機(jī)器人傳感器及其信息融合技術(shù)（第二版）第1章

傳感器的基礎(chǔ)知識第2章

機(jī)器人系統(tǒng)組成第3章

機(jī)器人常用的傳感器第4章

智能傳感器第5章

多傳感器信息融合技術(shù)概述第6章

多傳感器的定量信息融合第7章

多傳感器系統(tǒng)定性信息融合第8章

多傳感器在裝配機(jī)器人中的應(yīng)用第9章

多傳感器器在焊接機(jī)器人中的應(yīng)用第10章

多傳感器信息融合在移動機(jī)器人中的應(yīng)用第11章

多傳感器在自動駕駛汽車中的應(yīng)用全套可編輯PPT課件

第1章

傳感器的基礎(chǔ)知識1.1傳感器的定義和特點(diǎn)1.2傳感器的組成和分類1.3傳感器的標(biāo)定1.4機(jī)器人與傳感器1.5傳感器及其技術(shù)的發(fā)展趨勢1.6多傳感器信息融合的應(yīng)用領(lǐng)域主要內(nèi)容本課件是可編輯的正常PPT課件傳感器的定義和特點(diǎn)1.1本課件是可編輯的正常PPT課件傳感器的定義和特點(diǎn)1.15

傳感器是能感知外界信息并能按一定規(guī)律將這些信息轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的有用輸出信號的元器件或裝置。簡單地說，傳感器是將外界信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。具體來說，傳感器是一種檢測裝置，能夠感受諸如位移、速度等非電學(xué)量按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)換成電路的通斷，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。

傳感器的特點(diǎn)表現(xiàn)在知識密集程度高、涉及多學(xué)科知識；技術(shù)復(fù)雜、工藝要求高；功能優(yōu)、性能好；品種繁多、應(yīng)用廣泛。本課件是可編輯的正常PPT課件傳感器的組成和分類1.2本課件是可編輯的正常PPT課件傳感器的組成和分類7

（1）傳感器的組成1.2

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測量電路、輔助電路等組成，其中敏感元件和轉(zhuǎn)換元件可能合二為一，而有的傳感器不需要輔助電源，傳感器組成如下圖所示。本課件是可編輯的正常PPT課件傳感器的組成和分類8

敏感元件：能直接感受與檢測被測對象的非電量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與被測量有確定關(guān)系的其他量的元件。轉(zhuǎn)換元件：又稱變換器，能將敏感元件感受到的與被測量成確定關(guān)系的非電量轉(zhuǎn)換成電量的器件。測量電路：把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號變換成為便于記錄、顯示、處理和控制的有用電信號的電路，又稱“信號調(diào)理電路”。常用的電路有電橋、放大器、振蕩器、阻抗變換器、脈沖調(diào)寬電路等。

輔助電路：通常包括電源等。1.2本課件是可編輯的正常PPT課件

傳感器的組成與分類（2）傳感器的分類分類法類型按構(gòu)成原理結(jié)構(gòu)型、物性型按能量關(guān)系能量轉(zhuǎn)換型、能量控制型按基本效應(yīng)物理型、化學(xué)型、生物型按工作原理電阻式、電容式、電感式、壓電式、磁電式、熱電式、光電式、光纖式按輸出量模擬式、數(shù)字式按被測量類型熱工量、機(jī)械量、物性和成分量、狀態(tài)量1.2本課件是可編輯的正常PPT課件傳感器的標(biāo)定1.3本課件是可編輯的正常PPT課件

所謂傳感器的標(biāo)定，就是利用已知的輸入量輸入傳感器，測量傳感器相應(yīng)的輸出量，并進(jìn)而得到傳感器輸入輸出特性的過程。傳感器的標(biāo)定對保證傳感器的質(zhì)量，進(jìn)行正確的量值傳遞以及改善傳感器的性能等都是不可或缺的技術(shù)手段，是設(shè)計、制造和使用傳感器的一個重要環(huán)節(jié)。為了保證量值的準(zhǔn)確傳遞，任何傳感器在制造、裝配完畢后都必須對設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。

1.3傳感器的標(biāo)定（1）傳感器標(biāo)定的定義及意義本課件是可編輯的正常PPT課件

傳感器標(biāo)定的基本方法是利用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)生已知的被測量（亦即標(biāo)準(zhǔn)量）作為輸入量，輸入給待標(biāo)定的傳感器，同時得到傳感器的輸出量，然后將傳感器的輸出量與輸入的標(biāo)準(zhǔn)量作比較，可以得到一系列表征兩者對應(yīng)關(guān)系的標(biāo)定數(shù)據(jù)或曲線，進(jìn)而得到傳感器性能指標(biāo)的實(shí)測結(jié)果。有時輸入的標(biāo)準(zhǔn)量是利用一標(biāo)準(zhǔn)傳感器檢測而得，這時的標(biāo)定實(shí)質(zhì)上是待標(biāo)定傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器之間的比較。根據(jù)標(biāo)定時所用的設(shè)備，可分為絕對標(biāo)定法和相對標(biāo)定法：若被測量是由高精度的設(shè)備產(chǎn)生并測量其大小的，則稱為絕對標(biāo)定法。絕對標(biāo)定法的特點(diǎn)是標(biāo)定精度較高，但試驗(yàn)過程較復(fù)雜。如果被測量是用根據(jù)絕對標(biāo)定法標(biāo)定好的標(biāo)準(zhǔn)傳感器來測量的，則稱為相對標(biāo)定法或比對標(biāo)定法，其特點(diǎn)是簡單易行，但標(biāo)定精度相對較低。

1.3傳感器的標(biāo)定（2）傳感器標(biāo)定的基本方法本課件是可編輯的正常PPT課件

靜態(tài)標(biāo)定是決定傳感器指標(biāo)的基本方式，傳感器的大部分技術(shù)參數(shù)都是由靜態(tài)標(biāo)定的方法取得的，目的是確定傳感器的靜態(tài)指標(biāo)，主要有線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。動態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器的動態(tài)指標(biāo)，主要有時間常數(shù)、諧振頻率和阻尼比等。有時根據(jù)需要也對非測量方向（因素）的靈敏度、溫度相應(yīng)和環(huán)境影響等進(jìn)行標(biāo)定。動態(tài)標(biāo)定一般用于對傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性有要求的場合。1.3傳感器的標(biāo)定

從標(biāo)定的內(nèi)容來看，可分為靜態(tài)標(biāo)定和動態(tài)標(biāo)定。本課件是可編輯的正常PPT課件1）靜態(tài)標(biāo)定的條件與儀器精度

傳感器的靜態(tài)標(biāo)定是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行的。靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件是指無加速度、振動與沖擊（除非這些參數(shù)本身就是被測物理量），環(huán)境溫度一般為20±5℃，相對濕度不大于85%，大氣壓力為101.32±7.999kPa。

在靜態(tài)標(biāo)定時，須選擇與被標(biāo)定傳感器的精度要求相適應(yīng)的一定等級的標(biāo)準(zhǔn)器具（一般所用的測量儀器和設(shè)備的精度至少要比被標(biāo)定傳感器的精度高一個量級），還應(yīng)符合國家計量量值傳遞的有關(guān)規(guī)定，或經(jīng)計量部門檢定合格。這樣，通過標(biāo)定所確定的傳感器精度才是可靠的。1.3傳感器的標(biāo)定（3）靜態(tài)標(biāo)定本課件是可編輯的正常PPT課件2）靜態(tài)標(biāo)定的過程步驟a.將傳感器全量程（測量范圍）分成若干等間距點(diǎn)；b.根據(jù)傳感器量程分點(diǎn)情況，由小到大逐漸一點(diǎn)一點(diǎn)地輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄與各輸入值對應(yīng)的輸出值；

c.將輸入值由大到小一點(diǎn)一點(diǎn)地減下來，同時記錄與各輸入值對應(yīng)的輸出值；

d.按b、c所述過程對傳感器進(jìn)行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次測試（一般為3~10次），將得到的輸出輸入測試數(shù)據(jù)用表格列出或繪成曲線；

e.對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，根據(jù)處理結(jié)果確定傳感器的線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。1.3傳感器的標(biāo)定本課件是可編輯的正常PPT課件

傳感器的動態(tài)特性通?？梢詮臅r域和頻域兩方面來研究和分析。時域，主要針對傳感器在階躍輸入、回零過渡過程和脈沖輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)分析。

