機器人技術(shù)基礎(chǔ)第五章機器人感知系統(tǒng)第五章機器人感知系統(tǒng)第五章機器人感知系統(tǒng)第一節(jié)機器人傳感器分類和性能指標(biāo)第二節(jié)機器人內(nèi)部傳感器第三節(jié)機器人外部傳感器第四節(jié)傳感器信息融合第一節(jié)機器人傳感器分類和性能指標(biāo)第一節(jié)機器人傳感器分類和性能指標(biāo)二、機器人傳感器的分類三、傳感器性能指標(biāo)一、機器人傳感器定義四、機器人傳感器的要求與選擇第一節(jié)機器人傳感器分類和性能指標(biāo)一、機器人傳感器定義什么是機器人傳感器？機器人傳感器在機器人的控制中起了非常重要的作用，正因為有了傳感器，機器人才具備了類似人類的知覺功能和反應(yīng)能力。傳感器按一定規(guī)律實現(xiàn)信號檢測并將被測量（物理的、化學(xué)的和生物的信息）通過變送器變換為另一種物理量（通常是電壓或電流量）。它既能把非電量變換為電量，也能實現(xiàn)電量之間或非電量之間的互相轉(zhuǎn)換。總而言之，一切獲取信息的儀表器件都可稱為機器人傳感器。第一節(jié)機器人傳感器分類和性能指標(biāo)一、機器人傳感器定義所有的自動化儀表和裝置均需要先經(jīng)過信息檢測才能實現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)換、處理和顯示，而后達到調(diào)節(jié)、控制的目的。離開了傳感器，自動化儀表和裝置就無法實現(xiàn)其功能。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成。第一節(jié)機器人傳感器分類和性能指標(biāo)二、機器人傳感器的分類機器人根據(jù)所完成任務(wù)的不同，配置的傳感器類型和規(guī)格也不一定相同，一般分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。內(nèi)部傳感器和外部傳感器是根據(jù)傳感器在系統(tǒng)中的作用來劃分的，某些傳感器既可以當(dāng)作內(nèi)部傳感器使用，也可以當(dāng)作外部傳感器使用。例如力傳感器，用于末端執(zhí)行器或操作臂的自重補償中，是內(nèi)部傳感器；用于測量操作對象或障礙物的反作用力時，是外部傳感器。第一節(jié)機器人傳感器分類和性能指標(biāo)二、機器人傳感器的分類內(nèi)部傳感器：用來檢測機器人本身狀態(tài)（如手臂間角度）的傳感器。多為檢測位置和角度的傳感器。內(nèi)部傳感器基本種類位置傳感器電位移、旋轉(zhuǎn)變壓器、碼盤速度傳感器測速發(fā)電機、碼盤加速度傳感器應(yīng)變片式、伺服式、壓電式、電動式傾斜角傳感器液體式、垂直振子式力（力矩）傳感器應(yīng)變式、壓電式表5-1機器人內(nèi)部傳感器的基本種類第一節(jié)機器人傳感器分類和性能指標(biāo)二、機器人傳感器的分類外部傳感器：用來檢測機器人所處環(huán)境（如是什么物體，離物體的距離有多遠等）及狀況（如抓取的物體是否滑落）的傳感器。功能外部傳感器基本種類視覺傳感器測量傳感器光學(xué)式（點狀、線狀、圓形、螺旋形、光束）識別傳感器光學(xué)式、聲波式觸覺傳感器觸覺傳感器單點式、分布式壓覺傳感器單點式、高密度集成、分布式滑覺傳感器點接觸式、線接觸式、面接觸式接近度傳感器接近度傳感器空氣式、磁場式、電場式、光學(xué)式、聲波式距離傳感器光學(xué)式（反射光量、定時、相位信息）聲波式（反射音量、傳輸時間信息）表5-2機器人外部傳感器的基本種類第一節(jié)機器人傳感器分類和性能指標(biāo)三、傳感器性能指標(biāo)在工業(yè)機器人上使用的傳感器和普通傳感器一樣，具有很多的性能指標(biāo)，主要包括：量程、線性度、靈敏度、分辨率、響應(yīng)時間、頻率響應(yīng)、精度、重復(fù)精度、可靠性、輸出類型、接口、尺寸、重量、成本等。1.量程:

