码垛与搬运机器人工作站系统及应用Stack Robot第四章 码垛与搬运机器人应用核心技术4.2 感觉技术4.2.1 力觉传感器4.2.2
接近传感器4.2.3 触觉传感器第四章 码垛与搬运机器人应用核心技术学习目标感觉传感器4.2 感觉技术 感觉技术
感觉技术又称感觉传感器，也就是机器人的外部传感器，主要用于检测机器人作业对象及作业环境状态的传感器称为外部传感器。对于
智能机器人来说，外部传感器是不可缺少的；而目前应用于工业生产中的机器人还不是很多，但随着对机器人的工作精度以及其性能要求的不断提高
，外部传感器在工业机器人中的应用将日趋增多。目前工业中常用的外部传感器主要有力觉传感器、接近传感器、触觉传感器等。4.2.1 力觉
传感器力觉传感器 力觉传感器又称力或力矩传感器。机器人在进行搬运、装配、研磨等作业时需要以工作力或力矩进行控制。另外，
机器人在自我保护时也需要检测关节和连杆之间的内力，防止机器人手臂因承载过大或与周围障碍物碰撞而引起的损坏。力或力矩传感器种类很多，
常用的有电阻应变片式、压电式、电容式、电感式以及各种外力传感器。力或力矩传感器都是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。如下图所示为力觉传感器实物图。力觉传感器4.2.1 力觉传感器
力觉 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、关节力、指力和支座力传感器，是机器人重
要的传感器之一。 1）腕力传感器，测量作用在末端执行器上的各向力和力矩；4.2.1 力觉传感器
2）关节力传感器，测量驱动器本身的输出力或力矩，用于控制中的力反馈； 3）指力传感器，测量夹持物体手指的受力情况；
目前使用最广泛的是电阻应变片式力和力矩传感器。这种传感器的力和力矩敏感元件是应变片，装载在铝制筒体上，筒
体有8个简支梁（弹性梁）支持。如下图所示为腕力传感器示意图。腕力传感器4.2.2 接近传感器接近传感器 接近传感器是机
器人用来探测机器人自身与周围物体之间相对位置或距离的一种传感器，它探测的距离一般在几毫米到十几厘米之间。接近传感器结构上分为接触型
和非接触型两种，其中非接触型接近觉传感器应用较广。 目前按照转换原理的不同接近觉传感器分为电涡流式、光纤式、超声波式及
激光扫描式等。4.2.2 接近传感器 1、电涡流式传感器 导体在一个不均匀的磁场中运动或处于一个交变磁场中时，
其内部就会产生感应电流。这种感应电流称为电涡流，这一现象称为电涡流现象，利用这一原理可以制作电涡流传感器。4.2.2 接近传感器工
作原理 电涡流传感器的工作原理如下图所示。由于传感器的电磁场方向与产生的电涡流方向相反，两个磁场相互叠加
消弱了传感器的电感和阻抗。用电路把传感器电感和阻抗的变化转换成转换电压，则能计算出目标物与传感器之间的距离。该距离正比于转换电压，
但存在一定的线性误差。对于钢或铝等材料的目标物，线性度误差为±0.5%。电涡流式传感器4.2.2 接近传感器2、光纤式传感器
用光纤制作接近觉传感器可以用来检测机器人与目标物间较远的距离。 这种传感器的优点：抗电磁干扰能力强、灵敏度高、
响应快。4.2.2 接近传感器 光纤式传感器有三种不同的形式，如下图所示。 下图（a）为射束中断型光纤传感
器，它只能检测出不透明物体，对透明或半透明的物体无法检测。 下图（b）为回射型光纤传感器，它与第一种类型相比，它可以检
测出透光材料制成的物体。 下图（c）为扩散型光纤传感器，它与前两种相比少了回射靶，因为大部分材料都能反射一定量的光，它
可检测透光或半透光物体。光纤式式传感器（a）外形图（b）原理图4.2.2 接近传感器3、霍尔接近觉传感器 霍尔接近觉传
感器是利用霍尔效应制作的。将一块通有电流的导体或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。如下
图所示为霍尔接近觉传感器。霍尔接近觉传感器4.2.2 接近传感器工作原理 薄片导体两端具有的电位差称为霍尔电动势U，其
表达式为U=kiB/d，式中：k为霍尔系数；i为薄片中通过的电流；B为外加磁场的磁感应强度；d为薄片的厚度。 霍尔传感
器的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值达到一定的程度时，霍尔传感器内部的触发器翻转，霍尔传感器的输出电平状态也随之翻转。4.2
.2 接近传感器 当霍尔传感器单独使用时，只能检测有磁性的物体。当它与永久磁体以下图所示的结构形式联合使用时，就可以用
