的前提下，紧力不够时，要检测被握紧物体的滑动，利用该检测信号，在不损害物体的前提下，考虑最可靠的夹持方法，实现此功能的传感器称为滑觉传感器滑觉传感器。考虑最可靠的夹持方法，实现此功能的传感器称为滑觉传感器滑觉传感器。2、分类、分类 有滚动式和球式，还有一种通过振动检测滑觉的传感器。有滚动式和球式，还有一种通过振动检测滑觉的传感器。3、工作原理、工作原理 物体在传感器表面上滑动时，和滚轮或环相接触，把滑动变成转动。磁力式滑物体在传感器表面上滑动时，和滚轮或环相接触，把滑动变成转动。磁力式滑觉传感器中，滑动物体引起滚轮滚动，用磁铁和静止的磁头，或用光传感器进行检觉传感器中，滑动物体引起滚轮滚动，用磁铁和静止的磁头，或用光传感器进行检测，这种传感器只能检测到一个方向的滑动。球式传感器用球代替滚轮，可以检测测，这种传感器只能检测到一个方向的滑动。球式传感器用球代替滚轮，可以检测各个方向的滑动，振动式滑觉传感器表面伸出的触针能和物体接触，物体滚动时，各个方向的滑动，振动式滑觉传感器表面伸出的触针能和物体接触，物体滚动时，触针与物体接触而产生振动，这个振动由压点传感器或磁场线圈结构的微小位移计触针与物体接触而产生振动，这个振动由压点传感器或磁场线圈结构的微小位移计检测检测。1.光纤滑觉传感器光纤滑觉传感器1）定义）定义：将光纤传感器用于机器人机械手上的有关研究主要是光纤压觉或力觉传：将光纤传感器用于机器人机械手上的有关研究主要是光纤压觉或力觉传感器和光纤触觉传感器。感器和光纤触觉传感器。2）优点）优点：由于光纤传感器具有体积小、不受电磁干扰、本质上防燃防爆等优点，：由于光纤传感器具有体积小、不受电磁干扰、本质上防燃防爆等优点，因而在机械手作业过程中，可靠性较高。因而在机械手作业过程中，可靠性较高。3）原理）原理：在光纤滑觉传感系统中，利用滑球的微小转动来进行切向滑觉的转换，：在光纤滑觉传感系统中，利用滑球的微小转动来进行切向滑觉的转换，在滑球中心嵌入一平在滑球中心嵌入一平 面反射镜。光纤探头由中心的发射光纤和对称布设的四根光信面反射镜。光纤探头由中心的发射光纤和对称布设的四根光信号接收光纤组成。来自发射光纤的出射光经平面镜反射后，被发射光纤周围的四根号接收光纤组成。来自发射光纤的出射光经平面镜反射后，被发射光纤周围的四根光纤所接收，形成同一光场的四象限光探测，所接收的四象限光信号经前置放大后光纤所接收，形成同一光场的四象限光探测，所接收的四象限光信号经前置放大后被送入信号处理系统。当传感器的滑球在有滑动趋势的物体作用下绕球心产生微小被送入信号处理系统。当传感器的滑球在有滑动趋势的物体作用下绕球心产生微小转动时，由此引起反射光场发生变化，导致四象限接收光纤所接收到的光信号受到转动时，由此引起反射光场发生变化，导致四象限接收光纤所接收到的光信号受到调制，从而实现全方位光纤滑觉检测。系统如框图所示。调制，从而实现全方位光纤滑觉检测。系统如框图所示。2.机器人机器人专用滑用滑觉传感器感器如如图所是所是贝尔尔格莱德大学研制的球型机器格莱德大学研制的球型机器人人专用滑用滑觉传感器。它由一个金属球和触感器。它由一个金属球和触针组成，金属球表面分成，金属球表面分别许多多间隔排列的隔排列的导电和和绝缘小格。触小格。触针头很很细，每次只能触及一，每次只能触及一个格。当工件滑个格。当工件滑动时，金属球也随之，金属球也随之转动，在触在触针上上输出脉冲信号。脉冲信号的出脉冲信号。脉冲信号的频率反率反映了滑移速度，脉冲信号的个数映了滑移速度，脉冲信号的个数对应滑移的滑移的距离。接触器触距离。接触器触头面面积小于球面上露出的小于球面上露出的导体面体面积，它不，它不仅可做得很小，而且可做得很小，而且检测灵敏灵敏度。球与度。球与别握物体相接触，无握物体相接触，无论滑滑动方向如方向如何，只要球一何，只要球一转动，传感器就会感器就会产生脉冲生脉冲输出。出。该球体在冲球体在冲击力作用下不力作用下不转动，因此抗，因此抗干干扰能力能力强强。3.4.9 机器人视觉传感器机器人视觉传感器1.人的视觉人的视觉 1）人的眼睛是由含有感光细胞的视网膜和作为附属结构的折光系统等）人的眼睛是由含有感光细胞的视网膜和作为附属结构的折光系统等部分组成。部分组成。