[整理]《机器人技术概论》讲义.

《机器人技术概论》
讲义
目录
第一章机器人概论............................................................................................................ - 1 - 《机器人概论》研究的内容...................................................................................... - 1 - 什么是机器人？.......................................................................................................... - 1 - 机器人的发展.............................................................................................................. - 2 - 为什么要发展机器人？.............................................................................................. - 3 - 机器人发展的三个阶段.............................................................................................. - 3 - 机器人学...................................................................................................................... - 4 - 机器人的分类.............................................................................................................. - 4 - 第二章机器人的数学基础................................................................................................ - 6 - 第一节位置和姿态的表示........................................................................................ - 6 - 第二节坐标变换........................................................................................................ - 7 - 第三节齐次变换........................................................................................................ - 8 - 第三章机器人运动学...................................................................................................... - 11 - 第一节机器人运动方程的表示.............................................................................. - 11 - 第二节连杆变换矩阵及其乘积.............................................................................. - 12 - 第四章机器人的感觉系统.............................................................................................. - 18 - 第一节传感器原理简介.......................................................................................... - 18 - 第二节传感器在机器人中的应用.......................................................................... - 20 - 第五章机器人驱动与控制技术...................................................................................... - 28 - 第一节驱动电机...................................................................................................... - 28 - 第二节位置控制...................................................................................................... - 30 - 第六章机器人轨迹规划.................................................................................................. - 35 - 第一节轨迹规划的一般性问题.............................................................................. - 35 - 第二节关节轨迹的插值.......................................................................................... - 35 - 第三节移动机器人路径规划.................................................................................. - 38 -
第一章机器人概论
《机器人概论》研究的内容
在机器人研究中，我们通常在三维空间中研究物体的位置。

这些物体可用两个非常重要的特性来描述：位置和姿态。

我们会首先研究如何用数学的方法表示和计算这些参量。

运动学研究物体的运动，而不考虑引起这种运动的力。

在运动学中，我们研究位置、速度、加速度和位置变量对于时间和其它变量的高阶微分。

其中，正运动学方程描述各个关节变量在工具坐标系与基坐标系间的函数关系；逆运动学通过给定工具坐标系的位置和姿态，计算各个关节变量。

机器人与外界环境相互作用时，在接触的地方要产生力和力矩，统称为操作力矢量。

n个关节的驱动力（或力矩）组成的n维矢量，称为关节力矢量。

静力学研究在静态平衡状态下，操作力向关节力映射存在着的线性关系。

动力学主要研究产生运动所需要的力。

为了使操作臂从静止开始加速，使末端执行器以一定的速度作直线运动，最后减速停止，必须通过关节驱动器产生一组复杂的力矩函数来实现。

机器人的感觉主要介绍产生机器人的力觉、视觉、触觉、接近觉等相关的传感器。

机器人的控制在前面的基础上设计位置控制系统，讨论控制算法及给机器人编程等。

什么是机器人？
一般的理解：机器人是具有一些类似人的功能的机械电子装置或者叫自动化装置，它是个机器。

特点：
✧有类人的功能。

作业功能；感知功能；行走功能；能完成各种动作.
✧根据人的编程能自动的工作。

通过编程改变它的工作、动作、工作的对
象和工作的一些要求。

✧是人造的机器或机械电子装置，仍然是个机器
机器人的定义：
机器人学是一门不断发展的科学，上世纪60年代，可实用机械机器人被称为工业机器人；上世纪80年代到现在，正越来越向智能化方向发展。

因此，对机器人的定义也随其发展而变化。

国际上对机器人的定义很多：
The Webster dictionary (Webster, 1993) ：
“An automatic device that performs functions normally ascribed to humans or a machine in the form of a human.”一个自动化设备，它能执行通常由人执行的任务；或一个人型的机器
美国机器人学会（The Robot Institute of America，1979)：
“A reprogrammable, multifunctional manipulator designed to move materials, parts, tools, or specialized devices through various programmed motions for the performance of a variety of tasks.”一个可再编程的多功能操作器，用来移动材料、零部件、工具等；或一个通过编程用于完成各种任务的专用设备。

