工业机器人常用传感器

摘 要：传感器在工业机器人构成中占据重要地位。机器人所用的传感器很多，根据使用目的可分为内部测量传感器和外部测量传感器两大类：内部传感器为机器人提供一条掌握其自身状态位置及控制信息的反馈通道；外部传感器主要用来获取机器人周围的环境信息。传感器为集多种学科于一身的产品，基于传感器对机器人发展举足轻重的影响，本文结合资料对此进行了探讨。

关键词：机器人；传感器；智能化

工业机器人一般可分为四个部分。即机械部分、控制部分、感觉部分和识别部分，感觉部分即机器人用传感器从外界摄取信息，传送到识别部分，识别部分将识别后的信息反馈送到控制部分，再由控制部分反馈到敏感部分，进行有关操作控制。

传感器在机器人构成中占据重要地位，是决定机器人性能水平的关键。机器人传感器与大量使用的工业检测传感器不同，对传感信息的种类和智能化处理的要求更高。无论研究与产业化，均需要有多种学科专门技术和先进的工艺装备作为支撑。机器人传感器主要包括机器人视觉、力觉、触觉、接近觉、距离觉、姿态觉、位置觉等传感器。一方面传感器的使用和发展提高了机器人的水平，促进了机器人技术的深化；而另一方面却因为传感技术有许多难题而又抑制、影响了机器人的发展。今后智能化机器人能发展到何种程度，传感器将是重要关键之一。因此，只有发展高性能传感器才能使机器人具有良好的智能接口功能。

机器人所用的传感器很多，根据使用目的可分为内部测量传感器和外部测量传感器两大类：

1.内部传感器按功能分类

1.1 规定位置、角度传感器：

检测预先规定的位置或角度，可以用ON/OFF两个状态值，这种方法用于检测机器人的起始原点、越限位置或确定位置。 一般包括：

l）微型开关：规定的位移或力作用到微型开关的可动部分（称为执行器）时，开关的电气触点断开或接通。限位开关通常装在盒里，以防外力的作用和水、油、尘埃的侵蚀。

2）光电开关：光电开关是由LED光源和光敏二极管或光敏晶体管等光敏元件组成，相隔一定距离而构成的透光式开关。当光由基准位置的遮光片通过光源和光敏元件的缝隙时，光射不到光敏元件上，而起到开关的作用。

1.2 任意位置、角度传感器：

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。

1）电位器：电位器可作为直线位移和角位移检测元件。为了保证电位器的线性输出，应保证等效负载电阻远远大于电位器总电阻。电位器式传感器结构简单，性能稳定，使用方便，但分辨率不高，且当电刷和电阻之间接触面磨损或有尘埃附着时会产生噪声。

2）旋转变压器：旋转变压器由铁心、两个定子线圈和两个转子线圈组成，是测量旋转角度的传感器。定子和转子由硅钢片和坡莫合金叠层制成。

1.3 速度、角速度传感器：

速度、角速度测量是驱动器反馈控制中必不可少的环节，机器人中最常用的速度传感器是测速发电机，它分为直流式的和交流式的两种。在机器人中，交流测速发电机用得不多,多数情况下用的是直流测速。

1.4 加速度传感器：

为了解决振动问题，有时在机器人的运动手臂等位置安装加速度传感器，测量振动加速度，并把它反馈到驱动器上。加速度传感器分为：

1）应变片加速度传感器：应变片加速度传感器是由一个板簧支承重锤所构成的振动系统。在板簧两面分别贴两个应变片，应变片受振动产生应变，其电阻值的变化通过电桥电路的输出电压被检测出来。

2）伺服加速度传感器：伺服加速度传感器中振动系统重锤位移变换成成正比的电流，把电流反馈到恒定磁场中的线圈，使重锤返回到原来的零位移状态。根据检测的电流可以求出加速度。

1.5 其他内部传感器：

除以上介绍的常用内部传感器外，还有一些根据机器人不同要求而安装的不同功能的内部传感器，如用于倾斜角测量的液体式倾斜角传感器、电解液式倾斜角传感器、垂直振子式倾斜角传感器、用于方位角测量的陀螺仪和地磁传感器。

2.外部传感器按功能分类

2.1 视觉传感器：

视觉是以光为媒介测量物体的位置、速度、形状等物理量所感知的信息。由于它是非接触式测量，因而相对于其他感觉传感器来说工作环境要更为广泛。目前，世界上已有的各种功能级别的机器人视觉系统大多数都只采用了二维视觉技术。在机器人的三维视觉研究方面出现了一种新的方法——用多种传感器实现三维物体识别，它抛弃了传统的单用摄像机的方法，独辟新径使用触觉传感器参与三维视觉。两种传感器相互配合实现了信息互补，增强了对景物理解的准确性和效率。

2.2 触觉传感器：

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。一般把检测感知和外部直接接触而产生的接触觉、压觉、滑觉等传感器称为机器人触觉传感器。

