机器人中的传感器
机器人传感器知识要点梳理
机器人传感器知识要点梳理机器人传感器是指机器人系统中用于感知和获取外部环境信息的装置。
传感器的准确使用和理解对于机器人设计和应用至关重要。
本文将从机器人传感器的分类、原理和常用技术等方面进行梳理，以帮助读者更好地理解和应用机器人传感器。
一、机器人传感器的分类机器人传感器可以根据其感知的信息类型、工作原理和应用环境等因素进行分类。
在这里，我将介绍几种常见的机器人传感器分类方式。
1. 按照感知的信息类型分类：1.1 触觉传感器：用于感知机器人与物体之间的接触力、接触面积和物体形状等信息。
常见的触觉传感器包括压力传感器、力传感器和力敏电阻。
1.2 视觉传感器：用于感知机器人周围的可见光图像信息，例如拍摄照片、识别物体和人脸等。
常见的视觉传感器包括摄像头、光电传感器和图像传感器。
1.3 声音传感器：用于感知机器人周围的声音和音频信息。
常见的声音传感器包括麦克风和声波传感器。
1.4 温度传感器：用于感知机器人周围的温度信息。
常见的温度传感器包括热电偶和温度传感器芯片。
1.5 其他传感器：还有其他类型的传感器，例如气体传感器、湿度传感器和加速度传感器等。
2. 按照工作原理分类：2.1 主动传感器：主动传感器是指能主动产生电磁、声、光等信号并获取反馈的传感器。
例如雷达传感器和激光传感器等。
2.2 被动传感器：被动传感器是指根据周围环境的变化对外部物理量进行感知的传感器。
例如光电传感器、温度传感器和湿度传感器等。
3. 按照应用环境分类：3.1 室内传感器：主要应用于室内环境的机器人，例如家庭服务机器人、工业机器人和教育机器人等。
3.2 室外传感器：主要应用于室外环境的机器人，例如农业机器人、勘探机器人和航空航天机器人等。
二、机器人传感器的工作原理了解机器人传感器的工作原理对于正确选择和使用传感器至关重要。
在这一部分，我们将重点介绍几种常见的机器人传感器工作原理。
1. 光电传感器：光电传感器工作原理基于光敏元件的光电效应。
工业机器人内部传感器
根据码盘上透光区域与不透光区域分布的不同，光电编码器又可分为 相对式（增量式）和绝对式两种类型。
1）相对式光电编码器
测量旋转运动最常见的传感器是相对式光电编码器，其圆形码盘（见图4-9）上的 透光区与不透光区相互间隔，均匀分布在码盘边缘，分布密度决定测量的解析度。在 码盘两边分别装有光源及光敏元件。
1.2 速度传感器
1．测速发电机
测速发电机是一种模拟式速度传感器，它实际上是一台小型永磁式直流发电机，其 结构原理如图4-13所示。
图4-13 直流输出测速发电机结构原理图
当通过线圈的磁通量恒定时，位于磁场中的线圈旋转使线圈两端产生的电压 u（感应电动势） 与线圈（转子）的转速 成正比，即
u A
1）模拟方式
在模拟方式下，必须有一个频率/电压（F/V）变换器，用来将编码器测得的脉冲 频率转换成与速度成正比的模拟电压，其原理如图4-14所示。F/V变换器必须有良好 的零输入、零输出特性和较小的温度漂移才能满足测试要求。
图4-14 模拟方式的相对式光电编码器测速
2）数ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ方式
数字方式测速是利用数学方式通过计算软件计算出速度。角速度是转角对时间的一阶导数，
工业机器人基础
工业机器人内部传感器
1.1 位移传感器
1．电位器式位移传感器
电位器式位移传感器一般用于测量工业机器人的关节线位移和角位移，是 位置反馈控制中必不可少的元件，它可将机械的直线位移或角位移输入量转 换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。
电位器式位移传感器主要由电阻元件、骨架及电刷等组成。根据滑动 触头·运动方式的不同，电位器式位移传感器分为直线型和旋转型两种。
式中，A 为常数。
机器人传感器
机器人传感器引言概述：机器人传感器是机器人技术中非常重要的组成部分，它们能够感知周围环境并将这些信息传达给机器人的控制系统。
在机器人传感器中，我们已经介绍了一些常见的传感器类型和它们在机器人中的应用。
本文将继续介绍另外一些常见的机器人传感器，并探讨它们的功能和应用。
正文：1. 触觉传感器- 压力传感器：能够感知压力的大小，用于机器人握取物体并调整力度。
- 接触传感器：用于检测机器人是否与物体接触，可以帮助机器人规划行动路径和避免碰撞。
- 应变传感器：能够感知物体的形变，常用于检测物体的变化状态，如弯曲、扭曲等。
2. 光学传感器- 距离传感器：能够测量机器人与物体之间的距离，用于导航和避障。