頻域，則主要針對傳感器在正弦輸入下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的幅值增益。對傳感器進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定，除了獲取傳感器的動態(tài)性能指標(biāo)、傳感器的動態(tài)模型，還有一個重要的目的，就是當(dāng)通過動態(tài)標(biāo)定認(rèn)為傳感器的動態(tài)性能不滿足動態(tài)測試需求時，確定一個動態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)模型，以改善傳感器的動態(tài)性能指標(biāo)。傳感器的動態(tài)標(biāo)定主要用于檢驗(yàn)、測試傳感器（或傳感器系統(tǒng)）的動態(tài)特性，如動態(tài)靈敏度、頻率響應(yīng)和固有頻率等。對傳感器的動態(tài)標(biāo)定，需要對它輸入一標(biāo)準(zhǔn)激勵信號。而與動態(tài)響應(yīng)有關(guān)的參數(shù)，對一階傳感器只有一個時間常數(shù)t；對二階傳感器則有固有頻率wn和阻尼比z兩個參數(shù)。傳感器進(jìn)行動態(tài)特性標(biāo)定常用的標(biāo)準(zhǔn)激勵源有兩種：①周期性函數(shù)。如正弦波、三角波等，以正弦波信號為常用；②瞬變函數(shù)。如階躍函數(shù)、半正弦波等，以階躍信號為常用。1.3傳感器的標(biāo)定（3）動態(tài)標(biāo)定本課件是可編輯的正常PPT課件機(jī)器人與傳感器1.4本課件是可編輯的正常PPT課件自從1959年世界上誕生第一臺機(jī)器人以來，機(jī)器人技術(shù)取得了長足的進(jìn)步和發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個階段：第一代機(jī)器人：示教再現(xiàn)型機(jī)器人。它不配備任何傳感器，一般采用簡單的開關(guān)控制、示教再現(xiàn)控制和可編程控制，機(jī)器人的作用路徑或運(yùn)動參數(shù)都需要示教或編程給定。在工作過程中，它無法感知環(huán)境的改變而改善自身的性能、品質(zhì)。第二代機(jī)器人：感覺型機(jī)器人。此種機(jī)器人配備了簡單的內(nèi)外部傳感器，能感知自身運(yùn)行的速度、位置、姿態(tài)等物理量，并以這些信息的反饋構(gòu)成閉環(huán)控制。第三代機(jī)器人：智能型機(jī)器人。20世紀(jì)90年代以來，人們發(fā)明的機(jī)器人帶有多種傳感器，可以進(jìn)行復(fù)雜的邏輯推理、判斷及決策，在變化的內(nèi)部狀態(tài)與外部環(huán)境中，自主決定自身的行為。1.4機(jī)器人與傳感器本課件是可編輯的正常PPT課件傳感器及其技術(shù)的發(fā)展趨勢1.5本課件是可編輯的正常PPT課件新型傳感器，大致應(yīng)包括：①采用新原理;②填補(bǔ)傳感器空白;③仿生傳感器等諸方面。傳感器的工作機(jī)理是基于各種效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進(jìn)一步探索具有新效應(yīng)的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器件，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。

傳感器集成化包括兩種定義，一是同一功能的多元件并列化，另一個定義是多功能一體化。傳感器的多功能化把多個功能不同的傳感元件集成在一起，除可同時進(jìn)行多種參數(shù)的測量外，還可對這些參數(shù)的測量結(jié)果進(jìn)行綜合處理和評價，可反映出被測系統(tǒng)的整體狀態(tài)。傳感器與微處理機(jī)相結(jié)合，使之具有檢測功能、信息處理、邏輯判斷、自診斷、以及“思維”等人工智能，就稱之為傳感器的智能化。1.5傳感器及其技術(shù)的發(fā)展趨勢

（1）開發(fā)新型傳感器（2）集成化、多功能化、智能化本課件是可編輯的正常PPT課件

傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ),是傳感器技術(shù)升級的重要支撐。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步,傳感器技術(shù)日臻成熟,其種類越來越多,除了早期使用的半導(dǎo)體材料、陶瓷材料以外,光導(dǎo)纖維以及超導(dǎo)材料的開發(fā),為傳感器的發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

在發(fā)展新型傳感器中，離不開新工藝的采用。新工藝的含義范圍很廣，這里主要指與發(fā)展新興傳感器聯(lián)系特別密切的微細(xì)加工技術(shù)。該技術(shù)又稱微機(jī)械加工技術(shù)，是近年來隨著集成電路工藝發(fā)展起來的，它是離子束、電子束、分子束、激光束和化學(xué)刻蝕等用于微電子加工的技術(shù)，目前已越來越多地用于傳感器領(lǐng)域，例如濺射、蒸鍍、等離子體刻蝕、化學(xué)氣體淀積、外延、擴(kuò)散、腐蝕、光刻等。1.5傳感器及其技術(shù)的發(fā)展趨勢

（3）新材料開發(fā)（4）新工藝的采用本課件是可編輯的正常PPT課件智能材料是指設(shè)計和控制材料的物理、化學(xué)、機(jī)械、電學(xué)等參數(shù)，研制出生物體材料所具有的特性或者優(yōu)于生物體材料性能的人造材料。生物體材料的最突出特點(diǎn)是具有時基功能，因此這種傳感器特性是微分型的，它對變分部分比較敏感。除了生物體材料外，最引人注目的智能材料是形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷和形狀記憶聚合物。多傳感器信息融合技術(shù)是為了解決系統(tǒng)中使用多個傳感器這一問題而產(chǎn)生的一種信息處理技術(shù)。

近年來這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展迅速，今后的發(fā)展趨勢主要有：多傳感器分布檢測研究；多傳感器綜合跟蹤算法研究；異類傳感器信息融合技術(shù)研究；多層估計的一般理論研究；水下傳感器信息融合技術(shù)研究；多目標(biāo)跟蹤與航跡關(guān)聯(lián)的聯(lián)合優(yōu)化問題等等。1.5傳感器及其技術(shù)的發(fā)展趨勢

（5）智能材料（6）多傳感器信息融合技術(shù)本課件是可編輯的正常PPT課件多傳感器信息融合技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域1.6本課件是可編輯的正常PPT課件

多傳感器信息融合首先廣泛地應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，如海上監(jiān)視、空-空和地-空防御、戰(zhàn)場情報、監(jiān)視和獲取目標(biāo)及戰(zhàn)略預(yù)警等，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，多傳感器信息融合至今已形成和發(fā)展成為一門信息綜合處理的專門技術(shù)，并很快推廣應(yīng)用到工業(yè)機(jī)器人、智能檢測、自動控制、交通管理和醫(yī)療診斷等多種領(lǐng)域。具體應(yīng)用包括海上監(jiān)視；空-空和地-空防御系統(tǒng)；戰(zhàn)略預(yù)警和防御；戰(zhàn)場情報偵察、監(jiān)視和目標(biāo)捕獲制系統(tǒng)等領(lǐng)域。近年來，多傳感器信息融合技術(shù)在民事應(yīng)用領(lǐng)域也得到了較快的發(fā)展，主要用于機(jī)器人、智能制造、智能交通、無損檢測、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域。1.6多傳感器信息融合的應(yīng)用領(lǐng)域本課件是可編輯的正常PPT課件第2章

機(jī)器人系統(tǒng)組成2.1機(jī)器人系統(tǒng)組成概述2.2

機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)2.3驅(qū)動系統(tǒng)2.4感知系統(tǒng)2.5控制系統(tǒng)2.6

人機(jī)交互系統(tǒng)2.7

機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)第2章機(jī)器人系統(tǒng)的組成本課件是可編輯的正常PPT課件機(jī)器人系統(tǒng)組成概述2.1本課件是可編輯的正常PPT課件

機(jī)器人由機(jī)械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成。這三大部分可分為驅(qū)動系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)六個子系統(tǒng)，如圖所示。

2.1機(jī)器人系統(tǒng)組成概述本課件是可編輯的正常PPT課件機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)2.2本課件是可編輯的正常PPT課件

機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)由機(jī)身、手臂、末端執(zhí)行器三大件組成。每一大件都有若干自由度構(gòu)成一個多自由度的機(jī)械系統(tǒng)。若基座具備移動機(jī)構(gòu)，則構(gòu)成移動機(jī)器人；若基座不具備移動及腰轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，則構(gòu)成單機(jī)器人臂。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。末端執(zhí)行器是直接裝在手腕上的一個重要部件，它可以是兩手指或多手指的手爪，也可以是焊槍、噴漆槍等作業(yè)工具。2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（1）機(jī)械機(jī)構(gòu)

機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由機(jī)械機(jī)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)組成。本課件是可編輯的正常PPT課件

車輪型移動機(jī)構(gòu)：車輪型移動機(jī)構(gòu)可按車輪數(shù)來分類。兩輪車三輪車a.外形圖b.驅(qū)動機(jī)構(gòu)圖利用陀螺儀的兩輪車a.后輪獨(dú)立驅(qū)動

b.中前輪由操舵機(jī)構(gòu)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)合并c.差動齒輪傳動三輪車型移動機(jī)器人的機(jī)構(gòu)2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件四輪車全方位移動車四輪車的驅(qū)動機(jī)構(gòu)和運(yùn)動全輪偏轉(zhuǎn)式全方位車輪2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件麥卡納姆車輪及其速度合成（a）縱向；（b）橫向；（c）轉(zhuǎn)向麥卡納姆車輛的速度配置和移動方式2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

應(yīng)用更為廣泛的全方位四輪移動機(jī)構(gòu)采用一種稱為麥卡納姆輪（Mecanumweels）的新型車輪。本課件是可編輯的正常PPT課件

履帶式移動機(jī)構(gòu)：履帶式機(jī)構(gòu)稱為無限軌道方式，其最大特征是將圓環(huán)狀的無限軌道履帶卷繞在多個車輪上，使車輪不直接與路面接觸。利用履帶可以緩沖路面狀態(tài)，因此可以在各種路面條件下行走。履帶式移動機(jī)構(gòu)與輪式移動機(jī)構(gòu)相比，有如下特點(diǎn)：①支承面積大，接地比壓小。適合于松軟或泥濘場地進(jìn)行作業(yè)，下陷度小，滾動阻力小，通過性能較好。②越野機(jī)動性好，爬坡、越溝等性能均優(yōu)于輪式移動機(jī)構(gòu)。③履帶支承面上有履齒，不易打滑，牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力。④結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，運(yùn)動慣性大，減振性能差，零件易損壞。常見的履帶傳動機(jī)構(gòu)有拖拉機(jī)、坦克等，這里介紹幾種特殊的履帶結(jié)構(gòu)。2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件卡特彼勒高架鏈輪履帶機(jī)構(gòu)形狀可變履帶機(jī)構(gòu)位置可變履帶機(jī)構(gòu)2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件腿足式移動機(jī)構(gòu)：現(xiàn)有的足式移動機(jī)器人的足數(shù)分別為單足、雙足、三足和四足、六足、八足甚至更多。足的數(shù)目多，適合于重載和慢速運(yùn)動。實(shí)際應(yīng)用中，由于雙足和四足具有最好的適應(yīng)性和靈活性，所以用的最多。仿人機(jī)器人ASIMO機(jī)器狗2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件

