第八章-机器人感觉技术与传感器课件.ppt

机器人原理与应用机器人原理与应用第八章 机器人感觉技术与传感器东北大学人工智能与机器人研究所1/4/20231第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器主要内容主要内容8.1 感知器的相关概念感知器的相关概念8.2 机器感觉原理、方式与过程机器感觉原理、方式与过程8.3 机器人传感器分类与选择机器人传感器分类与选择 8.4 位移、速度与加速度传感器位移、速度与加速度传感器8.5 触觉技术触觉技术8.6 测距技术测距技术8.7 传感器融合传感器融合1/4/20232第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器8.1感知器的相关概念感知器的相关概念8.1.1 人类智能与人工智能人类智能与人工智能8.1.2 器官功能与传感器器官功能与传感器8.1.3 信息载体信息载体8.1.4 机器人感觉器官的必要性机器人感觉器官的必要性1/4/20233第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器8.1.1 人类智能与人工智能人类智能与人工智能人类智能的主要表现人类智能的主要表现 感知、记忆、思维、表达、动作、学习感知、记忆、思维、表达、动作、学习人工智能人工智能 对人类智能的理解与机器实现对人类智能的理解与机器实现人体有两种感觉系统人体有两种感觉系统1)1)内内体体感感觉觉系系统统:检检测测诸诸如如手手足足关关节节角角、肌肌肉肉扩扩张和肌肉拉紧等内部参量。张和肌肉拉紧等内部参量。2)2)外外体体感感觉觉系系统统:对对皮皮肤肤表表面面温温度度和和形形状状的的改改变变而而产产生生反反应应，这这些些参参量量是是直直接接接接触触外外部部物物体体的的结果。结果。1/4/20234第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器8.1.2 器官功能与传感器器官功能与传感器人类的感觉器官：人类的感觉器官：视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉还有什么？还有什么？痛觉痛觉热觉热觉接近觉？气功？接近觉？气功？特异功能？天眼？特异功能？天眼？1/4/20235第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器什么是传感器什么是传感器传传感感器器是是一一种种能能将将具具有有某某种种物物理理表表现现形形式式的的信信息息变换成机器可以处理的输入换能器。变换成机器可以处理的输入换能器。将将被被测测非非电电量量信信号号转转换换成成与与之之有有对对应应关关系系的的电电量量输出的器件或装置。输出的器件或装置。又叫变换器、换能器或探测器。又叫变换器、换能器或探测器。什么是什么是信息信息Clande ShannonClande Shannon：信息是一种减少不确定量的量。：信息是一种减少不确定量的量。RAndrew Russell:RAndrew Russell:信息是增长人类知识的东西。信息是增长人类知识的东西。1/4/20236第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器8.1.3 信息载体信息载体(1)(1)辐辐射射涉涉及及全全频频段段的的电电磁磁波波。范范围围包包括括无无线线电电波波到到gamagama 射线。射线。辐射的主要参数是强度、频率、偏振和相位。辐射的主要参数是强度、频率、偏振和相位。(2)(2)物理量物理量论述物质的各种外部参量。论述物质的各种外部参量。例如，位置、速度、尺寸、厚度、力和真空。例如，位置、速度、尺寸、厚度、力和真空。(3)(3)热热温度、温度梯度、热和熵。温度、温度梯度、热和熵。(4)(4)电电电压、电流、电阻、电容等电参数。电压、电流、电阻、电容等电参数。(5)(5)磁磁磁场强度、磁通密度和磁导率。磁场强度、磁通密度和磁导率。(6)(6)化学量化学量论述物质的内部结构的量。论述物质的内部结构的量。其主要参数是某一材料的浓度、晶体结构和凝聚态。其主要参数是某一材料的浓度、晶体结构和凝聚态。1/4/20237第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器8.1.4 机器人感觉器官的必要性机器人感觉器官的必要性 1 1、增加机器人功能，提高工作质量，有效完、增加机器人功能，提高工作质量，有效完成任务；机器人传感器能监控所操纵工件的成任务；机器人传感器能监控所操纵工件的质量。例如，及时检查出有毛病的工件。质量。例如，及时检查出有毛病的工件。2 2、适应复杂情况（对象、适应复杂情况（对象/环境），扩大应用范环境），扩大应用范围，防止发生意外事故。例如，自动导引车围，防止发生意外事故。