- 颜色传感器：用于检测物体的颜色，常用于识别不同物体或执行颜色相关的任务。
- 光照传感器：能够感知环境的光照强度，用于控制机器人的显示和执行特定任务。
3. 声音传感器- 麦克风传感器：能够捕捉声音信号，用于语音识别和声音控制机器人。
- 声音传感器阵列：由多个麦克风传感器组成，能够定位声源和实现环境音频分析。
- 声纳传感器：利用声波测量物体与机器人之间的距离，用于避障和导航。
4. 温度和湿度传感器- 温度传感器：用于测量环境或物体的温度，常用于温度控制和环境监测。
- 湿度传感器：能够测量环境的湿度水平，常用于气候控制和植物生长监测。
- 温湿度传感器：结合了温度传感器和湿度传感器的功能，能够提供更全面的环境数据。
5. 位置传感器- GPS传感器：用于定位机器人的全球位置，常用于导航和航位推算。
- 惯性测量单元（IMU）：结合了加速度计和陀螺仪传感器，用于测量机器人的加速度、角速度和方向。
- 编码器传感器：用于测量机器人的轮子旋转的位置和速度，常用于机器人运动控制和定位。
总结：机器人传感器是机器人技术中必不可少的组成部分，能够为机器人提供周围环境的感知和反馈。
本文介绍了触觉传感器、光学传感器、声音传感器、温湿度传感器和位置传感器等常见的机器人传感器类型和应用。
机器人技术基础课件第六章 机器人传感器
物理量
电量
目前，传感器转换后的信号大多为电信号。 因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信 号转换成电信号的装置。
6.1 机器人传感器概述
6.1.1 传感器的基本概念
2、传感器的组成
传感器一般由敏感元件、转换部分组成
基
被 测 量
敏 感 元 件
转 换 元 件
本 转 换 电
电 信 号
路
6.1 机器人传感器概述
6.2 内传感器
增量式编码器
6.2.1 位移（位置）传感器
（1）信号性质
输出信号为一串脉冲，每一个脉
冲对应一个分辨角，对脉冲进行计 数N，就是对 的累加，即，角位移 ＝N。
如： ＝0.352，脉冲N＝1000，
则：
＝ 0.352×1000＝ 352
增量式编码器的信号性质
6.2 内传感器
增量式编码器
6.2 内传感器
6.2.1 位移（位置）传感器
2、光电编码器
光电编码器是角度（角速度）检测装置，通过光 电转换，将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲 数字量的传感器。具有体积小，精度高，工作可靠 等优点，应用广泛。
编码器
6.2 内传感器
6.2.1 位移（位置）传感器
2、光电编码器
轴式
套式
电信号
二进制编码
• 满足机器人控制的要求 • 满足机器人自身安全和机器人使用者的安全性要求
6.1 机器人传感器概述
6.1.4 机器人传感器的分类
1)按被测物理量分类 常见的被测物理量
机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量,力,力矩;
热工量:温度、热量、比热容、热流、 热 分布、压力（压强）、压差、真空度、流 量、流速、物位、 液位、界面、噪声
简述工业机器人传感器的作用
工业机器人传感器的作用1. 简介工业机器人传感器是用于感知和获取环境信息的设备，它们能够帮助工业机器人实现精准的定位、避障、检测和控制等功能。
传感器在工业机器人系统中起着至关重要的作用，它们能够使机器人具备感知能力，从而能够更好地适应复杂多变的工作环境。
本文将详细介绍工业机器人传感器的作用，包括定位传感器、力传感器、视觉传感器、接触传感器和温度传感器等。
2. 定位传感器定位传感器是工业机器人中常用的传感器之一，它能够帮助机器人准确地定位自身的位置，以便实现精确的运动控制。
常见的定位传感器包括编码器、惯性测量单元（IMU）和全球定位系统（GPS）等。
•编码器：编码器能够测量机器人关节的角度或位置，通过将测量值与预设值进行比较，可以实现机器人的运动控制和定位。
•IMU：IMU是一种集成了加速度计、陀螺仪和磁力计等传感器的设备，它能够测量机器人的加速度、角速度和方向等信息，从而实现机器人的姿态估计和运动控制。
•GPS：GPS是一种全球定位系统，能够通过卫星信号定位机器人的位置，广泛应用于需要室外定位的工业机器人。
定位传感器能够使工业机器人实现高精度的定位和运动控制，提高工作效率和精度。
3. 力传感器力传感器是用于测量机器人与外界物体之间的力或压力的传感器，它能够帮助机器人实现精确的力控制和力检测。
常见的力传感器包括压电传感器、应变传感器和力/扭矩传感器等。