其他形式的移動機(jī)構(gòu)：為了特殊的目的，還研發(fā)了各種各樣的移動機(jī)構(gòu)，例如壁面上吸附式移動機(jī)構(gòu)，蛇形機(jī)構(gòu)等。2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)爬壁機(jī)器人

蛇形機(jī)器人本課件是可編輯的正常PPT課件2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（2）傳動機(jī)構(gòu)

傳動機(jī)構(gòu)用來把驅(qū)動器的運(yùn)動傳遞到關(guān)節(jié)和動作部位。機(jī)器人常用的傳動機(jī)構(gòu)有絲杠傳動機(jī)構(gòu)、齒輪傳動機(jī)構(gòu)、螺旋傳動機(jī)構(gòu)、帶傳動及鏈傳動、連桿及凸輪傳動等。

絲杠傳動：機(jī)器人傳動用的絲杠具備結(jié)構(gòu)緊湊、間隙小和傳動效率高等特點(diǎn)。滾珠絲杠行星輪式絲杠本課件是可編輯的正常PPT課件2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

帶傳動與鏈傳動：帶傳動和鏈傳動用于傳遞平行軸之間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，或把回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動。機(jī)器人中的帶傳動和鏈傳動分別通過帶輪或鏈輪傳遞回轉(zhuǎn)運(yùn)動，有時還用來驅(qū)動平行軸之間的小齒輪。圖形為齒形帶形狀。

滾子鏈傳動：滾子鏈傳動屬于比較完善的傳動機(jī)構(gòu)，由于噪聲小，效率高，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但是，高速運(yùn)動時滾子與鏈輪之間的碰撞，產(chǎn)生較大的噪聲和振動，只有在低速時才能得到滿意的效果，即適合于低慣性載荷的關(guān)節(jié)傳動。鏈輪齒數(shù)少，摩擦力會增加，要得到平穩(wěn)運(yùn)動，鏈輪的齒數(shù)應(yīng)大于17，并盡量采用奇數(shù)個齒。本課件是可編輯的正常PPT課件2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

齒輪的種類：齒輪靠均勻分布在輪邊上的齒的直接接觸來傳遞扭矩。通常，齒輪的角速度比和軸的相對位置都是固定的。因此，輪齒以接觸柱面為節(jié)面，等間隔地分布在圓周上。隨軸的相對位置和運(yùn)動方向的不同，齒輪有多種類型，其中主要的類型：（3）齒輪傳動機(jī)構(gòu)本課件是可編輯的正常PPT課件2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)齒輪傳動類型：本課件是可編輯的正常PPT課件2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

齒輪傳動機(jī)構(gòu)的速比

A.最優(yōu)速比：B.傳動級數(shù)及速比的分配

傳動級數(shù)和速比的分配是根據(jù)齒輪的種類、結(jié)構(gòu)和速比關(guān)系來確定的。

通常的傳動級數(shù)和速比關(guān)系如圖所示。本課件是可編輯的正常PPT課件2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)行星輪減速器：行星齒輪減速器大體上分為S-C-P，3S（3K），2S-C（2K-H）本課件是可編輯的正常PPT課件2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（4）諧波傳動機(jī)構(gòu)

諧波傳動機(jī)構(gòu)由諧波發(fā)生器（圖中1）、柔輪（圖中2）和剛輪（圖中3）三個基本部分組成。1諧波發(fā)生器；2柔輪；3剛輪

（a）雙波觸頭式內(nèi)發(fā)生器（b）雙波凸輪薄壁軸承式內(nèi)發(fā)生器（c）三波行星式內(nèi)發(fā)生器（d）三波行星式外發(fā)生器諧波傳動機(jī)構(gòu)的組成和類型本課件是可編輯的正常PPT課件

重復(fù)完成簡單動作的搬運(yùn)機(jī)器人（固定程序機(jī)器人）中廣泛采用桿、連桿與凸輪機(jī)構(gòu)。凸輪機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（5）連桿和凸輪傳動本課件是可編輯的正常PPT課件驅(qū)動系統(tǒng)2.3本課件是可編輯的正常PPT課件

驅(qū)動系統(tǒng)是向機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)提供動力的裝置。機(jī)器人的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動及新型驅(qū)動。電氣驅(qū)動是目前使用最多的一種驅(qū)動方式，其特點(diǎn)是無環(huán)境污染、運(yùn)動精度高、電源取用方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力大，信號檢測、傳遞、處理方便，并可以采用多種靈活的控制方式，驅(qū)動電機(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)，也有采用直接驅(qū)動電機(jī)的。液壓驅(qū)動可以獲得很大的抓取能力，傳動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊，防爆性好，動作也較靈敏，但對密封性要求高，不宜在高、低溫現(xiàn)場工作。氣壓驅(qū)動的機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，動作迅速，空氣來源方便，價格低，但由于空氣可壓縮而使工作速度穩(wěn)定性差，抓取力小。隨著應(yīng)用材料科學(xué)的發(fā)展，一些新型材料開始應(yīng)用于機(jī)器人的驅(qū)動，如形狀記憶合金驅(qū)動、壓電效應(yīng)驅(qū)動、人工肌肉及光驅(qū)動等。2.3驅(qū)動系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件

液壓驅(qū)動是以高壓油作為工作介質(zhì)。驅(qū)動可以是閉環(huán)的或是開環(huán)的，可以是直線的或是旋轉(zhuǎn)的。開環(huán)控制能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的精確控制，但中間不能停留，因?yàn)樗鼜囊粋€位置運(yùn)動，碰到一個擋塊后才停下來。下圖是用伺服閥控制的液壓缸的簡化原理圖。

2.3驅(qū)動系統(tǒng)（1）液壓驅(qū)動本課件是可編輯的正常PPT課件

液壓驅(qū)動的優(yōu)缺點(diǎn)：用于控制液流的電液伺服閥相當(dāng)昂貴，而且需要經(jīng)過過濾的高潔凈度油，以防止伺服閥堵塞。使用時，電液伺服閥是用一個小功率的電氣伺服裝置（力矩電動機(jī)）驅(qū)動的。力矩電動機(jī)比較便宜，但這點(diǎn)便宜并不能彌補(bǔ)伺服閥本身的昂貴，也不能彌補(bǔ)系統(tǒng)污染這一缺陷。由于壓力高，14MPa的壓力會迅速地用油膜覆蓋很大面積，所以這是一個必須重視的問題。這樣一來，所需的管件就很貴，并需要良好的維護(hù)，以保證其可靠性。

由于液壓缸提供了精確的直線運(yùn)動，所以在機(jī)器人上盡可能使用直線驅(qū)動元件。然而液壓馬達(dá)的結(jié)構(gòu)設(shè)計也很精良，盡管其價格要高一些，同樣功率的液壓馬達(dá)要比電動機(jī)尺寸小，當(dāng)關(guān)節(jié)式機(jī)器人的關(guān)節(jié)上必須裝液壓馬達(dá)時，這就是一個優(yōu)點(diǎn)。但為此卻要把液壓油送到回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上。目前新設(shè)計的電動機(jī)尺寸已變得緊湊，質(zhì)量也減小，這是因?yàn)橛昧诵碌拇判圆牧?。盡管較貴，但電動機(jī)還是更可靠些，而且維護(hù)工作量小。

液壓驅(qū)動超過電動機(jī)驅(qū)動的根本優(yōu)點(diǎn)是它的本質(zhì)安全性。在像噴漆這樣的環(huán)境中，對安全性提出了嚴(yán)格的要求。

因?yàn)榇嬖谥娀『鸵目赡苄?，要求在易爆區(qū)域中所帶電壓不超過9V，液壓系統(tǒng)不存在電弧問題，而且在用于易爆氣體中時，無例外總是選用液壓驅(qū)動。如采用電動機(jī)，就要密封，但目前電動機(jī)的成本和質(zhì)量對需要這種功率的情況是不允許的。2.3驅(qū)動系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件

電氣驅(qū)動系統(tǒng)在機(jī)器人驅(qū)動中占有越來越重要的地位，電動機(jī)是機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。1)機(jī)器人伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)器人運(yùn)動控制的核心與基礎(chǔ)是其伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)。國際上的工業(yè)機(jī)器人90%以上均采用交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)器人采用的交流伺服電機(jī)也常被稱作直流無刷伺服電機(jī)，它與直流伺服電機(jī)的構(gòu)造基本上是相同的，不同點(diǎn)僅是整流子部分。2.3驅(qū)動系統(tǒng)（2）電氣驅(qū)動本課件是可編輯的正常PPT課件2)直流（DC）伺服電機(jī)的基本工作原理

如圖所示，由于永磁鐵N、S的作用，當(dāng)N、S之間的導(dǎo)體通過電刷和整流子有電流流過時，根據(jù)弗萊明左手法則，產(chǎn)生如圖1所示的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)到90°時，由于整流子的作用，電流反向，轉(zhuǎn)子繼續(xù)回轉(zhuǎn)。按圖2所示的結(jié)構(gòu)，在通電瞬間，轉(zhuǎn)子電流與磁通正交，故轉(zhuǎn)子以最大轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)矩逐漸減小，到90°時為0。本來轉(zhuǎn)矩為0，轉(zhuǎn)子應(yīng)該停止旋轉(zhuǎn)，可實(shí)際上由于轉(zhuǎn)子的慣性作用，轉(zhuǎn)子將繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，一旦超過90°，則由于換流的作用，轉(zhuǎn)矩又開始增大。因此，圖示的直流電機(jī)是一個轉(zhuǎn)矩變化激烈的電機(jī)。為了保證電機(jī)保持一定的最大轉(zhuǎn)矩，實(shí)際應(yīng)用的直流伺服電機(jī)往往要設(shè)置數(shù)十個整流子，并在設(shè)計中保證磁通總是與電流正交。2.3驅(qū)動系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件3)交流（AC）伺服電機(jī)的基本工作原理