ISO，1987：
工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。

从完整的更为深远的机器人定义来看，应该更强调机器人智能，因此，机器人的定义是能够感知环境，能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的机器。

机器人是一种计算机控制的可以编程的自动机械电子装置，能感知环境，识别对象，理解指示命令，有记忆和学习功能，具有情感和逻辑判断思维，能自身进化，能计划其操作程序来完成任务。

机器人技术是集机械学、力学、电子学、生物学、控制论、人工智能、系统工程等多种学科于一体的综合性很强的新技术
机器人的发展
1954年，美国人G.Devol 和J.Engleberger设计了一台可编程的机器人
1961年，他们生产了世界上第一台工业机器人“Unimates”，并获得了专利1962年，Engleberger 成立了Unimation公司，他被称为“机器人之父”
日本从上世纪70年代中后期开始开发工业机器人，15年后就成为产量最多、应用最广的世界工业机器人“王国”。

1978年美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。

PUMA至今仍然工作在工厂第一线。

1984年英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。

同年，他还预言：“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。

1998年丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。

1999年日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO)，当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。

2002年丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。

Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。

2006年6月，微软公司推出Microsoft Robotics Studio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔·盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球主要机器人厂家
日本：Motoman、OTC、Panasonic、FANUC等
美国：Adept等
欧洲：奥地利IGM、德国CLOOS、KUKA、瑞典ABB
韩国：HYUNDAI
沈阳新松首钢莫托曼上海ABB
为什么要发展机器人？
简单说，机器人有三个方面是我们必要去发展的理由：
一个是机器人做人不愿意做的事，把人从有毒的、有害的、高温的或危险的，这样的环境中解放出来，
机器人可以做人做不好的活，比方说在汽车生产线上工人天天拿着一百多公斤的焊钳，一天焊几千个点，做重复性的劳动，一方面他很累，但是产品的质量仍然很低；
另一方面机器人做人做不了的活，这也是非常重要的机器人发展的一个理由，比方说人们对太空的认识，人上不去的时候，叫机器人上天，上月球，以及到海洋，进入到人体的小机器人，以及在微观环境下，对原子分子进行搬迁的机器人，都是人们不可达的工作。

上述方面的三个问题，也就是说机器人发展的三个理由。

机器人发展的三个阶段
第一代机器人，也叫示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的一个机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来，然后发出指令，机器人可以重复的根据人当时示教的结果，再现出这种动作，比方说汽车的点焊机器人，它只要把这个点焊的过程示教完以后，它总是重复这样一种工作，它对于外界的环境没有感知，这个力操作力的大小，这个工件存在不存在，焊的好与坏，它并不知道，第一代机器人存在这种缺陷。

在20世纪70年代后期，人们开始研究第二代机器人，叫带感觉的机器人，这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比，有了各种各样的感觉，比方说在机器人抓一个物体的
时候，它实际上力的大小能感觉出来，它能够通过视觉，能够去感受和识别它的形状、大小、颜色。

抓一个鸡蛋，它能通过一个触觉，知道它的力的大小和滑动的情况。

第三代机器人，是机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种功能和机能，这个目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义，但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在，而只是随着我们不断的科学技术的发展，智能的概念越来越丰富，它内涵越来越宽。

机器人学
（1）机器人基础理论与方法，如运动学和动力学，作业与运动规划、控制与感知理论与技术、机器人智能。

（2）机器人设计理论与技术，机器人机构分析和综合、机器人结构设计优化、机器人关键器件设计、机器人仿真等。

（3）机器人仿生学，仿生运动和动力学、仿生机构学、仿生感知和控制理论、仿生器件设计和制造等
（4）机器人系统理论，多机器人系统理论、机器人-人融合、以及机器人与其它机器系统的协调和交互。