例如，自动导引车辆辆(AGV)(AGV)式机器人，在道路上不能撞到人。式机器人，在道路上不能撞到人。3 3、人机交互的需要，接受指令，表达感情。、人机交互的需要，接受指令，表达感情。1/4/20238第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器4 4、依靠传感器反馈来补偿误差。、依靠传感器反馈来补偿误差。5 5、降低对机器人及其工作对象精度的要求、降低对机器人及其工作对象精度的要求“可以吃粗粮可以吃粗粮”；(1)(1)随机安置物体的位置。从而降低购置固定夹随机安置物体的位置。从而降低购置固定夹具所需的高额费用；具所需的高额费用；(2)(2)允许物体的形状变化，可以放宽精度要求，允许物体的形状变化，可以放宽精度要求，而不必制成符合自动化装配线需求的高精度，也而不必制成符合自动化装配线需求的高精度，也不需要高价地制造不需要高价地制造0.1mm0.1mm精度的载体。例如，桔精度的载体。例如，桔子和蛋等食品，其形状和尺寸是变动的，通过触子和蛋等食品，其形状和尺寸是变动的，通过触觉传感器感知的信息，机器人可抓住它。觉传感器感知的信息，机器人可抓住它。1/4/20239第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器8.2 机器感觉原理、方式与过程机器感觉原理、方式与过程8.2.1 感觉原理感觉原理 感觉原理即传感器构成原理。感觉原理即传感器构成原理。分为结构型和物性型。分为结构型和物性型。8.2.2 感觉方式感觉方式8.2.3 感觉过程感觉过程阶段性阶段性1/4/202310第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器8.2.1 感觉原理感觉原理结构型传感器结构型传感器概念概念：应用通常的物理定律构成的传感：应用通常的物理定律构成的传感器，如：运动定律，牛顿定律，欧姆定器，如：运动定律，牛顿定律，欧姆定律，电磁定律，热力学定律等。律，电磁定律，热力学定律等。特点：传感原理明确，结构比较复杂，特点：传感原理明确，结构比较复杂，一般与结构材料无关。一般与结构材料无关。1/4/202311第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器结构型传感器举例结构型传感器举例 由两个平行板组成的电容器的由两个平行板组成的电容器的电容量为：电容量为：C=A/dC=A/d式中式中电容极板间介质的相对电容极板间介质的相对介电系数，相对于真空，介电系数，相对于真空，=1=1；AA两平行板所覆盖的面积；两平行板所覆盖的面积；dd两平行板之间的距离；两平行板之间的距离；CC电容量。电容量。如如果果保保持持其其中中的的两两个个参参数数不不变变而而仅仅改改变变另另一一个个参参数数，就就可可把把该该参参数数的的变变化化转转换换为为电电容容的的变变化化。因因此此，电电容容量量的变化的大小与被测参数的大小成比例。的变化的大小与被测参数的大小成比例。极板极板d d电容式传感器电容式传感器1/4/202312第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器变极距型电容式传感器变极距型电容式传感器变极板面积型电容式传感器变极板面积型电容式传感器变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器改变平行板间距的传感器可用来测量改变平行板间距的传感器可用来测量微米数量级的位移，而变化面积的传微米数量级的位移，而变化面积的传感器只适合测量厘米数量级的位移感器只适合测量厘米数量级的位移。电容式传感器分为：电容式传感器分为：1/4/202313第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器结构型传感器举例结构型传感器举例 利用电磁感应把被测利用电磁感应把被测的物理量如位移、压力、的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈流量、振动等转换成线圈的自感系数的自感系数L L和互感系数和互感系数M M的变化，再由测量电路转的变化，再由测量电路转换成电压或电流的变化量换成电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量输出，实现非电量到电量的转换。的转换。其特点为：其特点为：1 1结构简单，无活动电触点，因此工作可靠寿命长；结构简单，无活动电触点，因此工作可靠寿命长；2 2灵敏度和分辨率高，能测出灵敏度和分辨率高，能测出0.010.01mm的位移变化；的位移变化；3 3线性度和重复性都比较好。线性度和重复性都比较好。