机器人传感器的应用与发展趋势

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：机器人传感器是指能把智能机器人对内外部环境感知的物理量、化学量、生物量变换为电量输出的装置。智能机器人通过传感器实现某些类似于人类的知觉作用。机器人传感器可分为内部检测传感器和外部检测传感器两大类。电位器式位移传感器。1）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，因此力或力矩传感器是某些特殊机器人中的重要传感器之一。机器人常用的力传感器可分为以下

机器人传感器是指能把智能机器人对内外部环境感知的物理量、化学量、生物量变换为电量输出的装置。智能机器人通过传感器实现某些类似于人类的知觉作用。机器人传感器可分为内部检测传感器和外部检测传感器两大类。内部检测传感器安装在机器人自身中、用来感知它自己的状态，以调整和控制机器人的行动，通常由位置、加速度、速度及压力传感器组成。外部传感器用于机器人对周围环境、目标物的状态特征获取信息，使机器人与环境之间能发生交互作用，从而使机器人对环境有自校正和自适应能力。外部检测传感器通常包括触觉、接近觉、听觉、嗅觉、味觉等传感器。

1.内部传感器

机器人的内部传感器是用来检测机器人本身状态（如手臂间角度）的传感器，多为检测位移、角度和加速度的传感器。

1）位移传感器

按照特征，位移可分为线位移和角位移。

线位移是指机构沿着某一条直线运动的距离，角位移是指机构沿某一定点转动的角度。

（1）电位器式位移传感器。电位器式位移传感器由一个线绕电阻（或薄膜电阻）和一个滑动触点组成。其中滑动触点通过机械装置受被检测量的控制。当被检测的位置量发生变化时，滑动触点也发生位移，从而改变了滑动触点与电位器各端之间的电阻值和输出电压值，根据这种输出电压值的变化，可以检测出机器人各关节的位置和位移量。

（2）直线感应同步器。直线感应同步器是由定尺和滑尺组成的。定尺和滑尺间保证有一定的间隙，一般为0.25 mm左右。在定尺上用铜箔制成单项均匀分布的平面连续绕组，滑尺上用铜箔制成平面分段绕组。绕组和基板之间有一厚度为0.1 mm的绝缘层，在绕组的外面也有一层绝缘层，为了防止静电感应，在滑尺的外边还粘贴一层铝箔。定尺固定在设备上不动，滑尺则可以在定尺表面来回移动。

（3）圆形感应同步器。圆形感应同步器主要用于测量角位移。它由定子和转子两部分组成。在转子上分布着连续绕组，绕组的导片是沿圆周的径向分布的。在定子上分布着两相扇形分段绕组。定子和转子的截面构造与直线感应同步器是一样的，为了防止静电感应，在转子绕组的表面粘贴一层铝箔。

2）角度传感器

（1）光电轴角编码器。光电轴角编码器是将圆光栅莫尔条纹和光电转换技术相结合，将机械轴转动的角度量转换成数字电信息量输出的一种现代传感器，作为一种高精度的角度测量设备广泛应用于自动化领域中。根据形成代码的方式不同，光电轴角编码器可分为绝对式和增量式两大类。

绝对式光电编码器由光源、码盘和光电敏感元件组成。光学编码器的码盘是在一个基体上采用照相技术和光刻技术制作的透明与不透明的码区，分别代表二进制码“0”和“1”。对高电平“1”，码盘做透明处理，光线可以透射过去，通过光电敏感元件转换为电脉冲；对低电平“0”，码盘做不透明处理，光电敏感元件接收不到光，为低电平脉冲。光学编码器的性能主要取决于码盘的质量，光电敏感元件可以采用光电二极管、光电晶体管或硅光电池。为了提高输出逻辑电压，还需要接各种电压放大器，而且每个轨道对应的光电敏感元件都要接一个电压放大器，电压放大器通常由集成电路高增益差分放大器组成。为了减小光噪声的影响，在光路中要加入透镜和狭缝装置，狭缝不能太窄且要保证所有轨道的光电敏感元件的敏感区都处于狭缝内。