1）接触觉传感器：接触觉传感器可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。传感器装于机器人的运动部件或末端执行器(如手爪)上，用以判断机器人部件是否和对象物发生了接触，以解决机器人的运动正确性，实现合理抓握或防止碰撞。接触觉是通过与对象物体彼此接触而产生的，所以最好使用手指表面高密度分布触觉传感器阵列，它柔软易于变形，可增大接触面积，并且有一定的强度，便于抓握。

2）压觉传感器：压觉传感器用来检测和机器人接触的对象物之间的压力值。这个压力可能是对象物施加给机器人的，也可能是机器人主动施加在对象物上的(如手爪持夹对象物时的情况)。压觉传感器的原始输出信号是模拟量。

3）滑觉：滑觉传感器用于检测机器人手部夹持物体的滑移量，机器人在抓取不知属性的物体时，其自身应能确定最佳握紧力的给定值。

2.3 力觉传感器：

力觉是指对机器人的指、肢和关节等运动中所受力的感知，主要包括腕力觉、关节力觉和支座力觉等，根据被测对象的负载，可以把力传感器分为测力传感器（单轴力传感器）、力矩表（单轴力矩传感器）、手指传感器（检测机器人手指作用力的超小型单轴力传感器）和六轴力觉传感器。

常用的工业机器人圆筒式腕力传感器分为上下两层， 上层由4根竖直梁组成， 下层由4根水平梁组成。在8根梁的相应位置上粘贴应变片作为测量敏感点。传感器两端通过法兰盘与机器人腕部联接。 机器人腕部受力时，8根弹性梁产生不同性质的变形，使敏感点的应变片发生应变，输出电信号，通过一定的数学关系式就可算出X、Y、Z三个坐标上的分力和分力矩。

2.4 接近觉传感器：

接近觉传感器是机器人用来控制自身与周围物体之间的相对位置或距离的传感器。用来探测在一定距离范围内是否有物体接近、物体的接近距离和对象的表面形状及倾斜等状态。它一般都装在机器人手部，起两方面作用。接近觉一般用非接触式测量元件，如霍尔效应传感器、电磁式接近开关、光学接近传感器和超声波式。

1）光电式接近觉传感器的应答性好，维修方便，尤其是测量精度很高。是目前应用最多的一种接近觉传感器，但其信号处理较复杂，使用环境也受到一定限制(如环境光度偏极或污浊)。

2）超声波式传感器的原理是测量渡越时间，超声波是频率20kHz以上的机械振动波，渡越时间与超声波在介质中的传播速度的乘积的一半即是传感器与目标物之间的距离，渡越时间的测量方法有脉冲回波法、相位差法和频差法。

3）激光测距法也可以利用回波法，或者利用激光测距仪。氦氖激光器固定在基线上，在基线的一端由反射镜将激光点射向被测物体，反射镜固定在电动机轴上，电动机连续旋转，使激光点稳定地对被测目标扫描。由CCD（电荷耦合器件）摄像机接受反射光，采用图像处理的方法检测出激光点图像，并根据位置坐标及摄像机光学特点计算出激光反射角。

除以上介绍的机器人外部传感器外，还可根据机器人特殊用途安装听觉、嗅觉、味觉传感器等。对于机器人的“听觉”及声音控制，目前仍处于探索与实验状态。声音的合成、识别技术的研究早已开始，并逐步转入实用，这样就可以用具有声音识别能力的机器人的操作来代替键盘和操纵盒。对于非指定的说话者的识别尚仅限于少数单词。目前只是停留在研究阶段。对于听觉传感器单元，由于和麦克风的基本形态没有什么不同，所以在输入端方面问题很少。对于“嗅觉”，就是检测空气中的化学成分、浓度等的功能，用于原子能关联作业机器人、防灾机器人等。多数情况下要在放射线、高温、可燃性气体及其它有毒气体的恶劣环境下工作。因此开发检测放射线和有毒气体的传感器是很重要的，它还对我们了解环境污染，预防火灾和毒气泄漏报警具有重大意义。对于“味觉”，则是意味着对液体进行化学成分的分析。实用的味觉方法有PH计、化学分析器等。一般味觉可探测溶于水中的物质，在一般情况下当探测化学物质时嗅觉比味觉更敏感。

此外，还有纯工程学的传感器：例如检测磁场的磁传感器，检测各种异常的安全用传感器(如电压、油压、发热、噪声等)和电波传感器等。配备这些传感器的机器人主要用于科学研究、海洋资源探测或食品分析、救火等特殊用途。

3.总结

目前，要使多传感器信息融合体系化尚有困难，多传感器信息融合的理想目标应是人类的感觉、识别、控制体系。相信随着机器人智能水平的提高，多传感器信息融合理论和技术将会逐步完善和系统化，并随着工业机器人发展水平的增加，工业生产能力将得到大幅度的提升。

参考文献

[1]《新型传感器原理及应用》 王元庆 编著 机械工业出版社

[2]《机器人应用技术》 孟繁华 编著 哈尔滨工业大学出版社

[3]《传感器》 强锡富 主编 哈尔滨工业大学出版社

[4] 孙串友, 孙晓斌 编著 感测技术基础[M]. 电子工业出版社. 2001

[5] 何伟仁，传感器新技术 北京 中国计量出版社．1999．210～271

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