电感式传感器电感式传感器1/4/202314第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器光光电电式式码码盘盘是是一一种种非非接接触触性性光光电传感器。电传感器。它它具具有有测测量量准准确确度度高高、响响应应速速度度快快、结结构构简简单单、可可靠靠性性高高和和使使用用寿命长等优点。寿命长等优点。典典型型的的光光码码盘盘有有50 50 7 7，80 080 0等类型。等类型。为为了了确确保保转转速速测测量量准准确确度度，使使用单片机系统对脉冲信号处理。用单片机系统对脉冲信号处理。电动机上的绝对编码器电动机上的绝对编码器结构型传感器举例结构型传感器举例 1/4/202315第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器线型电阻式荷重传感器线型电阻式荷重传感器线型电阻应变计的结构线型电阻应变计的结构应变片与荷重传感器应变片与荷重传感器1/4/202316第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器电桥回路电桥回路平行梁式测力计平行梁式测力计静力测量静力测量1/4/202317第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器物性型传感器物性型传感器概念：概念：利用物质本身的某种客观性质制作利用物质本身的某种客观性质制作的传感器。的传感器。特点特点：受材料性质与使用环境影响较大。受材料性质与使用环境影响较大。结构简单，灵敏度高。结构简单，灵敏度高。物性型传感器举例：物性型传感器举例：光电传感器光电传感器压电传感器压电传感器1/4/202318第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器光电传感器光电传感器光光电电传传感感器器是是一一种种将将光光量量的的变变化化转转化化为为电电量量的的变化的传感器变化的传感器。它的物理基础就是光电效应。它的物理基础就是光电效应。光电效应分光电效应分:外光电效应、内光电效应外光电效应、内光电效应两大类。两大类。在在光光线线的的作作用用下下，物物体体内内的的电电子子逸逸出出物物体体表表面面向向外外发发射射的的现现象象称称为为外外光光电电效效应应。向向外外发发射射的的电电子子叫叫光光电电子子。基基于于外外光光电电效效应应的的光光电电器器件件有有光电管、光电倍增管等。光电管、光电倍增管等。当当光光照照射射在在物物体体上上，使使物物体体的的电电导导率率发发生生变变化化，或或产产生生光光生生电电动动势势的的效效应应叫叫内内光光电电效效应应。内内光光电电效效应应又又可可分分为为两两种种：光光电电导导效效应应和和光光生生伏伏特特效应。效应。1/4/202319第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器压电式传感器压电式传感器是以某些物质的压电效应制作的一种传感器。是以某些物质的压电效应制作的一种传感器。当当材材料料表表面面受受力力作作用用变变形形时时，其其表表面面会会有有电电荷荷产生从而实现非电量测量。产生从而实现非电量测量。压压电电陶陶瓷瓷是是人人造造多多晶晶系系压压电电材材料料。常常用用的的压压电电陶陶瓷瓷有有钛钛酸酸钡钡、锆锆钛钛酸酸钡钡、铌铌酸酸盐盐系系压压电电陶陶瓷瓷。它它们们的的压压电电常常数数比比石石英英晶晶体体高高，但但介介电电常常数数、机械性能不如石英好。机械性能不如石英好。由由于于它它们们品品种种多多，性性能能各各异异，可可根根据据它它们们的的特特点点制制作作各各种种不不同同的的压压电电传传感感器器，这这是是一一种种很很有有发展前途的压电元件。发展前途的压电元件。1/4/202320第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器半导体电阻应变片半导体电阻应变片 导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用时，导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械形变，导致其阻值变化，这种现象称为产生机械形变，导致其阻值变化，这种现象称为“应变效应应变效应”。电阻应变片工作原理电阻应变片工作原理：用应变片测量应变或应力时，在用应变片测量应变或应力时，在外力作用下，被测对象产生微小机械形变，应变片随其发生外力作用下，被测对象产生微小机械形变，应变片随其发生相同的变化，同时，应变片电阻也发生变化。当测得应变片相同的变化，同时，应变片电阻也发生变化。当测得应变片电阻值变化量时，便可得到被测对象的应变值电阻值变化量时，便可得到被测对象的应变值 1/4/202321第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器8.2.2感觉方式感觉方式按感知形式：接触型，非接触型按感知形式：接触型，非接触型1.1.