2）人眼的适宜刺激波长是）人眼的适宜刺激波长是370740nm的电磁波。的电磁波。3）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，）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，可以分辨出视网膜像的不同亮度和色泽。可以分辨出视网膜像的不同亮度和色泽。4）因而可以看清视野内发光物体或反光物体的轮廓、形状、颜色、大）因而可以看清视野内发光物体或反光物体的轮廓、形状、颜色、大小、远近和表面细节等情况。小、远近和表面细节等情况。5）人眼视网膜上有两种感光细胞，视锥细胞主要感受白天的景象。）人眼视网膜上有两种感光细胞，视锥细胞主要感受白天的景象。6）视杆细胞感受夜间景象。）视杆细胞感受夜间景象。7）人的视锥细胞大约有）人的视锥细胞大约有700多万个，是听觉细胞的多万个，是听觉细胞的3000多万倍。多万倍。2.机器人机器人视觉机器人的机器人的视觉系系统通常是利用光通常是利用光电传感器构成的。感器构成的。机器人的机器人的视觉作用作用的的过程如程如图所示。所示。机器人机器人视觉系系统要能达到要能达到实用，至少要用，至少要满足以下几方面的要求。足以下几方面的要求。首先是首先是实时性。性。其次是可靠性。其次是可靠性。再次是要求有柔性。再次是要求有柔性。最后是价格适中。最后是价格适中。机器人机器人传感器感器应用的条件如下：用的条件如下：在空在空间中判断物体的位置和形状一般需要两中判断物体的位置和形状一般需要两类信息：距离信息和明暗信息信息：距离信息和明暗信息 获得距离信息的方法可以有超声波、激光反射法、立体得距离信息的方法可以有超声波、激光反射法、立体摄像法等。像法等。明暗信息主要靠明暗信息主要靠电视摄像机、像机、CCDCCD固固态摄像机来像机来获得。得。3.机器人机器人视觉传感器感器（1 1）人工网膜）人工网膜人工网膜是用光人工网膜是用光电管管阵列代替网膜感受光信号。其最列代替网膜感受光信号。其最简单的形式是的形式是3 33 3的光的光电管矩管矩阵，多的可达，多的可达256256256256个像素的个像素的阵列甚至更高。列甚至更高。以以3 33 3阵列列为例。数字字符例。数字字符1 1，得到的正、，得到的正、负像如像如图所示，大写字母字符所示，大写字母字符I I，所得正、所得正、负像如像如图3.293.29所示，事先作所示，事先作为标准准图像存像存储起来。起来。数字字符数字字符1 1的正、的正、负像像大写字符大写字符I I的正、的正、负像像与1比较与I比较正像相关值33负像相关值62总相关值95 工作时得到数字字符工作时得到数字字符1的输入，其正、负像可与已存储的的输入，其正、负像可与已存储的1和和I的正、负像的正、负像进行比较。结果见下表进行比较。结果见下表 在两者比较中，是在两者比较中，是1的总相关值是的总相关值是9，等于阵列中光电管的总数。这表示所输，等于阵列中光电管的总数。这表示所输入的图像信息与预先存储的图像数字字符入的图像信息与预先存储的图像数字字符1的信息是完全一致的。由此可判断的信息是完全一致的。由此可判断输入的字符是数字字符输入的字符是数字字符1，不是大写字母字符，不是大写字母字符I，也不是其他字符。，也不是其他字符。（2）光电探测器件）光电探测器件 最简单的光探测器是光电管和光敏二极管。固态探测器件可以排列成线性阵列最简单的光探测器是光电管和光敏二极管。固态探测器件可以排列成线性阵列和矩阵阵列使之具有直接测量或摄像的功能。目前在机器人视觉中采用的非接触和矩阵阵列使之具有直接测量或摄像的功能。目前在机器人视觉中采用的非接触测试的固态阵列以测试的固态阵列以CCD器件占多数。单个线性阵列已达到器件占多数。单个线性阵列已达到4096单元，单元，CCD面阵面阵已达到已达到512512及更高。利用及更高。利用CCD器件制成的固态摄像机有较高的几何精度，更器件制成的固态摄像机有较高的几何精度，更大的光谱范围，更高的灵敏度和扫描速率，结构尺寸小，功耗小，耐久可靠等大的光谱范围，更高的灵敏度和扫描速率，结构尺寸小，功耗小，耐久可靠等 3.4.10 听觉、嗅觉传感器听觉、嗅觉传感器1.