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機(jī)器人根據(jù)完成任務(wù)的不同，配置的傳感器類型和規(guī)格也不同。本書(shū)在系統(tǒng)闡述現(xiàn)代機(jī)器人常用的各類內(nèi)部傳感器和外部傳感器的原理與應(yīng)用的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)，移動(dòng)機(jī)器人傳感系統(tǒng)，焊接機(jī)器人傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。針對(duì)機(jī)器人所處環(huán)境的不同，詳細(xì)講解了每種機(jī)器人傳感器配置的類型、測(cè)量信息、位置及數(shù)量等內(nèi)容。在具體的應(yīng)用中，詳細(xì)闡述了智能機(jī)器人對(duì)傳感配件的要求，如：傳感器的精度問(wèn)題、傳感器抗干擾能力、傳感器安裝問(wèn)題等。

本書(shū)可供從事機(jī)器人設(shè)計(jì)與制造相關(guān)工作的技術(shù)人員使用，也可供高校機(jī)電一體化、自動(dòng)化和電氣專業(yè)的師生學(xué)習(xí)參考。

1、系統(tǒng)闡述了現(xiàn)代機(jī)器人常用傳感器的原理及應(yīng)用

2、介紹了機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)，移動(dòng)機(jī)器人傳感系統(tǒng)，焊接機(jī)器人傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

3、根據(jù)機(jī)器人所處環(huán)境的不同，詳細(xì)講解了每種機(jī)器人傳感器配置的類型、測(cè)量信息、位置及數(shù)量等內(nèi)容。

4、在具體的應(yīng)用中，詳細(xì)闡述了智能機(jī)器人對(duì)傳感配件的要求。

5、注重多傳感器融合的問(wèn)題。

機(jī)器人是科技發(fā)展的產(chǎn)物，是制造業(yè)走向現(xiàn)代化生產(chǎn)的重要設(shè)備。機(jī)器人自動(dòng)化是一項(xiàng)快速進(jìn)步的技術(shù)，在短短幾十年的時(shí)間里，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)變成工廠里的普通裝置。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，機(jī)器人需要傳感器提供必要的信息，以準(zhǔn)確執(zhí)行相關(guān)操作。據(jù)預(yù)測(cè)，2021年，全球工業(yè)機(jī)器人傳感器市場(chǎng)將以約8%的復(fù)合年增長(zhǎng)率穩(wěn)步增長(zhǎng)。對(duì)于機(jī)器人中傳感器的應(yīng)用，有報(bào)告明確指出，到2027年，視覺(jué)系統(tǒng)將單獨(dú)成就57億美元的市場(chǎng)，力傳感器市場(chǎng)將超過(guò)69億美元。

傳感器是機(jī)器人的感知系統(tǒng)，是機(jī)器人重要的組成部分之一。多種不同功能的傳感器合理地組合在一起，才能為機(jī)器人提供更為詳細(xì)的外界環(huán)境信息，使其在工作時(shí)可以不依賴人的操縱。機(jī)器人感知技術(shù)通過(guò)獲取和分析位置、觸覺(jué)、力覺(jué)、視覺(jué)等傳遞來(lái)的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部環(huán)境和內(nèi)部狀態(tài)的理解，為人機(jī)的智能交互和柔性作業(yè)提供決策依據(jù)。那么機(jī)器人究竟要具備多少種傳感器才能盡可能地做到如人類一樣靈敏呢？機(jī)器人要想接近人類的靈敏度，有8類傳感器至關(guān)重要：視覺(jué)傳感器、聲覺(jué)傳感器、距離傳感器、觸覺(jué)傳感器、接近覺(jué)傳感器、力覺(jué)傳感器、滑覺(jué)傳感器、速度和加速度傳感器，尤其是機(jī)器人的5大感官傳感器是必不可少的。從擬人功能出發(fā)，視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)為重要，相關(guān)的傳感器目前已進(jìn)入實(shí)用階段，但其他的感官，如聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)、滑覺(jué)等對(duì)應(yīng)的傳感器還在進(jìn)一步科研攻關(guān)過(guò)程中。

