項(xiàng)目9

工業(yè)機(jī)器人的感知任務(wù)一

工業(yè)機(jī)器人傳感器概述任務(wù)二位置和位移傳感器任務(wù)三機(jī)器人的視覺(jué)技術(shù)任務(wù)四機(jī)器人的觸覺(jué)【案例導(dǎo)入】近些年，國(guó)家大力推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，更是作為國(guó)家戰(zhàn)略來(lái)發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)可分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層的作用相當(dāng)于人的眼耳鼻喉和皮膚等神經(jīng)末梢，它是物聯(lián)網(wǎng)識(shí)別物體、采集信息的來(lái)源，其主要功能是識(shí)別物體，采集信息。網(wǎng)絡(luò)層相當(dāng)于人的神經(jīng)中樞和大腦，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，它與行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。圖9.1物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)云傳感器由此而生，集成了測(cè)量感知、網(wǎng)絡(luò)傳輸和云端組件，如圖9.2所示。它的特點(diǎn)是將傳感組件和聯(lián)網(wǎng)組件集成到一起，傳感器采集的數(shù)據(jù)直接上傳到云平臺(tái)，用戶直接從云平臺(tái)使用數(shù)據(jù)，節(jié)省中間傳輸處理電路的成本。圖9.2云傳感器組成4【教學(xué)目標(biāo)】掌握傳感器的定義、原理、分類和性能指標(biāo)；理解各傳感器的組成、技術(shù)，做到學(xué)以致用；理解位置和位移傳感器、視覺(jué)和觸覺(jué)傳感器的工作原理，掌握其特點(diǎn)及使用場(chǎng)合。任務(wù)一

工業(yè)機(jī)器人傳感器概述傳感器的定義傳感器的分類傳感器的性能指標(biāo)傳感器的發(fā)展動(dòng)向1

傳感器的定義傳感器（transducer/sensor）是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。圖9.3傳感器工作原理按檢測(cè)狀態(tài)分類：分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器兩種。按工作原理分類：是以檢測(cè)器件的工作原理命名的，如應(yīng)變式、壓電式、壓阻式、熱點(diǎn)式檢測(cè)器件等。2

傳感器的分類控制器內(nèi)部傳感外部傳感機(jī)器人位置傳感器速度傳感器加速度傳感器力和壓力傳感器微動(dòng)開(kāi)關(guān)紅外傳感器接觸和視覺(jué)傳感器接近覺(jué)傳感器超聲波傳感器視覺(jué)傳感器語(yǔ)音合成器內(nèi)傳感器用于測(cè)量機(jī)器人自身狀態(tài)外部傳感器測(cè)量與機(jī)器人作業(yè)有關(guān)的外部環(huán)境圖9.4傳感器按測(cè)量狀態(tài)分類示意圖9表9.1檢測(cè)器件按工作原理分類靈敏度：靈敏度是指?jìng)鞲衅鞯妮敵鲂盘?hào)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，輸出信號(hào)變化與輸入信號(hào)變化的比值。線性度：線性度是指?jìng)鞲衅鬏敵鲂盘?hào)與輸入信號(hào)之間的線性程度。2.

測(cè)量范圍：測(cè)量范圍是指被測(cè)量的最大允許值和最小允許值之差。2.

精度：精度是指?jìng)鞲衅鞯臏y(cè)量輸出值與實(shí)際被測(cè)量值之間的誤差。3

傳感器的性能指標(biāo)5.

重復(fù)性：重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟趯?duì)輸入信號(hào)按同一方式進(jìn)行全量程連續(xù)多次測(cè)量時(shí)，相應(yīng)測(cè)試結(jié)果的變化程度。5.

分辨率：分辨率是指?jìng)鞲衅髟谡麄€(gè)測(cè)量范圍內(nèi)所能辨別的被測(cè)量的最小變化量，或者所能辨別的不同被測(cè)量的個(gè)數(shù)。5.

響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間是傳感器的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)，是指?jìng)鞲衅鞯妮斎胄盘?hào)變化后，其輸出信號(hào)隨之變化并達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。5.