（5）机器人操作和移动理论，机器人装配理论、机器人移动理论、足式机器人步态理论等。

（6）微机器人学，微机器人的分析、设计、制造和控制等理论方法
机器人的分类
机器人分类方法很多
✧按照技术水平划分
第一代：示教再现型，具有记忆能力。

目前，绝大部分应用中的工业机器人均属于这一类。

缺点是操作人员的水平影响工作质量。

第二代：初步智能机器人，对外界有反馈能力。

部分已经应用到生产中。

第三代：智能机器人，具有高度的适应性，有自行学习、推理、决策等功能，处在研究阶段。

✧按照基本结构划分
直角坐标型，
也称“机床型”
圆柱坐标型
球坐标型
全关节型
✧按照受控运动方式划分
点位控制（PTP）型，Point to Point, 如点焊、搬运机器人
连续轨迹控制（CP）型，Continous Path，如弧焊、喷漆机器人
✧按驱动方式划分
气压驱动（压缩空气）
液压驱动（重型机器人，如搬运、点焊机器人）
电驱动（电动机），应用最多
✧按照应用领域划分
工业机器人，面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。

特种机器人，用于非制造业的各种机器人，服务机器人、水下机器人、农业机器人、军用机器人等
第二章 机器人的数学基础
第一节 位置和姿态的表示
研究机器人的机械系统的运动需要建立一套运动的表示方法。

为了描述机器人本身各连杆之间、机器人和环境之间的运动关系，通常将它们看作刚体。

刚体的位置和姿态描述
• 在直角坐标系｛A ｝中，任意一点P 的位置可以用3×1列向量表示。

称为位置矢量
• 为了确定刚体B 的姿态（也称方位），设一个坐标系｛B ｝与该刚体固接。

用坐标系的三个单位主矢量x B ， y B ，z B 相对于参考坐标系｛A ｝的方向余弦组成的3×3矩阵表示刚体B 相对于坐标系｛A ｝的姿态。

()A A A
A
B
B
B
B R x y z =
称为旋转矩阵，也可表示成：
11121321
222331
32
33A B r r r R r r r r r r ⎛⎫ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭
旋转矩阵是正交的。

按照上述定义，绕 x 轴旋转了θ
为：
同样也可以写出R （y ，θ），R （z ，θ），注意：旋转方向按照右手法则
x A
y z p p p p ⎛⎫ ⎪= ⎪
⎪⎝⎭
1
00
(,)0cos sin 0sin cos R x θθ
θθθ⎛⎫
⎪=- ⎪ ⎪⎝
⎭
cos 0sin (,)0
10sin 0cos R y θ
θθθθ⎛⎫
⎪
=
⎪ ⎪-⎝
⎭cos sin 0(,)sin cos 000
1R z θ
θθθ
θ-⎛⎫
⎪= ⎪ ⎪⎝
⎭
总之，用位置矢量描述刚体的位置，用旋转矩阵描述刚体的姿态（方位） 为了完全描述刚体B 在空间的位置和姿态，通常将刚体B 与某一坐标系相固接，通常记为｛B ｝，｛B ｝的原点一般选在刚体B 的特征点上，如质心或对称中心等。

对弧焊机器人中的焊枪可以将原点选在焊枪电极端部。

则相对于参考坐标系｛A ｝，用位置矢量o A
B P 和旋转矩阵A
B R 分别描述｛B ｝原点位置及坐标系的方位，即刚体B 的位置和姿态可由坐标系｛B ｝来描述：
当表示位置时，旋转矩阵为单位阵； 当表示姿态时，位置矢量等于零。

第二节 坐标变换
1、坐标平移
坐标系｛B ｝与｛A ｝具有相同的方位，但｛B ｝的原点与｛A ｝的原点不重合，则空间任意点P 在｛A ｝中的描述可以表示为：O A
B A B p p p =+，称为坐
标平移方程。