增量式编码器的码盘刻线间距均等，对应每一个分辨率区间，可输出一个增量脉冲，计数器相对于基准位置（零位）对输出脉冲进行累加计数，正转则加，反转则减。增量式编码器的优点是响应迅速、结构简单、成本低、易于小型化，广泛用于数控机床、机器人、高精度闭环调速系统及小型光电经纬仪中。码盘、敏感元件和计数电路是增量式编码器的主要元件。增量式光电编码器有三条光栅，A相与B相在码盘上互相错半个区域，在角度上相差90°。当码盘以顺时针方向旋转时，A相超前于B相首先导通；当码盘反方向旋转时，A相滞后于B相。采用简单的逻辑电路，就能根据A、B相的输出脉冲相序确定码盘的旋转方向。将A相对应敏感元件的输出脉冲送给计数器，并根据旋转方向使计数器做加法计数或减法计数，可以检测出码盘的转角位置。增量式光电编码器是非接触式的，寿命长、功耗低、耐振动，广泛应用于角度、距离、位置、转速等的检测。

（2）磁性编码器。磁性编码器是近年发展起来的一种新型编码器，与光学编码器相比，磁性编码器不易受尘埃和结露影响、结构简单紧凑、可高速运转、响应速度快（达500～700 kHz）、体积小、成本低。目前高分辨率的磁性编码器分辨率可达每圈数千个脉冲，因此在精密机械磁盘驱动器、机器人等各个领域旋转量（位置、速度、角度等）的检测和控制有着广泛的应用。

磁性编码器由磁鼓和磁传感器磁头构成，高分辨率的磁性编码器的磁鼓是在铝鼓的外缘涂敷一层磁性材料而成。磁头以前曾采用感应式录音机磁头，而现在多采用各向异性金属磁电阻磁头或巨磁电阻磁头，这种磁头采用光刻等微加工工艺制作，精度高、一致性好、结构简单，并且灵敏度高，其分辨率可与光学编码器相媲美。

3）加速度传感器

加速度传感器一般为压电式加速度传感器，也称压电式加速度计，是利用压电效应制成的一种加速度传感器。常见的结构形式是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。

2.外部传感器

机器人外部传感器是用来检测机器人所处环境（如是什么物体、离物体的距离有多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。为了检测作业对象及环境或机器人与它们之间的关系，在机器人上安装了触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、超声波传感器、听觉传感器等外部传感器，大大改善了机器人的工作状况，使其能够更充分地完成复杂的工作。随着外部传感器的进一步完善，机器人的功能将越来越强大。

1）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，因此力或力矩传感器是某些特殊机器人中的重要传感器之一。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可分为以下三类：

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。

装在末端执行器和机器人最后一个关节之间的力传感器，称为腕力传感器，它可以直接测出作用在末端执行器上的力和力矩。

装在机器人手爪指（关节）上的力传感器，称为指力传感器，它用来测量夹持物体时的受力情况。

2）触觉传感器

触觉是机器人获取环境信息的一种仅次于视觉的重要知觉形式，是机器人实现与环境直接作用的必需媒介。与视觉不同，触觉本身有很强的敏感能力，可直接测量对象和环境的多种性质特征，因此触觉不仅仅只是视觉的一种补充，触觉的主要任务是为获取对象与环境信息和为完成某种作业任务而对机器人与对象、环境相互作用时的一系列物理特征量进行检测或感知。机器人触觉与视觉一样，基本上是模拟人的感觉。广义上，它包括接触觉、压觉、力觉、滑觉、冷热觉等与接触有关的感觉；狭义上它是机械手与对象接触面上的力感觉。触觉是接触、冲击、压迫等机械刺激感觉的综合，触觉可以用来进行机器人抓取，利用触觉可进一步感知物体的形状、软硬等物理性质。对机器人触觉的研究，集中于扩展机器人能力所必需的触觉功能，一般把检测感知和外部直接接触而产生的接触觉、压力、触觉及接近觉的传感器称为机器人触觉传感器。

在机器人中，使用触觉传感器主要有三方面的作用：

（1）作为操作动作使用，如感知手指同对象物之间的作用力，便可判定动作是否适当，还可以用这种力作为反馈信号，通过调整，使给定的作业程序实现灵活的动作控制，这一作用是视觉无法代替的。

（2）识别操作对象的属性，如规格、质量、硬度等，有时可以代替视觉进行一定程度的形状识别，在视觉无法使用的场合尤为重要。

（3）用以躲避危险、障碍物等以防事故，相当于人的痛觉。

3）接近觉传感器

接近觉传感器介于触觉传感器与视觉传感器之间，不仅可以测量距离和方位，而且还可以融合视觉和触觉传感器的信息。接近觉传感器可以辅助视觉系统的功能，来判断对象物体的方位、外形，同时识别其表面形状。因此，为准确定位抓取部件，对机器人接近觉传感器的精度要求比较高，接近觉传感器的作用可归纳如下：