人的听觉人的听觉 人听神经纤维就分布在毛细胞下方的基底膜中，对声音信息进行编码，传送到大脑皮层的听觉人听神经纤维就分布在毛细胞下方的基底膜中，对声音信息进行编码，传送到大脑皮层的听觉中枢，产生听觉。中枢，产生听觉。2.机器人的听觉机器人的听觉按应用的分为两大类：按应用的分为两大类：1）发音人识别系统。）发音人识别系统。2）语义识别系统。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，多为利用压电效应、）语义识别系统。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，多为利用压电效应、磁电效应等。识别系统借助于计算机技术和语言学编制的计算机软件磁电效应等。识别系统借助于计算机技术和语言学编制的计算机软件。3.人的嗅觉人的嗅觉 人的嗅觉感受器是位于上鼻道及鼻中隔后上部的嗅上皮，两侧总面积约人的嗅觉感受器是位于上鼻道及鼻中隔后上部的嗅上皮，两侧总面积约5cm2。嗅上皮含有三。嗅上皮含有三种细胞，即主细胞，支持细胞和基底细胞。不同性质的气味刺激有其相对专用的感受位点和传输种细胞，即主细胞，支持细胞和基底细胞。不同性质的气味刺激有其相对专用的感受位点和传输线路。非基本的气味则由它们在不同线路上引起的不同数量冲动的组合，在中枢引起特有的主观线路。非基本的气味则由它们在不同线路上引起的不同数量冲动的组合，在中枢引起特有的主观嗅觉感受。嗅觉感受。4.机器人的嗅觉机器人的嗅觉 嗅觉传感器主要的是采用气体传感器、射线传感器等。主要应用：嗅觉传感器主要的是采用气体传感器、射线传感器等。主要应用：检测空气中的化学成分、浓度。检测空气中的化学成分、浓度。检测放射线、可燃气体及有毒气体。检测放射线、可燃气体及有毒气体。了解环境污染、预防火灾和毒气泄漏报警了解环境污染、预防火灾和毒气泄漏报警。3.5 3.5 多传感器信息融合多传感器信息融合1、定义、定义将经过集成处理的多传感器信息进行合成，形成一种对外部环境或被测对象某将经过集成处理的多传感器信息进行合成，形成一种对外部环境或被测对象某一特征的表达方式。单一传感器只能获得环境或被测对象的部分信息段，而多传一特征的表达方式。单一传感器只能获得环境或被测对象的部分信息段，而多传感器信息经过融合后能够完善地、准确地反映环境的特征。经过融合后的传感器感器信息经过融合后能够完善地、准确地反映环境的特征。经过融合后的传感器信息具有以下特征：信息冗余性、信息互补性、信息实时性、信息获取的低成本信息具有以下特征：信息冗余性、信息互补性、信息实时性、信息获取的低成本性性。2.信息融合的核心信息融合的核心1）信息融合是在几个层次上完成对多源信息的处理过程，其中各个层次都表）信息融合是在几个层次上完成对多源信息的处理过程，其中各个层次都表示不同级别的信息抽象。示不同级别的信息抽象。2）信息融合处理包括探测、互联、相关、估计以及信息组合。）信息融合处理包括探测、互联、相关、估计以及信息组合。3）信息融合包括较低层次上的状态和身份估计，以及较高层次上的整个战术）信息融合包括较低层次上的状态和身份估计，以及较高层次上的整个战术态势估计。态势估计。3.多传感器信息融合过程多传感器信息融合过程如图，为典型的多传感器信息融合过程框图如图，为典型的多传感器信息融合过程框图 4.信息融合的分类信息融合的分类（1）组合）组合（2）综合）综合（3）融合）融合（4）相关）相关5.信息融合的信息融合的结构构信息融合的信息融合的结构分构分为串串联、并、并联和混合三种和混合三种 C1，C2，Cn表示表示n个个传感器；感器；S1，S2，Sn表示来自各个表示来自各个传感器信感器信息融合中心的数据；息融合中心的数据；Y1，Y2，Yn表示融合中心。表示融合中心。6.融合方法融合方法 融合处理方法是将多维输入数据根据信息融合的功能，在不同融合层次上融合处理方法是将多维输入数据根据信息融合的功能，在不同融合层次上采用不同的数学方法，对数据进行综合处理，最终实现融合。采用不同的数学方法，对数据进行综合处理，最终实现融合。7多信息融合的典型应用多信息融合的典型应用如图如图 所示为多传感器信息融合自主移动装配机器人。所示为多传感器信息融合自主移动装配机器人。