机器人感知系统设计及应用

机器人是科技发展的产物，是制造业走向现代化生产的重要设备。机器人自动化是一项快速进步的技术，在短短几十年的时间里，工业机器人已经在全世界范围内变成工厂里的普通装置。在工业自动化领域，机器人需要传感器提供必要的信息，以准确执行相关操作。据预测，2021年，全球工业机器人传感器市场将以约8%的复合年增长率稳步增长。对于机器人中传感器的应用，有报告明确指出，到2027年，视觉系统将单独成就57亿美元的市场，力传感器市场将超过69亿美元。

传感器是机器人的感知系统，是机器人重要的组成部分之一。多种不同功能的传感器合理地组合在一起，才能为机器人提供更为详细的外界环境信息，使其在工作时可以不依赖人的操纵。机器人感知技术通过获取和分析位置、触觉、力觉、视觉等传递来的信息，实现对外部环境和内部状态的理解，为人机的智能交互和柔性作业提供决策依据。那么机器人究竟要具备多少种传感器才能尽可能地做到如人类一样灵敏呢？机器人要想接近人类的灵敏度，有8类传感器至关重要：视觉传感器、声觉传感器、距离传感器、触觉传感器、接近觉传感器、力觉传感器、滑觉传感器、速度和加速度传感器，尤其是机器人的5大感官传感器是必不可少的。从拟人功能出发，视觉、力觉、触觉为重要，相关的传感器目前已进入实用阶段，但其他的感官，如听觉、嗅觉、味觉、滑觉等对应的传感器还在进一步科研攻关过程中。

在众多的感知系统中，视觉系统、移动机器人传感系统、机器人手眼协作传感系统是机器人传感系统应用为广泛的感知系统。本书结合应用实例，在系统阐述现代机器人常用传感器原理与应用的基础上，重点介绍了机器人视觉系统、导航系统，移动机器人传感系统和焊接机器人传感系统设计的方法。针对机器人所处环境的不同，详细介绍了每种机器人传感器配置的类型、测量信息、位置及数量等内容，为读者设计类似机器人传感系统提供思路。

本书可供从事机器人设计与制造相关工作的技术人员使用，也可供高校机电一体化、自动化和电气专业的师生学习参考。

本书由扬州市职业大学乔玉晶（兼哈尔滨理工大学智能机械研究所成员）、哈尔滨理工大学郭立东、扬州市职业大学吕宁、扬州市职业大学张兆东编著。本书在编写过程中，得到了领导及同事的大力支持与帮助，在此表示衷心的感谢！

由于水平所限，书中难免有不足之处，恳请读者批评指正。

编著者

机器人根据完成任务的不同，配置的传感器类型和规格也不同。本书在系统阐述现代机器人常用的各类内部传感器和外部传感器的原理与应用的基础上，重点介绍了机器人视觉系统、导航系统，移动机器人传感系统，焊接机器人传感系统的设计方法。针对机器人所处环境的不同，详细讲解了每种机器人传感器配置的类型、测量信息、位置及数量等内容。在具体的应用中，详细阐述了智能机器人对传感配件的要求，如：传感器的精度问题、传感器抗干扰能力、传感器安装问题等。

本书可供从事机器人设计与制造相关工作的技术人员使用，也可供高校机电一体化、自动化和电气专业的师生学习参考。

机器人根据完成任务的不同，配置的传感器类型和规格也不同。本书在系统阐述现代机器人常用的各类内部传感器和外部传感器的原理与应用的基础上，重点介绍了机器人视觉系统、导航系统，移动机器人传感系统，焊接机器人传感系统的设计方法。针对机器人所处环境的不同，详细讲解了每种机器人传感器配置的类型、测量信息、位置及数量等内容。在具体的应用中，详细阐述了智能机器人对传感配件的要求，如：传感器的精度问题、传感器抗干扰能力、传感器安装问题等。

本书可供从事机器人设计与制造相关工作的技术人员使用，也可供高校机电一体化、自动化和电气专业的师生学习参考。

乔玉晶，哈尔滨理工大学，教授，科研方向：光电测试技术，主要研究基于视觉的测量方法与技术

科研成果：作为主要负责人参与国家自然基金、主持省自然科学基金一项，主持省教育厅基金二项，均与测量相关

教学：主讲课程本科课程《机械工程测试技术基础》、《单片机原理与应用》，研究生课程《现代测控技术》，并作为课程负责人建设《机械工程测试技术基础》的线上课程，已在平台应用。