傳感器能夠產(chǎn)生的最大與最小輸出之間的差值，或傳感器正常工作時最大和最小輸入之間的差值。2.線性度:

反映輸入變量與輸出變量間的關(guān)系。3.靈敏度:

輸出響應(yīng)變化與輸入變化的比值。4.分辨率:

傳感器在測量范圍內(nèi)所能分辨的最小值。第一節(jié)機器人傳感器分類和性能指標(biāo)三、傳感器性能指標(biāo)5.響應(yīng)時間:傳感器的輸出達到總變化的某個百分比時所需要的時間，它通常用占總變化的百分比來表示，例如95%。6.頻率響應(yīng):指將一個以恒電壓輸出的音頻信號與系統(tǒng)相連接時，音箱產(chǎn)生的聲壓隨頻率的變化而發(fā)生增大或衰減、相位隨頻率而發(fā)生變化的現(xiàn)象，這種聲壓和相位與頻率的相關(guān)聯(lián)的變化關(guān)系稱為頻率響應(yīng)。7.精度:

傳感器的輸出值與期望值的接近程度。8.重復(fù)精度:反映傳感器多次輸出之間的變化程度。9.可靠性:

系統(tǒng)正常運行次數(shù)與總運行次數(shù)之比。第一節(jié)機器人傳感器分類和性能指標(biāo)三、傳感器性能指標(biāo)10.輸出類型:根據(jù)不同的應(yīng)用，傳感器的輸出可以是數(shù)字量也可以是模擬量，它們可以直接使用，也可能必須對其進行轉(zhuǎn)換后才能使用。11.接口:傳感器必須能與其他設(shè)備相連接，如微處理器和控制器。包括人機接口和機電接口。12.尺寸:

根據(jù)傳感器的應(yīng)用場合，選擇合適尺寸。13.重量:由于機器人是運動裝置，所以傳感器的重量很重要，傳感器過重會增加操作臂的慣量，同時還會減少總的有效載荷。14.成本:

傳感器的成本是需要考慮的重要因素，尤其在一臺機器需要使用多個傳感器時更是如此。第一節(jié)機器人傳感器分類和性能指標(biāo)四、機器人傳感器的要求與選擇1.基本性能要求（1）精度高、重復(fù)性好（2）穩(wěn)定好，可靠性高（3）抗干擾能力強（4）質(zhì)量小、體積小、安裝方便可靠2.工作任務(wù)要求

現(xiàn)代工業(yè)中，機器人被用于執(zhí)行各種加工任務(wù)，其中比較常見的加工任務(wù)有物料搬運、裝配、噴漆、焊接、檢驗等。不同的加工任務(wù)對機器人提出了不同的要求。如搬運、裝配機器人要求具有視覺、觸覺和力覺等感覺能力。第二節(jié)機器人內(nèi)部傳感器第二節(jié)機器人內(nèi)部傳感器二、速度（角速度）傳感器四、傾斜角傳感器一、位置和角度傳感器五、力（力矩）傳感器三、加速度傳感器第二節(jié)機器人內(nèi)部傳感器一、位置和角度傳感器位移傳感器要檢測的位移可為直線移動，也可為角轉(zhuǎn)動。位移傳感器種類很多，可分為電阻式、電感式、電容式、編碼器等。米朗科技位移傳感器美國mts位移傳感器第二節(jié)機器人內(nèi)部傳感器一、位置和角度傳感器

電位器是一種典型的位置傳感器，可分為直線型（測量位移）和旋轉(zhuǎn)型（測量角度）。

電位器由環(huán)狀或棒狀電阻絲和滑動片（或稱為電刷）組成，滑動片接觸電阻絲發(fā)出電信號。電刷與驅(qū)動器連成一體。將其線位移或角位移轉(zhuǎn)換成電阻的變化，在電路中以電壓或電流的變化形式輸出。1.電位器傳感器第二節(jié)機器人內(nèi)部傳感器一、位置和角度傳感器