来检测所有的铁磁体。这种情况下，当传感器附近没有铁磁体时，如下图（a），霍尔元件会感受到一个强磁场；当有铁磁体靠近传感器时，由于铁
磁体将磁力线旁路，如下图（b），霍尔元件会感受到的磁场强度就会减弱，从而引起输出的霍尔电动势的变化。霍尔接近觉传感器与永久磁体组成
使用的工作原理（a）传感器附近没有铁磁体（b）传感器附近有铁磁体图4.2.2 接近传感器4、超声波传感器 人们能听到的
声音是物体振动时产生的，它的频率在20Hz~20kHz之间，超过20kHz的称为超声波，低于20Hz的称为次声波。常用的超声波频率
为几十千赫兹甚至几十兆赫兹。 超声波式一种在弹性介质中的机械振荡波，有两种形式：横向振荡波（横波）及纵向振荡波（纵波）。
在工业中应用的主要为纵向振动波。4.2.2 接近传感器组成 超声波传感器由超声波发送器、超声波接收器、控制电路及电源部
分组成。超声波发送器由发生器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子的换能器组成。换能器的作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超声波能量并
向空中辐射；接收器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收超声波并产生机械振动，将振动变换成电能量，作为接收器的输出，从而实现对
发送的超声波的检测。控制电路部分主要对发送器发出的脉冲频率、占空比及频率调制、计数及探测距离等进行控制。超声波传感器电源（或称信号
源）可用电压为（12±0.2）V或（24±2.4）V的直流电源。4.2.2 接近传感器工作原理 超声波传感器的工
作原理基于渡越时间的测量，即测量从发射换能器发出的超声波经目标反射后沿原路返回接收器所需的时间，如下图所示。渡越时间T与超声波在介
质中的传播速度v的乘积的一半，即是传感器与被测物体之间的距离L，即L=vT/2。超声波传感器测距工作原理4.2.2 接近传感器渡越
时间 渡越时间的测量方法有脉冲回波法、相位差法和频差法。对于传感器的接收信号，也有各种检测方法，通过对接收信号
的检测可提高测距精度。常用的检测方法有固定（可变）测量阈值法、自动增益控制法、高速采样法、波形存储法、鉴相法、鉴频法等。4.2.2
接近传感器 下图所示为超声波传感器的外观。超声波传感器以其性价比高、硬件实现简单等优点，在移动机器人感知系统中得到了
广泛的应用。但超声波传感器也存在不少缺陷，如声强随传播距离的增加而按指数规律衰减，空气流的扰动、热对流的存在均会使超声波传感器在测
量中、长距离目标时精度下降，甚至无法工作，工业环境中的噪声也会给可靠的测量带来困难。另外，被测物体表面的倾斜、声波在物体表面上的反
射，有可能使换能器接收不到反射回来的信号，从而检测不出前方的物体。超声波传感器4.2.3 触觉传感器触觉 触觉是人与外
界环境直接接触时的重要感觉功能，研制出满足要求的触觉传感器是机器人发展中的关键之一。触觉信息的获取是机器人对环境信息直接感知的结果
。从广义上来说，它包括接触觉、压觉、力觉、滑觉、冷热觉等于接触有关的感觉；从狭义上来说，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，利用触觉可进一步感知物体的形状及其软硬等物理特征。4.2.3 触觉传感器触觉传感器在机器人中有
以下几方面的作用： 1）感知操作手指与对象物之间的作用力，使手指动作适当； 2）识别操作物的大小、形状、质
量及硬度等； 3）躲避危险，以防碰撞障碍物引起事故； 4）机器人中的触觉传感器一般包括压觉、滑觉、接触觉及
力觉等。4.2.3 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
感器可装于机器人的运动部件或末端操作器（如手爪）上，用以判断机器人部件是否和对象物体发生了接触，以确定机器人的运动正确性，实现合理
抓紧或防止碰撞。接触觉是通过与对象物体彼此接触而产生的，接触觉传感器如果具有柔性，易于变形，便于和物体接触，则具有较好的感知能力。
下面介绍几种常用的接触觉传感器。4.2.3 触觉传感器 （1）微动开关 微动开关是一种最简单的接触觉传感器，
它主要由弹簧和触头构成。触头接触外界物体后离开基板，造成信号通路断开或闭合，从而检测到外界物体的接触。微动开关的触电间距小、动作行