如圖所示，將DC伺服電機(jī)的整流子換成滑環(huán)，并在A端電刷接電源“+”極，B端接“?”極，則與DC伺服電機(jī)一樣，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。如果保持這個狀態(tài)，則因無整流子，轉(zhuǎn)子要停止旋轉(zhuǎn)。如果能夠在適當(dāng)?shù)臅r刻，改變外部電源的電流方向，則可以維持轉(zhuǎn)子的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。如果將外部電源變成交流，三相繞組為定子，永久磁鐵安置在轉(zhuǎn)子上，則轉(zhuǎn)子可實(shí)現(xiàn)與交流頻率相應(yīng)的回轉(zhuǎn)速度不斷旋轉(zhuǎn)。這樣，與電源頻率同步，讓轉(zhuǎn)子不斷旋轉(zhuǎn)的電機(jī)即是AC同步伺服電機(jī)，我們也常常稱這種電機(jī)為DC無刷伺服電機(jī)。它的特點(diǎn)是必須隨時根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置，改變電源極性。2.3驅(qū)動系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件如圖所示，目前的AC伺服電機(jī)（又稱DC無刷伺服電機(jī)）基本采用這種旋轉(zhuǎn)磁場結(jié)構(gòu)。DC伺服電機(jī)依靠整流子數(shù)目的增加來減小其轉(zhuǎn)矩的波動，而AC伺服電機(jī)則是將電機(jī)定子作為三相繞組。各相電流是通過正弦波變換實(shí)現(xiàn)的。

圖（a）、（b）是三相同步電機(jī)的截面圖。U＋，U?，V＋，V?，W＋，W?是各相繞組的始端與終端。將圖（c）所示的三相交流電源接通時，在時刻A，僅U相為正，V相、W相均為負(fù)。各繞組的電流方向如圖（a）所示，根據(jù)電流而誘發(fā)的磁通合成向量產(chǎn)生在從N指向S方向上。此時，在與磁通成正交的位置上，若有轉(zhuǎn)子磁場，則在順時針方向上，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。同樣，在時刻B所產(chǎn)生的磁通[見圖（b）]正好在順時針方向的60°處。

如上所述，只要讓三相正弦電流流過電機(jī)定子上的繞組，就可以得到連續(xù)的回轉(zhuǎn)磁場。只要能夠做到讓轉(zhuǎn)子的任意回轉(zhuǎn)位置總能與其正弦波相位正交，就可以得到平滑的轉(zhuǎn)矩，獲得高效率的AC伺服電機(jī)。因此，轉(zhuǎn)子位置檢測及其相位正交控制，成為AC伺服電機(jī)控制的關(guān)鍵。2.3驅(qū)動系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件圖1（左上）、圖2（右上）、圖3（第二排）如下：2.3驅(qū)動系統(tǒng)圖3AC伺服電機(jī)原理二本課件是可編輯的正常PPT課件2.3驅(qū)動系統(tǒng)液壓電氣氣動優(yōu)點(diǎn)適用于大型機(jī)器人和大負(fù)載適用于所有尺寸的機(jī)器人元器件可靠性高系統(tǒng)剛性好，精度高，響應(yīng)速度快控制性能好，適合于高精度機(jī)器人無泄漏，無火花不需要減速齒輪與液壓系統(tǒng)相比，有較高的柔性價格低，系統(tǒng)簡單易于在大的速度范圍內(nèi)工作使用減速齒輪降低了電機(jī)軸上的慣量和液壓系統(tǒng)比較壓強(qiáng)較低可以無損停在一個位置不會泄漏，可靠，維護(hù)簡單柔性系統(tǒng)缺點(diǎn)會泄漏，不適合在要求潔凈的場合使用剛度低系統(tǒng)噪聲大，需要?dú)鈮簷C(jī)、過濾器需要泵、儲液箱、電機(jī)等需要減速齒輪，增加成本、質(zhì)量等很難控制線性位置價格昂貴，有噪聲，需要維護(hù)在不供電時，電機(jī)需要剎車裝置在負(fù)載作用下易變形，剛度低三種驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動性能對比本課件是可編輯的正常PPT課件感知系統(tǒng)2.4本課件是可編輯的正常PPT課件基本性能要求:1.精度高、重復(fù)性好

機(jī)器人傳感器的精度直接影響機(jī)器人的工作質(zhì)量。用于檢測和控制機(jī)器人運(yùn)動的傳感器是控制機(jī)器人定位精度的基礎(chǔ)。機(jī)器人是否能夠準(zhǔn)確無誤地正常工作，往往取決于傳感器的測量精度。2.穩(wěn)定性好，可靠性高

機(jī)器人傳感器的穩(wěn)定性和可靠性是保證機(jī)器人能夠長期穩(wěn)定可靠地工作的必要條件。機(jī)器人經(jīng)常是在無人照管的條件下代替人來操作，如果它在工作中出現(xiàn)故障，輕者影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，重者造成嚴(yán)重事故。3.抗干擾能力強(qiáng)

機(jī)器人傳感器的工作環(huán)境比較惡劣，它應(yīng)當(dāng)能夠承受強(qiáng)電磁干擾、強(qiáng)振動，并能夠在一定的高溫、高壓、高污染環(huán)境中正常工作。4.重量輕、體積小、安裝方便可靠

對于安裝在機(jī)器人操作臂等運(yùn)動部件上的傳感器，質(zhì)量要小，否則會加大運(yùn)動部件的慣性，影響機(jī)器人的運(yùn)動性能。對于工作空間受到某種限制的機(jī)器人，對體積和安裝方向的要求也是必不可少的。2.4感知系統(tǒng)（1）機(jī)器人對傳感器的要求本課件是可編輯的正常PPT課件工作任務(wù)要求:

現(xiàn)代工業(yè)中，機(jī)器人被用于執(zhí)行各種加工任務(wù)，其中比較常見的加工任務(wù)有物料搬運(yùn)、裝配、噴漆、焊接、檢驗(yàn)等。不同的加工任務(wù)對機(jī)器人提出不同的感覺要求。

環(huán)境感知能力是移動機(jī)器人除了移動之外最基本的一種能力，感知能力的高低直接決定了一個移動機(jī)器人的智能性，而感知能力是由感知系統(tǒng)決定的。移動機(jī)器人的感知系統(tǒng)相當(dāng)于人的五官和神經(jīng)系統(tǒng)，是機(jī)器人獲取外部環(huán)境信息及進(jìn)行內(nèi)部反饋控制的工具，它是移動機(jī)器人最重要的部分之一。移動機(jī)器人的感知系統(tǒng)通常由多種傳感器組成，這些傳感器處于連接外部環(huán)境與移動機(jī)器人的接口位置，是機(jī)器人獲取信息的窗口。機(jī)器人用這些傳感器采集各種信息，然后采取適當(dāng)?shù)姆椒?，將多個傳感器獲取的環(huán)境信息加以綜合處理，控制機(jī)器人進(jìn)行智能作業(yè)。2.4感知系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件

在選擇合適的傳感器以適應(yīng)特定的需要時，必須考慮傳感器多方面的不同特點(diǎn)。這些特點(diǎn)決定了傳感器的性能、是否經(jīng)濟(jì)、應(yīng)用是否簡便以及應(yīng)用范圍等。在某些情況下，為實(shí)現(xiàn)同樣的目標(biāo)，可以選擇不同類型的傳感器。這時，在選擇傳感器前應(yīng)該考慮以下一些因素。包括成本、尺寸、重量、輸出的類型（數(shù)字式或模擬式）、接口、分辨率、靈敏度、線性度、量程、頻率響應(yīng)、可靠性、精度、重復(fù)精度等一系列因素。（2）常用傳感器特征2.4感知系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件控制系統(tǒng)2.5本課件是可編輯的正常PPT課件控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令以及從傳感器反饋回來的信號，支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運(yùn)動和功能。如果機(jī)器人不具備信息反饋特征，則為開環(huán)控制系統(tǒng)；具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制原理可分為程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。根據(jù)控制運(yùn)動的形式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制。2.5控制系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件