接触型接触型与被测对象接触；与被测对象接触；2.2.非接触型非接触型经特殊物质联系，与经特殊物质联系，与被测物保持一定距离。被测物保持一定距离。如如:检测机器人检测机器人周围的声波、光和其他电磁波，以及周围的声波、光和其他电磁波，以及电、磁和静电场之间的相互作用。电、磁和静电场之间的相互作用。1/4/202322第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器接触型：举例接触型：举例开关、探针、触点等：机械运动量到电量的转换。开关、探针、触点等：机械运动量到电量的转换。输出：模拟、开关、脉冲、数字信号。输出：模拟、开关、脉冲、数字信号。可以采用压电材料：压力（振动）可以采用压电材料：压力（振动）电压变化。如：电压变化。如：压电晶体：电压压电晶体：电压振动振动声波或超声波；声波或超声波；经常采用经常采用压阻材料：压力（振动）压阻材料：压力（振动）电阻变化。其电阻变化。其原理为导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压原理为导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械形变，机械变形导致其阻值力）作用时，产生机械形变，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为“应变效应应变效应”。特点：结构简单，工作稳定，抗干扰。特点：结构简单，工作稳定，抗干扰强。强。1/4/202323第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器非接触型非接触型中间传递介质：中间传递介质：（1 1）电磁波：电场、磁场、可见光、红外、）电磁波：电场、磁场、可见光、红外、紫外、紫外、X-rayX-ray和激光和激光 监测电磁波的存在与状态变化监测电磁波的存在与状态变化 （2 2）声波：发射某种频率的声波信号声波：发射某种频率的声波信号 检测物体反射波的强弱，时间差从而检测物体反射波的强弱，时间差从而获得某种感觉能力获得某种感觉能力1/4/202324第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器按特性和性能可将传感器作如下分类按特性和性能可将传感器作如下分类1 1自生型自生型来自输入信号的能量直接变换成输出信号。来自输入信号的能量直接变换成输出信号。如硒光电池如硒光电池 2 2调制型调制型主要能量供给不是输入信号而是一个辅主要能量供给不是输入信号而是一个辅助能源，适合检测弱信号。助能源，适合检测弱信号。3 3绝对型绝对型传感器的输出在任何时候都代表传感器的传感器的输出在任何时候都代表传感器的输入。这种传感器的典型例子是电位计。输入。这种传感器的典型例子是电位计。4 4增量型增量型传感器的输出仅代表传感器输人的改变，传感器的输出仅代表传感器输人的改变，这些改变的积累才是真实传感器输入。使用传感器以这些改变的积累才是真实传感器输入。使用传感器以前要求定标，以保证积累值跟真实传感器输入一致。前要求定标，以保证积累值跟真实传感器输入一致。增量型编码器是这类传感器的实例。增量型编码器是这类传感器的实例。1/4/202325第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器8.2.3 感觉过程感觉过程阶段性阶段性定义：定义：如何将人们感兴趣的物理量或其它变量的如何将人们感兴趣的物理量或其它变量的有无、大小转换为人们所要求的信息形式（模有无、大小转换为人们所要求的信息形式（模拟的或数字的拟的或数字的)。狭义传感器（检出器，一次表）、广义传感器狭义传感器（检出器，一次表）、广义传感器（一次表二次表）（一次表二次表）1.1.一次表：一次表：将物体内外部的物理特征，如机械、光学等特将物体内外部的物理特征，如机械、光学等特征变为电信号。征变为电信号。实例：热电偶、热电阻，压力应变片实例：热电偶、热电阻，压力应变片 2.2.二次表：二次表：将电信号加工处理，变为有用信息。将电信号加工处理，变为有用信息。1/4/202326第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器二次表加工处理过程：二次表加工处理过程：信息初步处理：滤波、平滑、线性化、数据分组等信息初步处理：滤波、平滑、线性化、数据分组等信号变送：将微弱的一次检测信号变为抗干扰性强的标准信号变送：将微弱的一次检测信号变为抗干扰性强的标准信号：信号：05v 05v 或或 420mA420mA信息分析，内容非常丰富。信息分析，内容非常丰富。