机器人周边传感器浅析

1.一般触觉传感器

 

一般触觉传感器只用于感受有无接触，实际上是对正压力敏感的传感器。

 

触觉传感器应具有以下特征：

①空间分辨率为1-2mm；

②阵列尺寸为每个指尖有 个接触敏感点（人的指

尖有个接触敏感点）；

③每个力敏元件的阀值灵敏度为 ；

④稳定性、线性度和重复性好；

⑤采取样率 ；

⑥价廉、结实、类似皮肤。

 

 

图1 机械手常用的机械开关型触觉传感器

 

（1）机械开关

如图1所示是机械手常用的机械开关型触觉传感器。当外力P超过某一临界值时，球形罩塌陷（咔嗒声），外力消失，罩又恢复它的形状，用球形罩制成的触觉传感器，增压流体或气体给开关施加背压，从而调整开关阀值。金属薄片为全部开关的一个共用电极连线，当压力超过阀值，球形罩塌陷，形成两个电极相连的回路。

 

（2）压阻

导电合成橡胶是在硅橡胶中加导电颗粒或半导体材料（如银或碳）构成的导电材料。这种导电橡胶，加压时其体电阻的变化很小，但接触面积和接触电阻都睡外力大小而变化。隔离器为用尼龙材料编织的网，未加力时，无接触点，电阻为无穷大（图2）。

如图3所示，在一定阀值力的作用下，导电合成橡胶因隔离器被压扁，电阻减小。

 

如图4所示，增大压力，接触面积增大，电阻进一步减小。

 

（3）碳毡和碳纤维

碳毡传感器是在两个极板间加入碳毡或碳纤维，从而构成压阻传感器。当负载增加，碳纤维被挤压，导致更多的电接触，使电阻减小。

 

（4）磁阻

在霍尔效应作用下，流过半导体的载流小，当磁阻强度增大时，偏移现象严重，导致其电阻受外磁场的影响，这就是磁阻效应。如图5所示为磁阻式触觉传感器。

 

磁阻式触觉传感器在硅橡胶中，放置磁偶极子阵列，每个磁偶极子下放置有四个铍莫合金磁阻传感器。铍莫合金是含19%铁和81%镍的合金，有很强的磁阻效应。当外加载荷时，橡胶发生变形，磁偶极子靠近传感器，磁感发生变化，磁阻传感器检测到信号。

 

图2 未加力时的导电合成橡胶

 

 

图3 在一定阀值力的作用下的导电合成橡胶

 

 

图4 增大压力时的导电合成橡胶

 

 

图5 磁阻式触觉传感器

 

 

图6 柔性薄层触觉传感器

 

 

图7 腕力传感器

 

2.柔性触觉传感器

柔性聚氨基甲酸酯泡沫材料可用于设计柔性触觉传感器。如图6所示，泡沫材料用硅橡胶薄层覆盖，导电橡胶应变计置于薄层下面，变形时，导电橡胶发生拉伸或压缩变形。

 

3.腕力传感器

腕力传感器安装在机器人末端和末端执行器之间，用于测量三维力和力矩。图7所示为腕力传感器，它通常比较小，两面为连接法兰，为整体铝材制造。典型的腕力传感器为直径 100mm，厚30mm，重340g。

 

4.超声波传感器

超声波传感器是利用超声波的特性，实现自动检测的测量元件。声波是一种机械波。声的发生是由于发声体的机械振动，引起周围弹性介质中质点的振动由近及远的传播，这就是声波。人耳所能听闻的声波其频率在20-20 000 Hz之间，频率在20-20000 Hz以外的声波不能引起声音的感觉。频率超过20 000 Hz的叫做超声波，频率低于20 Hz的叫做次声波。超声波的频率可以高达1011 Hz，而次声波的频率可以低达10-8 Hz。

 

1）压电式超声波发生器

压电式超声波发生器就是利用压电晶体的电致伸缩现象制成的。常用的压电材料为石英晶体、压电陶瓷锆钛酸铅等。在压电材料切片上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波。

 

压电材料的固有频率与晶体片厚度d有关，即

 

 

式中，n=1，2，3，…是谐波的级数；c为波在压电材料里的传播速度(纵波)；

 

 

式中，E为杨氏模量； 为压电材料的密度。

对于石英晶体

E=7.70×1010Ｎ/m

ρ = 2654kg/m3

 

对于锆钛酸铅

E=8.300×1010Ｎ/m

ρ = 7400kg/m3

 

因此，压电材料的固有频率为

 

 

根据共振原理，当外加交变电压频率等于晶片的固有频率时，产生共振，这时产生的超声波最强。压电式超声波发生器可以产生几十kHz到几十MHz的高频超声波，其声强可达几十W／cm2。

 

2）磁致伸缩超声波发生器

铁磁性物质在交变的磁场中，在顺着磁场方向产生伸缩的现象，叫做磁致伸缩效应。

磁致伸缩效应的大小，即伸长缩短的程度，不同的铁磁物质其情况不相同。镍的磁致伸缩效应最大，它在一切磁场中都是缩短的。如果先加一定的直流磁场，再加以交流电时，它可工作在特性最好的区域。

磁致伸缩超声波发生器把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化，即机械振动，从而产生超声波。

磁致伸缩超声波发生器是用厚度为0.1-0.4 mm的镍片叠加而成的，片间绝缘以减少涡流电流损失。其结构形状有矩形、窗口形等，如图8所示。

 

超声波发生器的机械振动固有频率的表达式与压电式的相同，即

 

 

如果振动器是自由的，则n=l，2，3，…，如果

振动器的中间部分固定，则n=1，3，5，…。

磁致伸缩超声波发生器的材料，除镍外，还有铁钻钒合金(铁49 %，钴49 %，钒2 %)和含锌、镍的铁氧体。

 

磁致伸缩超声波发生器只能用在几万Hz的频率范围以内，但功率可达十万W，声强可达几千W／cm2，能耐较高的温度。

 

为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。可以利用超声波传感器来设计三方向（前、左、右）的超声波测距电路，为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境提供一个运动距离信息。

 

在机器人控制系统中，可用时间差测距法进行距离的测量，具体原理是：超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340 m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即：

 

s = 340t / 2 （5）