對于一個具有高度智能的機(jī)器人，它的控制系統(tǒng)實(shí)際上包含了“任務(wù)規(guī)劃”、“動作規(guī)劃”、“軌跡規(guī)劃”和基于模型的“伺服控制”等多個層次，機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成及其功能如下圖所示。2.5控制系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要功能：實(shí)際應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人，其控制系統(tǒng)并不一定都具有上述所有組成及功能。大部分工業(yè)機(jī)器人的“任務(wù)規(guī)劃”和“動作規(guī)劃”是由操作人員完成的，有的甚至連“軌跡規(guī)劃”也要由人工編程來實(shí)現(xiàn)。一般的工業(yè)機(jī)器人，設(shè)計者已經(jīng)完成軌跡規(guī)劃的工作，因此操作者只要為機(jī)器人設(shè)定動作和任務(wù)即可。由于工業(yè)機(jī)器人的任務(wù)通常比較專一，為這樣的機(jī)器人設(shè)計任務(wù)，對用戶來說并不是件困難的事情。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要功能：1.機(jī)器人示數(shù)2.軌跡生成3.私服控制4.電流控制移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的任務(wù)：移動機(jī)器人控制系統(tǒng)是以計算機(jī)控制技術(shù)為核心的實(shí)時控制系統(tǒng)，它的任務(wù)就是根據(jù)移動機(jī)器人所要完成的功能，結(jié)合移動機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)和機(jī)器人的運(yùn)動方式，實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人的工作目標(biāo)。控制系統(tǒng)是移動機(jī)器人的大腦，它的優(yōu)劣決定了機(jī)器人的智能水平，工作柔性及靈活性，也決定了機(jī)器人使用的方便程度和系統(tǒng)的開放性。2.5控制系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件人機(jī)交互系統(tǒng)2.6本課件是可編輯的正常PPT課件人機(jī)交互系統(tǒng)是人與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系和參與機(jī)器人控制的裝置。傳統(tǒng)的人機(jī)交互系統(tǒng)主要依賴物理接口實(shí)現(xiàn)指令傳遞，典型裝置包括計算機(jī)終端、指令控制臺、信息顯示設(shè)備、安全報警裝置等。隨著多模態(tài)交互技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代系統(tǒng)已突破傳統(tǒng)單向通信模式，形成“感知-認(rèn)知-反饋”的閉環(huán)交互架構(gòu)。2.6人機(jī)交互系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件（1）計算機(jī)終端計算機(jī)終端是人機(jī)交互的基礎(chǔ)入口，它包含鍵盤與鼠標(biāo)。鍵盤作為文字指令輸入的主要設(shè)備，能讓用戶精確地向機(jī)器人下達(dá)文本形式的操作命令，例如在編程控制機(jī)器人執(zhí)行復(fù)雜動作序列時，通過鍵盤輸入代碼，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動軌跡、速度等參數(shù)的精確設(shè)定。鼠標(biāo)則用于可視化操作，用戶可以在圖形化界面中輕松點(diǎn)擊圖標(biāo)、選擇菜單，完成諸如啟動機(jī)器人特定任務(wù)流程、切換工作模式等操作，為不具備專業(yè)編程知識的用戶提供了便捷的交互方式。（2）指令控制臺指令控制臺常見于工業(yè)生產(chǎn)、科研實(shí)驗(yàn)等對機(jī)器人控制精度和實(shí)時性要求較高的場景。它集成了各類操作按鈕、旋鈕和操縱桿。操作按鈕可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的啟停、急停等基本控制；旋鈕用于連續(xù)調(diào)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)行參數(shù)，如速度、力度等；操縱桿則能模擬人類手部動作，直觀地控制機(jī)器人的運(yùn)動方向和姿態(tài)，在工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行物料搬運(yùn)、焊接等任務(wù)時，操作人員通過操縱桿可靈活調(diào)整機(jī)器人手臂的位置和角度。2.6人機(jī)交互系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件（3）信息顯示設(shè)備信息顯示設(shè)備負(fù)責(zé)向用戶直觀呈現(xiàn)機(jī)器人工作狀態(tài)。除有LED狀態(tài)指示燈之外，還有顯示屏、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）顯示設(shè)備等。傳統(tǒng)液晶顯示屏以數(shù)字形式展示機(jī)器人的運(yùn)行參數(shù)，如電量剩余百分比、工作時長等；以圖表形式呈現(xiàn)機(jī)器人的性能指標(biāo)變化趨勢，方便用戶分析機(jī)器人的運(yùn)行穩(wěn)定性；圖像展示則用于呈現(xiàn)機(jī)器人視覺系統(tǒng)捕捉到的畫面，輔助用戶判斷機(jī)器人所處環(huán)境。而虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備，能讓用戶以沉浸式方式查看機(jī)器人工作空間的三維模型，實(shí)時獲取機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的位置和姿態(tài)信息。（4）安全報警裝置安全報警裝置是保障機(jī)器人安全運(yùn)行和人員安全的重要防線。當(dāng)機(jī)器人檢測到過載情況，即電機(jī)電流超過額定值，可能導(dǎo)致電機(jī)燒毀時，安全報警裝置會發(fā)出尖銳的警報聲；當(dāng)機(jī)器人內(nèi)部溫度過高，接近電子元件的耐受極限，有引發(fā)故障風(fēng)險時，安全報警裝置會以閃爍燈光警示；當(dāng)機(jī)器人感知到即將發(fā)生碰撞，與周圍物體距離過近時，安全報警裝置也會即刻啟動，提醒操作人員及時干預(yù)，避免事故發(fā)生。2.6人機(jī)交互系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件2.6人機(jī)交互系統(tǒng)（5）多模態(tài)人機(jī)交互多模態(tài)人機(jī)交互是指通過整合多種感官通道（視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等）和交互方式（語音、手勢、姿態(tài)、觸覺反饋等），構(gòu)建人機(jī)雙向信息傳遞的復(fù)合型交互系統(tǒng)。其核心目標(biāo)是通過多維度信息融合，提升交互系統(tǒng)的可靠性、自然性和效率。人機(jī)交互系統(tǒng)的實(shí)例有：自動駕駛領(lǐng)域、移動機(jī)器人領(lǐng)域等。發(fā)展趨勢：感知與認(rèn)知的深度協(xié)同，情感計算與個性化交互，腦機(jī)接口（BCI）的實(shí)用化突破，虛實(shí)融合的交互空間等。本課件是可編輯的正常PPT課件機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)2.7本課件是可編輯的正常PPT課件機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。它賦予機(jī)器人感知外部世界、與周邊設(shè)備協(xié)同作業(yè)的能力，是機(jī)器人能夠在復(fù)雜多變的環(huán)境中高效運(yùn)行的關(guān)鍵所在。通常工業(yè)機(jī)器人與外部設(shè)備集成為一個功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。當(dāng)然也可以是多臺機(jī)器人集成為一個去執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元。2.7機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件（1）視覺傳感器視覺傳感器以攝像頭為代表，是機(jī)器人感知環(huán)境的重要工具。工業(yè)機(jī)器人利用攝像頭識別生產(chǎn)線上零部件的形狀、顏色和位置，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)抓取和裝配。在物流倉儲中，視覺傳感器可識別貨物標(biāo)簽，幫助機(jī)器人快速分揀貨物。其工作原理是通過鏡頭收集光線，將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)化為電信號或數(shù)字信號，再經(jīng)過圖像識別算法分析處理，提取目標(biāo)物體的特征信息。（2）激光雷達(dá)激光雷達(dá)通過發(fā)射激光束并接收反射光來測量周圍物體與自身的距離。自動駕駛汽車?yán)眉す饫走_(dá)構(gòu)建周圍環(huán)境的三維點(diǎn)云地圖，精確感知道路、車輛和行人的位置。在智能安防領(lǐng)域，激光雷達(dá)可實(shí)時監(jiān)測周邊環(huán)境的變化，當(dāng)有異常物體闖入警戒區(qū)域時，及時發(fā)出警報。它的優(yōu)勢在于測量精度高、不受光照條件影響，能為機(jī)器人提供可靠的環(huán)境感知數(shù)據(jù)。2.7機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件（3）觸覺與力傳感器觸覺傳感器和力傳感器能讓機(jī)器人感知與外界物體接觸時的壓力和力度。在機(jī)器人進(jìn)行精密裝配任務(wù)時，觸覺傳感器可檢測零部件之間的貼合程度，避免裝配過緊或過松；力傳感器則用于控制機(jī)器人操作的力度，在抓取易碎物品時，精確控制抓取力，防止物品損壞。比如在醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人中，力傳感器能讓醫(yī)生實(shí)時感知手術(shù)器械與組織的接觸力，確保手術(shù)操作的精準(zhǔn)和安全。（4）通信模塊通信模塊分有線通信模塊和無線通信模塊兩類。有線通信是以太網(wǎng)以其高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸特性，常用于工業(yè)自動化生產(chǎn)線中機(jī)器人與上位機(jī)、其他設(shè)備之間的通信。它能實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的快速傳輸，如機(jī)器人視覺圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時上傳，保證機(jī)器人與周邊設(shè)備協(xié)同作業(yè)的高效性。RS-485總線則適用于遠(yuǎn)距離、多節(jié)點(diǎn)的通信場景，在智能建筑中的安防機(jī)器人組網(wǎng)通信中應(yīng)用廣泛，可連接多個機(jī)器人和控制中心，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控和管理。2.7機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件無線通信（Wi-Fi）是室內(nèi)環(huán)境中常見的無線通信方式，服務(wù)機(jī)器人可通過Wi-Fi連接到互聯(lián)網(wǎng)，獲取云端數(shù)據(jù)和指令，實(shí)現(xiàn)智能交互和服務(wù)。藍(lán)牙則常用于短距離、低功耗設(shè)備之間的通信，如機(jī)器人的手持遙控器與機(jī)器人本體之間的連接。ZigBee適用于低速率、低功耗、自組網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)場景，在智能家居機(jī)器人系統(tǒng)中，多個小型傳感器節(jié)點(diǎn)通過ZigBee與機(jī)器人進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測和設(shè)備控制。近年來，5G通信技術(shù)憑借其高速率、低延遲、大連接的優(yōu)勢，為機(jī)器人在遠(yuǎn)程控制、實(shí)時高清視頻傳輸?shù)确矫嫣峁┝烁鼜?qiáng)大的通信支持，如遠(yuǎn)程操控工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行復(fù)雜加工任務(wù)。（5）控制算法控制算法是機(jī)器人—環(huán)境交互系統(tǒng)的核心，它根據(jù)傳感器采集的信息和預(yù)設(shè)任務(wù)目標(biāo)，計算出機(jī)器人的最佳動作和運(yùn)行策略。在路徑規(guī)劃算法中，機(jī)器人根據(jù)激光雷達(dá)和視覺傳感器獲取的環(huán)境地圖信息，結(jié)合目標(biāo)位置，通過智能算法規(guī)劃出一條避開障礙物、高效到達(dá)目標(biāo)的路徑。在運(yùn)動控制算法中，基于力傳感器和位置傳感器的數(shù)據(jù)，采用PID控制算法精確調(diào)整機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動，保證機(jī)器人動作的平穩(wěn)和精準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的協(xié)同作業(yè)。2.7機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件第3章機(jī)器人常用的傳感器CONTENTS機(jī)器人傳感器的分類3.1常用的內(nèi)部傳感器3.2常用的外部傳感器3.3本課件是可編輯的正常PPT課件機(jī)器人傳感器的分類3.1本課件是可編輯的正常PPT課件機(jī)器人傳感器的分類3.177

機(jī)器人根據(jù)所完成任務(wù)的不同，配置的傳感器類型和規(guī)格也不盡相同，一般分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。