被测信号被测信号测量仪器的构成测量仪器的构成广义传感器广义传感器输出输出信号处理部分信号处理部分放大变换放大变换输入匹配输入匹配测量环境测量环境狭义传感器狭义传感器检出器检出器1/4/202327第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器传传感感器器信信号号的的处处理理主主要要是是进进行行信信号号的的变变换换，去去除除噪噪声声，信信号号的的判判断断，检检出出，信信号号成成分分的的分析，信号合成和再现等。分析，信号合成和再现等。常常用用滤滤波波方方法法有有移移动动平平均均、数数字字微微分分、数数字字积积分分、同同步步积积分分、对对数数变变换换、互互相相关关函函数数、自相关函数等。自相关函数等。通通过过综综合合多多种种传传感感器器信信息息得得到到单单个个传传感感器器所所不不能能得得到到的的信信息息，称称为为传传感感器器融融合合技技术术。对对来来自自各各个个传传感感器器的的信信号号通通过过学学习习算算法法、模模糊糊推理等的有机结合，最后进行综合判断。推理等的有机结合，最后进行综合判断。二次表的信号加工处理二次表的信号加工处理1/4/202328第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器8.3 机器人传感器分类与选择机器人传感器分类与选择8.3.1 内部传感器内部传感器 检测机器人自身状态检测机器人自身状态(内部信息内部信息)，机，机器人自身运动与正常工作所必需。器人自身运动与正常工作所必需。8.3.2 外部传感器外部传感器 检测作业对象与作业环境的状态检测作业对象与作业环境的状态(外部外部信息信息)，适应特定环境和完成特定任务所，适应特定环境和完成特定任务所必需。必需。8.3.3 传感器选择的依据传感器选择的依据1/4/202329第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器感觉感觉用途用途 外部传感器外部传感器视视 觉觉对象有无、形状、大小、种类的识别对象有无、形状、大小、种类的识别对象的位置、姿态的识别对象的位置、姿态的识别对象灼伤痕、缺陷、好坏的识别对象灼伤痕、缺陷、好坏的识别对象上的图样、文字的识别对象上的图样、文字的识别触触 觉觉对象重量、硬度、表面状态识别对象重量、硬度、表面状态识别位置偏差的控制，握力的控制位置偏差的控制，握力的控制听听 觉觉指令的识别，指令的识别，异常状态的检测，障碍物的检测异常状态的检测，障碍物的检测其其它它（接接近近觉觉、味味觉觉、嗅嗅觉觉、湿湿度、振动等）度、振动等）各种检查，自我保护等各种检查，自我保护等内部传感器内部传感器平衡感觉平衡感觉机器人自身的平衡机器人自身的平衡其它（位置、速其它（位置、速度、加速度、压度、加速度、压力、转矩力、转矩)运动器官的控制，自我保护等运动器官的控制，自我保护等1/4/202330第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器8.3.1内部传感器内部传感器实现运动部件的控制与自我保护实现运动部件的控制与自我保护位置：直线，转角位置：直线，转角 速度速度:测速发电机测速发电机加速度加速度负荷力（力矩），惯性力负荷力（力矩），惯性力平衡：平衡：走行机器人自身平衡控制走行机器人自身平衡控制1/4/202331第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器8.3.2外部传感器外部传感器视觉：视觉：简单视觉简单视觉对象的有无，孔、边线、拐角检测等对象的有无，孔、边线、拐角检测等复合视觉复合视觉对象形状、大小、种类对象形状、大小、种类对象位置、姿态对象位置、姿态 对象伤痕、缺欠、好坏对象伤痕、缺欠、好坏 对象上的图样、文字的识别、图形指令识别对象上的图样、文字的识别、图形指令识别触觉：触觉：简单触觉简单触觉确定工作对象是否存在、到位确定工作对象是否存在、到位复复合合触触觉觉确确定定对对象象尺尺寸寸、形形状状、表表面面状状态态、硬硬度、光滑度、光滑1/4/202332第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器外部传感器外部传感器接近觉：接近觉：对工作对象的非接触探测。对工作对象的非接触探测。距离觉：距离觉：检测距对象的距离范围检测距对象的距离范围 。听觉：听觉：简单听觉简单听觉波长频率单一，发声器单一，指令识别波长频率单一，发声器单一，指令识别 复合听觉复合听觉异常状态检测，障碍物检测，语音理解异常状态检测，障碍物检测，语音理解力觉：力觉：简单力觉简单力觉沿一个方向测力，对象重量沿一个方向测力，对象重量 复合力觉复合力觉沿多个方向测力，倾斜平衡沿多个方向测力，倾斜平衡 1/4/202333第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器8.3.3传感器选择的依据和评价传感器选择的依据和评价1.1.