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第四章 机器人传感器
4.1 概述 4.2 触觉传感器 4.3 接近觉传感器 4.4 视觉传感器 4.5 听觉、嗅觉、味觉及其他传感器
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4.1 概述
• 机器人与传感器 • 机器人传感器的分类
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4.1 概述
• 机器人与传感器
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4.1 概述
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4.1 概述
• 机器人传感器的作用与分类
– 当前工业机器人还是以无感知能力的居多， 这些机器人的操作程序都是预先制定的，并 按照预定程序重复无误地完成确定任务。然 而许多机器人的应用需要感知，根据感知的 信息改进计算机控制。
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4.1 概述
• 机器人传感器的作用
度、力、姿态、速度传感器等；
• 外部传感器：对外部环境的感觉（如：距离、接 近程度、接触状态等）。
• 主要集中在外部传感器上，因为这是机器人升代 的重要标志。
– 感觉类型：视觉、听觉、接触觉、嗅觉、味
觉。
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4.1 概述
• 机器人传感器的分类
– 第三代机器人要求传感器也有一定的智能，对于智能 传感器系统的高级形式为传感器发展的最高形式。它 除具有初级和中级智能系统的功能外，通常还具有多 维检测，包括图像显示、图像识别、自学习以及思维 判断等能力。高级智能形式的传感器将达到或超过人 类“五官”对环境的感测能力，部分代替人的认识活 动，能够高效地从复杂对象中提取有效信息。目前， 在传感器的整体水平上还未达到上述的高级智能程度， 但已有一些传感器具备了部分高级智能的特征，比如 多维检测，图像显示及识别等。
– 阵列尺寸是每个指尖有5×10～10×20个点（人的指 尖有约10×15个接触敏感点）；
– 一个力敏元件的阈值灵敏度约0.5～10G； – 传感器的稳定性、线性度和重复度好，无滞后； – 取样频率100Hz～1kHz； – 传感器结实、价廉，类似皮肤。
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4.2 触觉传感器
• 接触觉
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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4.1 概述
• 机器人组成
内部传感器
驱
任 务
控制器
动 器
输
入
外部传感器
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动力源 （电气、液压）
控 制 对 象
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4.1 概述
• 机器人的作用
– 节省劳动力：这是机器人的最主要功能。 – 进行极限作业：在工厂的喷漆和铸造等的恶劣环境中，
在精练车间、冷藏室、核电站、宇宙空间、海底等人 类难以进入的场合。在农药喷洒、不停电电力检修及 大厦墙面的清洗和检查等。 – 用于医疗、福利：机器人协助手术，辅助步行，饮食 等的搬送工作安全运行的智能轮椅，盲人引导，假肢 等。 – 与人协调作业：在重物场合，用机器人支撑重量，由 人工进行仔细定位。协助老年人和残疾人进行体力劳 动及手的准确动作等。 – 制作宠物：向着亮光移动的机器人，象小狗样动作的 宠物机器人等。
– 力觉：机器人动作时各自由度的力感觉。 – 滑觉：物体向着垂直于手指把握面的方向移
动或变形。 – 热觉：对象物的温度及其分布。 – 材质感觉：目前还难以实现。
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4.2 触觉传感器
• 触觉传感器的要求
– 空间分辨率为1～2mm，这种分辨率接近人指尖可区 别皮肤上用作分离刺激的两点；
– 第三代机器人——智能机器人：也称“管理控制型自律机器人” 。 » 感知环境的能力：这种机器人具有形形色色的感觉传感器：视觉、 听觉、触觉、嗅觉。通过这些传感器，能识别周围环境。 » 作用于周围环境的能力：使机器人的手、脚等各种肢体行动起来， 以执行某种任务。第三代要求更完善、敏捷灵巧。 » 思考的能力：在智能机器人中，相当发达的“大脑”是主要的， 通过思考，把感知和行动联系起来，进行合乎目的的动作。
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4.1 概述
• 机器人与传感器
– 机器人按代分类可分成三代
– 第一代机器人——工业机器人：它只能以“示教——再现”方式工作， 由两部分组成：机械手和程控器，目前商品化、实用化的机器人大多 还属于第一代。