所謂內(nèi)部傳感器，就是測量機(jī)器人自身狀態(tài)的功能元件，具體檢測的對象有關(guān)節(jié)的線位移、角位移等幾何量，速度、角速度、加速度等運(yùn)動量，還有傾斜角、方位角、振動等物理量，即主要用來采集來自機(jī)器人內(nèi)部的信息。而所謂的外部傳感器則主要用來采集機(jī)器人和外部環(huán)境以及工作對象之間相互作用的信息。內(nèi)部傳感器常在控制系統(tǒng)中用作反饋元件，檢測機(jī)器人自身的狀態(tài)參數(shù)，如關(guān)節(jié)運(yùn)動的位置、速度、加速度等；外部傳感器主要用來測量機(jī)器人周邊環(huán)境參數(shù)，通常跟機(jī)器人的目標(biāo)識別、作業(yè)安全等因素有關(guān)，如視覺傳感器，它既可以用來識別工作對象，也可以用來檢測障礙物。從機(jī)器人系統(tǒng)的觀點(diǎn)來看，外部傳感器的信號一般用于規(guī)劃決策層，也有一些外部傳感器的信號被底層的伺服控制層所利用。

內(nèi)部傳感器和外部傳感器是根據(jù)傳感器在系統(tǒng)中的作用來劃分的，某些傳感器既可當(dāng)作內(nèi)部傳感器使用，又可以當(dāng)作外部傳感器使用。例如力傳感器，用于末端執(zhí)行器或操作臂的自重補(bǔ)償中，是內(nèi)部傳感器；用于測量操作對象或障礙物的反作用力時，是外部傳感器。本課件是可編輯的正常PPT課件機(jī)器人傳感器的分類783.1內(nèi)部傳感器基本種類位置傳感器電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器、碼盤速度傳感器

測速發(fā)電機(jī)、碼盤加速度傳感器

應(yīng)變片式、伺服式、壓電式、電動式傾斜角傳感器

液體式、垂直振子式力（力矩）傳感器應(yīng)變式、壓電式表3-1機(jī)器人內(nèi)部傳感器的基本種類功能外部傳感器基本種類視覺傳感器測量傳感器光學(xué)式（點(diǎn)狀、線狀、圓形、螺旋形、光束）識別傳感器光學(xué)式、聲波式觸覺傳感器觸覺傳感器單點(diǎn)式、分布式壓覺傳感器單點(diǎn)式、高密度集成、分布式滑覺傳感器點(diǎn)接觸式、線接觸式、面接觸式接近度傳感器接近度傳感器空氣式、磁場式、電場式、光學(xué)式、聲波式距離傳感器光學(xué)式（反射光量、定時、相位信息）聲波式（反射音量、傳輸時間信息）表3-2機(jī)器人外部傳感器的基本種類本課件是可編輯的正常PPT課件常用的內(nèi)部傳感器3.2本課件是可編輯的正常PPT課件常見的內(nèi)部傳感器801.位置傳感器

當(dāng)前機(jī)器人系統(tǒng)中應(yīng)用的位置傳感器一般為編碼器。所謂編碼器即是將某種物理量轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式的裝置。機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)中編碼器的作用是將位置和角度等參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。可采用電接觸、磁效應(yīng)、電容效應(yīng)和光電轉(zhuǎn)換等機(jī)理，形成各種類型的編碼器，最常見的編碼器是光電編碼器。根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式分類有旋轉(zhuǎn)光電編碼器（光電碼盤）和直線光電編碼器（光柵尺），可分別用于機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或直線運(yùn)動關(guān)節(jié)的位置檢測。光電編碼器的特征參數(shù)是編碼器的分辨率，如800線/轉(zhuǎn)、1200線/轉(zhuǎn)、2500線/轉(zhuǎn)、3600線/轉(zhuǎn)，甚至更高的分辨率。當(dāng)然編碼器的價格會隨分辨率的提高而增加。

在與被測軸同心的碼盤上刻制了按一定編碼規(guī)則形成的遮光和透光部分的組合。在碼盤的一邊是發(fā)光管，另一邊是光敏器件。碼盤隨著被測軸的轉(zhuǎn)動使得透過碼盤的光束產(chǎn)生間斷，通過光電器件的接收和電子線路的處理，產(chǎn)生特定電信號的輸出，再經(jīng)過數(shù)字處理可計算出位置和速度信息。光電編碼器根據(jù)檢測角度位置的方式分為絕對型編碼器和增量型編碼器兩種。3.2本課件是可編輯的正常PPT課件常見的內(nèi)部傳感器81

（1）絕對型光電編碼器

絕對型編碼器有絕對位置的記憶裝置，能測量旋轉(zhuǎn)軸或移動軸的絕對位置，因此在機(jī)器人系統(tǒng)中得到大量應(yīng)用。對于一直線移動或旋轉(zhuǎn)軸，當(dāng)編碼器的安裝位置確定后，絕對的參考零位的位置就確定了。一般情況下，絕對編碼器的絕對零位的記憶依靠不間斷的供電電源，目前一般使用高效的鋰離子電池進(jìn)行供電。

絕對編碼器的碼盤由多個同心的碼道（Track）組成，這些碼道沿徑向順序具有各自不同的二進(jìn)制權(quán)值。每個碼道上按照其權(quán)值劃分為遮光和投射段，分別代表二進(jìn)制的0和1。與碼道個數(shù)相同的光電器件分別與各自對應(yīng)的碼道對準(zhǔn)并沿碼盤的半徑直線排列。通過這些光電器件的檢測可以產(chǎn)生絕對位置的二進(jìn)制編碼。絕對編碼器對于轉(zhuǎn)軸的每個位置均產(chǎn)生唯一的二進(jìn)制編碼，因此可用于確定絕對位置。絕對位置的分辨率取決于二進(jìn)制編碼的位數(shù)，亦即碼道的個數(shù)。例如一個10碼道的編碼器可以產(chǎn)生1

024個位置，角度的分辨率為21′6″，目前絕對編碼器已可以做到有17個碼道，即17位絕對編碼器。3.2本課件是可編輯的正常PPT課件常見的內(nèi)部傳感器82

（2）增量型旋轉(zhuǎn)光電編碼器

增量型光電編碼器是普遍的編碼器類型，這種編碼器在一般機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛。對于一般的伺服電機(jī)，為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，與電機(jī)同軸安裝有光電編碼器，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確運(yùn)動控制。增量型編碼器能記錄旋轉(zhuǎn)軸或移動軸的相對位置變化量，卻不能給出運(yùn)動軸的絕對位置，因此這種光電編碼器通常用于定位精度不高的機(jī)器人，如噴涂、搬運(yùn)、碼跺機(jī)器人等。3.2增量編碼器的碼盤

本課件是可編輯的正常PPT課件常見的內(nèi)部傳感器83

（3）直線式光電編碼器（光柵尺）

直線式光電編碼器的工作原理與旋轉(zhuǎn)式光電編碼器的工作原理是非常相似的，甚至可以將直線光電編碼器理解為旋轉(zhuǎn)光電編碼器的編碼部分由環(huán)形拉直而演變成直尺形。直線光電編碼器同樣可以制作為增量式和絕對式。這里只簡要介紹直線增量式光電編碼器，它與旋轉(zhuǎn)式光電編碼器的區(qū)別是直線編碼器的分辨率以柵距表示，而不是旋轉(zhuǎn)編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)。3.2直線增量式光電編碼器的原理

本課件是可編輯的正常PPT課件常見的內(nèi)部傳感器842.速度傳感器

速度傳感器是機(jī)器人內(nèi)部傳感器之一，是閉環(huán)控制系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分，它用來測量機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動速度?？梢赃M(jìn)行速度測量的傳感器很多，例如進(jìn)行位置測量的傳感器大多可同時獲得速度的信息。但是應(yīng)用最廣泛，能直接得到代表轉(zhuǎn)速的電壓且具有良好的實(shí)時性的速度測量傳感器是測速發(fā)電機(jī)。在機(jī)器人控制系統(tǒng)中，以速度為首要目標(biāo)進(jìn)行伺服控制并不常見，更常見的是機(jī)器人的位置控制。當(dāng)然如果需要考慮機(jī)器人運(yùn)動過程的品質(zhì)時，速度傳感器、甚至加速度傳感器都是需要的。這里僅介紹在機(jī)器人控制中普遍采用的幾種速度測量傳感器，這些速度傳感器根據(jù)輸出信號的形式可分為數(shù)字式和模擬式兩種。

3.2本課件是可編輯的正常PPT課件常見的內(nèi)部傳感器85

（1）模擬式速度傳感器

U=knU為測速發(fā)電機(jī)輸出電壓，單位是V；n為測速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位是r/min；k為比例系數(shù)。3.2測速發(fā)電機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用本課件是可編輯的正常PPT課件常見的內(nèi)部傳感器86（2）數(shù)字式速度傳感器

