机器人的感觉
Senses of Robotics
5.1 传感器的种类
5.2 触觉信息的获取
5.3 视觉信息的获取
5.4 距离信息的获取
Senses of Robotics
5.1 传感器的种类
1.传感器的分类
内部传感器：检测机器人本身状态（手臂间角度
等）的传感器。
外部传感器：检测机器人所处环境（是什么物体，
离物体的距离有多远等）及状况（抓取的物体滑落等）
的传感器。
外部传感器分为末端执行器传感器和环境传感器。
末端执行器传感器：主要装在作为末端执行器的
手上，检测处理精巧作业的感觉信息。相当于触觉。
环境传感器：用于识别物体和检测物体与机器人
的距离。相当于视觉。
5.1 传感器的种类
2.内部状态的感觉
（ 1）位置和角度传感器
典型的传感器是电位计。检测的是以电阻中
心为基准位置的移动距离。
E,输入电压
L,最大移动距离触头
X：向 左端移动的距离
E,电阻右侧的输出电压
Senses of Robotics
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5.1 传感器的种类
2.内部状态的感觉
（ 1）位置和角度传感器
另有光电传感器。
Senses of Robotics
5.1 传感器的种类
2.内部状态的感觉
(2)角度传感器：
回转式编码器。
Senses of Robotics
Senses of Robotics
5.1 传感器的种类
3.外部状况的感觉
（ 1）物体识别传感器
典型的是视觉传感器。如摄像机。视觉是利用
光（机器人可用红外线等）的非接触方式。
触觉也能识别物体。机器人可以用触觉传感器
来实现这种机能。
Senses of Robotics
5.1 传感器的种类
3.外部状况的感觉
（ 2）物体探测传感器
视觉传感器是一种识别物体而且知道其存在的
传感器。
例如光电开关。
视觉传感器、光电开关和超声波传感器，即使
物体较远也能探测其存在。
Senses of Robotics
5.1 传感器的种类
3.外部状况的感觉
（ 3）极近物体探测传感器
探测非常近的物体存
在的传感器称为接近传感
器。
Senses of Robotics
5.1 传感器的种类
3.外部状况的感觉
（ 4）距离传感器
摄像机做距离传感器。具体留待 5.4节介绍。
超声波做距离传感器。可用于鱼群探测、金属
内部探伤等方面。
Senses of Robotics
5.1 传感器的种类
3.外部状况的感觉
（ 5）力觉传感器
力觉传感器是检测力和力矩的施加地点大小方
向三个两的传感器。
力的检测主要是用电阻应变片（参看 5.2节）。
Senses of Robotics
5.1 传感器的种类
3.外部状况的感觉
（ 6）其他传感器
利用声波：语音识别传感器。分析振动声音探
测机械故障的点传感器。
热传感器：点检传感器。
通过分析敲打的声音测定果品成熟程度的传感
器。
根据近红外线的糖度吸收程度测定水果甜度的
传感器
Senses of Robotics
5.2 触觉信息的获取
1.接触觉传感器
接触觉传感器：探测是否接触到物体，传感器接
受由于接触产生的柔量。
微动开关：按下开关就能进入电信号的简单机构。
猫胡须传感器：如图 a,b
Senses of Robotics
5.2 触觉信息的获取
2.压觉传感器
压觉传感器：检测物体同手爪间产生的压力和力
以及其分布情况。
利用压电元件或弹簧。
如图是使用弹簧的平
面传感器。
Senses of Robotics
5.2 触觉信息的获取
3.滑觉传感器
滑觉传感器：检测垂直加压力方向的力和位移。
Senses of Robotics
5.2 触觉信息的获取
4.力觉传感器
力觉传感器主要利用电阻
应变片。
原理：金属丝拉伸时电阻
变大。
Senses of Robotics
5.2 触觉信息的获取
图中电压与电流关系：
则：
所以：
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RIIRRV
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R
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Senses of Robotics
5.2 视觉信息的获取
1.PSD（ position sensitive device）传感器
PSD传感器：当光束照射到 1维的线和 2维的平面时，
检测光照射的位置。
L,电极 1与电极 2的距离。
I1：流过电极 1的电流。
I2：流过电极 2的电流。
X：光照射点与电极 1的距离。
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11
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Senses of Robotics
5.3 视觉信息的获取
2.视觉传感器
机器人通过摄像机以图像的形式获得环境的信息。
（ 1） CCD(charge coupled device)传感器。
CCD阵列，二维扫描，对表示灰度的电压采样，
二值数字化处理。每一定时间间隔扫描一遍。
Senses of Robotics
5.3 视觉信息的获取
2.视觉传感器
（ 2）图像的投影。
O,原点，透镜中心。
Z轴：光轴，摄像机的前方。
xy轴：组成图像面。
P点：物体上一点。
p点,P在图像面上的投影。
Z
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Z
