机器人传感器 及机器人应用 主讲 周兰
引言： 给机器人装备什么样的传感器，对 这些传感器有什么要求，这是设计 机器人感觉系统时遇到的首要问题。 选择机器人传感器应当完全取决于 机器人的工作需要和应用特点。
一、机器人需要的感觉能力（ 1 ） 触觉能力： 主要指确定工作对象是否存在，以及它的尺寸大小 和形状等。 接近觉： 主要用于探测机器人自身与周围物体之间相对位置 或距离的传感器。接近觉界于触觉与视觉之间。 视觉： 孔、边、拐角的检测及工作对象形状的检测等。
一、机器人需要的感觉能力（ 2 ） 压觉： 主要用于检测机器人与作业对象之间接 触面的法向压力值的大小。 滑觉： 主要用于检测物体因自重相对于机器人 手爪的滑移量的大小。
二、传感器的分类
．内传感器： 内传感器是用于测量机器人自身状态的 功能元件。 具体检测的对象有： 关节的线位移、角位移等几何量； 速度、角速度、加速度等运动量； 倾斜角、方位角、振动等物理量。 内传感器常用于控制系统中，用作反馈 元件，检测机器人自身的状态参数。
．外传感器： 测量与机器人作业有关的外部因素。通 常与机器人的目标识别、作业安全等因 素有关。
三、典型内传感器
．规定位置检测的内传感器： 应用场合： 检测规定的位置，常用 ON/OFF 两个状态值。这 种方法用于检测机器人的起始原点、终点位置或 某个确定的位置。 元器件 元器件 典型元器件：元器件 给定位置检测常用的检测元件有微型开关、光电 开关等。规定的位移量或力作用在微型开关的可 动部分上，开关的电气触点断开（常闭）或接通 （常开）并向控制回路发出动作信号。
典型元器件图例：
．位置、角度测量（ 1 ）： 测量机器人关节线位移和角位移的传 感器是机器人位置反馈控制中必不可 少的元件。常用的有电位器、旋转变 压器、编码器等。其中编码器既可以 检测直线位移，又可以检测角位移。
．位置、角度测量（ 2 ）： 编码器 编码器 光电编码器：编码器 光电编码器由发光元件、聚光镜、漏光盘、 光栏板、光敏管等构成。灯泡发出的光线 经过聚焦后变成平行光束，当漏光盘上的 条纹与光栏板上的条纹重合时，光敏管便 接受一次光的信号并记数，由此可以测试 旋转速度。
光电编码器工作原理图： 1- 光源 2- 聚光镜 3- 漏光盘 4- 光敏管 5- 光拦板
光电编码器结构示意图：
．位置、角度测量（ 3 ）： 光电编码器用于测量直线位移： 1- 比较器 2- 放大器 3- 电液伺服阀 4- 光电编码器 5- 传动带 6- 滑轮 7- 活塞 8- 钢索
．速度测量（ 1 ）： 介绍交流测速发电机的工作原理。 组成： 组成 交流异步发电机由定子和转子组成。 定子上有两个绕组：一个作励磁用，用于产 生磁场，称为励磁绕组；另一个输出电压， 称为输出绕组。两个绕组的轴线互相垂直。 转子的结构可视为由无数并联的导体组成， 和鼠笼转子结构一样。
．速度测量（ 2 ）： 工作原理： 通电 通电 励磁绕组通电：通电 励磁绕组接交流电压 U 1 → 产生交变脉动磁通 Φ 1 → 由于 Φ 1 与输出绕组的轴线垂直 → 输出绕组中无感 应电动势 → 输出电压 U 2 =0 旋转时 旋转时 转子旋转时：旋转时 测速发电机转子旋转 → 转子切割磁力线 → 导体条 中产生感应电动势（右手法则） → 带电导体便在 周围产生磁场 → 合成磁通的方向 Φ r 如图 → 与输出 绕组的轴线方向平行 → 产生感应电压 U 2
．速度测量（ 3 ）： 工作原理： 数量关系 数量关系 测速发电机存在如下数量关系：数量关系 U 2 ∝ Φ 1 n ∝ U 1 n 由此可以看出，当励磁绕组加上电源电压且 测速发电机以转速 n 转动时，它的输出绕组中 就产生输出电压 U 2 ，其大小和转速 n 成正比。 当转动方向改变时， U 2 的相位也改变 180° 。 这样就把转速信号转换为电压信号。输出电 压的频率等于电源频率，与转速无关。
测速发电机图例（ 1 ）： 转子静止时
测速发电机图例（ 2 ）： 转子静止时 转子旋转时 F F
四、典型外传感器
．接触觉传感器： 接触觉传感器检测机器人是否接触目 标或环境，用于寻找物体或感知碰撞。 工作原理：原理 在电极和柔性导体之间留有间隙，当施加 外力时，受压部分的柔性导体和柔性绝缘 体发生变形，利用柔性导体和电极之间的 接通状态形成接触觉。
接触觉传感器图例：
．压觉传感器： 压觉传感器检测传感器面上受到的作用 力，它由弹性体及检测弹性位移的敏感 元件构成。用弹簧支承的平板作为机械 手的物体夹持面。在平板上加负载时， 平板发生位移，该位移量由电位器检测。 如果已知弹簧的刚性系数，则可根据位 移计的输出求出力的大小。
压觉传感器图例：
．滑觉传感器： 滑觉传感器有滚轮式和球式。物体在传 感器表面上滑动时，和滚轮或球相接触， 把滑动变成转动。滑动物体引起滚轮的 转动，用磁铁和静止的磁头进行检测。
滑觉传感器图例：
五、机器人的应用
、弧焊机器人（ 1 ）：
、弧焊机器人（ 2 ）：
、喷漆机器人（ 1 ）：
、喷漆机器人（ 2 ）：
、装配机器人（ 1 ）：
、装配机器人（ 2 ）：
、 FMS 系统中机器人：
、摘果机器人：
、剪枝机器人：
7 、剪羊毛机器人：
、导医机器人：
9 、 “ 爱宝 ” 机器狗：