模擬式方法。在這種方式下，關(guān)鍵是需要一個F/V轉(zhuǎn)換器，它必須有盡量小的溫度漂移和良好的零輸入輸出特性，用它把編碼器的脈沖頻率輸出轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)速成正比的模擬電壓，它檢測的是電動機(jī)軸上的瞬時速度。數(shù)字式方法。編碼器是數(shù)字元件，它的脈沖個數(shù)代表了位置，而單位時間里的脈沖個數(shù)表示這段時間里的平均速度。顯然單位時間越短，越能代表瞬時速度，但在太短的時間里，只能記到幾個編碼器脈沖，因而降低了速度分辨率。目前在技術(shù)上有多種辦法能夠解決這個問題。例如，可以采用兩個編碼器脈沖為一個時間間隔，然后用計數(shù)器記錄在這段時間里高速脈沖源發(fā)出的脈沖數(shù)。3.2本課件是可編輯的正常PPT課件常見的內(nèi)部傳感器873.加速度傳感器（1）應(yīng)變片加速度傳感器（2）伺服加速度傳感器（3）壓電加速度傳感器4.傾斜角傳感器（1）液體式（2）垂直振子式（3）壓電加速度傳感器5.力覺傳感器（1）筒式腕力傳感器（2）十字腕力傳感器3.2本課件是可編輯的正常PPT課件常用外部傳感器3.3本課件是可編輯的正常PPT課件常見外部傳感器891.視覺傳感器（1）光電轉(zhuǎn)換器件：光電二極管、光電三極管、CCD圖像傳感器、MOS圖像傳感器、工業(yè)電視攝像機(jī)（2）二維視覺傳感器：照明方向、背景的反差、視覺傳感器的位置、物體的放置（3）三維視覺傳感器：單眼觀測法、莫爾條紋法、主動立體視覺法、被動立體視覺法、激光雷達(dá)2.觸覺傳感器（1）壓電傳感器（2）光纖壓覺傳感器（3）滑覺傳感器3.3本課件是可編輯的正常PPT課件常見的外部傳感器90

3.接近度傳感器

增量型光電編碼器接近度傳感器是機(jī)器人用以探測自身與周圍物體之間相對位置和距離的傳感器。它的使用對機(jī)器人工作過程中適時地進(jìn)行軌跡規(guī)劃與防止事故發(fā)生具有重要意義。它主要起以下3個方面的作用。(1)在接觸對象物前得到必要的信息，為后面動作做準(zhǔn)備。(2)發(fā)現(xiàn)障礙物時，改變路徑或停止，以免發(fā)生碰撞。(3)得到對象物體表面形狀的信息。

根據(jù)感知范圍（或距離），接近度傳感器大致可分為3類：感知近距離物體（mm級）的有磁力式（感應(yīng)式）、氣壓式、電容式等；感知中距離（大約30cm以內(nèi)）物體的有紅外光電式；感知遠(yuǎn)距離（30cm以外）物體的有超聲式和激光式。視覺傳感器也可作為接近度傳感器。3.3本課件是可編輯的正常PPT課件常見的外部傳感器91

（1）磁力式接近傳感器

它由激磁線圈C0和檢測線圈C1及C2組成，C1、C2的圈數(shù)相同，接成差動式。當(dāng)未接近物體時由于構(gòu)造上的對稱性，輸出為0，當(dāng)接近物體（金屬）時，由于金屬產(chǎn)生渦流而使磁通發(fā)生變化，從而使檢測線圈輸出產(chǎn)生變化。這種傳感器不大受光、熱、物體表面特征影響，可小型化與輕量化，但只能探測金屬對象。3.3磁力式傳感器

本課件是可編輯的正常PPT課件常見的外部傳感器92（2）氣壓式接近傳感器

它是根據(jù)噴嘴—擋板作用原理設(shè)計的。氣壓源pV經(jīng)過節(jié)流孔進(jìn)入背壓腔，又經(jīng)噴嘴射出，氣流碰到被測物體后形成背壓輸出pA。合理地選擇pV值（恒壓源）、噴嘴尺寸及節(jié)流孔大小，便可得出輸出pA與距離x之間的對應(yīng)關(guān)系，一般不是線性的，但可以做到局部近似線性輸出。這種傳感器具有較強(qiáng)防火、防磁、防輻射能力，但要求氣源保持一定程度的凈化。3.3氣壓式傳感器

本課件是可編輯的正常PPT課件常見的外部傳感器93（3）紅外式接近傳感器

紅外傳感器是一種比較有效的接近傳感器，傳感器發(fā)出的光的波長大約在幾百納米范圍內(nèi)，是短波長的電磁波。它是一種輻射能轉(zhuǎn)換器，主要用于將接收到的紅外輻射能轉(zhuǎn)換為便于測量或觀察的電能、熱能等其他形式的能量。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式，紅外探測器可分為熱探測器和光子探測器兩大類。紅外傳感器不受電磁波的干擾、非噪聲源、可實(shí)現(xiàn)非常接觸性測量等。3.3紅外測距原理圖

本課件是可編輯的正常PPT課件常見的外部傳感器94

（4）超聲波距離傳感器

超聲波是人耳聽不見的一種機(jī)械波，其頻率在20kHz以上，波長較短，繞射小，能夠作為射線而定向傳播。超聲波傳感器由超聲波發(fā)生器和接收器組成。超聲波發(fā)生器有壓電式、電磁式及磁滯伸縮式等。在檢測技術(shù)中最常用的是壓電式。壓電式超聲波傳感器，就是利用了壓電材料的壓電效應(yīng)，如石英、電氣石等。逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換為高頻機(jī)械振動，以產(chǎn)生超聲波，可作為“發(fā)射”探頭。利用正壓電效應(yīng)則將接收的超聲振動轉(zhuǎn)換為電信號，可作為“接收”探頭。3.3脈沖回波式的檢測原理

FM-CW式的測距原理

本課件是可編輯的正常PPT課件常見的外部傳感器953.34激光傳感器

激光傳感器是利用激光技術(shù)進(jìn)行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。其中，激光器是產(chǎn)生激光的一個裝置。

按激光器的工作物質(zhì)可分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器及半導(dǎo)體激光器。優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光電干擾能力強(qiáng)等。能夠測量長度、速度、距離等。測距方法的原理，有脈沖式激光測距、相位式激光測距、三角法激光測距。（1）

脈沖激光測距傳感器的原理是：由脈沖激光器發(fā)出持續(xù)時間極短的脈沖激光，經(jīng)過待測距離后射到被測目標(biāo)，有一部分能量會被反射回來，被反射回來的脈沖激光稱為回波?；夭ǚ祷販y距儀，有光電探測器接收。根據(jù)主波信號和回波信號之間的間隔，即激光脈沖從激光器到被測目標(biāo)之間的往返時，就可以算出待測目標(biāo)的距離。脈沖激光測距原理圖

本課件是可編輯的正常PPT課件常見的外部傳感器963.34激光傳感器（2）相位激光測距傳感器原理是：對發(fā)射的激光進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，利用激光空間傳播時調(diào)制信號的相位變化量，根據(jù)調(diào)制波的波長，計算出該相位延遲所代表的距離。即用相位延遲測量的間接方法代替直接測量激光往返所需的時間，實(shí)現(xiàn)距離的測量。這種方法精度可達(dá)到毫米級。（3）三角法激光測距傳感器是由激光器發(fā)出的光線，經(jīng)過會聚透鏡聚焦后入射到被測物體表面上，接收透鏡接收來自入射光點(diǎn)處的散射光，并將其成像在光電位置探測器敏感面上。當(dāng)物體移動時，通過光點(diǎn)在成像面上的位移來計算出物體移動的相對距離。三角法激光測距的分辨率很高，可以達(dá)到微米數(shù)量級。本課件是可編輯的正常PPT課件Theend本課件是可編輯的正常PPT課件

第4章智能傳感器4.1智能傳感器概述4.2智能傳感器的功能與特點(diǎn)4.3智能傳感器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)4.4無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用4.5智能模糊傳感器技術(shù)及其應(yīng)用主要內(nèi)容本課件是可編輯的正常PPT課件智能傳感器概述4.1本課件是可編輯的正常PPT課件

智能傳感器(IntelligentSensor或SmartSensor)是指具有信息檢測、信息處理、信息記憶、邏輯思維和判斷功能的傳感器。智能傳感器不僅具有傳統(tǒng)傳感器的各種功能，而且還具有數(shù)據(jù)處理、故障診斷、非線性處理、自校正、自調(diào)整以及人機(jī)通信等多種功能。

智能傳感器是微電子技術(shù)、微型電子計算機(jī)技術(shù)與檢測技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。

4.1

智能傳感器概述4.1.1智能傳感器的定義本課件是可編輯的正常PPT課件智能傳感器是由傳感器和微處理器相結(jié)合而構(gòu)成的，一般由以下幾個部分組成：①一個或多個敏感器件；②微處理器或微控制器；③非易失性可擦寫存儲器；

④雙向數(shù)據(jù)通信的接口；⑤模擬量輸入輸出接口(可選，如A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換)；⑥高效的電源模塊。

其中，微處理器是智能傳感器的核心，圖4.1為典型的智能傳感器結(jié)構(gòu)組成示意圖。

4.1智能傳感器概述4.1.2智能傳感器的構(gòu)成本課件是可編輯的正常PPT課件圖4.1智能傳感器結(jié)構(gòu)組成示意圖

4.1智能傳感器概述本課件是可編輯的正常PPT課件4.1智能傳感器概述4.1.3智能傳感器的關(guān)鍵技術(shù)（1）間接傳感間接傳感是指利用一些容易測得的過程參數(shù)或物理參數(shù)，通過尋找這些過程參量或物理參數(shù)與難以直接檢測的目標(biāo)被測變量的關(guān)系，建立傳感數(shù)學(xué)模型，采用各種計算方法，用軟件實(shí)現(xiàn)待測變量的測量。智能傳感器間接傳感核心在于建立傳感模型。模型可以通過有關(guān)的物理、化學(xué)、生物學(xué)方面的原理方程建立，也可以用模型辨識的方法建立，不同方法在應(yīng)用中各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

①基于工藝機(jī)理的建模方法②基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模方法③混合建模方法本課件是可編輯的正常PPT課件4.1智能傳感器概述（2）線性化校正智能傳感器線性化校正原理框圖如圖4.2所示。其中，傳感器、調(diào)理電路至A/D轉(zhuǎn)換器的輸入x—輸出u特性如圖4.3a所示，微處理器對輸入按圖4.3b進(jìn)行反非線性變換，使其輸入x與輸出y成線性或近似線性關(guān)系，如圖4.3c所示。圖4.2智能傳感器線性化校正原理框圖圖4.3智能傳感器輸入—輸出特性線性化本課件是可編輯的正常PPT課件4.1智能傳感器概述