对机器人传感器的一般要求对机器人传感器的一般要求 机机器器人人传传感感器器除除了了一一般般传传感感器器所所要要求求的的可可靠靠性性好好、精精度度高高、寿寿命命长长等等特特点点之之外外,还还特特别别要要求求以以下下各各点点:a.a.体积小、结构简单；体积小、结构简单；b.b.重量轻；重量轻；c.c.抗干扰；抗干扰；d.d.对环境的适应性强；对环境的适应性强；e.e.回路独立回路独立:输入、输出回路应互相独立绝缘；输入、输出回路应互相独立绝缘；f.f.调整容易调整容易;g.g.价格低廉，性能价格比高（性价比）。价格低廉，性能价格比高（性价比）。1/4/202334第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器2.对机器人传感器选择的特殊要求对机器人传感器选择的特殊要求按照加工任务选择传感器按照加工任务选择传感器（1）搬运：力，触觉，视觉）搬运：力，触觉，视觉（2）装配：力，触觉，视觉）装配：力，触觉，视觉（3）喷漆：位置检测，对象识别）喷漆：位置检测，对象识别（4）焊接：位置，速度）焊接：位置，速度点焊：接近觉点焊：接近觉弧焊：视觉弧焊：视觉按照对机器人的控制方式选择传感器：位置，速度，加速度按照对机器人的控制方式选择传感器：位置，速度，加速度按照辅助工作的要求：按照辅助工作的要求：（1）外观检测：视觉）外观检测：视觉（2）工件定位：视觉，触觉，力）工件定位：视觉，触觉，力按照安全要求：力，触觉按照安全要求：力，触觉3.对机器人传感器的评价对机器人传感器的评价1/4/202335第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器（1）灵敏度：输出信号变化与输入信号变化之比）灵敏度：输出信号变化与输入信号变化之比线性线性S=y/x非线性非线性S=dy/dxS越大越好，但太高的灵敏度使稳定性下降（抗扰能力差）越大越好，但太高的灵敏度使稳定性下降（抗扰能力差）（2）线性度）线性度y=bxb是常数则线性度高是常数则线性度高（3）测量范围：被测量最大允许值与最小允许值之差，要覆盖机器）测量范围：被测量最大允许值与最小允许值之差，要覆盖机器人有关被测量的工作范围。人有关被测量的工作范围。（4）精度：输出值与实测值之间的误差。）精度：输出值与实测值之间的误差。（5）重复性：多次测量同一个信号时的变化程度。）重复性：多次测量同一个信号时的变化程度。（6）分辨力：所能辨别的被测量的最小变化值。）分辨力：所能辨别的被测量的最小变化值。（7）响应时间：输入信号变化后，输出信号变化达到稳态所需的时）响应时间：输入信号变化后，输出信号变化达到稳态所需的时间。（振荡越短越好）间。（振荡越短越好）1/4/202336第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器8.4位移、速度与加速度传感器位移、速度与加速度传感器8.4.1 位置检测和位移检测位置检测和位移检测8.4.2 电位计式位移传感器电位计式位移传感器8.4.3 绝对位置光轴编码器绝对位置光轴编码器8.4.4 相对位置光轴编码器相对位置光轴编码器8.4.5 测速发电机测速发电机8.4.6 加速度传感器加速度传感器1/4/202337第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器8.4.1位置检测和位移检测位置检测和位移检测这这是是机机器器人人最最基基本本的的感感觉觉要要求求，它它可可以以通通过过多多种种传传感感器来实现。器来实现。常常用用的的机机器器人人位位置置、位位移移传传感感器器有有电电阻阻式式位位移移传传感感器器、电电容容式式位位移移传传感感器器、电电感感式式位位移移传传感感器器、光光电电式式位位移移传传感感器器、霍霍尔尔元元件件位位移移传传感感器器、磁磁栅栅式式位位移移传传感感器器以以及机械式位移传感器等。及机械式位移传感器等。二二值值输输出出的的位位置置检检出出用用传传感感器器大大体体上上分分接接触触式式(触触点点式式)与非接触式与非接触式(无触点式无触点式)两大类。两大类。接接触触式式主主要要有有机机械械式式限限位位开开关关与与微微动动开开关关；非非接接触触式式传感器常用的有光电开关及各种接近开关。传感器常用的有光电开关及各种接近开关。光光电电开开关关与与各各种种接接近近开开关关是是随随着着电电子子机机械械技技术术的的进进步步而急速发展起来的新型开关。而急速发展起来的新型开关。