圖5-2是旋轉(zhuǎn)型電位器的基本結(jié)構(gòu)，在環(huán)狀電阻兩端加上電壓E。若電阻絲的總電阻為R0，當(dāng)轉(zhuǎn)軸（電刷）轉(zhuǎn)過角時，通過電刷的滑動部分阻值為1.電位器傳感器輸出電壓V可表示為第二節(jié)機器人內(nèi)部傳感器一、位置和角度傳感器

光柵位移傳感器是由一對光柵副中的主光柵（即標(biāo)尺光柵）和副光柵（即指示光柵）進行相對位移時，在光的干涉與衍射共同作用下產(chǎn)生黑白相間（或明暗相間）的規(guī)則條紋圖形，稱之為莫爾條紋。經(jīng)過光電器件轉(zhuǎn)換使黑白（或明暗）相同的條紋轉(zhuǎn)換成正弦波變化的電信號，再經(jīng)過放大器放大，整形電路整形后，得到兩路相差為90°的正弦波或方波，送入光柵數(shù)顯表計數(shù)顯示。2.光柵位移傳感器在機器人中，常用圓光柵，電位器傳感器使用的少。第二節(jié)機器人內(nèi)部傳感器一、位置和角度傳感器

圓光柵是一種在玻璃圓盤表面的一個圓環(huán)形區(qū)域上刻有大量均勻分布的、透明和不透明相間的圓分度元件，由于其刻線呈輻射狀的，又稱輻射光柵。2.光柵位移傳感器圓光柵有3種形式：六十進制，如10800；十進制，如5000；二進制，如1024。第二節(jié)機器人內(nèi)部傳感器一、位置和角度傳感器2.光柵位移傳感器19播放中圓弧莫爾條紋

簡單地說，刻畫在玻璃盤上的光柵稱為圓光柵，也稱為光柵盤，主要用來測量角度或角位移，且多用透射式的。我們把兩塊角柵距相接近的圓光柵面對面疊在一起時，在光線的照明下，能看到按一定規(guī)律分布的明暗相間的條紋，這種條紋稱為圓光柵的莫爾條紋。第二節(jié)機器人內(nèi)部傳感器二、速度（角速度）傳感器速度傳感器是機器人內(nèi)部傳感器之一，是閉環(huán)控制系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分，它用來測量機器人關(guān)節(jié)的運動速度。速度測量傳感器根據(jù)輸出信號的形式可分為數(shù)字式和模擬式兩種。第二節(jié)機器人內(nèi)部傳感器二、速度（角速度）傳感器測速發(fā)電機是最常見的一種模擬式速度測量傳感器，它是一種小型永磁式直流發(fā)電機。其工作原理是當(dāng)勵磁磁通恒定時，其輸出電壓U和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n成正比

U=kn

k——比例系數(shù)1.模擬式速度傳感器第二節(jié)機器人內(nèi)部傳感器二、速度（角速度）傳感器當(dāng)有負(fù)載時，電樞繞組流過電流，由于電樞反應(yīng)而使輸出電壓降低。若負(fù)載較大，或者測量過程中負(fù)載變化，則破壞了線性特性而產(chǎn)生誤差。為了減少誤差，必須使負(fù)載盡可能的小而且性質(zhì)不變。測速發(fā)電機總是與驅(qū)動電動機同軸連接，這樣就測出了驅(qū)動電動機的瞬時速度。

1.模擬式速度傳感器第二節(jié)機器人內(nèi)部傳感器二、速度（角速度）傳感器在機器人控制系統(tǒng)中，增量式編碼器一般用作位置傳感器，但也可以用作速度傳感器，當(dāng)把一個增量式編碼器用作速度檢測元件時，有以下兩種使用方法。