2、坐标旋转
坐标系｛B ｝与｛A ｝原点重合，但两者的方位不同，则空间任意点P 在｛A ｝中的描述可以表示为：
A
A B
B p R p =，称为坐标旋转方程。

3、一般变换
坐标系｛B ｝与｛A ｝既不共原点，方位亦不同，此时，
{
}
{},
O
A
A
B
B B R p =
O
A
A B A
B
B p R p p =+
例题2-1：已知坐标系{}B 的初始位姿与{}A 重合，首先{}B 相对于坐标系{}A 的A z 轴转30度，再沿{}A 的A x 轴移动12个单位，并沿{}A 的A y 轴移动6个单
位。

求位置矢量o A B p 和旋转矩阵A
B
R 。

假设点p 在坐标系{}B 中的描述为[]5,9,0T
B
p =，求它在坐标系{}A 中的描述A p 。

解：根据题意得
则
第三节 齐次变换
在空间直角坐标系中，任意一点可用一个三维坐标矩阵[x y z]表示。

如果将该点用一个四维坐标的矩阵[Hx Hy Hz H]表示时，则称为齐次坐标表示方法。

在齐次坐标中，最后一维坐标H 称为比例因子。

比如齐次坐标[8,4,2]、[4,2,1]表示的都是二维点[2,1]。

(1)从普通坐标转换成齐次坐标时 如果(x,y,z)是个点，则变为(x,y,z,1)； 如果(x,y,z)是个向量，则变为(x,y,z,0) (2)从齐次坐标转换成普通坐标时
如果是(x,y,z,1)，则知道它是个点，变成(x,y,z)； 如果是(x,y,z,0)，则知道它是个向量，仍然变成(x,y,z) 齐次坐标变换
用4×1列向量表示三维空间坐标系中的点： 称为齐次坐标，齐次坐标具有不唯一性。

x a y x
y
z
b a b
c z c ω
ω
ω
ω⎛⎫
⎛⎫ ⎪ ⎪
⎪⇒=
=
=
⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭
⎝⎭
000
cos30sin3000.8660.50(,30)sin30cos3000.50.86600
1001A B R R z ⎡⎤--⎡⎤⎢⎥
⎢⎥
===⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢
⎥⎣⎦⎣
⎦1260o A
B p ⎡⎤
⎢⎥
=⎢⎥⎢⎥⎣⎦
0.171211.8310.294616.294000o A A B A B B p R p p -⎡⎤⎡⎤⎡⎤
⎢⎥⎢⎥⎢⎥
=+=+=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦
引入齐次坐标后，一般变换变为：
称为齐次变换矩阵
例题2-2：已知点732u i j k =++，对它进行绕轴z 旋转90度至点v ，点v 绕y 轴旋转90度至点w ，求点w 的坐标。

在此基础上再进行平移变换437i j k -+，求点w 的坐标。

解：由旋转齐次坐标变换得
同理
A
A B
B
p T p =000
1O A
A
B B A
B R p T ⎛⎫= ⎪ ⎪⎝⎭
)(,)Rot k θ0
00
0701
0073909000310
0037909000(,90)20010220
010********
01c s s c v Rot z u --⎡⎤-⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢
⎥⎢⎥⎢⎥
⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥====⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥
⎢
⎥⎢⎥⎢
⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦
⎣⎦0010320
10077(,90)100023000111w Rot y v -⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥
⎢
⎥⎢⎥⎢⎥
===⎢⎥⎢⎥⎢⎥
-⎢⎥⎢⎥⎢⎥
⎣⎦⎣⎦⎣⎦
经过平移变换后，新的w 的坐标为
3'
1
00426010374(4,3,7)[
]00173100
1
000111o
A B I p w Tans w w ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥
-⎢
⎥⎢⎥⎢⎥
=-===⎢⎥⎢⎥⎢⎥
⎢⎥⎢⎥⎢⎥
⎣⎦⎣⎦⎣⎦
第三章 机器人运动学
第一节 机器人运动方程的表示
A 矩阵：一个描述连杆坐标系间相对平移和旋转的齐次变换 。

