探討傳感器在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用

在工業(yè)自動化領(lǐng)域，機(jī)器需要傳感器提供必要的信息，以正確執(zhí)行相關(guān)的操作。機(jī)器人已經(jīng)開始應(yīng)用大量的傳感器以提高適應(yīng)能力。絕大多數(shù)智能機(jī)器人的外部傳感器,可以大致分為觸覺傳感器,接近傳感器、力學(xué)傳感器,以及視覺、滑覺、熱覺等多種類型的傳感器。例如有很多的協(xié)作機(jī)器人集成了力矩傳感器和攝像機(jī)，以確保在操作中擁有更好的視角，同時保證工作區(qū)域的安全等。

用于避障的傳感器

避障可以說是各種機(jī)器人最基本的功能，不然機(jī)器人一走動就碰到花花草草就不好了。機(jī)器人并不一定要通過視覺感知自己前方是否有障礙物，它們也可以通過觸覺或像蝙蝠那樣通過聲波感知。因此，檢測機(jī)器人前方是否存在障礙物的傳感器，可以分為接觸式和非接觸式的。

最典型的接觸式測障傳感器便是碰撞開關(guān)。碰撞開關(guān)的工作原理非常簡單，完全依靠內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)來完成電路的導(dǎo)通和中斷。

在機(jī)器人上的用法多數(shù)是將探測臂加長，擴(kuò)大探測范圍和靈敏度。當(dāng)機(jī)器人撞到前面的障礙物，碰撞開關(guān)的信號端便可返回一個高電平，控制芯片由此可以知道小車面前存在著障礙物。

非接觸式測障開關(guān)一般的工作原理與聲納和雷達(dá)相似，發(fā)射聲波或某種射線，遇到障礙物，聲波或射線被反射回來，并被傳感器接收，這時傳感器就認(rèn)為發(fā)現(xiàn)了障礙物。我們最常用的便是發(fā)射和接收紅外線的傳感器。

紅外測障傳感器成本較低（當(dāng)然比碰撞開關(guān)還是要高一點），電路簡單，檢測范圍大。如果在電路中加上一個電位器，就可以隨時調(diào)節(jié)傳感器的檢測范圍。這種檢測方式為非接觸式，控制起來更加方便、靈活。但這種測障方式也有缺點，多個紅外傳感器之間容易互相干擾，因此在傳感器的布局上需要多花心思，安裝位置也要盡可能地避免紅外信號的碰撞。

用于測距的傳感器

機(jī)器人光知道哪個方向有障礙物并不夠，還必須知道障礙物距離自己具體有多遠(yuǎn)，才好判斷下一步的行動。這時我們就需要測距傳感器。

測距傳感器大多為非接觸式的，目前在個人機(jī)器人制作領(lǐng)域用得比較多的是紅外和超聲波測距傳感器兩種。

提到紅外測距傳感器， 就不能不提夏普的GP2D12紅外測距傳感器。GP2D12幾乎可以說是機(jī)器人愛好者的必備傳感器，在我們平時?？吹降囊恍﹤€人機(jī)器人作品中，絕大多數(shù)都可以看到它的身影。

這種傳感器的優(yōu)點是體積小，測量準(zhǔn)確，電源電壓與輸出信號都較常規(guī)，一般單片機(jī)系統(tǒng)都可直接使用，缺點是成本較高，購買途徑較少。

超聲波測距傳感器也是一種很常見的測距傳感器，依靠超聲波的發(fā)射與反射接收中的時間差來判斷距離，這和動物界的蝙蝠是一樣的，算是仿生學(xué)的一項應(yīng)用。

超聲波測距傳感器規(guī)格很多，測試距離也從遠(yuǎn)到近都有，價格相差也較大，一般機(jī)器人愛好者使用的是測量范圍在幾厘米到幾米的。

超聲波測距的優(yōu)點在于測量范圍較大且不使用光學(xué)信號，所以被測物體的顏色對于測量結(jié)果沒有影響，但其成本較高。由于它依靠聲速測距，所以對于一些影響聲速的因素較敏感，比如溫度、風(fēng)速等，而且最大允許角度較小。

用于亮度判斷的傳感器。

很多朋友制作的機(jī)器人都需要判斷環(huán)境光的亮度，這時就需要亮度傳感器。最常用的便是光敏電阻。光敏電阻是一種隨著照射在上面的可見光強(qiáng)度變化而阻值發(fā)生相應(yīng)變化的電阻，可以根據(jù)其阻值的變化判斷出光強(qiáng)。

光敏電阻的使用也非常簡單，只要將它當(dāng)作普通電阻接入電路，根據(jù)電流變化便可得出電阻值的變化，進(jìn)而判斷出光強(qiáng)的變化。對于機(jī)器人制作，光敏電阻是一種成本低廉、可靠性好、測量準(zhǔn)確的元件。

用于測量速度的傳感器

機(jī)器人自身的行走速度對于判斷機(jī)器人運動狀態(tài)和機(jī)器人所在位置非常重要，這里我們主要討論一下對機(jī)器人小車運動速度的測量。

車型機(jī)器人依靠電機(jī)驅(qū)動輪子來運動，因此測量機(jī)器人小車的速度可以歸結(jié)為測量驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速。那么怎么測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速呢？測量電機(jī)轉(zhuǎn)速有很多種方法，比較適合個人機(jī)器人愛好者的是采用光電編碼器。光電編碼器也有很多種，在個人機(jī)器人上比較常見的有兩種，一種為反射式，一種為透射式。

反射式的基本結(jié)構(gòu)是在電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上加一個圓形的黑白相間碼盤，很多都是粘在輪子上的，離碼盤很近的地方固定一個紅外發(fā)射/接收一體模塊，利用黑白色對紅外線的吸收率不同來進(jìn)行判斷。紅外線照射到黑色部分時，大部分被吸收，而無反射信號；紅外線照射到白色部分時，大部分紅外線被反射回來，而產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射信號。當(dāng)碼盤隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，紅外接收端的輸出信號便是一個由旋轉(zhuǎn)速度決定頻率的方波，進(jìn)而我們便可知道此時電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。

透射式檢測原理與反射式相似。唯一的不同是它沒有圖9中黑白相間的碼盤，而是在光柵圓盤上開了一圈小孔，紅外線或可見光的發(fā)射端與檢測端分別位于光柵圓盤的兩側(cè)，同樣利用光柵圓盤旋轉(zhuǎn)后產(chǎn)生的脈沖信號來檢測電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。

從本質(zhì)上來說，兩種傳感器都屬于光電傳感器，這類傳感器價格便宜、結(jié)構(gòu)可靠、檢測結(jié)果準(zhǔn)確，不過對于安裝位置要求較高。

檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速，除了光電傳感器之外，還有一些利用磁效應(yīng)原理的傳感器，汽車上經(jīng)常使用這種傳感器。