– 第二代机器人——感觉机器人：它的主要标志是自身配备有相应的感 觉传感器，并采用计算机对之进行控制。也称“自适应机器人”。它 开始进入实用时期，主要从事焊接、装配、搬运等作业。
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4.1 概述
• 机器人传感器的分类
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4.2 触觉传感器
• 触觉分类和要求 • 接触觉 • 压觉 • 力（矩）觉 • 滑觉
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4.2 触觉传感器
• 触觉分类
– 接触觉：手指与被测物是否接触，接触图形 的检测。
– 压觉：垂直于机器人和对象物接触面上的力 感觉。
• 机器人与传感器
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4.1 概述
• 机器人与传感器
– 1960年由美国联合控制公司研制的世界上第一台实用机器人样 机尤尼梅特（Unimate,为Universal Automation的缩写），1963 年美国机床与铸造公司设计制造了另一种可编程的机器人沃莎 特兰（Versatran,为Versatile Transfer缩写）自从它们问世以来， 由于它们安全性高，结构简单及优良的机械性能，使美国工业 机器人最先得到公认并打开了销路，一般公认这两种型号的机 器人是工业机器人的奠基者， 1967年日本丰田自动化织布机公 司引进第一台沃莎特兰机器人后，川崎重工业公司和其他公司 也竞相引进机器人制造技术，纷纷投入生产，通过近十年的努 力，日本赶上和超过了美国。我国1972年研制出首台简易型液 压机器人后，在沈阳建立了第一个机器人示范工程，列入了国 家863高科技发展规划。
– 当表面作用有超过阈值的压力时传感器输出一个电信 号，可用来确定在手指间是否有零件。它的功能相当 于一个开关，输出的是“0”和“1”两种信号。有各种 类型的传感器，包括电触点开关、光——机械开关、 磁开关等。
– 随机安置物体的位置。 – 允许改变物体的形状。 – 防止发生意外事故。 – 在错误条件下有智能功能 – 提高控制质量
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4.1 概述
• 机器人传感器的分类
– 接触和非接触式：
– 内部传感器和外部传感器：
• 内部传感器：自身状态检测（如：位置、姿态、 运动、力等），用到的传感器主要有：位置、角
4.1 概述 4.2 触觉传感器 4.3 接近觉传感器 4.4 视觉传感器 4.5 听觉、嗅觉、味觉及其他传感器
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4.1 概述
• 机器人与传感器 • 机器人传感器的分类
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4.1 概述
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4.1 概述
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4.1 概述
• 机器人传感器的作用与分类
– 当前工业机器人还是以无感知能力的居多， 这些机器人的操作程序都是预先制定的，并 按照预定程序重复无误地完成确定任务。然 而许多机器人的应用需要感知，根据感知的 信息改进计算机控制。
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4.1 概述
• 机器人传感器的作用
度、力、姿态、速度传感器等；
• 外部传感器：对外部环境的感觉（如：距离、接 近程度、接触状态等）。
• 主要集中在外部传感器上，因为这是机器人升代 的重要标志。
– 感觉类型：视觉、听觉、接触觉、嗅觉、味
觉。
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4.1 概述
• 机器人传感器的分类
– 第三代机器人要求传感器也有一定的智能，对于智能 传感器系统的高级形式为传感器发展的最高形式。它 除具有初级和中级智能系统的功能外，通常还具有多 维检测，包括图像显示、图像识别、自学习以及思维 判断等能力。高级智能形式的传感器将达到或超过人 类“五官”对环境的感测能力，部分代替人的认识活 动，能够高效地从复杂对象中提取有效信息。目前， 在传感器的整体水平上还未达到上述的高级智能程度， 但已有一些传感器具备了部分高级智能的特征，比如 多维检测，图像显示及识别等。
– 阵列尺寸是每个指尖有5×10～10×20个点（人的指 尖有约10×15个接触敏感点）；
– 一个力敏元件的阈值灵敏度约0.5～10G； – 传感器的稳定性、线性度和重复度好，无滞后； – 取样频率100Hz～1kHz； – 传感器结实、价廉，类似皮肤。
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4.2 触觉传感器