•压电传感器：压电传感器能够将受力转化为电信号，通过测量电信号的变化，可以得到机器人与外界物体之间的压力信息。
•应变传感器：应变传感器能够测量物体受力后的应变变化，通过测量应变的大小，可以得到机器人与外界物体之间的力信息。
•力/扭矩传感器：力/扭矩传感器能够测量机器人施加在外界物体上的力和扭矩，从而实现力控制和力检测。
力传感器能够使工业机器人具备对外界物体的感知和控制能力，实现精确的力控制和力检测。
4. 视觉传感器视觉传感器是工业机器人中常用的传感器之一，它能够帮助机器人获取环境的视觉信息，实现目标识别、物体定位和视觉导航等功能。
机器人传感器
即通过把分散敏感元件排列成矩阵式格子来设 计的。 ❖ 导电橡胶、感应高分子、应变计、光电器件和 霍尔元件常被用敏感元件阵列单元。
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压觉传感器原理
❖ 这种传感器是对小型线性调整器的改进。 ❖ 在调整器的轴上安装了线性弹簧。一个传感器有l0mm的有效行
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力觉ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
❖ 力觉传感器的作用 ❖ 关节力传感器 ❖ 腕力传感器 ❖ 基座力传感器
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力觉传感器的作用
1. 感知是否夹起了工件或是否夹持在正确部位； 2. 控制装配、打磨、研磨抛光的质量； 3. 装配中提供信息、以产生后续的修正补偿运
动来保证装配质量和速度 4. 防止碰撞、卡死和损坏机件。
“电脑化”是这代机器人的重要标志。
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机器人传感器的分类
❖ 机器人传感器可分为内部检测传感器及外界检测传感 器两大类。
❖ 内部检测传感器是以机器人本身的坐标轴来确定其位 置，是安装在机器人自身中用来感知它自己的状态， 以调整并控制机器人的行动。它通常由位置、加速度、 速度及压力传感器组成。
❖ 外界检测传感器用于机器人对周围环境、日标构的状
00:47
机器人传感器
00:47
目录
❖ 概述 ❖ 触觉传感器 ❖ 接近觉传感器 ❖ 视觉传感器 ❖ 听觉、嗅觉、味觉及其他传感器
小结
00:47
概述
❖ 机器人与传感器 ❖ 机器人传感器分类
00:47
机器人与传感器 ❖ 机器人及机器人传感器的定义 ❖ 机器人的发展历史
00:47
机器人及机器人传感器的定义
人工皮肤触觉传感器的研究重点
00:47
机器人技术及应用-机器人内部传感器
机器人技术及应用-机器人内部传感器机器人技术及应用机器人内部传感器在当今科技飞速发展的时代，机器人已经成为我们生活和生产中不可或缺的一部分。
从工业制造中的自动化生产线，到家庭服务中的智能助手，机器人的应用范围越来越广泛。
而机器人能够如此高效、精准地完成各种任务，很大程度上依赖于其内部的传感器。
这些传感器就如同机器人的“感觉器官”，为机器人提供了感知周围环境和自身状态的能力，从而使其能够做出准确的决策和动作。
机器人内部传感器主要包括位置传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、扭矩传感器、姿态传感器等。
它们各司其职，共同保障机器人的正常运行和精确操作。
位置传感器是机器人中最基本的传感器之一。
它能够精确地测量机器人各个关节或部件的位置信息。
常见的位置传感器有电位计式、编码器式和霍尔效应式等。
电位计式位置传感器通过电阻的变化来反映位置的改变，结构简单但精度相对较低。
编码器式位置传感器则利用光电或电磁原理，能够实现高精度的位置测量，广泛应用于工业机器人等对精度要求较高的场合。
霍尔效应式位置传感器则基于霍尔效应，对磁场变化敏感，适用于一些特殊的应用场景。
速度传感器用于测量机器人运动部件的速度。
常见的速度传感器有测速发电机和光电式速度传感器。
测速发电机通过将机械转速转化为电信号来测量速度，具有较高的可靠性和稳定性。
光电式速度传感器则通过检测光脉冲的频率来计算速度，具有响应速度快、精度高的优点。
加速度传感器可以感知机器人的加速度变化。
在机器人的运动控制和姿态调整中发挥着重要作用。
常见的加速度传感器有压电式、电容式和压阻式等。
压电式加速度传感器利用压电材料的压电效应，具有灵敏度高、频率响应宽的特点。