目前非線性自動校正方法主要有查表法、曲線擬合法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法三種。

查表法：分段線性插值方法。根據(jù)準(zhǔn)確度要求對非線性曲線進(jìn)行分段，

用若干折線逼近非線性曲線。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法：利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來求解反非線性特性擬合多項(xiàng)式的待定系數(shù)。

曲線擬合法：采用行次多項(xiàng)式來逼近反非線性曲線，多項(xiàng)式方程的各個系

數(shù)由最小二乘法確定。曲線擬合法的缺點(diǎn)在于當(dāng)有噪聲存在時，利用最小二乘法原則確定待定系數(shù)時可能會遇到病態(tài)的情況而無法求解。本課件是可編輯的正常PPT課件4.1智能傳感器概述（3）自診斷智能傳感器自診斷技術(shù)俗稱“自檢”，要求對智能傳感器自身各部分，包括軟件資源和硬件資源進(jìn)行檢測，以驗(yàn)證傳感器能否正常工作，并提示相關(guān)信息。傳感器故障診斷是智能傳感器自檢的核心內(nèi)容之一，自診斷程序應(yīng)判斷傳感器是否有故障，并實(shí)現(xiàn)故障定位、判別故障類型，以便后續(xù)操作中采取相應(yīng)的對策。對傳感器進(jìn)行故障診斷主要以傳感器的輸出為基礎(chǔ)，一般有硬件冗余診斷法、基于數(shù)學(xué)模型的診斷法、基于信號處理的診斷法和基于人工智能的故障診斷法等。本課件是可編輯的正常PPT課件4.1智能傳感器概述（4）動態(tài)特性校正在智能傳感器中，對傳感器進(jìn)行動態(tài)校正的方法大多是用一個附加的校正環(huán)節(jié)與傳感器相連(見圖4.4)，使合成的總傳遞函數(shù)達(dá)到理想或近乎理想（滿足準(zhǔn)確度要求）狀態(tài)。主要方法有：①用低階微分方程表示傳感器動態(tài)特性

②按傳感器的實(shí)際特性建立補(bǔ)償環(huán)節(jié)圖4.4動態(tài)校正原理示意圖本課件是可編輯的正常PPT課件4.1智能傳感器概述（5）自校準(zhǔn)與自適應(yīng)量程①自校準(zhǔn)自校準(zhǔn)在一定程度上相當(dāng)于每次測量前的重新定標(biāo)，以消除傳感器的系統(tǒng)漂移。自校準(zhǔn)可以采用硬件自校準(zhǔn)、軟件自校準(zhǔn)和軟硬件結(jié)合的方法。智能傳感器的自校準(zhǔn)過程通常分為以下三個步驟：a.校零。輸入信號的零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值，進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)；b.校準(zhǔn)輸入信號標(biāo)準(zhǔn)值；c.對輸入信號進(jìn)行測量。②自適應(yīng)量程智能傳感器的自適應(yīng)量程，要綜合考慮被測量的數(shù)值范圍，以及對測量準(zhǔn)確度、分辨率的要求等諸因素來確定增益（含衰減）擋數(shù)的設(shè)定和確定切換擋的準(zhǔn)則，這些都依具體問題而定。本課件是可編輯的正常PPT課件4.1智能傳感器概述（6）電磁兼容性傳感器的電磁兼容性是指傳感器在電磁環(huán)境中的適應(yīng)性，即能保持其固有性能，完成規(guī)定功能的能力。一般來說，抑制傳感器電磁干擾可以從減少噪聲信號能量、破壞干擾路徑、提高自身抗干擾能力幾個方面考慮：①電磁屏蔽。屏蔽是抑制干擾耦合的有效途徑，對于不同的干擾場要采取不同的屏蔽方法，并將屏蔽體良好接地。②元器件選用。采用降額原則并選用高精密元器件，以降低元器件本身的熱噪聲，減小傳感器的內(nèi)部干擾。③接地。接地是消除傳導(dǎo)干擾耦合的重要措施。④濾波。濾波器能有效抑制干擾信號。⑤合理設(shè)計電路板。設(shè)計時應(yīng)盡量減少閉合回路所包圍的面積，減少寄生耦合干擾與輻射發(fā)射。本課件是可編輯的正常PPT課件智能傳感器的功能與特點(diǎn)4.2本課件是可編輯的正常PPT課件智能傳感器主要有以下功能：（1）具有自動調(diào)零、自校準(zhǔn)、自標(biāo)定功能。（2）具有邏輯判斷和信息處理功能，能對被測量進(jìn)行信號調(diào)理或信號處理。（3）具有自診斷功能。（4）具有組態(tài)功能，使用靈活。（5）具有數(shù)據(jù)存儲和記憶功能，能隨時存取檢測數(shù)據(jù)。（6）具有雙向通信功能。4.2

智能傳感器的功能與特點(diǎn)4.2.1智能傳感器的功能本課件是可編輯的正常PPT課件與傳統(tǒng)傳感器相比，智能傳感器主要有以下特點(diǎn)：（1）高精度（2）寬量程（3）高信噪比與高分辨力（4）自適應(yīng)能力強(qiáng)（5）高可靠性與高穩(wěn)定性（6）高性價比（7）超小型化、微型化（8）低功耗4.2智能傳感器的功能與特點(diǎn)4.2.2智能傳感器的特點(diǎn)本課件是可編輯的正常PPT課件智能傳感器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)4.3本課件是可編輯的正常PPT課件按照實(shí)現(xiàn)形式，智能傳感器可以分為非集成化智能傳感器、集成化智能傳感器以及混合式智能傳感器三種結(jié)構(gòu)。4.3智能傳感器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)4.3.1非集成化智能傳感器非集成化智能傳感器就是將傳統(tǒng)的經(jīng)典傳感器、信號調(diào)理電路、微處理器以及相關(guān)的輸人輸出接口電路、存儲器等進(jìn)行簡單組合集成而得到的測量系統(tǒng)，如圖4.5所示。圖4.5非集成化智能傳感器框圖本課件是可編輯的正常PPT課件傳感器的集成化實(shí)現(xiàn)技術(shù)，是指以硅材料為基礎(chǔ)，采用微米級的微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝來實(shí)現(xiàn)各種儀表傳感器系統(tǒng)的微米級尺寸化，國外也稱它為專用集成微型傳感技術(shù)。由此制作的智能傳感器的特點(diǎn)是：（1）微型化（2）一體化（3）精度高（4）多功能（5）陣列式（6）使用方便，操作簡單4.3智能傳感器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)4.3.2集成化智能傳感器本課件是可編輯的正常PPT課件根據(jù)需要將系統(tǒng)各個集成化環(huán)節(jié)，如敏感單元、信號調(diào)理電路、微處理器單元、數(shù)字總線接口等，以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上，并封裝在一個外殼里。如圖4.6中所示的幾種方式。

4.3智能傳感器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)4.3.3混合式智能傳感器圖4.6一個封裝中可能的混合集成實(shí)現(xiàn)方式本課件是可編輯的正常PPT課件無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用4.4本課件是可編輯的正常PPT課件（1）概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量依據(jù)特定的通訊協(xié)議，可進(jìn)行相互通信的智能無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，綜合了微型傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理以及集成電路技術(shù)，能夠協(xié)作地實(shí)時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進(jìn)行處理和傳送，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、空間、環(huán)境、醫(yī)療、家庭及商務(wù)等領(lǐng)域具有極其廣泛的應(yīng)用前景。4.4無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用4.4.1無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)本課件是可編輯的正常PPT課件（2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，它對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)提出了新的挑戰(zhàn)，主要的要求有：低能耗、低成本、通用性、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、安全、?shí)時性、以數(shù)據(jù)為中心等。所以，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下主要特點(diǎn)：

①硬件資源有限。

②電源容量有限。

③無中心

④自組織。⑤多跳路由。

⑥動態(tài)拓?fù)洹?.4無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用本課件是可編輯的正常PPT課件（3）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)采用同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖4.7所示，由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、服務(wù)器端的PC和客戶端的PC四大硬件環(huán)節(jié)組成。4.4無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用圖4.7遠(yuǎn)程監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本課件是可編輯的正常PPT課件①傳感器節(jié)點(diǎn)：部署在監(jiān)測區(qū)域(A區(qū))，通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其它節(jié)點(diǎn)逐跳進(jìn)行無線傳輸，經(jīng)過多跳后達(dá)到匯聚節(jié)點(diǎn)(B區(qū))。②匯聚節(jié)點(diǎn)：是一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的組建，再將傳感器節(jié)點(diǎn)無線傳輸進(jìn)來的信息與數(shù)據(jù)通過SCI傳送至服務(wù)器端PC。③服務(wù)器端PC：是一個位于B區(qū)的管理節(jié)點(diǎn)，也是獨(dú)立的Internet網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。④客戶端PC：客戶端PC上無需進(jìn)行任何軟件設(shè)計，在瀏覽器中就可調(diào)用服務(wù)器PC中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測虛擬儀器的前面板，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程異地(c區(qū))對傳感器無線網(wǎng)絡(luò)(A區(qū))的監(jiān)測與管理。4.4無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用本課件是可編輯的正常PPT課件（4）無線傳感節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)無線傳感節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)包括硬件與軟件兩部分，節(jié)點(diǎn)的硬件由信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器及其外圍電路、射頻電路、電源及其電源管理電路組成。節(jié)點(diǎn)的軟件部分主要包括操作系統(tǒng)與協(xié)議實(shí)現(xiàn)。圖4.8為一個典型的無線傳感節(jié)點(diǎn)的組成框圖。4.4無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用圖4.8無線傳感節(jié)點(diǎn)的組成框圖本課件是可編輯的正常PPT課件（4）無線傳感節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)無線傳感節(jié)點(diǎn)在設(shè)計時可采用的微處理器種類較多，常用的有