机器人学导论第7章
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1 增量式
简单旋转式增量码盘
. 简单直线增量编码器
9
增量式编码器的输出.信号
10
2 绝对式
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。
.
11
# 格雷码 0 0000 1 0001 2 0011 3 0010 4 0110 5 0111
（一）电位器
通过电阻把位置信息转化为随位置变化的电压。
Vout
Vcc
R1 R
电位器原理图
.
商品化电位器
7
（二） 编码器
功能：检测细微运动，输出数字信号。
原理：
码盘或码尺被分成若干小区，每一小区可能不透 明也可能透明。
当光源例如发光二极管有码盘或码尺的一侧向另
一侧发射一束光时，在另一侧用光敏传感器进行检
测。如果码盘的角度正好位于光能穿过的地方，则
另一侧的传感器将会导通，输出高电平。如果码盘
的角度正好处在光不能穿过的地方，传感器将关断，
输出低电平。如果对该信号计数就可测量任意时刻
码盘的近似总位移
.
8
两种基本形式：增量式、绝对式
增量式：用来测量角位置和直线位置的变化，但 不能直接记录或指示位置的实际值。在所有利用增 量式编码器进行位置跟踪的系统中，都必须在系统 开始运行时进行复位。只要知道复位时的位置，控 制器就能确定任意时刻的位移。
.
13
旋转变压器
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。
旋转变压器原理图
.
14
磁反射型传感器
原理：导体发送脉冲，遇到磁体后反射回来，若已 知脉冲传输速度，那么就能将脉冲到达磁体并返回 的总时间换算成距离。
.
15Baidu Nhomakorabea
§6.3 速度传感器
•编码器
原理：对任意给定的角位移，编码器将产生确定数 量的脉冲信号，通过统计指定时间内脉冲信号的数 量，能计算出相应的角速度。
转换器是将物理量和化学量转换为电信 号的装置。通常来自转换器的信号很小， 在使用前必须将这些信号放大；此外，经 常有些信号是非线性的，在应用前必须将 它们线性化。
例如，来自热电偶的信号必须线性化以 获得与温度成正比的电压。
传感信号最普通的用途是用在闭环控制
中。
.
6
§7.1 位置传感器
用途：测量位移，包括角位移和线位移，也可用 来检测运动。
数字设备——满量程/2n
.
1
机器人为了能够适应周围环境进行正常工 作，需要使用传感器来感知现场的一些情况， 具体来说有以下几个原因：
1) 机械定位法难以知道所有工件和设备 的放置位置；
2) 当工件顺序不定或需要改变时，缺乏 适应性和灵活性；
3) 高精度机械手的造价往往比用低精度
机械手配以传感器灵活并方便地完成任务所
降低。
.
18
3.应变片 输出与形变成正比
.
19
6.4 力矩传感器
原理：
如果在轴上施加力矩，力矩将在轴上产生两个方向相 反的力和两个方向相反的形变，两个力传感器可以测 出这两个力，根据所测力的大小可计算出力矩。
用六个传感器 测量三个彼此 独立的轴上的 力和力矩
.
20
§6.5 其它类型传感器
1. 微动开关
在机器人中，传感器主要作用如下：
(1) 为了控制系统测试机器人参数；
(2) 发现物体的位置；
(3) 纠正机器人模型中的误差；
(4) 探知并且避免实效姿态；
(5) 探知物体并避障；
(6) 监测与环境的交互作用；
(7) 监测可能对执行这项任务有影响的 环境状态；
(8) 检查处理结果.。
5
传感器由转换器和电路组成。
二进制码
#
格雷码
0000
6
0101
0001
7
0100
0010
8
1100
0011
9
1101
0100
10
1111
0101
11
1110
二进制码 0110 0111 1000 1001 1010 1011
商用增量式码盘 和绝对码尺
.
12
三 线位移差动变压器（LVDT）
原理：铁心随被测位移移动，导致磁通强度的变化， 从而引起次级电压的变化，同时将随唯一变化的模 拟电压输出作为唯一的测量结果。
机器人的感觉顺序一般分两步进行：
(1) 变换—通过硬件把目标特性转换为信 号。
(2) 处理—把所获信号变换为规划及执行 某个机器人功能所需要的信息。
处理通常包括预处理和解释两个步骤。 在预处理阶段，一般通过硬件对信号加 以改善。 在解释阶段，一般通过软件对改善后的 信号进行分析，并提.取所需要的信息。 4
需费用高得多； .