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Senses of Robotics
5.3 视觉信息的获取
3.形状传感器
（ 1）利用 CCD摄像机拍摄穿透光。热噪声的干扰。
透明物体不能准确识别。
（ 2）若形状有特征，可用轮廓识别物体。
例：由手印鉴别每个人。
由形状识别机械零件。
Senses of Robotics
5.3 视觉信息的获取
4.光切断传感器
将通过狭缝照射的面状光投射到物体上，再检测
反射光。
α,狭缝光源的俯角。
2d,投射在物体上的两直线光
源间的距离。
LWH:分别是物体的长宽高。
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Senses of Robotics
5.3 视觉信息的获取
θ：物体与传送带所成的角度。
W：物体上照射线的长度。
l：物体在传送带上所占的长度。
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Senses of Robotics
5.3 视觉信息的获取
5.全方位视觉传感器
（ 1）使摄像机回转的方式。
（ 2）带有特殊反射镜的摄像机。（如图）
Senses of Robotics
5.3 视觉信息的获取
5.全方位视觉传感器
镜面方程表达式：
P,空间内一点。
p, P在摄像机上所成的像。
OM：反射镜的一个焦点。
OC：反射镜的另一个焦点。
O,坐标原点。
f, 摄像机透镜的焦距。
α, 直线 OM P的仰角。
γ, 反射镜面反射光的仰角。
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5.3 视觉信息的获取
5.全方位视觉传感器
θ,点 p也是点 P的方位角
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5.4 距离信息的获取
1.双目视觉
由于视差得到距离感觉。
O1,摄像机 1的透镜中心。
O2,摄像机 1的透镜中心。
P,空间一点。
p1, P在摄像机 1上的图像。
p2, P在摄像机 1上的图像。
Senses of Robotics
Senses of Robotics
5.4 距离信息的获取
2.投光法
投光法：采用主动光照射对象物体，用摄像机把
照射点捕捉到图像上，再用三角测量算出距离。
例：测距计：一种把双目视觉一侧的摄像机置换成投光机的装置。一般以激光为光源。
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5.4 距离信息的获取
2.投光法
（ 1）点光源
θ,激光的照射角度。
d,透镜中心同光源间的距离 。
XYZ:P的三维位置。
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5.4 距离信息的获取
2.投光法
（ 2）狭缝光,
原理如 5.3.4节
（ 3）符号化光：
如图
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5.1 传感器的种类
5.2 触觉信息的获取
5.3 视觉信息的获取
5.4 距离信息的获取
Senses of Robotics
5.1 传感器的种类
1.传感器的分类
内部传感器：检测机器人本身状态（手臂间角度
等）的传感器。
外部传感器：检测机器人所处环境（是什么物体，
离物体的距离有多远等）及状况（抓取的物体滑落等）
的传感器。
外部传感器分为末端执行器传感器和环境传感器。
末端执行器传感器：主要装在作为末端执行器的
手上，检测处理精巧作业的感觉信息。相当于触觉。
环境传感器：用于识别物体和检测物体与机器人
的距离。相当于视觉。
5.1 传感器的种类
2.内部状态的感觉
（ 1）位置和角度传感器
典型的传感器是电位计。检测的是以电阻中
心为基准位置的移动距离。
E,输入电压
L,最大移动距离触头
X：向 左端移动的距离
E,电阻右侧的输出电压
Senses of Robotics
E
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5.1 传感器的种类
2.内部状态的感觉
（ 1）位置和角度传感器
另有光电传感器。
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5.1 传感器的种类
2.内部状态的感觉
(2)角度传感器：
回转式编码器。
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Senses of Robotics
5.1 传感器的种类
3.外部状况的感觉
（ 1）物体识别传感器
典型的是视觉传感器。如摄像机。视觉是利用
光（机器人可用红外线等）的非接触方式。
触觉也能识别物体。机器人可以用触觉传感器
来实现这种机能。
Senses of Robotics
5.1 传感器的种类
3.外部状况的感觉
（ 2）物体探测传感器
视觉传感器是一种识别物体而且知道其存在的
传感器。
例如光电开关。
视觉传感器、光电开关和超声波传感器，即使
物体较远也能探测其存在。
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5.1 传感器的种类
3.外部状况的感觉
（ 3）极近物体探测传感器
探测非常近的物体存
在的传感器称为接近传感
器。