在眾多的感知系統(tǒng)中，視覺(jué)系統(tǒng)、移動(dòng)機(jī)器人傳感系統(tǒng)、機(jī)器人手眼協(xié)作傳感系統(tǒng)是機(jī)器人傳感系統(tǒng)應(yīng)用為廣泛的感知系統(tǒng)。本書(shū)結(jié)合應(yīng)用實(shí)例，在系統(tǒng)闡述現(xiàn)代機(jī)器人常用傳感器原理與應(yīng)用的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)，移動(dòng)機(jī)器人傳感系統(tǒng)和焊接機(jī)器人傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。針對(duì)機(jī)器人所處環(huán)境的不同，詳細(xì)介紹了每種機(jī)器人傳感器配置的類型、測(cè)量信息、位置及數(shù)量等內(nèi)容，為讀者設(shè)計(jì)類似機(jī)器人傳感系統(tǒng)提供思路。

本書(shū)可供從事機(jī)器人設(shè)計(jì)與制造相關(guān)工作的技術(shù)人員使用，也可供高校機(jī)電一體化、自動(dòng)化和電氣專業(yè)的師生學(xué)習(xí)參考。

本書(shū)由揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)喬玉晶（兼哈爾濱理工大學(xué)智能機(jī)械研究所成員）、哈爾濱理工大學(xué)郭立東、揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)呂寧、揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)張兆東編著。本書(shū)在編寫(xiě)過(guò)程中，得到了領(lǐng)導(dǎo)及同事的大力支持與幫助，在此表示衷心的感謝！

由于水平所限，書(shū)中難免有不足之處，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。



編著者

喬玉晶，哈爾濱理工大學(xué)，教授，科研方向：光電測(cè)試技術(shù)，主要研究基于視覺(jué)的測(cè)量方法與技術(shù)

科研成果：作為主要負(fù)責(zé)人參與國(guó)家自然基金、主持省自然科學(xué)基金一項(xiàng)，主持省教育廳基金二項(xiàng)，均與測(cè)量相關(guān)

教學(xué)：主講課程本科課程《機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)》、《單片機(jī)原理與應(yīng)用》，研究生課程《現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)》，并作為課程負(fù)責(zé)人建設(shè)《機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)》的線上課程，已在平臺(tái)應(yīng)用。