2.數(shù)字式速度傳感器（1）模擬式。在這種方式下，關(guān)鍵是需要一個頻率-電壓（F/V）轉(zhuǎn)換器，它必須有盡量小的溫度漂移和良好的零輸入輸出特性，用它把編碼器測得的脈沖頻率轉(zhuǎn)換成與速度成正比的模擬電壓，它檢測的是電動機軸上的瞬時速度。第二節(jié)機器人內(nèi)部傳感器二、速度（角速度）傳感器2.數(shù)字式速度傳感器圖5-4增量編碼器用作速度傳感器示意圖第二節(jié)機器人內(nèi)部傳感器二、速度（角速度）傳感器2.數(shù)字式速度傳感器（2）數(shù)字式。編碼器是數(shù)字元件，它的脈沖個數(shù)代表了位置，而單位時間里的脈沖個數(shù)表示這段時間里的平均速度。單位時間越短，越能代表瞬時速度，但在太短的時間里，只能記到幾個編碼器脈沖，因而降低了速度分辨率。為解決這一問題，可以采用兩個編碼器脈沖為一個時間間隔，然后用計數(shù)器記錄在這段時間里高速脈沖發(fā)出的脈沖數(shù)。第二節(jié)機器人內(nèi)部傳感器三、加速度傳感器

隨著機器人的高速化、高精度化，由機械運動部件剛性不足所引起的振動問題開始得到關(guān)注。為了抑制振動問題，有時在機器人的各桿件上安裝加速度器，測量振動加速度。針對不同的機器人，需要考慮合適的加速度器。常見的加速度傳感器類型有：應(yīng)變式、伺服式、壓電式等。1.應(yīng)變片式加速度傳感器Ni-Cu或Ni-Cr等金屬電阻應(yīng)變片加速度傳感器是一個由板簧支承重錘所構(gòu)成的振動系統(tǒng)，板簧上下兩面分別貼兩個應(yīng)變片。第二節(jié)機器人內(nèi)部傳感器三、加速度傳感器2.伺服加速度傳感器伺服加速度傳感器檢測出與上述振動系統(tǒng)重錘位移成比例的電流，把電流反饋到恒定磁場中的線圈，使重錘返回到原來的零位移狀態(tài)。由于重錘的變形（位移）很小，因此這種傳感器與前一種相比，更適用于較大加速度的系統(tǒng)。首先產(chǎn)生與加速度成比例的慣性力F，它和電流i產(chǎn)生的復(fù)原力保持平衡。根據(jù)費萊明左手定則，F(xiàn)和i成正比（比例系數(shù)為K），關(guān)系式為F=ma=Ki。這樣，根據(jù)檢測的電流i可以求出加速度。第二節(jié)機器人內(nèi)部傳感器三、加速度傳感器3.壓電加速度傳感器壓電加速度傳感器利用具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)，將產(chǎn)生加速度的力轉(zhuǎn)換為電壓。這種具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)，受到外力發(fā)生機械形變時，能產(chǎn)生電壓；反之，外加電壓時，也能產(chǎn)生機械形變。壓電元件大多由高介電系數(shù)的鉻鈦酸鉛材料制成。壓電元件大多由高介電系數(shù)的鉻鈦酸鉛材料制成。第二節(jié)機器人內(nèi)部傳感器四、傾斜角傳感器傾斜角傳感器是根據(jù)“擺”的工作原理制成的，應(yīng)用于機械手末端執(zhí)行器或移動機器人的姿態(tài)控制中。根據(jù)測量原理，傾斜角傳感器分為液體式、電解液式和垂直振子式等。第二節(jié)機器人內(nèi)部傳感器五、力（力矩）傳感器力和力矩傳感器種類很多，常用的有電阻應(yīng)變片式、壓電式、電容式、電感式以及各種外力傳感器。力或力矩傳感器都是通過彈性敏感元件將被測力或力矩轉(zhuǎn)換成某種位移量或變形量，然后通過各自的敏感介質(zhì)把位移量或變形量轉(zhuǎn)換成能夠輸出的電量。目前使用最廣泛的是電阻應(yīng)變片式力和力矩傳感器。6維力和力矩傳感器第二節(jié)機器人內(nèi)部傳感器五、力（力矩）傳感器8個梁中有4個水平梁和4個垂直梁，每個梁發(fā)生的應(yīng)變集中在梁的一端，把應(yīng)變片貼在應(yīng)變最大處就可以測出一個力。設(shè)8個彈性梁測出的應(yīng)變?yōu)?/p>