T 矩阵：A 矩阵的乘积
对于六连杆机械手，有下列T 矩阵 ：
6123456T A A A A A A =
一个六连杆机械手可具有六个自由度，每个连杆含有一个自由度，并能在其运动范围内任意定位与定向。

机械手的运动方向 原点由矢量p 表示。

接近矢量a ：z 向矢量 方向矢量o ：y 向矢量
法线矢量n ：它与矢量o 和a 一起构成一个右手 矢量集合，并由矢量的交乘所规定：n o a =⨯。

因此，变换T6具有下列元素。

60
1x x x x y
y y
y z z z z n o a p n o a p T n o a p ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦
六连杆机械手的T 矩阵（ T6 ）可由指定其16个元素的数值来决定。

在这16个元素中，只有12个元素具有实际含义。

机械手的运动姿态由某个姿态变换规定之后，它在基系中的位置就能够由左乘一个对应于矢量p 的平移变换来确定：
6100010[]0010
00
1x y z p p T p ⎡⎤⎢⎥
⎢
⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦
某姿态变换
第二节 连杆变换矩阵及其乘积
广义连杆
相邻坐标系间及其相应连杆可以用齐次变换矩阵来表示。

要求出操作手所需要的变换矩阵，每个连杆都要用广义连杆来描述。

在求得相应的广义变换矩阵之后，可对其加以修正，以适合每个具体的连杆。

机器人机械手是由一系列连接在一起的连杆（杆件）构成的。

需要用两个参数来描述一个连杆，即公共法线距离i a 和垂直于i a 所在平面内两轴的夹角i α；需要另外两个参数来表示相邻两杆的关系，即两连杆的相对位置i d 和两连杆法线的夹角i θ，如图所示。

一般称为i a 连杆长度，i α为连杆扭角，i d 为两连杆距离，i θ为两连杆夹角。

机器人机械手上坐标系的配置取决于机械手连杆连接的类型。

有两种连接——转动关节和棱柱联轴节。

对于转动关节，其特征参数为,,,i i i i a d αθ，i θ为关节变量；对于棱柱联轴节，其特征参数为,,i i i d αθ，i d 为关节变量，连杆长度i a 没有意义，令其为0。

连杆坐标系与连杆参数
为了确定机器人各连杆之间的相对运动关系，需要确定连杆坐标系，规定： [1]. 坐标系{}1i -的z 轴1i z -与关节轴1i -共线，指向任意；
[2]. 坐标系{}1i -的x 轴1i x -与与连杆1i -的公垂线重合，指向由关节1i -到关节i ； [3]. 坐标系{}1i -的y 轴1i y -按照右手法则规定，即111i i i y z x ---=⨯
根据所设定的连杆坐标系，相应的连杆参数定义如下：
11i i i a z x --=i-1从z 到沿测量的距离；
111=i i i i z z x α---从到绕旋转的角度；
1i i i d -=i-1从x 到x 沿z 测量的距离；
11=i i i θ--i 从x 到x 绕z 旋转的角度； 如图所示：
i y
用A 矩阵表示T 矩阵
机械手的末端装置即为连杆6的坐标系，它与连杆1i -坐标系的关系可由16i T -表示为：
1
616i i i T A A A -+=
可得连杆变换通式为 ：
111111111100
00
1
i
i i i i i i i i i i i i i i i i i i c s s c c c s d s T s s c s c d c θθαθαθαααθαθααα-----------⎡⎤⎢⎥--⎢⎥=
⎢⎥⎢
⎥⎣⎦
例1：如图所示为具有三个旋转关节的3R 机械手，求末端机械手在基坐标系
{}00X Y 下的运动学方程。