1/4/202338第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器各检出用开关的概略比较各检出用开关的概略比较 类别类别项目项目限位开关限位开关 微动开关微动开关光电开关光电开关接近开关接近开关透过形透过形镜反射形镜反射形直接反射形直接反射形高高频频磁磁形形电容形电容形片片 簧簧 磁磁形形检出方法检出方法机械式机械式光学光学光学光学电磁场电磁场电容量电容量磁场磁场检出距离检出距离劣劣优优良良劣劣中中劣劣动作精度动作精度良良中中劣劣中中劣劣中中应答时间应答时间劣劣良良良良优优良良良良寿命寿命劣劣良良良良良良良良良良噪声波动噪声波动优优中中中中良良中中优优环境温度影响环境温度影响优优中中中中良良中中中中耐灰尘、水、油耐灰尘、水、油中中劣劣劣劣良良中中优优检测对象检测对象固体固体不透明体不透明体固体固体金属金属介介电电常常数数高的物体高的物体固体固体1/4/202339第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器8.4.2电位计式位移传感器电位计式位移传感器电电位位计计法法测测量量线线位位移移（直直线线型型），角角位移（旋转型）位移（旋转型）由由电电阻阻和和滑滑动动触触点点组组成成，滑滑动动触触点点受受到到被被检检测测量量控控制制，当当位位置置发发生生变变化化，滑滑动动触触点点发发生生位位移移，改改变变触触点点到到电电阻阻器器各各端端的的阻阻值值和和输输出出电电压压，根根据据测测得得的的电电压变化可得位移变化。压变化可得位移变化。优优点点：线线性性度度好好、输输出出信信号号选选择择范范围围大大，性性能能稳稳定定、结结构构简简单单、尺尺寸寸小小、质质量量轻、精度高、成本低等轻、精度高、成本低等缺点缺点：易于磨损：易于磨损旋转型：单圈电位计，多圈电位计旋转型：单圈电位计，多圈电位计1/4/202340第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器8.4.3绝对位置光轴编码器绝对位置光轴编码器1/4/202341第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器绝对编码器绝对编码器4位二进制编码位二进制编码9位格林码位格林码1/4/202342第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器编码的重要性编码的重要性1/4/202343第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器8.4.4 相对位置光轴编码器相对位置光轴编码器 (增量式光轴编码器增量式光轴编码器 )1/4/202344第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器码码盘盘脉脉冲冲个个数数代代表表了了位位置置，而而单单位位时时间间里里的的脉脉冲冲个个数数表表示示这这段段时时间间里里的的平平均均速速度度。显显然然，单单位位时时间间越越短短，越越能能代代表表瞬瞬时时速速度度，但但在在太太短短的的时间里，只能记到几个码盘脉冲，因而降低了速度分辨率。时间里，只能记到几个码盘脉冲，因而降低了速度分辨率。目目前前解解决决方方法法如如：可可以以采采用用两两个个码码盘盘脉脉冲冲为为一一个个时时间间间间隔隔，然然后后用用计计数器记录在这段时间里高速脉冲源发出的脉冲数。数器记录在这段时间里高速脉冲源发出的脉冲数。数字式速度检测方法数字式速度检测方法1/4/202345第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器两种编码器的比较两种编码器的比较 绝绝对对位位置置编编码码器器只只能能测测位位置置，码码值值与与位位置置一一一一对对应应，计计算算机机处处理理简简单单，不不需需要要方方向向辨辨别别电电路路，抗抗干干扰扰能能力力强强，但加工难、安装严、体积大、价格高。但加工难、安装严、体积大、价格高。增增量量式式编编码码器器，既既能能测测位位置置也也能能测测速速度度，体体积积小小，加加工工及及安安装装较较容容易易，价价格格低低，但但抗抗干干扰扰能能力力差差，需需要要方方向向辨辨别别电电路路，计计算算机机处处理理较较复复杂杂。因因相相关关技技术术已已经经成成熟熟，因此现在大都使用增量式光轴编码器。因此现在大都使用增量式光轴编码器。传感传感器器功能功能信息处理信息处理体积体积加工加工价格价格绝对绝对测量位置测量位置简单简单大大难难高高增量增量测量位置测量位置和速度和速度复杂、参考点鉴向复杂、参考点鉴向小小易易低低1/4/202346第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器8.4.5测速发电机测速发电机 测测速速发发电电机机是是一一种种将将转转子子速速度度转转换换为为电电气气信号的机电式信号元件。信号的机电式信号元件。伺服系统中的基本元件之一。伺服系统中的基本元件之一。作作为为测测速速、校校正正、解解算算元元件件，它它广广泛泛应应用用于各种速度和位置控制系统中。于各种速度和位置控制系统中。测测速速发发电电机机可可分分为为：直直流流测测速速发发电电机机、异异步测速发电机和同步测速发电机。步测速发电机和同步测速发电机。