機器人桿件某點的力與應(yīng)力和力矩傳感器測出的8個應(yīng)變的關(guān)系為6維力和力矩傳感器第三節(jié)機器人外部傳感器第三節(jié)機器人外部傳感器二、聽覺傳感器四、接近覺傳感器一、視覺傳感器五、其他傳感器三、觸覺傳感器第三節(jié)機器人外部傳感器一、視覺傳感器人工視覺系統(tǒng)中，相當(dāng)于眼睛視覺細(xì)胞的光電轉(zhuǎn)換器件有光電二極管、光電三級管和CCD圖像傳感器等。1.光電轉(zhuǎn)換器（1）光電二級管。是利用光電伏特效應(yīng)的光傳感器。使用光電二極管時，一般加反向偏置電壓，不加偏壓也能使用。零偏置時，PN結(jié)電容變大，頻率響應(yīng)下降，但線性度好。如果加反向偏壓，沒有載流子的耗盡層增大，響應(yīng)特性提高。光電二極管作為位置檢測元件，可以連續(xù)檢測光束的入射位置，也可以用于二維平面上的光點位置檢測。第三節(jié)機器人外部傳感器一、視覺傳感器1.光電轉(zhuǎn)換器（2）光電三極管。PNP或NPN型光電三極管的集電極C和基極B之間構(gòu)成光電二極管。受光照射時，反向偏置的基極和集電極之間產(chǎn)生電流，放大的電流流過集電極和發(fā)射極。光電三極管產(chǎn)生的光電流是光電二極管的100~1000倍。（3）CCD圖像傳感器。它的基本結(jié)構(gòu)是一個間隙很小的光敏電極陣列，即無數(shù)個CCD單元組成，也成為像素點。一塊CCD上包含的像素數(shù)越多，其提供的圖像分辨率也就越高。它具有分辨率高、信噪比大、動態(tài)范圍大、靈敏度高、壽命長、抗沖擊、耗電少等優(yōu)點。第三節(jié)機器人外部傳感器一、視覺傳感器1.光電轉(zhuǎn)換器（4）MOS圖像傳感器。光電二極管和MOS場效應(yīng)管成對地排列在硅襯底上，構(gòu)成MOS圖像傳感器。（5）工業(yè)電視攝像機。工業(yè)電視攝像機由二維面型圖像傳感器和掃描電路等外圍電路組成。只要接上電源，攝像機就能輸出被攝圖像的標(biāo)準(zhǔn)電視信號。（4）MOS圖像傳感器。光電二極管和MOS場效應(yīng)管成對地排列在硅襯底上，構(gòu)成MOS圖像傳感器。第三節(jié)機器人外部傳感器一、視覺傳感器2.二維視覺傳感器視覺傳感器分為二維視覺和三維視覺傳感器兩大類，一般就是采用CMOS或CCD傳感器。二維視覺傳感器是獲取景物圖形信息的傳感器。圖形識別中，需使用圖的面積、周長、中心位置等數(shù)據(jù)。為了減少圖像處理的工作量，必須注意以下幾點：（1）照明方向（2）背景的反差（3）視覺傳感器的位置（4）物體的位置第三節(jié)機器人外部傳感器一、視覺傳感器3.三維視覺傳感器三維視覺傳感器可以獲取景物的立體信息或空間信息。立體圖像可根據(jù)物體表面的傾斜方向，凹凸高度分布的數(shù)據(jù)獲取，也可根據(jù)從觀察點到物體的距離分布情況得到?？臻g信息則靠距離圖像獲得。它可以分為以下幾種：（1）單眼觀測法（2）莫爾條紋法（3）主動立體視覺法（4）被動立體視覺法（5）激光雷達第三節(jié)機器人外部傳感器二、聽覺傳感器聽覺傳感器是一種能把聲音的大小變化轉(zhuǎn)換成電壓大小變化的器件。當(dāng)外部有聲音（比如掌聲或碰撞聲）的時候，傳感器會把接收到的聲音轉(zhuǎn)化為電信號，并傳輸給機器人的主控系統(tǒng)。工業(yè)機器人的聽覺傳感器設(shè)計技術(shù)指標(biāo)如下：（1）能區(qū)分出具有一定強度（擊掌聲、爆炸聲等）音源的方向；（2）能區(qū)分出不同聲音的頻率，檢測出刺耳的聲音（8kHz及以上）；（3）頻率響應(yīng)范圍：20~20000Hz（4）分貝范圍：0~100dB（5）信噪比：>60dB第三節(jié)機器人外部傳感器二、聽覺傳感器聽覺傳感器的聲音采集部分由兩只型號相同的傳聲器構(gòu)成，其安裝位置應(yīng)從模擬人體形態(tài)學(xué)出發(fā)，具體要求如下：（1）幅值頻響特性平坦，相位頻響特性盡可能匹配；（2）尺寸適當(dāng)?shù)男?，并使聲強測量達到一定的有效范圍；（3）聲強干擾?。唬?）有效聲學(xué)間距隨頻率的波動小。傳聲器有三種安裝方式，分別稱之為“面對面式”、“背靠背式”和“并列式”。第三節(jié)機器人外部傳感器三、觸覺傳感器機器人的觸覺廣義上可獲取的信息是：接觸信息、狹小區(qū)域上的壓力信息、分布壓力信息、力和力矩信息、滑覺信息。這些信息分別用于觸覺識別和觸覺控制。

