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1、第七章第七章 传感器传感器 输出类型输出类型：数字式或模拟式，可以直接：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。使用，也可能必须对其进行转换才能使用。接口接口：传感器必须能与其他设备相连接。：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。解决传感器与设备间接口问题。分辨率分辨率：在测量范围内所能分辨的最小：在测量范围内所能分辨的最小值。绕线式电位器值。绕线式电位器一圈电阻值；一圈电阻值；n位位数字设备数字设备满量程满量
2、程/2n 机器人为了能够适应周围环境进行正常工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，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：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机械定位法难以知道所有工件和设备的放置位置；的放置位置；2)当工件顺序不定或需要改变时，缺乏当工件顺序不定或需要改变时，缺乏适应性和灵活性；适应性和灵活性；3)高精度机械手的造价往往比用低精度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机械手配以传感器灵活并方便地完成任务所需费用高得多；需费用高得多；特点与分类：特点与分类：根
3、据物体的特性分：几何式、机械式、光学根据物体的特性分：几何式、机械式、光学式、材料的、语音的、电气的、磁性的、放射式、材料的、语音的、电气的、磁性的、放射的和化学的等等。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器人的相对关系分为内传感器内传感器和和外传感器外传感器。内传感器用来测试内传感器用来测试机器人本体内部机器人本体内部的一些变的一些变量；量；外传感器常用来测试外传感器常用来测试机器人工作的环境情况机器人工作的环境情况。传感器经常安装在机器人的某些传感器经常安装在机器人的某些极限位置极限位置，其目的是为了更方便地探知外部
4、的信号，如何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。选择合适的位置安装在设计时要加以考虑。机器人的感觉顺序一般分两步进行：机器人的感觉顺序一般分两步进行：(1)变换变换通过硬件把目标特性转换为信通过硬件把目标特性转换为信号。号。(2)处理处理把所获信号变换为规划及执行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。某个机器人功能所需要的信息。处理通常包括处理通常包括预处理和解释两个步骤预处理和解释两个步骤。在预处理阶段，在预处理阶段，一般通过硬件对信号加一般通过硬件对信号加以改善以改善。在解释阶段，在解释阶段，一般通过软件对改善后的一般通过软件对改善
5、后的信号进行分析，并提取所需要的信息信号进行分析，并提取所需要的信息。在机器人中，传感器主要作用如下：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；为了控制系统测试机器人参数；(2)发现物体的位置；发现物体的位置；(3)纠正机器人模型中的误差；纠正机器人模型中的误差；(4)探知并且避免实效姿态；探知并且避免实效姿态；(5)探知物体并避障；探知物体并避障；(6)监测与环境的交互作用；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监测可能对执行这项任务有影响的环境状态；环境状态；(8)检查处理结果。检查处理结果。传感器由传感器由转换器转换器和和电路电路组成。组成。转
6、换器转换器是将物理量和化学量转换为电信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，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，在应用前必须将常有些信号是非线性的，在应用前必须将它们线性化。它们线性化。例如，来自热电偶的信号必须线性化以例如，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。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传感信号最普通的用途是用在闭环控制中中。7.1 7.1 位置传感器位置传感器 用途：用途：测量位移，包括角位移和线位移，也可用测量位移，包括角位