程短、按动力小、通断迅速，具有使用方便、结构简单的优点。缺点是易产生机械振荡和触头易氧化，仅有0和1两个信号。在实际应用中，通常以
微动开关和相应的机械装置（如探头、探针等）相结合构成一种触觉传感器。如下图所示为微动开关。微动开关4.2.3 触觉传感器
（2）TIR触觉传感器 基于光学全内反射原理的触觉传感器如下图所示。传感器由白色弹性膜、光学玻璃波导板
、微型光源、透镜组、CCD成像装置和控制电路组成。光源发出的光从波导板的侧面垂直入射进波导板，当物体未接触敏感面时，波导板与白色弹
性膜之间存在空气间隙，进入波导板的大部分光线在波导板内发生全内反射。4.2.3 触觉传感器 当物体接触敏感面时，白色弹
性膜被压在波导板上。在两者贴近部位，波导板内的光线从疏媒质（光学玻璃波导板）射向光密媒质（白色弹性膜）同时波导板表面发生不同程度的
变形，有光线从白色弹性膜和波导板贴近部位泄漏出来，在白色弹性膜上产生漫反射。漫反射光经波导板与棱镜片射出来，形成物体触觉图形。触觉
图像经自聚焦透镜、传像光缆和显微镜进入CCD成像装置。TIR触觉传感器（1-自聚焦透镜；2-光源；3-物体；4-白色弹性膜；5-空
气间隙；6-光学玻璃导板；7-棱镜片；8-显微镜；9-CCD成像装置；10-图像监视器）4.2.3 触觉传感器2、压觉传感器
压觉传感器实际上也是一直触觉传感器，只是它专门对压觉有感知作用。目前压觉传感器主要有如下几种 （1）
压阻效应式压觉传感器 利用某些材料的内阻随压力变化而变化的压阻效应，制成的压阻器件，将它们密集配置成阵列，即可检测压力
的分成，如压敏导电橡胶或塑料等。4.2.3 触觉传感器 （2）压电效应式压觉传感器 利用某些材料在压力的作用
下，其相应表面上会产生电荷的压电效应制成压电器件，如压电晶体等，将它们制成类似人类的皮肤的压电薄膜，感知外界的压力，其优点是耐腐蚀
、频带宽和灵敏度高等，但缺点是无直流响应，不能直接检测静态信号。4.2.3 触觉传感器 （3）集成压敏压觉传感器
利用半导体力敏器件与信号电路构成集成压敏传感器。常用的有三种；压电型（如ZnO/Si-IC）、电阻型SIR（硅集成）和电容型
SIC。其优点是体积小、成本低、便于与计算机连用，缺点是耐压负载小、不柔软。 （4）利用压磁传感器 扫描电路
和针式差动变压器式触觉传感器构成的压觉传感器。压磁器件具有较强的过载能力，但缺点是体积较大。4.2.3 触觉传感器 如
下图所示是利用半导体技术制成的高密度智能压觉传感器，它是一种很有发展前途的压觉传感器。其中传感元件以压阻式与电容式为最多。虽然压阻
式器件比电容式器件的线性好，封装也简单，但是其灵敏度要比电容式器件小一个数量级，温度灵敏度比电容式器件大一个数量级。因此，电容式压
觉传感器，特别是硅电容式压觉传感器得到了广泛应用。半导体高密度智能压觉传感器4.2.3 触觉传感器3、滑觉传感器 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。当握紧力不够时，要检测被握紧物体的滑动，利用该检测信号，在不损害物体的前
提下，考虑最可靠的夹持方法，实现此功能的传感器称为滑觉传感器。4.2.3 触觉传感器工作原理 滑觉传感器有滚动式和球式
，还有一种通过振动检测滑觉的传感器。其原理是，物体在传感器表面上滑动时，和滚轮或环相接触，把滑动变成滚动。 如下图所示
为滚珠式滑觉传感器，图中的滚球表面是导体和绝缘体配置成的网眼，从物体的接触点可以获取断续的脉冲信号，它能检测全方位的滑动。滚珠式滑
觉传感器4.2.3 触觉传感器 如下图所示为滚柱式滑觉传感器结构原理图，滚柱式滑觉传感器是经常使用的一种滑觉传感器。由
图可知，当手爪中的物体滑动时，将使滚柱旋转，滚柱带动安装在其中的光电传感器和缝隙原板而产生脉冲信号。这些信号通过计数电路和D/A转换器转换成模拟电压信号，通过反馈系统，构成闭环控制，不断修正握力，达到消除滑动的目的。滚柱式滑觉传感器结构原理图（a）机器人夹持器 （b）传感器小结 本课主要讲解了码垛与搬运机器人核心技术的感觉技术，通过对感觉传感器技术进行介绍，初步了感觉传感器类型、功能、作用等；分别介绍了机器人中常用的各类型感觉传感器，其包括力觉传感器、接近觉传感器、触觉传感器等。重点：1）感觉传感器类型； 2）力觉传感器工作原理； 3）接近觉传感器工作原理； 4）触觉传感器工作原理； 5）感觉传感器的应用。Transfer Robot本次课结束，谢谢大家！ |
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