1/4/202347第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器(1)(1)、直流测速发电机、直流测速发电机 一一般般，自自动动控控制制系系统统对对其其元元件件的的要要求求主主要要是是高高的的精精确确度度、灵灵敏敏度度、可可靠靠性性等等。因因此此，直直流流测测速发电机在电气性能方面应满足以下要求：速发电机在电气性能方面应满足以下要求：1)1)输出电压和转速成线性关系；输出电压和转速成线性关系；2)2)输出特性的斜率大，即其灵敏度高；输出特性的斜率大，即其灵敏度高；3)3)温度变化对输出特性的影响小；温度变化对输出特性的影响小；4)4)输出电压纹波小；输出电压纹波小；5)5)正、反转的输出特性应一致。正、反转的输出特性应一致。1/4/202348第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器直流测速发电机在控制系统中的应用直流测速发电机在控制系统中的应用1/4/202349第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器(2)(2)、交流异步测速发电机、交流异步测速发电机 主要优点是主要优点是 ：1 1 不不需需电电刷刷和和换换向向器器，构构造造简简单单，维维护护容容易易，运行可靠；运行可靠；2 2 无滑动接触，输出特性稳定，精度高；无滑动接触，输出特性稳定，精度高；3 3 摩擦阻力矩小，惯量小；摩擦阻力矩小，惯量小；4 4 不产生干扰无线电的火花；不产生干扰无线电的火花；5 5 正、反转输出电压对称。正、反转输出电压对称。主要缺点是：主要缺点是：存存在在相相位位误误差差和和剩剩余余电电压压，输输出出斜斜率率小小，其其输出特性因负载的性质不同而有所不同。输出特性因负载的性质不同而有所不同。1/4/202350第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器模拟式与数字式模拟式与数字式模拟式模拟式测速发电机测速发电机模模拟拟法法的的相相位位滞滞后后较较小小，反反应应速速度度快快；用用在在数字系统时需要数字系统时需要A/DA/D转换。转换。数字式数字式光电码盘光电码盘数数字字法法虽虽对对系系统统稳稳定定不不利利，但但因因成成本本低低，易易实现，应用也很广泛。实现，应用也很广泛。速度传感器比较速度传感器比较1/4/202351第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器8.4.6加速度传感器加速度传感器压电式加速度传感器：压电式加速度传感器：(a)a)剪切型；剪切型；(b)b)压缩型压缩型悬臂梁悬臂梁1/4/202352第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器地震式加速度传感器地震式加速度传感器等效力学模型等效力学模型加速度传感器的基本构造加速度传感器的基本构造1/4/202353第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器8.5触觉技术触觉技术8.5.1接触觉接触觉感觉手指等部位与物体是否接触感觉手指等部位与物体是否接触8.5.2压觉压觉感觉手与物表面垂直方向的压力大小及其分布感觉手与物表面垂直方向的压力大小及其分布8.5.3滑动觉滑动觉感受沿机器人与物体接触平行方向受的切向力、同感受沿机器人与物体接触平行方向受的切向力、同握面垂直方向的变形、物体移位握面垂直方向的变形、物体移位8.5.4力觉力觉感受夹持力、腕力感受夹持力、腕力8.5.5接近觉接近觉探测机器人与物体的接近距离及物体的倾斜等探测机器人与物体的接近距离及物体的倾斜等8.5.6多种触觉的配合应用多种触觉的配合应用1/4/202354第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器触觉作用触觉作用使操作动作适宜，视觉无法代替使操作动作适宜，视觉无法代替 识别操作对象的属性，如大小、重量等识别操作对象的属性，如大小、重量等 用于安全保护，躲避障碍，防止事故用于安全保护，躲避障碍，防止事故1/4/202355第八章机器人感觉技术与传感器第八章机器人感觉技术与传感器8.5.1接触觉接触觉 触觉传感器应包含：触觉传感器应包含：(1)(1)提供使传感器跟待检测物体接触的手段；提供使传感器跟待检测物体接触的手段；(2)(2)通过附加额外传感器确定触觉传感器的位置通过附加额外传感器确定触觉传感器的位置 和取向；和取向；(3)(3)实现获取和解释触觉信息的实现获取和解释触觉信息的“智能智能”功能。功能。因因此此，触触觉觉器器官官应应考考虑虑手手爪爪、致致动动器器、换换能器、信息处理等环节。能器、信息处理等环节。最最简简单单也也是是最最早早使使用用的的