（1）发现前方障碍物，限制机器人的运动范围，以避免与障碍物发生碰撞。

（2）在接触对象物前得到必要信息，如与物体的相对距离、相对倾角，以便为后续动作做准备。

（3）获取对象物表面各点间的距离，从而得到有关对象物表面形状的信息。

机器人接近觉传感器可分为接触式和非接触式两种测量方法，测量周围环境的物体或被操作物体的空间位置。接触式接近觉传感器主要采用机械机构完成；非接触接近觉传感器的测量根据原理不同，采用的装置各异。对机器人传感器而言，根据所采用的原理不同，机器人接近觉传感器可以分为机械式、感应式、电容式、超声波、光电式等。

4）滑觉传感器

机器人要抓住属性未知的物体时，必须确定自己最适当的握力目标值，因此需检测出握力不够时所产生的物体滑动。利用这一信号，在不损坏物体的情况下，牢牢抓住物体。为此目的设计的滑动检测器，称为滑觉传感器。

5）视觉传感器

每个人都能体会到，眼睛对人来说多么重要。有研究表明，视觉获得的信息占人对外界感知信息的80%。人类视觉细胞数量的数量级大约为106，是听觉细胞的300多倍，是皮肤感觉细胞的100多倍。人工视觉系统可分为图像输入（获取）、图像处理、图像理解、图像存储和图像输出几个部分，实际系统可以根据需要选择其中的若干部件。

6）听觉传感器

智能机器人在为人类服务的时候，需要能听懂主人的吩咐，需要给机器人安装耳朵。声音是由不同频率的机械振动波组成的，外界声音使外耳鼓产生振动，中耳将这种振动放大、压缩和限幅，并抑制噪声。经过处理的声音传送到中耳的听小骨，再通过前庭窗传到内耳耳蜗，由柯蒂氏器、神经纤维进入大脑。内耳耳蜗充满液体，其中有30 000个长度不同的纤维组成的基底膜，它是一个共鸣器。长度不同的纤维能听到不同频率的声音，因此内耳相当于一个声音分析器。智能机器人的耳朵首先要具有接收声音信号的器官，其次还需要语音识别系统。在机器人中常用的声音传感器主要有动圈式传感器和光纤式传感器。

7）味觉传感器

味觉是指酸、咸、甜、苦、鲜等人类味觉器官的感觉。酸味是由氢离子引起的，如盐酸、氨基酸、柠檬酸；咸味主要是由NaCl引起的；甜味主要是由蔗糖、葡萄糖等引起的，苦味是由奎宁、咖啡因等引起的；鲜味是由海藻中的谷氨酸钠、鱼和肉中的肌酐酸二钠、蘑菇中的鸟苷酸二钠等引起的。

在人类的味觉系统中，舌头表面味蕾上的味觉细胞的生物膜可以感受味觉。味觉物质被转换为电信号，经神经纤维传至大脑。味觉传感器与传统的、只检测某种特殊的化学物质的化学传感器不同。目前某些传感器可以实现对味觉的敏感，如pH计可以用于酸度检测、导电计可用于碱度检测、比重计或屈光度计可用于甜度检测等。但这些传感器智能检测味觉溶液的某些物理、化学特性，并不能模拟实际的生物味觉敏感功能，测量的物理值要受到非味觉物质的影响。此外，这些物理特性还不能反应各味觉之间的关系，如抑制效应等。

实现味觉传感器的一种有效方法是使用类似于生物系统的材料作传感器的敏感膜，电子舌是用类脂膜作为味觉传感器，能够以类似人的味觉感受方式检测味觉物质。从不同的机理看，味觉传感器大致可分为多通道类脂膜技术、基于表面等离子体共振技术、表面光伏电压技术等，味觉模式识别是由最初神经网络模式发展到混沌识别。混沌是一种遵循一定非线性规律的随机运动，它对初始条件敏感，混沌识别具有很高的灵敏度，因此应用越来越广。目前较典型的电子舌系统有新型味觉传感器芯片和SH-SAW味觉传感器。

机器人传感器的应用与发展趋势

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