机器人传感器分类分析

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资料介绍

　　随着机器人热不断升温，人们也加大了对智能机器人的研究与追求。智能机器人主要有交互机器人、传感机器人和自主机器人3种。它们之所以被认为具有智能，是因为它们能对自身内部以及周边环境进行感受并做出反应。其中，对内部、外部环境的信息感受是通过形形色色的传感器来实现的。现在，从拟人功能出发的视觉、力觉、触觉已进入实用阶段，机器人听觉也有较大进展，传感器的智能化程度决定了机器人的智能化程度。

　　那么让我们一起来看看有哪些传感器吧！

　　机器人传感器分类分析

　　传感器分类

　　内传感器

　　机器介机电一体化的产品，内传感器和电机、轴等机械部件或机械结构如手臂（Arm）、手腕（Wrist）等安装在一起，完成位置、速度、力度的测量，实现伺服控制。

　　位置（位移）传感器

　　直线移动传感器有电位计式传感器和可调变压器两种。角位移传感器有电位计式、可调变压器（旋转变压器）及光电编码器三种，其中光电编码器有增量式编码器和绝对式编码器。增量式编码器一般用于零位不确定的位置伺服控制，绝对式编码器能够得到对应于编码器初始锁定位置的驱动轴瞬时角度值，当设备受到压力时，只要读出每个关节编码器的读数，就能够对伺服控制的给定值进行调整，以防止机器人启动时产生过剧烈的运动。机器人传感器分类

　　速度和加速度传感器

　　速度传感器有测量平移和旋转运动速度两种，但大多数情况下，只限于测量旋转速度。利用位移的导数，特别是光电方法让光照射旋转圆盘，检测出旋转频率和脉冲数目，以求出旋转角度，及利用圆盘制成有缝隙，通过二个光电二极管辨别出角速度，即转速，这就是光电脉冲式转速传感器。此外还有测速发电机用于测速等。

　　应变仪即伸缩测量仪，也是一种应力传感器，用于加速度测量。加速度传感器用于测量工业机器人的动态控制信号。一般有由速度测量进行推演、已知质量物体加速度所产生动力，即应用应变仪测量此力进行推演，还有就是下面所说的方法：

　　与被测加速度有关的力可由一个已知质量产生。这种力可以为电磁力或电动力，最终简化为对电流的测量，这就是伺服返回传感器，实际又能有多种振动式加速度传感器。

　　力觉传感器

　　力觉传感器用于测量两物体之间作用力的三个分量和力矩的三个分量。机器人中理想的传感器是粘接在依从部件的半导体应力计。具体有金属电阻型力觉传感器、半导体型力觉传感器、其它磁性压力式和利用弦振动原理制作的力觉传感器。

　　还有转矩传感器（如用光电传感器测量转矩）、腕力传感器（如国际斯坦福研究所的由6个小型差动变压器组成，能测量作用于腕部X、Y和Z三个方向的动力及各轴动转矩）等。

　　由于机器人发展历史较长，近年来普遍采用以交流永磁电动机为主的交流伺服系统，对应位置、速度等传感器大量应用的是：各种类型的光电编码器、磁编码器和旋转变压器。

　　外传感器

　　以往一般工业机器人是没有外部感觉能力的，而新一代机器人如多关节机器人，特别是移动机器人、智能机器人则要求具有校正能力和反应环境变化的能力，外传感器就是实现这些能力的。

　　触觉传感器

　　微型开关是接触传感器最常用型式，另有隔离式双态接触传感器（即双稳态开关半导体电路）、单vwin 量传感器、矩阵传感器（压电元件的矩阵传感器、人工皮肤——变电导聚合物、光反射触觉传感器等）。

　　应力传感器

　　如多关节机器人进行动作时需要知道实际存在的接触、接触点的位置（定位）、接触的特性即估计受到的力（表征）这三个条件，所以用上节已指出的应变仪，结合具体应力检测的基本假设，如求出工作台面与物体间的作用力，具体有对环境装设传感器、对机器人腕部装设测试仪器用传动装置作为传感器等方法。

　　接近度传感器

　　由于机器人的运动速度提高及对物体装卸可能引起损坏等原因需要知道物体在机器人工作场地内存在位置的先验信息以及适当的轨迹规划，所以有必要应用测量接近度的遥感方法。接近传感器分为无源传感器和有源传感器，所以除自然信号源外，还可能需要人工信号的发送器和接收器。

　　超声波接近度传感器用于检测物体的存在和测量距离。它不能用于测量小于30~50cm的距离，而测距范围较大，它可用在移动机器人上，也可用于大型机器人的夹手上。还可做成超声导航系统。

　　红外线接近度传感器，其体积很小，只有几立方厘米大，因此可以安装在机器人夹手上。

　　声觉传感器

　　用于感受和解释在气体（非接触感受）、液体或固体（接触感受）中的声波。声波传感器复杂程度可以从简单的声波存在检测到复杂的声波频率分析，直到对连续自然语言中单独语音和词汇的辨别。