抗干擾能力：通?？垢蓴_能力是通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率來(lái)定義的，因此它是一個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個(gè)時(shí)期：第一代示教再現(xiàn)機(jī)器人（2）第二代感覺(jué)型機(jī)器人（3）第三代智能型機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)：研發(fā)新型傳感器。新型傳感器是指：1）采用新原理；2）填補(bǔ)傳感器空白；3）仿生傳感器等方面。開(kāi)發(fā)新材料。新型傳感器材料有：1）半導(dǎo)體敏感材料；2）陶瓷材料；3）磁性材料；4）智能材料等。采用新工藝。微細(xì)加工技術(shù)，又稱微機(jī)械加工技術(shù)（

MEMS）。面向集成化、多功能化。面向智能化發(fā)展。4

傳感器的發(fā)展動(dòng)向任務(wù)二

位置和位移傳感器位置傳感器位移傳感器1

位置傳感器圖9.5直動(dòng)式行程開(kāi)關(guān)原理圖圖9.6直動(dòng)式行程開(kāi)關(guān)常用的位置傳感器有接觸式和接近式兩種。（1）行程開(kāi)關(guān)：圖9.7滾輪式行程開(kāi)關(guān)圖9.8微動(dòng)式行程開(kāi)關(guān)（2）光電式位置傳感器：圖9.10光電效應(yīng)的原理圖9.11

光電式位置傳感器的構(gòu)成特點(diǎn)：光電式位置傳感器動(dòng)作可靠，性能穩(wěn)定，頻率響應(yīng)快，應(yīng)用壽命長(zhǎng)，抗干擾能力強(qiáng)等、并具有防水、防震、耐腐蝕等特點(diǎn)。但光學(xué)器件和電子器件價(jià)格貴，對(duì)測(cè)量的環(huán)境條件要求高，常應(yīng)用在環(huán)境比較好、無(wú)粉塵污染的場(chǎng)合。（3）渦流式接近開(kāi)關(guān)（電感式接近開(kāi)關(guān)）目標(biāo) LC振蕩器 開(kāi)關(guān)級(jí) 放大輸出級(jí)圖9.12

渦流式接近開(kāi)關(guān)的工作原理特點(diǎn)：電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)頻率高、抗干擾性能好、應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)，但電感式傳感器只能感應(yīng)金屬。渦流式接近開(kāi)關(guān)應(yīng)用圖9.13自動(dòng)開(kāi)光門電路圖9.14自動(dòng)計(jì)時(shí)器（4）電容式接近開(kāi)關(guān)圖9.15電容式接近開(kāi)關(guān)的工作原理圖應(yīng)用：飲料、食品、醫(yī)藥、輕工、家電、化工、機(jī)械運(yùn)行中的行程控制和限位保護(hù)，自動(dòng)生產(chǎn)上的物位檢查，食品和飲料的包裝、分檢，液面控制，物料的計(jì)數(shù)、側(cè)長(zhǎng)、測(cè)數(shù)等等，可以衍生開(kāi)發(fā)多種多樣的二次儀器儀表和防盜報(bào)警器、水塔水位控制等日用電器。（5）霍爾式接近開(kāi)關(guān)圖9.16霍爾效應(yīng)原理示意圖電壓霍爾系數(shù)I

電流B

磁場(chǎng)強(qiáng)度霍爾式接近開(kāi)關(guān)工作原理圖9.17霍爾開(kāi)關(guān)內(nèi)部原理圖特點(diǎn)：霍爾開(kāi)關(guān)不僅具有無(wú)觸點(diǎn)，無(wú)開(kāi)關(guān)瞬態(tài)抖動(dòng)，高可靠，長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，又有很強(qiáng)的負(fù)載的能力和廣泛的功能，特別是在惡劣的環(huán)境下，它比目前使用的電感式，電容式，光電式等接近開(kāi)關(guān)具有更強(qiáng)的抗干擾能力。（6）光電編碼器圖9.18絕對(duì)型光電編碼器的編碼原理圖圖9.19

光學(xué)式增量型旋轉(zhuǎn)編碼器位移傳感器有電位器式和直線型以及旋轉(zhuǎn)變壓器。2

位移傳感器圖9.20直線型電位器圖9.21

直線型電位器的工作原理圖旋轉(zhuǎn)變壓器：圖9.22旋轉(zhuǎn)變壓器圖9.23機(jī)械轉(zhuǎn)角與電壓輸出曲線圖24任務(wù)三

機(jī)器人的分類視覺(jué)傳感器的作用視覺(jué)系統(tǒng)的性能機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的組成251

視覺(jué)傳感器的作用進(jìn)行位置的測(cè)量，如進(jìn)行裝配時(shí)，需要找到對(duì)象物(如螺栓、螺母等)，并測(cè)量裝配對(duì)象的位置和姿勢(shì)；進(jìn)行圖象識(shí)別，了解對(duì)象物特征，以同其它物體相區(qū)別（識(shí)別要搬運(yùn)的各種部件，讀出文字、符號(hào)等）；對(duì)加工零件進(jìn)行檢驗(yàn)，了解加工結(jié)果，檢查部件形狀和尺寸方面的缺陷。262

視覺(jué)系統(tǒng)的性能環(huán)境安排實(shí)用性高可靠性通用性273

機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的組成視覺(jué)系統(tǒng)可以分為：圖像輸入（獲?。﹫D像處理圖像理解圖像存儲(chǔ)圖像輸出圖9.24視覺(jué)系統(tǒng)的硬件組成283