• 接触觉
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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4.1 概述
• 机器人组成
内部传感器
驱
任 务
控制器
动 器
输
入
外部传感器
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动力源 （电气、液压）
控 制 对 象
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4.1 概述
• 机器人的作用
– 节省劳动力：这是机器人的最主要功能。 – 进行极限作业：在工厂的喷漆和铸造等的恶劣环境中，
在精练车间、冷藏室、核电站、宇宙空间、海底等人 类难以进入的场合。在农药喷洒、不停电电力检修及 大厦墙面的清洗和检查等。 – 用于医疗、福利：机器人协助手术，辅助步行，饮食 等的搬送工作安全运行的智能轮椅，盲人引导，假肢 等。 – 与人协调作业：在重物场合，用机器人支撑重量，由 人工进行仔细定位。协助老年人和残疾人进行体力劳 动及手的准确动作等。 – 制作宠物：向着亮光移动的机器人，象小狗样动作的 宠物机器人等。
– 力觉：机器人动作时各自由度的力感觉。 – 滑觉：物体向着垂直于手指把握面的方向移
动或变形。 – 热觉：对象物的温度及其分布。 – 材质感觉：目前还难以实现。
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4.2 触觉传感器
• 触觉传感器的要求
– 空间分辨率为1～2mm，这种分辨率接近人指尖可区 别皮肤上用作分离刺激的两点；
– 第三代机器人——智能机器人：也称“管理控制型自律机器人” 。 » 感知环境的能力：这种机器人具有形形色色的感觉传感器：视觉、 听觉、触觉、嗅觉。通过这些传感器，能识别周围环境。 » 作用于周围环境的能力：使机器人的手、脚等各种肢体行动起来， 以执行某种任务。第三代要求更完善、敏捷灵巧。 » 思考的能力：在智能机器人中，相当发达的“大脑”是主要的， 通过思考，把感知和行动联系起来，进行合乎目的的动作。
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4.1 概述
• 机器人与传感器
– 机器人按代分类可分成三代
– 第一代机器人——工业机器人：它只能以“示教——再现”方式工作， 由两部分组成：机械手和程控器，目前商品化、实用化的机器人大多 还属于第一代。
– 第二代机器人——感觉机器人：它的主要标志是自身配备有相应的感 觉传感器，并采用计算机对之进行控制。也称“自适应机器人”。它 开始进入实用时期，主要从事焊接、装配、搬运等作业。
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4.1 概述
• 机器人传感器的分类
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4.2 触觉传感器
• 触觉分类和要求 • 接触觉 • 压觉 • 力（矩）觉 • 滑觉
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4.2 触觉传感器
• 触觉分类
– 接触觉：手指与被测物是否接触，接触图形 的检测。
– 压觉：垂直于机器人和对象物接触面上的力 感觉。
• 机器人与传感器
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4.1 概述
• 机器人与传感器
– 1960年由美国联合控制公司研制的世界上第一台实用机器人样 机尤尼梅特（Unimate,为Universal Automation的缩写），1963 年美国机床与铸造公司设计制造了另一种可编程的机器人沃莎 特兰（Versatran,为Versatile Transfer缩写）自从它们问世以来， 由于它们安全性高，结构简单及优良的机械性能，使美国工业 机器人最先得到公认并打开了销路，一般公认这两种型号的机 器人是工业机器人的奠基者， 1967年日本丰田自动化织布机公 司引进第一台沃莎特兰机器人后，川崎重工业公司和其他公司 也竞相引进机器人制造技术，纷纷投入生产，通过近十年的努 力，日本赶上和超过了美国。我国1972年研制出首台简易型液 压机器人后，在沈阳建立了第一个机器人示范工程，列入了国 家863高科技发展规划。
– 当表面作用有超过阈值的压力时传感器输出一个电信 号，可用来确定在手指间是否有零件。它的功能相当 于一个开关，输出的是“0”和“1”两种信号。有各种 类型的传感器，包括电触点开关、光——机械开关、 磁开关等。
– 随机安置物体的位置。 – 允许改变物体的形状。 – 防止发生意外事故。 – 在错误条件下有智能功能 – 提高控制质量
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4.1 概述
• 机器人传感器的分类
– 接触和非接触式：
– 内部传感器和外部传感器：
• 内部传感器：自身状态检测（如：位置、姿态、 运动、力等），用到的传感器主要有：位置、角