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duzj01@hit.edu.cn第八章机器人传感技术主编：金发庆8.1传感器概述8.2外部传感器8.3内部传感器8.4多传感器融合传感器技术是材料学、力学、电学、磁学、微电子学、光学、声学、化学、生物学、精密机械、仿生学、测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、乃至系统科学、人工智能、自动化技术等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术。传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成引言传感器技术广泛应用于航空航天、兵器、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保、材料、灾害预测预防、农林渔业、食品、烟酒制造、建筑、汽车、舰船、机器人、家电、公共安全等领域。引言物联网技术在机器人中，起到内部反馈控制作用或感知与外部环境的相互作用的装置被称为机器人传感器。给机器人装备什么样的传感器？对这些传感器有什么要求？这是设计机器人感觉系统时遇到的首要问题。选择机器人传感器应当完全取决于机器人的工作需要和应用特点。（机器人分类）引言引言视觉听觉嗅觉味觉触觉采用两级分布式计算机实时控制系统灵巧手三个手指3个关节微电机角度传感器三维力传感器目前，机器人一般具有视觉、听觉、触觉和接近觉，这些感觉都是是通过相应的传感器得到的。视觉20世纪50年代后期出现，发展十分迅速，是机器人中最重要的传感器之一。机器视觉从20世纪60年代开始首先处理积木世界，后来发展到处理室外的现实世界。20世纪70年代以后，实用性的视觉系统出现了。视觉一般包括三个过程：图像获取、图像处理和图像理解。相对而言，图像理解技术还很落后。力觉机器人力传感器就安装部位来讲，可以分为关节力传感器、腕力传感器和指力传感器。国际上对腕力传感器的研究是从20世纪70年代开始的，主要研究单位有美国的DRAPER实验室、SRI研究所、IBM公司和日本的日立公司、东京大学等单位。引言触觉作为视觉的补充，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。对它的研究从20世纪80年代初开始，到20世纪90年代初已取得了大量的成果。接近觉研究它的目的是是使机器人在移动或操作过程中获知目标（障碍）物的接近程度，移动机器人可以实现避障，操作机器人可避免手爪对目标物由于接近速度过快造成的冲击。引言duzj01@hit.edu.cn8.1传感器概述1、传感器定义及组成传感器定义：按一定规律实现信号检测并将被测量(物理的、化学的和生物的信息)通过变送器变换为另一种物理量(通常是电压或电流量)。它既能把非电量变换为电量，也能实现电量之间或非电量之间的互相转换。总而言之，一切获取信息的仪表器件都可称为传感器。国际上将传感技术被列为六大核心技术(计算机、激光、通讯、半到体、超导和传感)之一。传感技术也是现代信息技术的三大基础(传感技术、通讯技术、计算机技术)之一。传感器组成：一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路组成，如图所示。敏感元件转换元件基本转换电路被测量信号常用传感器一览2、传感器分类传感器可以按不同的方式进行分类。例如：按被测物理量、按传感器的工作原理、按传感器转换能量的情况、按传感器的工作机理、按传感器输出信号的形式(模拟信号、数字信号)等分类。按机器人用传感器功能可分为检测内部状态信息传感器和检测外部对象和外部环境状态的外部信息传感器。内部传感器：是用于测量机器人自身状态的功能元件。其功能是测量运动学和力学参数，使机器人能够按照规定的位置、轨迹和速度等参数进行工作，并加以调整和控制。主要包括：位置、角度、速度、力、力矩以及温度传感器等。外部传感器：用来检测机器人所处环境及目标状况，从而使得机器人能够与环境发生交互作用并对环境具有自我校正和适应能力。主要包括：视觉、触觉、力觉、接近觉、角度觉(平衡觉)传感器等。具有多种外部传感器是先进机器人的重要标志。可见光和红外传感器接触和视觉传感器语音识别装置语音合成器视觉传感器嗅觉传感器测距仪接近觉传感器控制器内部传感外部传感位置传感器速度传感器加速度传感器力和压力传感器力矩传感器姿态传感器机器人机器人信息传感传感器分类机器人对传感器的一般要求是：(1)精度高，重复性好；(2)稳定性好，可靠性高；(3)抗干扰能力强；(4)易于调整，输入、输出回路相互独立；(5)重量轻，体积小，安装方便可靠；(6)价格便宜，寿命长。1．从机器人对传感器的需要来选择3、传感器的类型选择机器人被用于执行各种加工任务，其中比较常见的加工任务有物料搬运、装配、喷漆、焊接、检验等。不同的任务对机器人提出了不同的要求，例如：2．从任务的要求来选择传感器的类型选择（1）搬运：位置（力，触觉，视觉）（2）装配：位置（力，触觉，视觉）（3）喷漆：位置检测，对象识别（4）焊接：位置（点焊：接近觉；弧焊：视觉）机器人控制需要采用传感器检测机器人的运动位置、速度、加速度。除了较简单的开环控制机器人外，多数机器人都采用了位置传感器作为闭环控制器的反馈元件。机器人根据位置传感器反馈的位置信息，对机器人的运动误差进行补偿。不少机器人还装备有速度传感器和加速度传感器。加速度传感器可以检测机器人构件受到的惯性力，使控制能够补偿惯性力引起的变形误差。速度检测可以用于预测机器人的运动时间，计算和控制由离心力引起的变形误差。3．从机器人控制的要求来选择传感器的类型选择工业机器人在从事某些辅助工作时，也要求有一定的感觉能力。