电容式加速度传感器则通过电容的变化来测量加速度，精度较高。
压阻式加速度传感器基于压阻效应，结构简单、成本较低。
力传感器和扭矩传感器对于机器人与环境的交互以及精确的力控制至关重要。
力传感器能够测量机器人与外界物体接触时所受到的力，帮助机器人实现精确的抓取、操作和装配等任务。
常见的工业机器人传感器类型和作用介绍
常见的工业机器人传感器类型和作用介绍工业机器人是现代工业生产中的重要设备，它可以自动完成各种工艺操作，提高生产效率和质量。
而机器人要实现自主操作和与环境的交互，就必须依赖传感器来获取各种信息。
下面将介绍一些常见的工业机器人传感器类型及其作用。
1.视觉传感器：视觉传感器是机器人中应用最广泛的传感器之一，可以帮助机器人获取周围环境的图像信息，实现目标识别、位置定位、检测等功能。
常见的视觉传感器包括CCD相机、CMOS相机等，其分辨率越高，精度越高。
2.力传感器：力传感器可以测量机器人与周围环境之间的力和力矩，实现精确控制和操作。
常见的力传感器有电容式、压阻式、电感式等，可以应用于装配、抓取、力控处置等任务。
3.距离传感器：距离传感器可以测量机器人与物体之间的距离，实现避障、定位等功能。
常见的距离传感器包括激光传感器、超声波传感器、红外线传感器等，可以用于测距、测量高度等任务。
4.光电传感器：光电传感器可以检测物体的存在、颜色、形状等特性，实现物体识别、分类、定位等功能。
常见的光电传感器有光电开关、光幕、光电编码器等，可以应用于自动分拣、装配等任务。
5.温度传感器：温度传感器可以测量机器人周围环境的温度变化，实现温度控制、安全保护等功能。
常见的温度传感器包括热敏电阻、热电偶等，可以用于焊接、烤箱等工作环境中。
6.声音传感器：声音传感器可以检测周围环境中的声音，实现语音交互、声音控制等功能。
常见的声音传感器有麦克风、声纳等，可以应用于机器人导航、语音识别等任务。
7.气体传感器：气体传感器可以检测周围环境中的气体浓度和成分，实现气体分析、安全监测等功能。
常见的气体传感器有气体传感电阻、气体传感器阵列等，可以应用于有害气体探测、环境监测等任务。
8.触摸传感器：触摸传感器可以感知机器人与物体接触的力和位置，实现精确控制和安全保护。
常见的触摸传感器有电容触摸传感器、压阻触摸传感器等，可以用于装配、物体操纵等任务。
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外部传感器分为末端执行器传感器和环境传感器。 末端执行器传感器：主要装在作为末端执行器的 手上，检测处理精巧作业的感觉信息。相当于触觉。 环境传感器：用于识别物体和检测物体与机器人 的距离。相当于视觉。
Senses of Robotics
4位二进制 码盘
+5V输入 公共码道
最小分辨角度为 α=360°/2n
2．绝对式光电编码器
低位 高位
a）光电码盘的平面结构（8码道） b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4码 道）
绝对式光电编码器的分辨力及分辨率
绝对式光电编码器的测量精度 取决于它所能分辨的最小角度，而
这与码盘上的码道数n 有关，即最
其他角编码器外形（续）
拉线式角编 码器利用线轮， 能将直线运动转 换成旋转运动。
一、绝对式编码器
绝对式编码器按照 角度直接进行编码， 可直接把被测转角用 数字代码表示出来。 根据内部结构和检测 方式有接触式、光电 式等形式。
透光区
不透光区
10码道光电绝对式码盘
零位标志
绝对式接触式编码器演示
4个电刷
开 1/4 节 距 ， 两 组 狭 缝 相 对 应
的光敏元件所产生的信号A、
B彼此相差90相位，用于辩向。
当编码正转时，A信号超前B
信号90；当码盘反转时，B信
号超前A信号90。
在上一页图的码盘里圈，还有一根狭缝C， 每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信 号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。
•转速测量 •转子磁极位置测量 •角位移测量
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7.1 传感器的种类
3.外部状况的感觉 （1）物体识别传感器
典型的是视觉传感器。如摄像机。视觉是利用 光（机器人可用红外线等）的非接触方式。
触觉也能识别物体。机器人可以用触觉传感器 来实现这种机能。
Senses of Robotics