觸覺傳感器可按空間擴展和信息擴展劃分。觸覺傳感器的分類第三節(jié)機器人外部傳感器三、觸覺傳感器

當(dāng)規(guī)定的位移或力作用到可動部分（稱為執(zhí)行器）時，開關(guān)的接點斷開或接通而發(fā)出相應(yīng)的信號。按執(zhí)行器形狀不同，限位開關(guān)可分為1.單向微振開關(guān)

為保證傳感器的敏感度，執(zhí)行機構(gòu)可在4~7N力的作用下產(chǎn)生動作，其中銷鍵按鈕式開關(guān)的敏感度最高。第三節(jié)機器人外部傳感器三、觸覺傳感器單向微動開關(guān)由滑栓、彈簧、基板和引線構(gòu)成。當(dāng)接觸到外界物體時，由于滑柱的位移導(dǎo)致電路的“通”和“斷”，從而輸出邏輯信號1成0。這種開關(guān)的結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，但必須保證其工作可靠性和接觸物體后受力的合理性。過大作用力可能會損壞開關(guān)。1.單向微振開關(guān)第三節(jié)機器人外部傳感器三、觸覺傳感器非接觸式接近傳感具有高頻振蕩式、磁感應(yīng)式、電容感應(yīng)式、超聲波式、氣動式、光電式、光纖式等多種接近開關(guān)。其中，光電開關(guān)是由LED光源和光電二極管或光電三極管等光敏元件，相隔一定距離而構(gòu)成的透光式開關(guān)。

光電開關(guān)的特點是非接觸檢測，精度可達0.5mm左右。2.接近開關(guān)第三節(jié)機器人外部傳感器三、觸覺傳感器觸須傳感器由須狀觸頭及其檢測部構(gòu)成（如左圖），觸頭由具有一定長度的柔性軟條絲構(gòu)成，它與物體接觸所產(chǎn)生的彎曲由在根部的檢測單元檢測。右圖是機器人腳下安裝的多個觸須傳感器，依據(jù)接通傳感器的個數(shù)可以撿測腳登在臺階上的不同程度。3.觸須傳感器第三節(jié)機器人外部傳感器三、觸覺傳感器

