工业机器人常用传感器
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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。
语。学生走向社会后， 用“说”远比其他三项使用频率高。为此， 我 们 除 结 合 读 、听 、写 练 说 外 ， 还 利 用 每 天 的 朝 会 时 间 给 学 生 创 造 机会练习说， 一人说一分钟， 培养他们口头表达的能力。
３．以读导听。也就是听与说结合， 培养学生听、辩能力。学生 的耳朵以往是单项与老师联系的， 不愿意听同学说， 要引导他们 真听， 听了发表不同的看法， 这就是听、辩能力的训练。
一、以“疑”为诱， 导其“知疑”、“解疑” 学起于“疑”， 须导其“知疑”。第一， 把预习纳入课堂， 上好预 习指导课。就是通过课堂预习， 给学生发现问题和提出问题的时 间， 让学生有充分的准备， 目的是让学生去“知疑”。 第二， 重视激疑。上预习课， 使学生有了“知疑”的机会， 但开 始阶段许多学生会读而无疑， 对此， 我们就要采取一些方法去激 疑。以疑为诱， 诱发学生内在的探求欲望， 使他们学会怎样思考， 怎 样 “知 疑 ”。 思生于疑， “知疑”对于学生来说， 既是刺激积极思维的诱 因， 也是促进其发奋学习的动力。有了疑， 学生才会一发被动接 受为主动寻求， 才会产生强烈的解疑欲。孔子说： “不愤不启， 不 悱不发 ”。 通 过 “知 疑 ”， 学 生 已 进 入 “愤 ”、“悱 ”的 境 界 ， 继 之 “解 疑 ”， 应 是 教 师 引 导 学 生 从 疑 惑 之 中 走 出 来 ， 达 到 豁 然 开 朗 的 天 地。我们引导学生解疑的做法是： 第一， 引导学生互答或争辩解疑。在“知疑”阶段， 学生思维 的火花已经迸发， 在“解疑”阶段应让学生这火花射出光芒， 充分 发挥学生集体的智慧， 引导他们讨论、争辩， 加深对问题的理解。 第二， 引导学生用已知解决新问题。引导学生用已知去触类 旁通（ 解疑） ， 这是知识转化为能力的一种求索过程。这样解， 久 而久之 ， 学 生 享 受 到 “自 得 求 之 ”的 乐 趣 ， 探 求 性 学 习 的 良 好 ， 就 可能逐步形成。 二、以读为主， 进行能力的综合训练 基 本 做 法 是 ： “读 为 基 础 ， 三 个 结 合 ”， 即 首 先 导 读 ， 以 读 导 听， 以读导写。把“读、说、听、写”的综合训练作为课堂教学的基 本结构。 １．读为基础， 首先导读。每读一篇文章， 都引 导 学 生 从 四 个 方面去进行阅读探求。即写的内容是什么？ 写作目的是什么？ 怎 样写的？ 你有什么收获和启发？ ２．以读导说。要说出文章写了什么？ 怎样写的？ 不认真读书 是说不出来的， 这样“说”反过来又促进了读。 “说”比听、读、写的难度大， 一靠思维敏捷， 二要有丰富的词
■高校之窗
工业机器人常用传感器
张泉
（ 南京化工职业技术学院 江苏 南京 ２１００４８）
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。
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：
４．以 读 导 写 。以 读 导 写 也 是 可 以 读 写 结 合 的 。阅 读 得 来 的 知 识 就 要 练 着 应 用 ， 去 实 践 、去 写 ， 读 时 要 找 文 章 的 特 点 和 写 法 ， “教材无非是个例子”， 要起例子的作用。
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
语。学生走向社会后， 用“说”远比其他三项使用频率高。为此， 我 们 除 结 合 读 、听 、写 练 说 外 ， 还 利 用 每 天 的 朝 会 时 间 给 学 生 创 造 机会练习说， 一人说一分钟， 培养他们口头表达的能力。
３．以读导听。也就是听与说结合， 培养学生听、辩能力。学生 的耳朵以往是单项与老师联系的， 不愿意听同学说， 要引导他们 真听， 听了发表不同的看法， 这就是听、辩能力的训练。
一、以“疑”为诱， 导其“知疑”、“解疑” 学起于“疑”， 须导其“知疑”。第一， 把预习纳入课堂， 上好预 习指导课。就是通过课堂预习， 给学生发现问题和提出问题的时 间， 让学生有充分的准备， 目的是让学生去“知疑”。 第二， 重视激疑。上预习课， 使学生有了“知疑”的机会， 但开 始阶段许多学生会读而无疑， 对此， 我们就要采取一些方法去激 疑。以疑为诱， 诱发学生内在的探求欲望， 使他们学会怎样思考， 怎 样 “知 疑 ”。 思生于疑， “知疑”对于学生来说， 既是刺激积极思维的诱 因， 也是促进其发奋学习的动力。有了疑， 学生才会一发被动接 受为主动寻求， 才会产生强烈的解疑欲。孔子说： “不愤不启， 不 悱不发 ”。 通 过 “知 疑 ”， 学 生 已 进 入 “愤 ”、“悱 ”的 境 界 ， 继 之 “解 疑 ”， 应 是 教 师 引 导 学 生 从 疑 惑 之 中 走 出 来 ， 达 到 豁 然 开 朗 的 天 地。我们引导学生解疑的做法是： 第一， 引导学生互答或争辩解疑。在“知疑”阶段， 学生思维 的火花已经迸发， 在“解疑”阶段应让学生这火花射出光芒， 充分 发挥学生集体的智慧， 引导他们讨论、争辩， 加深对问题的理解。 第二， 引导学生用已知解决新问题。引导学生用已知去触类 旁通（ 解疑） ， 这是知识转化为能力的一种求索过程。这样解， 久 而久之 ， 学 生 享 受 到 “自 得 求 之 ”的 乐 趣 ， 探 求 性 学 习 的 良 好 ， 就 可能逐步形成。 二、以读为主， 进行能力的综合训练 基 本 做 法 是 ： “读 为 基 础 ， 三 个 结 合 ”， 即 首 先 导 读 ， 以 读 导 听， 以读导写。把“读、说、听、写”的综合训练作为课堂教学的基 本结构。 １．读为基础， 首先导读。每读一篇文章， 都引 导 学 生 从 四 个 方面去进行阅读探求。即写的内容是什么？ 写作目的是什么？ 怎 样写的？ 你有什么收获和启发？ ２．以读导说。要说出文章写了什么？ 怎样写的？ 不认真读书 是说不出来的， 这样“说”反过来又促进了读。 “说”比听、读、写的难度大， 一靠思维敏捷， 二要有丰富的词
■高校之窗
工业机器人常用传感器
张泉
（ 南京化工职业技术学院 江苏 南京 ２１００４８）
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。
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：
４．以 读 导 写 。以 读 导 写 也 是 可 以 读 写 结 合 的 。阅 读 得 来 的 知 识 就 要 练 着 应 用 ， 去 实 践 、去 写 ， 读 时 要 找 文 章 的 特 点 和 写 法 ， “教材无非是个例子”， 要起例子的作用。
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