機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的組成視覺(jué)傳感器攝像機(jī)和光源控制計(jì)算機(jī)圖像處理機(jī)29任務(wù)四

機(jī)器人的觸覺(jué)觸覺(jué)傳感器的一般要求觸覺(jué)傳感器開(kāi)關(guān)壓阻式觸覺(jué)傳感器壓電式觸覺(jué)傳感器光電式觸覺(jué)傳感器301

觸覺(jué)傳感器的一般要求①傳感器有很好的順應(yīng)性，并且耐磨；②空間分辨率為1～2mm，這種分辨率接近人指的分辨率（指上皮膚敏感分離兩點(diǎn)的距離為1mm）；③每個(gè)指尖有50～200個(gè)觸覺(jué)單元（即5×10，10×20陣列單元數(shù)）；④觸點(diǎn)的力靈敏度小于0.05N，最好能達(dá)到0.01N左右；⑤輸出動(dòng)態(tài)范圍最好能達(dá)到1000:1；⑥傳感器的穩(wěn)定性、重復(fù)性好，無(wú)滯后；⑦輸出信號(hào)單值，線性度良好；⑧輸出頻響100Hz—1kHz。312

觸覺(jué)傳感器開(kāi)關(guān)圖9.26矩陣式接觸覺(jué)傳感器①—柔軟的電極；②—柔軟的絕緣體；③—電極；④—電極板323

壓阻式觸覺(jué)傳感器壓阻式觸覺(jué)傳感器是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器。半導(dǎo)體材料在受到力的作用后，電阻率發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電路就可得到正比于力變化的電信號(hào)輸出。壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)形式較多，但工藝復(fù)雜。優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、體積小、耗電少、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、精度高、測(cè)量范圍寬、有正負(fù)兩種符號(hào)的應(yīng)力效應(yīng)，易于微型化和集成化；缺點(diǎn)是受溫度影響較大。電阻相對(duì)變化式334

壓電式觸覺(jué)傳感器圖9.27壓電式觸覺(jué)傳感器壓電式傳感器用于測(cè)量力和能變換為力的非電物理量。它的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠和重量輕等。缺點(diǎn)是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來(lái)克服這一缺陷。345

光電式觸覺(jué)傳感器光電式傳感器是將光通量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器，光電式傳感器的基礎(chǔ)是光電轉(zhuǎn)換元件的光電效應(yīng)。由于光電測(cè)量方法靈活多樣，可測(cè)參數(shù)眾多，具有非接觸，高精度，高可靠性和反應(yīng)快等特點(diǎn)，使得光電傳感器在檢測(cè)和控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。外光電效應(yīng)是指，在光線作用下物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的物理現(xiàn)象。光子是以量子化“粒子”的形式對(duì)可見(jiàn)光波段內(nèi)電磁波的描述。光子具有能量hv，h為普朗克常數(shù)，v為光頻。光子通量則相應(yīng)于光強(qiáng)。外光電效應(yīng)由愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程描述：【綜合實(shí)例分析】電子秤的制作制作要求稱重傳感器整體設(shè)計(jì)框架及原理圖各部分電路設(shè)計(jì)電路調(diào)試1

制作要求利用電阻應(yīng)變式傳感器制作一個(gè)電子稱，測(cè)量范圍為2kg，其分辨力為1克，測(cè)量精度

0.5％，RD±1字；利用數(shù)碼管顯示測(cè)量值。2

稱重傳感器稱重傳感器是由非電量（質(zhì)量或重量）轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，它是把支承力變換成電的或其它形式的適合于計(jì)量求值的信號(hào)所用的一種輔助手段。按照稱重傳感器的結(jié)構(gòu)型式不同，可以分直接位移傳感器（電容式、電感式、電位計(jì)式、振弦式、空腔諧振器式等）和應(yīng)變傳感器（電阻應(yīng)變式、聲表面諧振式）或是利用磁彈性、壓電和壓阻等物理效應(yīng)的傳感器。對(duì)稱重傳感器的基本要求是：輸出電量與輸入重量保持單值對(duì)應(yīng)，并有良好的線性關(guān)系；有較高的靈敏度；對(duì)被稱物體的狀態(tài)的影響要??；能在較差的工作條件下工作；有較好的頻響特性；穩(wěn)定可靠。3

整體設(shè)計(jì)框架及原理圖圖9.28電子秤的電路原理圖4

各部分電路設(shè)計(jì)（1）電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路（2）放大電路圖9.29橋式測(cè)量電路圖9.30差動(dòng)放大器（3）

A/D轉(zhuǎn)換電路圖9.31橋式測(cè)量電路5

電路調(diào)試首先在秤體自然下垂已無(wú)負(fù)載時(shí)調(diào)整RP1，使