第1章机器人与传感器  001

1.1机器人系统的构成  001

1.2机器人的感觉  002

1.3机器人传感器及其分类  003

1.4多传感器的信息融合  006

1.5机器人传感器参数及性能指标  007

1.5.1机器人传感器的参数  007

1.5.2机器人传感器常用参数的性能指标  007

第2章机器人内部传感器  010

2.1位置检测传感器  010

2.1.1限位开关  011

2.1.2光电开关  012

2.1.3电位计式传感器  014

2.1.4编码器  015

2.2速度和加速度传感器  021

2.2.1测速发电机  021

2.2.2加速度传感器  022

2.2.3陀螺仪  027

第3章机器人外部传感器  036

3.1机器人触觉传感器  036

3.1.1触觉传感器概述  036

3.1.2接触觉传感器  039

3.1.3力觉传感器  045

3.1.4压觉传感器  053

3.1.5滑觉传感器  055

3.1.6触觉传感器的信号检出与重构  058

3.2机器人接近觉传感器  063

3.2.1感应式接近觉传感器  064

3.2.2红外接近觉传感器  067

3.2.3超声波接近觉传感器  068

3.2.4激光接近觉传感器  070

3.3其他外传感器  071

3.3.1机器人听觉传感器  071

3.3.2机器人味觉传感器  074

3.3.3机器人嗅觉传感器  078

第4章机器人视觉系统  081

4.1机器人视觉概述  081

4.1.1机器视觉基本理论  085

4.1.2成像几何基础  086

4.2图像的获取和处理技术  090

4.2.1视觉模型  090

4.2.2图像预处理技术  095

4.2.3视觉图像特征提取  098

4.3机器人的视觉  101

4.3.1立体视觉  101

4.3.2三维形状信息恢复  108

4.3.3智能视觉感知  111

4.4视觉跟踪系统  114

4.4.1视觉跟踪系统构成  114

4.4.2视觉跟踪方法  115

第5章机器人导航系统  117

5.1惯性导航系统常用传感器  117

5.1.1高度传感器  117

5.1.2深度传感器  120

5.1.3多普勒计程仪  122

5.1.4里程计  124

5.2惯性导航系统  125

5.2.1平台式惯性导航系统  125

5.2.2捷联式惯性导航  133

5.3卫星导航系统  140

5.3.1GPS  140

5.3.2GLONASS  142

5.3.3GALILEO  144

5.3.4北斗卫星导航系统  145

5.4水声定位系统  146

5.4.1声呐传感系统  146

5.4.2长基线定位  152

5.4.3短基线定位  155

5.4.4超短基线定位  156

5.5视觉导航系统  157

5.5.1SLAM  158

5.5.2VSLAM  162

第6章移动机器人传感系统  166

6.1BigDog(BigDog四足)机器人  166

6.1.1BigDog机器人系统的组成  167

6.1.2BigDog传感系统  168

6.2Robonaut机器人  171

6.2.1Robonaut机器人系统组成  171

6.2.2Robonaut机器人传感系统  172

6.3自主移动机器人(AMR)  176

6.3.1AMR定义与类别  177

6.3.2AMR的传感系统  178

第7章机器人焊接过程传感系统  181

7.1认识焊接机器人  181

7.1.1焊接机器人的分类  181

7.1.2焊接机器人的优势  184

7.2点焊机器人  184

7.2.1点焊机器人的组成  184

7.2.2点焊机器人的性能要求  184

7.2.3点焊机器人的技术特点  184

7.3弧焊机器人  185

7.3.1弧焊机器人的组成  185

7.3.2适合弧焊机器人的焊接方法  185

7.4焊接机器人的传感系统  185

7.4.1电弧传感系统  185

7.4.2超声波传感跟踪系统  187

7.4.3视觉传感跟踪系统  189

7.5焊接机器人技术未来发展趋势  191

参考文献  193

机器人根据完成任务的不同，配置的传感器类型和规格也不同。本书在系统阐述现代机器人常用的各类内部传感器和外部传感器的原理与应用的基础上，重点介绍了机器人视觉系统、导航系统，移动机器人传感系统，焊接机器人传感系统的设计方法。针对机器人所处环境的不同，详细讲解了每种机器人传感器配置的类型、测量信息、位置及数量等内容。在具体的应用中，详细阐述了智能机器人对传感配件的要求，如：传感器的精度问题、传感器抗干扰能力、传感器安装问题等。

本书可供从事机器人设计与制造相关工作的技术人员使用，也可供高校机电一体化、自动化和电气专业的师生学习参考。

乔玉晶，哈尔滨理工大学，教授，科研方向：光电测试技术，主要研究基于视觉的测量方法与技术

科研成果：作为主要负责人参与国家自然基金、主持省自然科学基金一项，主持省教育厅基金二项，均与测量相关

教学：主讲课程本科课程《机械工程测试技术基础》、《单片机原理与应用》，研究生课程《现代测控技术》，并作为课程负责人建设《机械工程测试技术基础》的线上课程，已在平台应用。