传感器及其应用

（2）腕力传感器 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。
SRI六维腕力传感器
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。
1. 利用某些材料的压阻效应制成压阻器件，将它们密集 配置成阵列，即可检测压力的分布； 2. 利用压电晶体的压电效应检测外界压力； 3.利用半导体压敏器件与信号电路构成集成压敏传感器；
4.利用压磁传感器和扫描电路与针式接触觉传感器构成压 觉传感器。
压觉传感器原 这种传感器是对小型线性调整器的改进。在调整器的轴上安装了 理
光纤式滑觉传感器工作原理
12.3 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，即需要 检测对象物体与传感器之间的距离。接近觉传感器有电磁感应 式、光电式、电容式、气压式、超声波式、红外式以及微波式 等多种类型。
一、电磁感应式接近觉传感器
变化的磁场将在金属体内产生感应电流。这种电流的流线在金属体内是闭 合的，所以称为涡旋电流（简称涡流），而涡流的大小随金属体表面与线圈的 距离大小而变化。当电感线圈内通以高频电流时，金属体表面的涡流电流反作 用于线圈L，改变L内的电感大小。通过检测电感便可获得线圈与金属体表面的 距离信息。
接触觉传感器信号处理
对于非阵列接触觉传感器，信号的处理主要是为了感知物体 的有无。由于信息量较少，处理技术相对比较简单、成熟；
对于阵列式接触觉传感器，其目的是辨识物体接触面的轮廓。 这种信号的处理将涉及到图像处理、计算机图形学、人工智能、 模式识别等学科，目前还不成熟，有待进一步研究。
2. 压觉传感器 压觉用于握力控制与手的支撑力检测，实际是接触觉的延 伸。现有压觉传感器一般有以下几种：
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。
（3）基座力传感器 传感器装在基座上，机械手装配时用来测量安装在工作台上 的工件所受的力。
4. 滑觉传感器
一般可将机械手抓取物体的方式分为两种：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。此时机器人要抓住 物体，必须确定最适当的握力大小。因此需检测出握力不够时物 体的滑动，利用这一信号，在不损坏物体的情况下牢牢抓住物体。
1. 内部传感器
机器人内部传感器的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，感知 自己的状态并加以调整和控制。内部传感器通常由位置传感器、 角度传感器、速度传感器、加速度传感器等组成。
角度传感器
2. 外部传感器
外部传感器主要用来检测机器人所处环境及目标状况，如是
压觉传感器实例
高密度智能压觉传感器 （压阻式）
压觉传感器实例
硅电容压觉传感Fra Baidu bibliotek阵列 （电容式）
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）关节力传感器
装在关节驱动器上的力传感器，称为关节力传感器，用于控 制运动中的力反馈。
应变式关节力传感器结构
机器人技术导论
传感器及其应用
传感器 ——感觉，感知 （Sensor）
人类有五大感觉器官，即眼、耳、鼻、舌、 皮肤。通过这些感觉器官感知外界信息。 机器系统中，传感器是各种机械和电子设 备的感觉器官。能感知光、色、温度、压 力、声音、湿度、气味及辐射等。
人机系统的机能对应关系
人 体 系 统
外 界 信 息
1. 接触觉传感器
接触觉传感器 实例
高密度智能压觉传感器 硅电容压觉传感器阵列 P266 图14-6 P266 图14-7
接触觉传感器 实例
开关式触觉传感器
接触觉传感器实例
接触觉传感器实例
压阻式阵列触觉传感器
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。
二、电容式接近觉传感器
利用平板电容器的电容C与极板距离d成反比的关系。其优点是对物体的颜 色、构造和表面都不敏感且实时性好；其缺点是必须将传感器本身作为一个极板， 被接近物作为另一个极板。这就要求被测物体是导体且必须接地，大大降低了其 实用性。
三、超声波接近觉传感器 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的 距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物 位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往 比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测 量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人研制 上也得到了广泛的应用。
感 官
人 脑
肢 体
传感器
“机电五官”
计算机
机 器 系 统
执行器
四、机器人传感器
传感器使得机器人初步具有类似于人的感知能力，不同类
型的传感器组合构成了机器人的感觉系统。 机器人传感器主要可以分为视觉、听觉、触觉、力觉和接 近觉五大类。不过从人类生理学观点来看，人的感觉可分为内 部感觉和外部感觉，类似的，机器人传感器也可分为内部传感 器和外部传感器。
基于振动的机器人专用滑觉传感器
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。
利用光纤传感器检测形变
光纤式滑觉传感器 当有力作用时，通过弹性元件的变形使发射和接收光纤的端面与发射面 之间的距离发生变化，接收光纤所接收到的光强也随之变化。如果得出位移 和转角的确定关系，便可得出传感器的输入输出转换关系。
超声波测距原理
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超 声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射 波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录
的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2 。这就是 所谓的时间差测距法。 从以上公式可知超声波测距的误差来源有两个：一是计时误差。如当要 求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20℃室温)，忽略声 速的传播误差，时间误差△t<(0.001/344) ≈0.000002907s ，即2.907毫秒。采用 MHz级的高精度石英晶振一般可以达到微秒量级的误差。 另一个是传播速度误差。超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气 的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的 关系。当温度0℃时超声波速度是332m/s, 30℃时是350m/s，温度变化引起的 超声波速度变化为18m/s。若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距 离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5mm。
什么物体，离物体的距离有多远，抓取的物体是否滑落等。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。 广义来看，机器人外部传感器就是具有人类五官的感知能力 的传感器。
12.2 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。
滑觉传感器工作原理
采用压觉传感器实现滑觉感知
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。
滚筒式滑觉传感器
通过检测滑动时的微小振动来检测滑动
3、提高集成化和功能化程度 信息处理功能一体化：敏感元件、电路、执行机构 传感器功能和信息处理功能一体化
随着传感器技术的不断进步，机器人的功 能也会越来越强大
真正智能的机器人，离我们还会远吗？
传感器=眼睛
“金字塔漫游者”，5×1×1，地面探 测雷达、超声波传感器（测石头厚 度）。
小机器人挑战法老咒语，代替科 学家勇探胡夫金字塔内部秘道。
44
发展方向
新理论的探讨、新技术的应用、新材料和新工艺的研究
1、努力实现传感器的新特性 检测范围宽、高灵敏度、高精度、响应速度快、 互换性好 2、确保传感器的可靠性，延长其使用寿命
四、光纤接近觉传感器
五、光电式接近觉传感器
传感器在机器人上的应用
单能机器人：生产用的自动机械式（加工、组装、检验） 检测臂的位置和角度传感器
红旗轿车焊装生产线
隧道凿岩机器人
智能机器人：判断能力 视觉传感器、触觉传感器
41
2003年9月，全球现场直播埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘进程，可 能揭开古埃及金字塔内部结构之谜。
线性弹簧。一个传感器有l0mm的有效行程。在此范围内，将力的变化 转换为遵从虎克定律的长度位移，以便进行俭测。在一侧手指上，每 个6mm×8mm的面积分布一个传感器来计算，共排列了 28个(四行七排) 传感器。左右两侧总共有56个传感器输出。用四路A/D转换器，高速多 路调制器对这些输出进行转换后进入计算机。 下图a为手指抓住物体的状态；b为手指从a状态稍微握紧的状态。
十字梁腕力传感器
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