許多小型物體完全可以靠人的觸覺辨認(rèn)出來，如螺釘、開口銷、圓銷等。采用多個接觸傳感器組成的觸覺傳感器陣列是辨認(rèn)物體的方法之一。目前，已經(jīng)研制成功一種能夠在機器人手指端部固定的單片式觸覺傳感器陣列，它由256個接觸傳感器組成。4.觸覺傳感器陣列第三節(jié)機器人外部傳感器三、觸覺傳感器

在接觸陣列中，采用了兩種導(dǎo)體元件：一塊柔軟的印制電路板和一片各向異性的導(dǎo)體硅橡膠（ACS）。其中ACS采用夾有石墨或銀的多層硅橡膠制成，PC1和PC2必須和ACS相接觸。從PC1和PC2上引出的導(dǎo)線，把傳感器的信息送給計算機。

4.觸覺傳感器陣列觸覺陣列的結(jié)構(gòu)圖第三節(jié)機器人外部傳感器四、接近覺傳感器接近覺傳感器是機器人用以探測自身與周圍物體之間相對位置和距離的傳感器。它具有以下三個方面的作用：

（1）接觸對象前獲得必要信息，為后面動作做準(zhǔn)備；（2）發(fā)現(xiàn)障礙物時，改變路徑或停止，以免發(fā)生碰撞；（3）得到對象物體表面形狀的信息。

根據(jù)感知范圍，接近覺傳感器大致分為三類：感知近距離物體（mm級）的磁力式（感應(yīng)式）、氣壓式、電容式等；感知中距離（大約30cm以內(nèi)）物體的紅外光電式；感知遠距離（30cm以外）物體的超聲式和激光式。第三節(jié)機器人外部傳感器四、接近覺傳感器霍爾傳感器由激勵線圈C0和檢測線圈C1和C2組成，C1和C2的圈數(shù)相同，接成差動式。當(dāng)未接近物體時由于構(gòu)造上的對稱性，輸出為0，當(dāng)接近物體（金屬）時，由于金屬產(chǎn)生渦流而使磁通發(fā)生變化，從而使檢測線圈輸出產(chǎn)生變化。這種傳感器不大受光、熱、物體表面特征影響，可小型化與輕量化，但只能探測金屬對象。1.霍爾傳感器第三節(jié)機器人外部傳感器四、接近覺傳感器氣壓式傳感器是根據(jù)噴嘴檔板作用原理設(shè)計的。氣壓源pv經(jīng)過節(jié)流孔進入背壓腔，又經(jīng)噴嘴射出，氣流碰到被測物體后形成背壓輸出PA。這種傳感器具有較強的防火、防磁、防輻射能力，但要求氣源保持一定程度的凈化。

2.氣壓式接近傳感器第三節(jié)機器人外部傳感器四、接近覺傳感器紅外傳感器是一種比較有效的接近傳感器，傳感器發(fā)出光的波長大約在幾百納米范圍內(nèi)，是短波長的電磁波。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式，紅外探測器可分為熱探測器和光子探測器兩大類。紅外傳感器具有不受電磁波的干擾、非噪聲源、可實現(xiàn)非接觸性測量等特點。另外，紅外線（指中、遠紅外線）不受周圍可見光的影響，故在晝夜都可進行測量。3.紅外式接近傳感器第三節(jié)機器人外部傳感器四、接近覺傳感器

基于三角測量原理的紅外傳感器測距原理是紅外傳感器按照一定的角度發(fā)射紅外光束，當(dāng)遇到物體以后，光束會反射回來。如右圖，反射回來的紅外光線被CCD檢測器檢測到以后，獲得一個偏移值L，利用三角關(guān)系，在知道了發(fā)射角度a，偏移距L，中心距X，以及濾鏡的焦距f以后，傳感器到物體的距離D就可以通過幾何關(guān)系計算出來。3.紅外式接近傳感器第三節(jié)機器人外部傳感器四、接近覺傳感器紅外傳感器傳感器的輸出是非線性的。如右圖，當(dāng)被探測物體的距離小于10cm時，輸出電壓急劇下降，也就是說從電壓讀數(shù)來看，物體的距離應(yīng)該是原來越遠了。但是實際上并不是這樣，如果機器人本來正在慢慢地靠近障礙物，突然探測不到障礙物，一般來說，控制程序會讓機器人以全速移動，結(jié)果是機器人撞到障礙物。3.紅外式接近傳感器第三節(jié)機器人外部傳感器四、接近覺傳感器