7、移和线位移，也可用来检测运动。来检测运动。（一）电位器（一）电位器 通过电阻把位置信息转化为随位置变化的电压。通过电阻把位置信息转化为随位置变化的电压。电位器原理图电位器原理图商品化电位器商品化电位器（二）二）编码器编码器 功能：功能：检测细微运动，输出数字信号。检测细微运动，输出数字信号。原理：原理：码盘或码尺被分成若干小区，每一小区可能不透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。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
8、的角度正好位于光能穿过的地方，则测。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，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码盘的近似总位移两种基本形式：两种基本形式：增量式、绝对式增量式、绝对式 增量式增量式：用来测量角位置和直线位置的变化，但：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。在所有利用增不能直接记录或指示位置的实际值。在所有
9、利用增量式编码器进行位置跟踪的系统中，都必须在系统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开始运行时进行复位复位。只要知道复位时的位置，控。只要知道复位时的位置，控制器就能确定任意时刻的位移。制器就能确定任意时刻的位移。1 增量式增量式简单旋转式增量码盘简单旋转式增量码盘简单直线增量编码器简单直线增量编码器增量式编码器的输出信号增量式编码器的输出信号2 2 绝对式绝对式 每个位置都对应着透光与不透光弧段的惟一确定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，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。
10、在任意时刻都可以确定码盘的精确位置。#格雷码格雷码二进制码二进制码#格雷码格雷码二进制码二进制码00000000060101011010001000170100011120011001081100100030010001191101100140110010010111110105011101011111101011商用增量式码盘商用增量式码盘和绝对码尺和绝对码尺三三 线位移差动变压器（线位移差动变压器（LVDTLVDT）原理：原理：铁心随被测位移移动，导致磁通强度的变化，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从而引起次级电压的变化，同时将随唯一变化
11、的模拟电压输出作为唯一的测量结果。拟电压输出作为唯一的测量结果。旋转变压器旋转变压器原理：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。变化的电压。从而可以用来测量角位移。旋转变压器原理图旋转变压器原理图磁反射型传感器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。的总时间换算成距离。6.3 速度传感器速度传感器编码器编码器原理：对任意给定的角位移，编码器将产生确
12、定数原理：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。量，能计算出相应的角速度。测速发电机测速发电机原理：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。用来估计速度。位置信号微分位置信号微分原理：对位置信号求微分来测试速度原理：对位置信号求微分来测试速度加速度传感器加速度传感器力和压力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。压电
13、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力敏电阻：阻值随垂直施加在表面的力的增加而降低。降低。3.应变片应变片输出与形变成正比输出与形变成正比6.4 力矩传感器力矩传感器原理：原理：如果在轴上施加力矩，力矩将在轴上产生两个方向相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。出这两个力，根据所测力的大小可计算出力矩。用六个传感器用六个传感器测量三个彼此测量三个彼此独立的轴上的独立的轴上的力和力矩力和力矩6.5 其它类型传感
14、器其它类型传感器1.微动开关微动开关2.可以用它切断通过导体的电流，因此能用于安全保护。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。送信号。2.可见光和红外传感器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。联用，测量位移。建立与机器人进行远程通信的链路。3.接触和触觉传感器接触和触觉传感器在实际接触时发出信号。在实际接触时发出信号。简单的接触式传感器以阵列形式排列组合成触觉传