2
特点与分类： 根据物体的特性分：几何式、机械式、光学
式、材料的、语音的、电气的、磁性的、放射 的和化学的等等。
传感器常用的分类方法是将传感器按其与机 器人的相对关系分为内传感器和外传感器。
内传感器用来测试机器人本体内部的一些变 量；
外传感器常用来测试机器人工作的环境情况。 传感器经常安装在机器人的某些极限位置， 其目的是为了更方便地探知外部的信号，如何 选择合适的位置安装在.设计时要加以考虑。 3
第七章 传感器
输出类型：数字式或模拟式，可以直接 使用，也可能必须对其进行转换才能使用。
接口：传感器必须能与其他设备相连接。 如果没有现成接口、或与其他设备接口不 匹配、或需要其他额外电路，此时，需要 解决传感器与设备间接口问题。
分辨率：在测量范围内所能分辨的最小
值。绕线式电位器——一圈电阻值；n位
.
22
触觉传感器可以提供的物体的信息如下图
类皮肤 触觉传 感器
.
23
§6.6 接近觉传感器
用途：探测两个物体接触之前一物体向另一物体接近。 常见接近觉传感器 （1）磁感应接近传感器 （2）光学接近传感器
•测速发电机
原理：将机械能转化为电能的装置，输出是与输入 角速度成正比的模拟电压，它可与电位器一起来使 用来估计速度。
.
16
•位置信号微分 原理：对位置信号求微分来测试速度
.
17
• 加速度传感器 • 力和压力传感器 1. 压电晶体：压电材料受压后会产生一定电压。 2. 力敏电阻：阻值随垂直施加在表面的力的增加而
2. 可以用它切断通过导体的电流，因此能用于安全保护。 此外，还可以用来监测是否有接触或用作位移开关发 送信号。
2.可见光和红外传感器
电阻随着投射在其上面光强的变化而改变，与移动光源 联用，测量位移。建立与机器人进行远程通信的链路。
3.接触和触觉传感器
在实际接触时发出信号。 .
21
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。
简单旋转式增量码盘
. 简单直线增量编码器
9
增量式编码器的输出.信号
10
2 绝对式
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。
.
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# 格雷码 0 0000 1 0001 2 0011 3 0010 4 0110 5 0111
（一）电位器
通过电阻把位置信息转化为随位置变化的电压。
Vout
Vcc
R1 R
电位器原理图
.
商品化电位器
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（二） 编码器
功能：检测细微运动，输出数字信号。
原理：
码盘或码尺被分成若干小区，每一小区可能不透 明也可能透明。
当光源例如发光二极管有码盘或码尺的一侧向另
一侧发射一束光时，在另一侧用光敏传感器进行检
测。如果码盘的角度正好位于光能穿过的地方，则
另一侧的传感器将会导通，输出高电平。如果码盘
的角度正好处在光不能穿过的地方，传感器将关断，
输出低电平。如果对该信号计数就可测量任意时刻
码盘的近似总位移
.
8
两种基本形式：增量式、绝对式
增量式：用来测量角位置和直线位置的变化，但 不能直接记录或指示位置的实际值。在所有利用增 量式编码器进行位置跟踪的系统中，都必须在系统 开始运行时进行复位。只要知道复位时的位置，控 制器就能确定任意时刻的位移。
.
13
旋转变压器
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。
旋转变压器原理图
.
14
磁反射型传感器
原理：导体发送脉冲，遇到磁体后反射回来，若已 知脉冲传输速度，那么就能将脉冲到达磁体并返回 的总时间换算成距离。
.
15Baidu Nhomakorabea
§6.3 速度传感器
•编码器
原理：对任意给定的角位移，编码器将产生确定数 量的脉冲信号，通过统计指定时间内脉冲信号的数 量，能计算出相应的角速度。
转换器是将物理量和化学量转换为电信 号的装置。通常来自转换器的信号很小， 在使用前必须将这些信号放大；此外，经 常有些信号是非线性的，在应用前必须将 它们线性化。
例如，来自热电偶的信号必须线性化以 获得与温度成正比的电压。
传感信号最普通的用途是用在闭环控制
中。
.