要解決上述問題，需要改變一下傳感器的安裝位置，使它到機器人外圍的距離大于最小探測距離。受器件特性的影響，紅外傳感器抗干擾性差，即容易受各種熱源和環(huán)境光線影響。并且由于傳感器功率因素的影響，其探測距離一般在10~500cm之間。3.紅外式接近傳感器紅外傳感器的安裝位置第三節(jié)機器人外部傳感器五、其他傳感器激光傳感器是利用激光技術(shù)進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。按激光器的工作物質(zhì)可分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器及半導(dǎo)體激光器。

它的優(yōu)點是能實現(xiàn)無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光電干擾能力強等。激光傳感器能夠測量很多的物理量，比如長度、速度、距離等。1.激光傳感器第三節(jié)機器人外部傳感器五、其他傳感器（1）脈沖式激光測距傳感器。由脈沖激光器發(fā)出持續(xù)時間極短的脈沖激光，經(jīng)過待測距離后射到被測目標(biāo)，有一部分能量會被反射回來，被反射回來的脈沖激光稱為回波。（2）相位式激光測距傳感器。對發(fā)射的激光進行光強調(diào)制，利用激光空間傳感時調(diào)制信號的相位變化量，根據(jù)調(diào)制波的波長，計算出該相位延遲所代表的距離。1.激光傳感器第三節(jié)機器人外部傳感器五、其他傳感器（3）三角法激光測距傳感器。是由激光器發(fā)出的光線，經(jīng)過會聚透鏡聚焦后入射到被測物體表面上，接收透鏡接收來自入射光點處的散射光，并將其成像在光電位置探測器敏感面上。當(dāng)物體移動時，通過光點在成像面上的位移來計算出物體移動的相對距離。三角法激光測距的分辨率很高，可以達到微米數(shù)量級。1.激光傳感器第三節(jié)機器人外部傳感器五、其他傳感器智能傳感器是由傳感器和微處理器相結(jié)合而構(gòu)成的，它充分利用微處理器的計算和存儲能力，對傳感器的數(shù)據(jù)進行處理，并對它的內(nèi)部行為進行調(diào)節(jié)。2.智能傳感器第四節(jié)傳感器信息融合第四節(jié)傳感器信息融合二、多傳感器融合應(yīng)用實例一、多傳感器信息融合技術(shù)第四節(jié)傳感器信息融合一、多傳感器信息融合技術(shù)多傳感器信息融合技術(shù)是一門新興前沿技術(shù)，信息融合可以理解是集成大量數(shù)據(jù)和知識來準(zhǔn)確表示同一個現(xiàn)實世界對象的過程，數(shù)據(jù)可能是獨立的或冗余的，也可以通過不同的傳感器同時或在不同的時間獲得。其融合的方式主要包含：數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合。1.數(shù)據(jù)層融合監(jiān)測對象傳感器1傳感器2傳感器3數(shù)據(jù)融合優(yōu)點：可以保留更多的原始信息缺點：耗時，整體實時性差第四節(jié)傳感器信息融合一、多傳感器信息融合技術(shù)2.特征層融合優(yōu)點：通信帶寬要求低、抗干擾能力強；缺點：部分信息損失、特征提取具有主觀性。特征層融合屬于中間層的融合，具備數(shù)據(jù)層和決策層的優(yōu)點，可以對從傳感器原始信號中獲取的特征信息加以研究與分析。監(jiān)測對象傳感器1傳感器2傳感器3特征融合特征提取特征提取特征提取識別第四節(jié)傳感器信息融合一、多傳感器信息融合技術(shù)3.決策層融合優(yōu)點：靈活性強、通信帶寬要求低、抗干擾能力強；缺點：信息損失量大、需要考慮各個模型結(jié)果，復(fù)雜度和計算量大幅增加。決策層融合是指每個傳感器在識別目