这些辅助工作包括产品的检验和工件的准备等。机器人在外观检验中的应用日益增多。机器人在这方面的主要用途有检查毛刺、裂缝或孔洞的存在，确定表面粗糙度和装饰质量，检查装配体的完成等。在外观检验中，机器人主要需要视觉能力，有时也需要其他类型的传感器。4．从辅助工作的要求来选择传感器的类型选择例如（1）外观检测：视觉（2）工件定位：视觉，触觉，力从安全方面考虑，机器人对传感器的要求包括以下两个方面：为了使机器人安全地工作而不受损坏，机器人的各个构件都不能超过其受力极限。从保护机器人使用者的安全出发，也要考虑对机器人传感器的要求。5．从安全方面的要求来选择传感器的类型选择(1)灵敏度(2)线性度(3)测量范围(4)精度(5)重复性(6)分辨力(7)响应时间(8)可靠性(1)尺寸(2)重量(3)输出形式(4)接口形式(5)可插接性(6)成本传感器的类型选择性能指标的确定物理特征的选择duzj01@hit.edu.cn8.2内部传感器——机器人自身状态感知内部传感器电位器：电位器是—种典型的位置传感器，可分为直线型(测量位移)和旋转型(测量角度)。电位器由环状或棒状电阻丝和滑动片(或称为电刷)组成，滑动片接触电阻丝取出电信号。电刷与驱动器连成—体，将其线位移或角位移转换成电阻的变化，在电路中以电压或电流的变化形式输出。可分为导电塑料、线绕式、混合式等滑片型和磁阻式、光标式等非接触型。导电塑料型（1）电位器线圈型常用电位器形式内部传感器LEex12E：输入电压L：触头最大移动距离x：向左端移动的距离e：电阻右侧的输出电压电位器测量原理的位置传感器（1）电位器位置测量原理：滑动触点受到被检测量控制，当位置发生变化，滑动触点发生位移，改变触点到电阻器各端的阻值和输出电压，根据测得的电压变化可得位移变化。优点：线性度好、输出信号选择范围大，性能稳定、结构简单、尺寸小、质量轻、精度高、成本低等。缺点：易于磨损内部传感器光电位置传感器：事先求出光源（LED）和感光部分（光敏晶体管）之间的距离同感光量的关系（标定），就能从测量时的感光量检测出位移量。（2）光电位置传感器内部传感器（3）光电编码器光电编码器：光电编码器是机器人关节伺服系统中常用的一种检测装置；它实际是一种量化式的模拟数字转换器。将机械轴的转角值或直线运动的位移值转换成相应的电脉冲或数字量。内部传感器（3）光电编码器光电编码器工作原理图光电编码器：光电编码器由光源、聚光透镜、基准光栅、扫描光栅、光电转换元件及信号放大整形电路等部件组成。光源发出的光线经过聚焦后变成平行光束，当扫描光栅上的条纹与基准光栅上的条纹重合时，光敏管便接受一次光的信号并记数，由此可以测试旋转速度。旋转方向可通过扫描光栅提供的两路脉冲信号的相位差判断。光电编码器可分为增量式和绝对式两种。内部传感器（3）光电编码器——增量式编码器增量式编码器：即在编码盘上的读数起始点是不固定的，它从读数起始点开始，把角位移或线位移的变化量进行累积检测。它只能检测角值或线值的变化量(增量)，故称为增量式编码器。旋转式增量编码器（用于测量角位移）直线增量编码器(光栅尺)（用于测量直线位移）内部传感器增量式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。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。受增量式编码器测量原理的限制，它只能测量机器人关节相对于初始位置的转动量，而无法测得其所处的绝对位置。（3）光电编码器——增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。内部传感器绝对式编码器：其读数起始点是给定的，它以编码盘固有的某图案为起始点，检测角位移或线位移。它能同时检测角值或线值的初始量和增量，也就是能取出总量(绝对量)，故称为绝对式编码器。绝对式编码器每个位置都对应着透光与不透光弧段的惟一确定组合，这种确定组合有惟一的特征。通过这特征，在任意时刻都可以确定码盘的精确位置。（3）光电编码器——绝对式编码器内部传感器绝对式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码道越多,分辨率越高。目前,码盘码道可做到十八条,能分辨的最小角度为（3）光电编码器——绝对式编码器绝对式编码器不仅可以测量角位移，还可通过比较编码器的当前位置和初始位置，得出机器人关节的角速度。00140236018.内部传感器（4）旋转变压器旋转变压器又称分解器，是一种控制用的微电机，它将机械转角变换成与该转角呈某一函数关系的电信号的一种间接测量装置。在结构上与二相线绕式异步电动机相似，由定子和转子组成。定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到转子绕组上，感应电动势由定子绕组输出。原理：转子转动引起磁通量旋转，在次级线圈产生变化的电压。从而可以用来测量角位移。旋转变压器结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。内部传感器测速发电机：是利用发电机原理的速度传感器或角速度传感器。按其构造分为直流测速发电机、交流测速发电机。（5）测速发电机直流测速发电机实际就是一种微型直流发电机，按定子磁极的励磁方式分为电磁式和永磁式。直流测速发电机的输出电压与转速要严格保持正比关系,这在实际中是难以做到的，直流测速发电机输出的是一个脉动电压，其交变分量对速度反馈控制系统、高精度的解算装置有较明显的影响。交流测速发电机交流异步测速发电机与交流伺服电动机的结构相似，其转子结构有笼型的，也有杯型的，在自动控制系统中多用空心杯转子异步测速发电机。交流同步测速发电机因感应电势频率随转速而变，致使电机本身的阻抗及负载阻抗均随转速而变化，因此，输出电压