6
§7.1 位置传感器
用途：测量位移，包括角位移和线位移，也可用 来检测运动。
数字设备——满量程/2n
.
1
机器人为了能够适应周围环境进行正常工 作，需要使用传感器来感知现场的一些情况， 具体来说有以下几个原因：
1) 机械定位法难以知道所有工件和设备 的放置位置；
2) 当工件顺序不定或需要改变时，缺乏 适应性和灵活性；
3) 高精度机械手的造价往往比用低精度
机械手配以传感器灵活并方便地完成任务所
降低。
.
18
3.应变片 输出与形变成正比
.
19
6.4 力矩传感器
原理：
如果在轴上施加力矩，力矩将在轴上产生两个方向相 反的力和两个方向相反的形变，两个力传感器可以测 出这两个力，根据所测力的大小可计算出力矩。
用六个传感器 测量三个彼此 独立的轴上的 力和力矩
.
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§6.5 其它类型传感器
1. 微动开关
在机器人中，传感器主要作用如下：
(1) 为了控制系统测试机器人参数；
(2) 发现物体的位置；
(3) 纠正机器人模型中的误差；
(4) 探知并且避免实效姿态；
(5) 探知物体并避障；
(6) 监测与环境的交互作用；
(7) 监测可能对执行这项任务有影响的 环境状态；
(8) 检查处理结果.。
5
传感器由转换器和电路组成。
二进制码
#
格雷码
0000
6
0101
0001
7
0100
0010
8
1100
0011
9
1101
0100
10
1111
0101
11
1110
二进制码 0110 0111 1000 1001 1010 1011
商用增量式码盘 和绝对码尺
.
12
三 线位移差动变压器（LVDT）
原理：铁心随被测位移移动，导致磁通强度的变化， 从而引起次级电压的变化，同时将随唯一变化的模 拟电压输出作为唯一的测量结果。
机器人的感觉顺序一般分两步进行：
(1) 变换—通过硬件把目标特性转换为信 号。
(2) 处理—把所获信号变换为规划及执行 某个机器人功能所需要的信息。
处理通常包括预处理和解释两个步骤。 在预处理阶段，一般通过硬件对信号加 以改善。 在解释阶段，一般通过软件对改善后的 信号进行分析，并提.取所需要的信息。 4
需费用高得多； .
2
特点与分类： 根据物体的特性分：几何式、机械式、光学
式、材料的、语音的、电气的、磁性的、放射 的和化学的等等。
传感器常用的分类方法是将传感器按其与机 器人的相对关系分为内传感器和外传感器。
内传感器用来测试机器人本体内部的一些变 量；
外传感器常用来测试机器人工作的环境情况。 传感器经常安装在机器人的某些极限位置， 其目的是为了更方便地探知外部的信号，如何 选择合适的位置安装在.设计时要加以考虑。 3
第七章 传感器
输出类型：数字式或模拟式，可以直接 使用，也可能必须对其进行转换才能使用。
接口：传感器必须能与其他设备相连接。 如果没有现成接口、或与其他设备接口不 匹配、或需要其他额外电路，此时，需要 解决传感器与设备间接口问题。
分辨率：在测量范围内所能分辨的最小
值。绕线式电位器——一圈电阻值；n位
.
22
触觉传感器可以提供的物体的信息如下图
类皮肤 触觉传 感器
.
23
§6.6 接近觉传感器
用途：探测两个物体接触之前一物体向另一物体接近。 常见接近觉传感器 （1）磁感应接近传感器 （2）光学接近传感器
•测速发电机
原理：将机械能转化为电能的装置，输出是与输入 角速度成正比的模拟电压，它可与电位器一起来使 用来估计速度。
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•位置信号微分 原理：对位置信号求微分来测试速度
.
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• 加速度传感器 • 力和压力传感器 1. 压电晶体：压电材料受压后会产生一定电压。 2. 力敏电阻：阻值随垂直施加在表面的力的增加而
2. 可以用它切断通过导体的电流，因此能用于安全保护。 此外，还可以用来监测是否有接触或用作位移开关发 送信号。
2.可见光和红外传感器
电阻随着投射在其上面光强的变化而改变，与移动光源 联用，测量位移。建立与机器人进行远程通信的链路。
3.接触和触觉传感器
在实际接触时发出信号。 .
21
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。