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5.1 传感器的种类
3.外部状况的感觉
（ 4）距离传感器
摄像机做距离传感器。具体留待 5.4节介绍。
超声波做距离传感器。可用于鱼群探测、金属
内部探伤等方面。
Senses of Robotics
5.1 传感器的种类
3.外部状况的感觉
（ 5）力觉传感器
力觉传感器是检测力和力矩的施加地点大小方
向三个两的传感器。
力的检测主要是用电阻应变片（参看 5.2节）。
Senses of Robotics
5.1 传感器的种类
3.外部状况的感觉
（ 6）其他传感器
利用声波：语音识别传感器。分析振动声音探
测机械故障的点传感器。
热传感器：点检传感器。
通过分析敲打的声音测定果品成熟程度的传感
器。
根据近红外线的糖度吸收程度测定水果甜度的
传感器
Senses of Robotics
5.2 触觉信息的获取
1.接触觉传感器
接触觉传感器：探测是否接触到物体，传感器接
受由于接触产生的柔量。
微动开关：按下开关就能进入电信号的简单机构。
猫胡须传感器：如图 a,b
Senses of Robotics
5.2 触觉信息的获取
2.压觉传感器
压觉传感器：检测物体同手爪间产生的压力和力
以及其分布情况。
利用压电元件或弹簧。
如图是使用弹簧的平
面传感器。
Senses of Robotics
5.2 触觉信息的获取
3.滑觉传感器
滑觉传感器：检测垂直加压力方向的力和位移。
Senses of Robotics
5.2 触觉信息的获取
4.力觉传感器
力觉传感器主要利用电阻
应变片。
原理：金属丝拉伸时电阻
变大。
Senses of Robotics
5.2 触觉信息的获取
图中电压与电流关系：
则：
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Senses of Robotics
5.2 视觉信息的获取
1.PSD（ position sensitive device）传感器
PSD传感器：当光束照射到 1维的线和 2维的平面时，
检测光照射的位置。
L,电极 1与电极 2的距离。
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5.3 视觉信息的获取
2.视觉传感器
机器人通过摄像机以图像的形式获得环境的信息。
（ 1） CCD(charge coupled device)传感器。
CCD阵列，二维扫描，对表示灰度的电压采样，
二值数字化处理。每一定时间间隔扫描一遍。
Senses of Robotics
5.3 视觉信息的获取
2.视觉传感器
（ 2）图像的投影。
O,原点，透镜中心。
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xy轴：组成图像面。
P点：物体上一点。
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5.3 视觉信息的获取
3.形状传感器
（ 1）利用 CCD摄像机拍摄穿透光。热噪声的干扰。
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例：由手印鉴别每个人。
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Senses of Robotics
5.3 视觉信息的获取
4.光切断传感器
将通过狭缝照射的面状光投射到物体上，再检测
反射光。
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2d,投射在物体上的两直线光
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5.全方位视觉传感器
（ 1）使摄像机回转的方式。
（ 2）带有特殊反射镜的摄像机。（如图）
Senses of Robotics
5.3 视觉信息的获取
5.全方位视觉传感器
镜面方程表达式：
P,空间内一点。
p, P在摄像机上所成的像。
OM：反射镜的一个焦点。
OC：反射镜的另一个焦点。
O,坐标原点。
f, 摄像机透镜的焦距。
α, 直线 OM P的仰角。
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5.3 视觉信息的获取
5.全方位视觉传感器
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5.4 距离信息的获取
1.双目视觉
由于视差得到距离感觉。
O1,摄像机 1的透镜中心。
O2,摄像机 1的透镜中心。
P,空间一点。
p1, P在摄像机 1上的图像。
p2, P在摄像机 1上的图像。
Senses of Robotics
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5.4 距离信息的获取
2.投光法
投光法：采用主动光照射对象物体，用摄像机把
照射点捕捉到图像上，再用三角测量算出距离。
例：测距计：一种把双目视觉一侧的摄像机置换成投光机的装置。一般以激光为光源。
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5.4 距离信息的获取
2.投光法
（ 1）点光源
θ,激光的照射角度。
d,透镜中心同光源间的距离 。
XYZ:P的三维位置。
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