解：建立如图所示的参考坐标系
y
1111010
00000100
00
1c s s c T -⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢
⎥⎣⎦
2212
21
200000100
01c s L s c T -⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥
⎢⎥⎣⎦
3323
32
300000100
01c s L s c T -⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥
⎢⎥⎣⎦
12312311212123
123112120
0123123000010
01c s L c L c s
c L s L s T T T T -+⎡⎤⎢⎥+⎢⎥
==⎢⎥⎢⎥
⎣⎦
其中，()()123123123123cos ,sin c
s θθθθθθ=++=++
例2：如图所示的三自由度机械手（两个旋转关节加一个平移关节，简称RPR 机械手），求末端机械手的运动学方程。

解：建立如图的坐标系，则各连杆的D-H 参数为：
3
由连杆的齐次坐标公式
1
1
1111
111100
00
1i
i i i i i i i i i i i i i i i i i i c s a s c c c s d s T s s c s c d c θθθαθαααθαθααα-----------⎡⎤
⎢⎥--⎢⎥=⎢⎥
⎢
⎥⎣⎦
有
11110
1
100000010
01c s s c T L θθθθ-⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦ 212100000101000001d T ⎡⎤⎢⎥--⎢⎥=⎢⎥
⎢⎥⎣⎦ 3
3332320
0000010
01c s s c T L θθθθ-⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥
⎢⎥⎣⎦ 所以 13
131121213131121200123
123331
00
1c c c s s s L s d s c s s c c L c d T T T T s c L θθθθθθθθθθθθθθθθ-+⎡⎤⎢⎥----⎢⎥
==⎢⎥⎢⎥
⎣⎦
式中 11
11sin cos s c θθθθ==
例3 PUMA 560机器人运动学方程
PUMA 560是属于关节式机器人，6个关节都是转动关节。

前3个关节确定手腕参考点的位置，后3个关节确定手腕的方位。

各连杆坐标系如下图所示。

相应的连杆参数列于表3.1中。

表3.1 PUMA560机器人的连杆参数
据课本公式(3.16)和表3.1所示连杆参数，可求得各连杆变换矩阵如下：
111
10
1000000100001c s s c T θθθθ-⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦ 2
22122
20
0001000
01c s d T s c θθθθ-⎡⎤
⎢⎥⎢
⎥=⎢⎥--⎢
⎥⎣⎦
3323
32
300000100
01c s a s c T θθθθ-⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦ 44
343444
0001000
001c s a d T s c θθθθ-⎡⎤
⎢⎥⎢
⎥=⎢⎥--⎢⎥⎣⎦
554
555000010000
01c s T s c θθθθ-⎡⎤
⎢⎥-⎢
⎥=⎢⎥
⎢⎥
⎣⎦ 665666000010000
001c s T s c θθθθ-⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥--⎢⎥⎣⎦
各连杆变换矩阵相乘，得PUMA 560的机械手变换矩阵：
0123456112233445566()()()()()()T T T T T T T θθθθθθ=
即126,,,θθθ为关节变量的函数。

第四章机器人的感觉系统
第一节传感器原理简介
传感器的定义
传感器：把被测非电量转换成为与之有确定对应关系，且便于应用的某些物理量（通常为电量）的测量装置。

①传感器是测量装置，能完成检测任务；
②它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；
③它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；
④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。

传感器的组成及类型
传感器的组成
常见的传感器类型：
电阻式传感器
变阻抗式传感器
光电式传感器
电势式传感器
传感器的原理
应变片：压力电阻
光敏电阻：光强电阻
热敏电阻：温度电阻
霍尔元件：磁感应强度电压
非电学量电学量
传感器示例-电阻式传感器
原理：金属的电阻应变效应
当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化。

（公式略）
力形变电阻变化电压
应变片的作用
应变式加速度传感器
应变式加速度传感器结构示意图
1—等强度梁2—质量块3—壳体4—电阻应变片在低频（10~60Hz）振动测量中得到广泛的应用。