第1章機(jī)器人與傳感器 001

1.1機(jī)器人系統(tǒng)的構(gòu)成 001

1.2機(jī)器人的感覺(jué) 002

1.3機(jī)器人傳感器及其分類 003

1.4多傳感器的信息融合 006

1.5機(jī)器人傳感器參數(shù)及性能指標(biāo) 007

1.5.1機(jī)器人傳感器的參數(shù) 007

1.5.2機(jī)器人傳感器常用參數(shù)的性能指標(biāo) 007



第2章機(jī)器人內(nèi)部傳感器 010

2.1位置檢測(cè)傳感器 010

2.1.1限位開(kāi)關(guān) 011

2.1.2光電開(kāi)關(guān) 012

2.1.3電位計(jì)式傳感器 014

2.1.4編碼器 015

2.2速度和加速度傳感器 021

2.2.1測(cè)速發(fā)電機(jī) 021

2.2.2加速度傳感器 022

2.2.3陀螺儀 027



第3章機(jī)器人外部傳感器 036

3.1機(jī)器人觸覺(jué)傳感器 036

3.1.1觸覺(jué)傳感器概述 036

3.1.2接觸覺(jué)傳感器 039

3.1.3力覺(jué)傳感器 045

3.1.4壓覺(jué)傳感器 053

3.1.5滑覺(jué)傳感器 055

3.1.6觸覺(jué)傳感器的信號(hào)檢出與重構(gòu) 058

3.2機(jī)器人接近覺(jué)傳感器 063

3.2.1感應(yīng)式接近覺(jué)傳感器 064

3.2.2紅外接近覺(jué)傳感器 067

3.2.3超聲波接近覺(jué)傳感器 068

3.2.4激光接近覺(jué)傳感器 070

3.3其他外傳感器 071

3.3.1機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)傳感器 071

3.3.2機(jī)器人味覺(jué)傳感器 074

3.3.3機(jī)器人嗅覺(jué)傳感器 078



第4章機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng) 081

4.1機(jī)器人視覺(jué)概述 081

4.1.1機(jī)器視覺(jué)基本理論 085

4.1.2成像幾何基礎(chǔ) 086

4.2圖像的獲取和處理技術(shù) 090

4.2.1視覺(jué)模型 090

4.2.2圖像預(yù)處理技術(shù) 095

4.2.3視覺(jué)圖像特征提取 098

4.3機(jī)器人的視覺(jué) 101

4.3.1立體視覺(jué) 101

4.3.2三維形狀信息恢復(fù) 108

4.3.3智能視覺(jué)感知 111

4.4視覺(jué)跟蹤系統(tǒng) 114

4.4.1視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)構(gòu)成 114

4.4.2視覺(jué)跟蹤方法 115



第5章機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng) 117

5.1慣性導(dǎo)航系統(tǒng)常用傳感器 117

5.1.1高度傳感器 117

5.1.2深度傳感器 120

5.1.3多普勒計(jì)程儀 122

5.1.4里程計(jì) 124

5.2慣性導(dǎo)航系統(tǒng) 125

5.2.1平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng) 125

5.2.2捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航 133

5.3衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 140

5.3.1GPS 140

5.3.2GLONASS 142

5.3.3GALILEO 144

5.3.4北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 145

5.4水聲定位系統(tǒng) 146

5.4.1聲吶傳感系統(tǒng) 146

5.4.2長(zhǎng)基線定位 152

5.4.3短基線定位 155

5.4.4超短基線定位 156

5.5視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng) 157

5.5.1SLAM 158

5.5.2VSLAM 162



第6章移動(dòng)機(jī)器人傳感系統(tǒng) 166

6.1BigDog(BigDog四足)機(jī)器人 166

6.1.1BigDog機(jī)器人系統(tǒng)的組成 167

6.1.2BigDog傳感系統(tǒng) 168

6.2Robonaut機(jī)器人 171

6.2.1Robonaut機(jī)器人系統(tǒng)組成 171

6.2.2Robonaut機(jī)器人傳感系統(tǒng) 172

6.3自主移動(dòng)機(jī)器人(AMR) 176

6.3.1AMR定義與類別 177

6.3.2AMR的傳感系統(tǒng) 178



第7章機(jī)器人焊接過(guò)程傳感系統(tǒng) 181

7.1認(rèn)識(shí)焊接機(jī)器人 181

7.1.1焊接機(jī)器人的分類 181

7.1.2焊接機(jī)器人的優(yōu)勢(shì) 184

7.2點(diǎn)焊機(jī)器人 184

7.2.1點(diǎn)焊機(jī)器人的組成 184

7.2.2點(diǎn)焊機(jī)器人的性能要求 184

7.2.3點(diǎn)焊機(jī)器人的技術(shù)特點(diǎn) 184

7.3弧焊機(jī)器人 185

7.3.1弧焊機(jī)器人的組成 185

7.3.2適合弧焊機(jī)器人的焊接方法 185

7.4焊接機(jī)器人的傳感系統(tǒng) 185

7.4.1電弧傳感系統(tǒng) 185

7.4.2超聲波傳感跟蹤系統(tǒng) 187

7.4.3視覺(jué)傳感跟蹤系統(tǒng) 189

7.5焊接機(jī)器人技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 191



參考文獻(xiàn) 193