机器人控制技术基础
第7章
7 机器人的感觉 Senses of Robotics
7.1 传感器的种类 7.2 触觉信息的获取 7.3 视觉信息的获取 7.4 距离信息的获取
Senses of Robotics
7.1 传感器的种类
1.传感器的分类 内部传感器：检测机器人本身状态（手臂间角度
等）的传感器。 外部传感器：检测机器人所处环境（是什么物体，
小能分辨的角度及分辨率为：
α=360°/2n 分辨率=1/2n
增量式光电编码器的分辨力及分辨率
增量式光电编码器的测量精度取 决于它所能分辨的最小角度，而这与码
盘圆周上的狭缝条纹数n 有关，即最小
能分辨的角度及分辨率为：
360o
n
分辨率 1 n
二、增量式编码器 转轴 LED 光栏板及辨向用的A、B狭缝
编码器的安装方式 1.编码器
的套式安装
安装套
2.编码器的轴式安装
安装轴
编码器在数控 加工中心的刀库选刀
控制中的应用
角编码器与 旋转刀库连接
刀具
旋转刀库 角编码器的输出为
当前刀具号
被加工工件
编码器在伺服电机中的应用
利用编码器测 量伺服电机的转速、 转角，并通过伺服 控制系统控制其各 种运行参数。
三、角编码器的应用
角编码器除了能直接测量角位移或间 接测量直线位移外，可用于数字测速、工 位编码、伺服电机控制等。
M法测速（适合于高转速场合） m1
T 编码器每转产生 N 个脉冲，在T 时间段内有 m1 个脉冲产生，则转速
（r/min)为 ：n = 60m1/（NT）
例题
m1
T
有一增量式光电编码器，其参数为 1024p/r， 在5s时间内测得65536个脉冲，则 转速（r/min)为 ：
增量式测量得到的脉冲波形
绝对式测量的特点是：每一被测点都有一个对应的编 码，常以二进制数据形式来表示。绝对式测量即使断 电之后再重新上电，也能读出当前位置的数据。典型 的绝对式位置传感器有绝对式角编码器。
数字式角编码器
（参考德国沃申道夫公司资料）
信号航空插头
其他角编码器外形
（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）
T法测速举例 有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r， 测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，时钟频 率fc为1MHz ，则转速（r/min)为 ：
编码器输出脉冲
m2 = 60*1000000/（1024*3000）
=19.53 r/min
7.1 传感器的种类
2.内部状态的感觉 （1）位置和角度传感器
典型的传感器是电位计。检测的是以电阻中 心为基准位置的移动距离。
x L(2e E) E
E：输入电压 L：最大移动距离 x：向左端移动的距离 e：电阻右侧的输出电压
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7.1 传感器的种类
2.内部状态的感觉 （1）位置和角度传感器
n = 60 × 65536 /（1024 × 5） r/min
= 768 r/min
T法测速（适合于低转速场合）
编码器输出脉冲
m2 时钟脉冲fc
···
编码器每转产生 N 个脉冲，用已知 频率fc作为时钟，填充到编码器输出的两 个相邻脉冲之间的脉冲数为m2 ，则转速 (r/min)为 n = 60fc / （Nm2 ）
7.1 传感器的种类
3.外部状况的感觉 （2）物体探测传感器
视觉传感器是一种识别物体而且知道其存 在的传感器。
例如光电开关。 视觉传感器、光电开关和超声波传感器， 即使物体较远也能探测其存在。
另有光电传感器。
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7.1 传感器的种类
2.内部状态的感觉 (2)角度传感器： 回转式编码器。
编码器——增量式 和 绝对式测量
在增量式测量中， 移动部件每移动一个基 本长度单位，位置传感 器便发出一个测量信号， 此信号通常是脉冲形式。 这样，一个脉冲所代表 的基本长度单位就是分 辨力，对脉冲计数，便 可得到位移量。
AB
A
C
B
C
光敏元件
盘码及 狭缝
零位标志
光电编码器的输出波形
为了判断码盘旋转的方向，在 上图的光栏板上的两个狭缝距离是 码盘上的两个狭缝距离的（m +1/4） 倍，m 为正整数，并设置了两组光 敏元件A、B，有时又称为sin、cos元 件。
辨向信号和零标志
光电编码器的光栏板上有
A组与B组两组狭缝，彼此错