传感器示例-光电式传感器
光敏电阻的工作原理及结构
当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小 当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加
光电码盘传感器-工作原理
用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件。

1－光源 2－柱面镜 3－码盘 4－狭缝 5－元件
第二节 传感器在机器人中的应用
多传感器在移动机器人中的应用 任务规划：执感觉外
界环境视觉１
视觉２
超声波传感器
红外接近觉
立体视觉地标识别
障碍探测目标物探测
内部传景物识别
感器
融合
力觉
触觉
环境模型定位
避障
操作规划
学习
路径规划
行机构控制
指令
功能
几种主要的机器人传感器简介
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。

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。

机器人传感器的分类
根据检测对象的不同可分为内部传感器和外部传感器。

a.内部传感器
用来检测机器人本身状态（如手臂间角度）的传感器。

多为检测位置和角度的传感器。

（1）位置传感器
（2）角度传感器
b.外部传感器
用来检测机器人所处环境（如是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。

具体有物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。

机器人的触觉
一般认为触觉包括接触觉、压觉、滑觉、力觉四种，狭义的触觉按字面上来看是指前三种感知接触的感觉。

1. 接触觉传感器
例如，开关式触觉传感器
特点：
外形尺寸十分大
空间分辨率低
利用阵列这一概念已开发了许多重要的传感器。

碳毡
（CSA ）
碳毡（CSA ）灵敏度高，具有较强的耐过载能力。

缺点是有迟滞，线性差。

导电橡胶的电阻也会随压力的变化而变化，因此也常用来作为触觉传感器的敏感材料。

拟人化皮肤传感器利用一种具有压电和热释电性的高分子材料研制而成。

另外还有光学式触觉传感器、电容式阵列触觉传感器等。

2. 压觉传感器（略）
3. 力觉传感器
力觉传感器使用的主要元件是电阻应变片。

通常我们将机器人的力传感器分为三类：
（1）装在关节驱动器上的力传感器，称为关节力传感
器。

用于控制中的力反馈。

（2）装在末端执行器和机器人最后一个关节之间的力
传感器，称为腕力传感器。

（3）装在机器人手爪指关节（或手指上）的力传感器，
称为指力传感器。

SRI传感器
SRI （Stanford Research Institute）研制的六维腕力传
感器，如图所示。

它由一只直径为75mm的铝管铣
削而成，具有八个窄长的弹性梁，每个梁的颈部只传
递力，扭矩作用很小。

梁的另一头贴有应变片。

图中
从Px+到Qy-代表了8根应变梁的变形信号的输出。

日本大和制衡株式会社林纯一研制的腕力传感器。

它
是一种整体轮辐式结构，传感器在十字梁与轮缘联结
处有一个柔性环节，在四根交叉梁上共贴有32个应
变片（图中以小方块），组成8路全桥输出。

三梁腕力传感器
传感器的内圈和外圈分别固定于机器人的手臂和手爪，力沿与内圈相切的三根梁进行传递。

每根梁上下、左右个贴一对应变片，三根梁上共有6对应变片，分别组成六组半桥，对这6组电桥信号进行解耦可得到六维力（力矩）的精确解。

4. 滑觉传感器
机械手一般采用两种抓取方式：硬抓取和软抓取。

硬抓取（无感知时采用） ：末端执行器利用最大的夹紧力抓取工件。

软抓取（有滑觉传感器时采用）：末端执行器使夹紧力保持在能稳固抓取工件的最小值，以免损伤工件。

采用压觉传感器实现滑觉
感知
滚轮式滑觉传感器
它由一个金属球和触针组成，金属球表面分成许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，个数对应滑移的距离。

根据振动原理制成的滑觉传感器。

钢球指针与被抓物体接触。

若工件滑动，则指
针振动，线圈输出信号。

机器人的接近觉
接近觉主要感知传感器与对象物之间的接近程度。

b）无铁磁体时磁力线的形状c）铁磁体接近时磁力线的形状。