传感器——机器人的智能五官

传感器——机器人的智能五官

摘要：机器人的稳定性与可靠性，依赖于机器人对工作环境的感觉和自主适应能力，因此需要高性能传感器及各传感器之间的协调工作。传感器的应用对机器人来说至关重要，各类传感器对机器人来说就好比是人的五官，是机器人一切感知信息的来源，机器人感觉系统的设计是实现机器人智能化的基础。随着机器人应用领域的不断扩大，对机器人感觉系统的要求也不断提高；在这样的背景下，各类新型先进传感器也不断涌现，进而反过来又促进了机器人的进一步发展。

关键词：机器人传感器发展智能化

在传统的制造领域，工业机器人经过诞生、成长、成熟期后，已经成为不可缺少的核心自动化装备。目前，世界上有近百万台工业机器人正在各种生产现场工作。在非制造领域，上至太空舱、宇宙飞船、月球探险，下至极限环境作业、医疗手术、日常生活服务，机器人技术的应用已经拓展到社会经济发展的诸多领域。在这个过程中，传感器为推动机器人产业快速有序发展立下了汗马功劳。

在机器人中，传感器是用来检测机器人自身的工作状态,以及机器人智能探测外部工作环境和对象状态的核心部件，能感受规定的被测量,并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成。

机器人工工作时，需要检测其自身的状态和作业对象与作业环境的状态，据此，工业机器人所用的传感器可分为内部传感器和外部传感器两大类。

一、内部传感器

内部传感器是用于测量机器人自身状态参数（如手臂间的角度等）的功能元件。该类传感器安装在机器人坐标轴中，用来感知机器人自身的状态，以调整和控制机器人的行动。内部传感器通常由位置、速度及加速度传感器等组成。

1、位置传感器

位置传感器可用来检测机器人自身位置，反映某种状态的开关。位置传感器可分为两种：直线位移传感器和角位移传感器。其中直线位移传感器常用的有直

线位移定位器等，具有工作原理简单、

测量精度高、可靠性强的特点；角位

移传感器则可选旋转式电位器，具有

可靠性高、成本低的优点。角位移器

还可使用光电编码器，有增量式与绝

对式两种形式。其中增量式码盘在机

器人控制系统中得到了广泛的应用。

2、速度传感器

速度包括线速度和角速度，与之相对应的就有线速度传感器和角速度传感器，我们都统称为速度传感器。最常用的旋转式速度传感器按照它的安装形式可以把它分为接触式的和非接触式的两大类。接触式速度传感器直接和转轴联结，结构简单，使用方便，但是接触滚轮与运动物体始终接触着，滚轮的外园容易受

到磨损，影响滚轮的周长，使测

量数据出现偏差；非接触式速度

传感器与运动物体无直接接触，

使用寿命长，无需增加补偿电路，

但速度运算相对比较复杂。

3、加速度传感器

加速度传感器就是用于测量待测物体运

动过程中的加速度的传感器。加速度计种类

繁多，从测试原理上可分为压电效应式、电

容式、电感式、应变式、压阻式和表面声波

式等等；从测量维数来分，绝大多数为一维

型，个别属二维型，极少数属三维型。目前

单维的加速度传感器的技术比较成熟。

二、外部传感器

外部传感器用于测量与机器人作业有关的外部信息，这些外部信息通常与机

器人的目标识别、作业安全等有关。外部传感器主要由触觉传感器、力觉传感器、视觉传感器及听觉传感器组成。

1、触觉传感器

触觉是人与外界环境直接接触时的重要感觉功能，触觉传感器是用于机器人中模仿触觉功能的传感器。对机器人而言，触觉是获取环境信息的一种仅次于视觉的重要知觉形式,是机器人实现与环境直接作用的必需媒介，研制满足要求的触觉传感器是机器人发展中的技术关键之一。目前，触觉传感器按功能大致可分为接触觉传感器、力－力矩觉传感器、压觉传感器和滑觉传感器等。其中，接触觉传感器用以判断机器人(主要指四肢)是否接触到外界物体或测量被接触物体的特征的传感器，有微动开关、导电橡胶、含碳海绵、碳素纤维、气动复位式装置等类型；而滑觉传感器用于判断和测量机器人抓握或搬运物体时物体所产生的滑移，它实际上是一种位移传感器，按有无滑动方向检测功能可分为无方向性、单方向性和全方向性三类。

2、力觉传感器

力觉传感器是用来检测机器人自身力与外部环境力之间相互作用力的传感器。力觉传感器经常装于机器人关节处，通过检测弹性体变形来间接测量所受力。装于机器人关节处的力觉传感器常以固定的三坐标形式出现，有利于满足控制系统的要求。目前出现的六维力觉传感器可实现全力信息的测量，因其主要安装于腕关节处被称为腕力觉传感器。腕力觉传感器大部分采用应变电测原理，按其弹性体结构形式可分为两种，筒式和十字形腕力觉传感器。其中筒式具有结构简单、弹性梁利用率高、灵敏度高的特点；而十字形的传感器结构简单、坐标建立容易，但加工精度高。

3、视觉传感器

视觉传感器是整个机器视觉系统信息的直接来源，主要由一个或者两个图形传感器组成，有时还要配以光投射器及其他辅助设备,主要功能是获取足够的机器视觉系统要处理的最原始图像，具有高精度、非接触性、高速性、自动化程度高等优点，是机器人智能化中最重要的传感器之一。视觉传感器的低成本和易用性已吸引机器设计师和工艺工程师将其集成入各类曾经依赖人工、多个光电传感器，或根本不检验的应用。视觉传感器的工业应用包括检验、计量、测量、定向、瑕疵检测和分捡。如：在包装生产线，确保在正确的位置粘贴正确的包装标签；在药品包装生产线，检验阿斯匹林药片的泡罩式包装中是否有破损或缺失的药

片；在金属冲压公司，以每分钟逾150片的速度检验冲压部件，比人工检验快13倍以上。

4、听觉传感器

听觉传感器其实就是声音传感器的应用。声音传感器是一种可以检测、测量并显示声音波形的传感器，使用的是与人类耳朵相似具有频率反应的电麦克风。利用声音传感器，机器人可以通过声波来更加充分地识别自身和环境的信息。声音传感器的设计运用，也是机器人智能化过程中不可或缺的技术关键之一。

在工业上，用作汽车倒车防撞报警器装置，也被称为超声波倒车雷达或倒车声纳系统。超声波传感器通常由铝合金外壳、压电陶瓷换能器、吸声材料、引线电极所构成，具有水平方向特性宽，而垂直方向受到限制的方向性，原理上利用锆钛酸铅PZT压电陶瓷在电能与机械能之间相互转换的正、逆压电效应，即在压电陶瓷加一电信号，便产生机械振动而发射超声波，当超声波在空气传播途中碰到障碍物立即被反射回来，作用于它的陶瓷时，则会有电信号输出，通过数据处理时间差测距，计算显示车与障碍物的距离。

机器人是由计算机控制的复杂机器，它具有类似人的肢体及感官功能，动作程序灵活，有一定程度的智能，在工作时可以不依赖人的操纵。传感器在机器人的控制中起了非常重要的作用，正因为有了传感器，机器人才具备了类似人类的知觉功能和反应能力。可以说，传感器就是机器人的智能五官。

有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。新技术的发展