传感器技术在机器人技术中的应用研究

毕业论文

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科目：工业机器人

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传感器技术在机器人技术中的应用研究【摘要】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。本文首先介绍了常用传感器的工作原理、基本结构、使用特点，并讨论了传感器在智能机器人中的应用。

【关键词】传感器；机器人；视觉传感器；力觉传感器；触觉传感器

1.传感器的工作原理及典型应用

传感器在工业中的应用非常的广泛，是当今科技产业是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是当今世界极其重要的高科技，一切现代化仪器、设备几乎都离不开传感器。它广泛应用于各种新型技术领域中，下面列举几种常见的传感器：应变式传感器：有应变效应、压阻效应的原理而来。力传感器、压力传感器液体重量传感器、加速度传感器是它的典型应用；电感式传感器：利用电磁感应(自感、互感)来工作，主要应用于测量位移、振幅、转速和无损探伤等；电容式传感器：将非电量转换为电容量，它的核心部分是可变参数的电容器。把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器；压电式传感器：是基于压电效应应用的传感器，它的核心部件是压电材料。应用于测量力和能变换为力的非电物理量；磁电式传感器：利用电磁感应来工作，适用于动态测量，例如霍尔传感器；热电式传感器：基于热电效应的原理而制造出来的传感器，利用温度的变化

来进行测量，一般用于温度测量、管道流量测量等；光电式传感器：基于光电效应的传感器，将光电信号转换成电信号输出，来测量位移、速度、温度等，例如CCD固体图像传感器、光纤传感器等；红外传感器：红外辐射，被动式人体移动检测仪红外测温仪、红外线气体分析仪；微波传感器：反射原理、吸附效应，微波液位计、辐射计、物位计,微波温度传感器、无损探测仪、多普勒传感器；超声波传感器：压电效应、磁致伸缩效应，测量物位、流量、厚度、探伤；数字式传感器：光栅原理、光电效应，机床定位、长度和角度的计量仪器；

2.传感器在机器人中的应用

机器人能智能探测发现工作对象及对工作对象进行处理加工，都是因为在机器人相应部位装备了传感器，机器人才具备了类似于人类的视觉功能、运动协调和触觉反馈。智能机器人能对工作对象进行检测或在恶劣环境中工作是因为装备了触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、光敏传感器、超声波传感器和声学传感器等，有了传感器的应用才大大改善智能机器人知觉功能和反应能力，使其能够更灵活、更妥善地完成各种复杂的工作。根据传感器在机器人中应用的不同可分为机器人部检测传感器和机器人外部探测传感器。（1）机器人部传感器是用于检测机器人自身的工作状态（如调整前进速度）的传感器。多为检测速度和角度的传感器。（2）机器人外部传感器检测机器人外部工作环境（如是什么工作对象，离工作对象的距离的远近等）及工作状况（如机器人手臂的抓取是否成功）的传感器。具体

有工作对象识别传感器、工作对象探测传感器、距离感应传感器、力觉传感器，声控传感器等。2.1视觉机器人传感器二十世纪五十年代后期出现，是机器人中最重要的传感器之一。二十世纪七十年代以后，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。

2.1.1超声波传感器超声波传感器是视觉传感器的一种。它的主要用途：（1）实时地检测自身所处空间的位置，用以进行自定位；（2）实时地检测障碍物，为行动决策提供依据；（3）检测目标姿态以及进行简单形体的识别；（4）用于导航目标跟踪。

2.2力觉传感器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。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。

2.3触觉传感器作为视觉的补充，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。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。

2.3.1接触觉传感器接触觉传感器可以分为：（1）开关式触觉传感器；（2）压阻式阵列触觉传感器；（3）光学式触觉传感器；

（4）电容式阵列触觉传感器等。2.3.2压觉传感器压觉传感器又称为压力觉传感器，可分为：（1）单一输出值压觉传感器；（2）多输出值的分布式压觉传感器。3.3.3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。2.4接近觉传感器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。

如果线圈沿着与磁场垂直的方向运动，在线圈中便可产生与线圈速度成正比的感应电压，通过测量电路测得其电压的大小，便可得出速度的大小。压电式加速度传感器它也称为压电式加速度计，他是利用压电效应制成的一种加速度传感器。常见的结构形式有基于压电元件厚度变形的压缩式加速度传感器、基于压电元件剪切变形的剪切式和复合型加速度传感器。机器人外部传感器力或力矩传感器机器人在工作时，需要有合理的握力，握力太小或太大都不合适。力或力矩传感器的种类很多，有电阻应变片式、压电式、电容式、电感式以及各种外力传感器。力或力矩传感器通过弹性敏感元件将被测力或力矩转换成某种位移量或变形量，然后通过各自的敏感介质把位移量或变形量转换成能够输出的电量。机器人常用的力传感器分以下三类。装在关节驱动器上的力传感器，称为关节传感器。它测量驱动器本身的输出力和力矩。用于控制中力的反馈。装在末端执行器和