15、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。感器，它以特定次序向控制器发送接触和形状信息。触觉传感器可以提供的物体的信息如下图触觉传感器可以提供的物体的信息如下图类皮肤类皮肤触觉传触觉传感器感器6.6 接近觉传感器接近觉传感器用途：探测两个物体接触之前一物体向另一物体接近。用途：探测两个物体接触之前一物体向另一物体接近。常见接近觉传感器常见接近觉传感器（1）磁感应接近传感器）磁感应接近传感器（2）光学接近传感器）光学接近传感器5 超声波接近觉传感器超声波接近觉传感器6 感应式接近觉传感器感应式接近觉传感器7 电容式接近觉传感器电容式接近觉传感器8
16、涡流接近觉传感器涡流接近觉传感器6.7 测距仪测距仪与接近觉传感器不同，测距仪用于测量较长的距离，与接近觉传感器不同，测距仪用于测量较长的距离，它可以探测障碍物和物体表面的形状，并且用于向系它可以探测障碍物和物体表面的形状，并且用于向系统提供早期信息。常用的测量方法是三角法和测量传统提供早期信息。常用的测量方法是三角法和测量传输时间法。输时间法。三角法：测量原理如图所示三角法：测量原理如图所示测量原理：仅在发射器以特定角度发射光线时，接收测量原理：仅在发射器以特定角度发射光线时，接收器才能检测到物体上的光斑，利用发射角的角度可以器才能检测到物体上的光斑，利用发射角的角度可以计算出距离。计算出距
17、离。测量传输时间法：测量传输时间法：信号传输的距离包括从发信号传输的距离包括从发射器到物体和被物体发射射器到物体和被物体发射到接收器两部分。传感器到接收器两部分。传感器与物体之间的距离是信号与物体之间的距离是信号行进距离的一半，知道了行进距离的一半，知道了传播速度，通过测量信号传播速度，通过测量信号的往返时间即可计算出距的往返时间即可计算出距离。离。超声波测距仪超声波测距仪特点：特点：结构坚固、简单、廉价并且能耗低，但是分辨率和最结构坚固、简单、廉价并且能耗低，但是分辨率和最大工作距离受到限制。大工作距离受到限制。工作原理：工作原理：发射器发射高频超声波脉冲，它在介质中行进一段距发射器发射高频
18、超声波脉冲，它在介质中行进一段距离，遇到障碍物后返回，由接受器接受，发射器和物离，遇到障碍物后返回，由接受器接受，发射器和物体之间的距离等于超声波行进距离的一半，行进距离体之间的距离等于超声波行进距离的一半，行进距离则等于传输时间与声速的乘积。则等于传输时间与声速的乘积。关键技术：关键技术：时间测量的准确性，时间测量精度，声速精度，背景时间测量的准确性，时间测量精度，声速精度，背景噪声。噪声。光测距仪光测距仪原理：基于光（包括激光），采用直接延迟时间测原理：基于光（包括激光），采用直接延迟时间测量法、间接幅值调制法和三角法等方法测量到物体量法、间接幅值调制法和三角法等方法测量到物体的距离。的距
19、离。6.8 嗅觉传感器嗅觉传感器原理：原理：对特定的气体敏感，当探测到这些气体时就发出信对特定的气体敏感，当探测到这些气体时就发出信号。号。6.9 视觉系统视觉系统6.9 语音识别装置语音识别装置原理：原理：所有信号都有各自的主要频率，它们构成了信号所有信号都有各自的主要频率，它们构成了信号的特征频谱，通过识别这种频谱的特征就可以做的特征频谱，通过识别这种频谱的特征就可以做到语音识别。为了进行语音识别，用户必须对系到语音识别。为了进行语音识别，用户必须对系统进行训练。统进行训练。6.10 语音合成器语音合成器语音合成的方法：语音合成的方法：一、将音素和元音组合来产生单词的发音一、将音素和元音组
20、合来产生单词的发音二、录下系统可能需要合成的词，当需要时就从存二、录下系统可能需要合成的词，当需要时就从存储器或磁带中读出。储器或磁带中读出。6.11 远程中心柔顺（远程中心柔顺（RCC）装置）装置说明：说明：RCC装置是机器人腕关节和末端执行器之间的辅助装装置是机器人腕关节和末端执行器之间的辅助装置，它是为校正末端执行器和机器人部件的错位而设置，它是为校正末端执行器和机器人部件的错位而设计的。计的。装配零件间的错位装配零件间的错位工作原理：工作原理：零速度瞬时中心是一个物体相对另一个物体速度为零的零速度瞬时中心是一个物体相对另一个物体速度为零的点。四连杆机构的零速度瞬时中心如下图所示点。四连
21、杆机构的零速度瞬时中心如下图所示RCC装置就是由这两部分组成的，它能提供关于远装置就是由这两部分组成的，它能提供关于远程中心点的微量平移和旋转运动。程中心点的微量平移和旋转运动。组成：组成：它由两块刚性金属板组成，其中剪切柱在提供横侧向柔它由两块刚性金属板组成，其中剪切柱在提供横侧向柔顺的同时，将保持轴向的刚度。实际上，一种装置只在顺的同时，将保持轴向的刚度。实际上，一种装置只在横侧向和轴向或者在弯曲和翘起方向提供一定的刚性横侧向和轴向或者在弯曲和翘起方向提供一定的刚性（或柔性），它必须根据需要来选择。每种装置都有一（或柔性），它必须根据需要来选择。每种装置都有一个给定的中心到中心的距离，距离决定了远程柔顺中心个给定的中心到中心的距离，距离决定了远程柔顺中心相对柔顺装置中心的位置。因此，如果有多个零件或许相对柔顺装置中心的位置。因此，如果有多个零件或许多操作，则必须有多个多操作，则必须有多个RCC装置，并要分别选择。装置，并要分别选择。