　　接触式或非接触式温度传感器

　　近年在机器人中应用较广，除常用的热电阻（热敏电阻）、热电偶等外，热电电视摄像机测及感觉温度图像方面也取得进展。

　　滑觉传感器

　　用于检测物体的滑动。当要求机器人抓住特性未知的物体时，必须确定最适当的握力值，所以要求检测出握力不够时所产生的物体滑动信号。

　　目前有利用光学系统的滑觉传感器和利用晶体接收器的滑觉传感器，后者的检测灵敏度与滑动方向无关。

　　距离传感器

　　用于智能移动机器人的距离传感器有：激光测距仪（兼可测角）、声纳传感器等，近几年得到发展。

　　视觉传感器

　　这是应用很广泛的外传感器，有鉴于它的内容很丰富，而且机器视觉经常独立形成产品，与软件技术关系很密切。

　　传感器的具体应用介绍

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　　从上图可以看出，传感器的技术走向为从温度、压力、光电，逐渐发展到麦克风、IMU、陀螺仪，再到激光雷达、红外、声呐、3D摄像头。传感器的应用范围从各种工业机器人到民用各种功能机器人、无人机、自动驾驶汽车。在未来，传感器将有无限种可能。

　　以下是机器人网（jqr.com）搜集的一些热门智能机器人用传感器资料：

　　扫地机器人

　　扫地机器人又称自动打扫机、智能吸尘、机器人吸尘器等，是智能家用电器的一种，凭借一定的人工智能自动在房间内完成地板清理工作。智能扫地机器人完成自动打扫，其中一个重要的功能就是要实现自动避障。

　　为了实现扫地机器人的避障功能，机器人身上会装有很多传感器，最常规的有红外传感器、超声波测距、碰撞传感器、摄像头+图像识别等。其中最常用、最经济的方案就是利用红外光反射原理来避障。

　　红外光避障原理如下图所示，LED发射红外光，由障碍物反射到接收器。通过计算接收到光强度的大小，从而判断障碍物的距离。

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　　红外光避障原理

　　无人机（消费级）

　　消费级无人机自出现以来就受到了大量消费者的追捧，无人机作为一种通用设备，可以满足很多娱乐需求。通过无人机航拍，人可以到达平时无法到达的位置，高空，海面，山洞等，更好地满足了摄像爱好者的需求。无论是综艺节目、影视作品都开始广泛利用无人机；在国外甚至有公司使用无人机进行送货服务。

　　空气流量传感器

　　空气流量传感器，也称空气流量计，是电喷发动机的重要传感器之一。它将吸入的空气流量转换成电信号送至电控单元（ECU），作为决定喷油的基本信号之一，是测定吸入发动机的空气流量的传感器。可以用于有效地监测电力无人机燃气发动机的微小空气流速。

　　加速度计

　　加速度计是测量运载体线加速度的仪表，其中，在测量飞机过载的加速度计是最早获得应用的飞机仪表之一。这种传感器可以有多种方式感知运动姿态，从而更好地获取无人机的位置及运行姿态。

　　惯性测量单元

　　惯性测量单元是测量物体三轴姿态角（或角速率）以及加速度的装置。一般的，一个惯性测量单元包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。在导航中用着很重要的应用价值。

　　计算机视觉（CV）

　　无人机执行任务时所处的飞行环境复杂，大部分情况下没有任何先验信息，此时基于实时地图生成的视觉导航研究变得更为重要。计算机视觉即通过在硬件端配置摄像头和传感器，将这两个设备同时连接到无人机上，再结合计算机模拟类似人眼和大脑的作用，可以让无人机拥有 “视觉” 能力，即识别物体、判断物体的运动状态。（一般包含光传感器、激光测距、RGBD传感器）

　　协作机器人

　　六维力传感器

　　六维力传感器是智能机器人重要的传感器，它能同时检测三维空间（笛卡尔坐标系）的全力信息，即三个力分量和三个力矩分量。六维力传感器广泛应用于精密装配，自动磨削、轮廓跟踪、双手协调、零力示教等作业中，在航空、航天及机械加工，汽车等行业中有广泛的应用。

　　视觉传感器

　　视觉传感器是整个机器视觉系统信息的直接来源，主要由一个或者两个图形传感器组成，有时还要配以光投射器及其他辅助设备。视觉传感器的主要功能是获取足够的机器视觉系统要处理的最原始图像。图像传感器可以使用激光扫描器、线阵和面阵CCD摄像机或者TV摄像机，也可以是最新出现的数字摄像机等。

　　触觉传感器

　　接触觉传感器用以判断机器人（主要指四肢）是否接触到外界物体或测量被接触物体的特征的传感器。接触觉传感器有微动开关、导电橡胶、含碳海绵、碳素纤维、气动复位式装置等类型。

　　随着机器人在世界范围内的蓬勃发展，传感器也将迎来新的发展高峰，图像识别、深度学习等新型技术也正在寻求与传感器融合使用的新方式。传感器领域潜力无限、前景无限。