1)設定位置和設定角度的檢測

設定位置和設定角度的檢測主要用于機器人運動(dòng)關(guān)節的零位和極限位置的檢測。零位是機器人關(guān)節運動(dòng)開(kāi)始時(shí)的位置，零位檢測精度直接影響機器人運動(dòng)的 準確度。極限位置是指機器人關(guān)節動(dòng)作范圍的起止點(diǎn)，所以極限位置的檢測起著(zhù) 保護機器人和安全動(dòng)作的重要作用。

Z常用的位置傳感器是微動(dòng)行程開(kāi)關(guān)，它由微型開(kāi)關(guān)、操作機構(撞頭或推桿) 組成。它安裝在動(dòng)作范圍兩端的極限位置上，當裝在機器人運動(dòng)部件上的擋塊移 動(dòng)到某一極限位置時(shí)，觸動(dòng)操作機構的撞頭或推桿，使微型開(kāi)關(guān)的觸頭閉合或斷 開(kāi)，即可獲得位置的電信號。微動(dòng)行程開(kāi)關(guān)是一種既簡(jiǎn)單又可靠的檢測傳感器。 也可以用非接觸型的光電開(kāi)關(guān)作位置傳感器，其工作原理與微動(dòng)行程開(kāi)關(guān)相同，區 別 在 于 它 是 利 用 光 敏 斷 流 器 來(lái) 代 替 微 型 開(kāi) 關(guān) 的 。 把 發(fā) 光 二 極 管 和 光 敏 三 極 管 在 相對方向中間隔開(kāi)一段距離安裝，當裝有擋塊的機器人 運動(dòng)部件從中間穿過(guò)時(shí)，發(fā)光管的光線(xiàn)被隔斷，從而使 光敏管感受到電信號，如圖4-1-1所示。

除此之外還有很多其他原理的傳感器，例如電感 式、電容式、磁電式、霍爾器件等也都能實(shí)現非接觸的 接近開(kāi)關(guān)，從而構成位置傳感器。實(shí)際工作中可以從 價(jià)格成本、安裝尺寸、測量精度、工作環(huán)境條件等各方 面因素來(lái)進(jìn)行選擇。

2)位移和角度的測量

位移傳感器一般都安裝在機器人的關(guān)節上，用來(lái)檢測機器人各關(guān)節的位移量。作為機器人的位姿信息，它分為直線(xiàn)位移和轉角位移兩種， 一般直線(xiàn)移動(dòng)關(guān)節用線(xiàn)位移傳感器，旋轉關(guān) 節轉角用角位移傳感器來(lái)測量。前者有直線(xiàn)電位計和容柵式位移傳感器等，后者 有旋轉電位計、旋轉變壓器、光電編碼器等。 一般來(lái)說(shuō)，角位移傳感器比線(xiàn)位移傳 感器的體積小，安裝方便，所以也可以通過(guò)機械運動(dòng)轉換機構將所需測量的直線(xiàn)運 動(dòng)位移變?yōu)樾�轉運動(dòng)位移后，用角位移傳感器進(jìn)行測量。

從測量的方法看， 一種是模擬式，即將要測的位移量變換成模擬量(電流、電 壓、電阻等)進(jìn)行測量。這種檢測所用元件的成本較低，使用條件不嚴格，像電位器 等；另一種是數字式，即將位移量變換成脈沖，每個(gè)脈沖與單位位移相對應，檢測元 件輸出脈沖數的數字量。這樣易與計算機相連接，可存儲、運算和控制，但制造安 裝的精度較高。

旋轉運動(dòng)是除直線(xiàn)運動(dòng)以外的Z主要的傳動(dòng)方式，因此用于測量角位移的傳感 器在移動(dòng)機器人學(xué)中也有Z廣泛的應用。接下來(lái)介紹幾種Z常用的角位移傳感器。

(1)光學(xué)編碼器：

光學(xué)編碼器已經(jīng)成為在電機驅動(dòng)內部、輪軸、或在操縱機構上測量角速度和角 位移的Z普及的裝置。在移動(dòng)機器人學(xué)中，用編碼器測量位置或輪子的速度，或其 他電機驅動(dòng)的關(guān)節。因為這些傳感器是本體感受式的，在機器人參考框架中，它們 的位置估計是Z佳的，而在用于機器人定位問(wèn)題時(shí)，需要較大的校正。

以圖4-1-2為例說(shuō)明光學(xué)編碼器的結構。光學(xué)編碼器由發(fā)光元件、屏蔽光的固 定光柵、與轉軸一起旋轉的帶光柵的轉盤(pán)和固定的光敏元件組成。發(fā)光元件和光敏 元件安放在碼盤(pán)的兩側，當轉盤(pán)轉動(dòng)時(shí)，根據固定的和運動(dòng)的光柵的排列，光敏元件 接收的光通量會(huì )發(fā)生變化。光敏元件輸出的波形經(jīng)過(guò)整形后形成脈沖，根據脈沖計 數，可以得到固定在碼盤(pán)上的轉軸的角位移。在測量中，Z后得到的光強信號用閾 值變換成離散的方波，在亮和暗的狀態(tài)之間作選擇。分辨率以每轉周期數(CPR)度量。Z小的角分辨率可以容易地從編碼器的CPR 額定值計算出。典型的編碼 器可擁有2000 CPR, 而光學(xué)編碼器工業(yè)可容易地制造出具有10000 CPR 的 編 碼 器。當然，根據所需的帶寬，Z關(guān)鍵的是編碼器需要足夠快，以計算期望的軸轉速。

通常在需要分辨角位移和角速度的方向的時(shí)候，會(huì )使用正交編碼器。在這種 情況下有兩對照明源和檢測器，第二對的照明源和檢測器安裝在距離D一對1/4 刻度周期的地方，如圖4-1-3所示。兩組光強信號合成的一對方波，提供了更多的 信息。按照哪個(gè)方波在相位上更超前，就可以確定轉動(dòng)方向。而且，四個(gè)可檢測的 不同狀態(tài)，在不改變轉盤(pán)刻度的情況下，分辨率可提高4倍。因此， 一個(gè)2000CPR 正交編碼器能產(chǎn)生8000個(gè)計數。

(2)磁式編碼器：

光學(xué)編碼器精度較高，工藝復雜，成本也比較高。作為移動(dòng)輪角度的測量通常 并不需要這么高的精度，磁式編碼器就是一種簡(jiǎn)單便宜的角位移傳感器。

磁式傳感器是利用霍爾效應的原理制成的�；魻栃�應是指在一個(gè)半導體薄片 上有一電流通過(guò)，此時(shí)如有一磁場(chǎng)也作用于該半導體材料上，則在垂直于電流方向的半導體兩端，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)很小的電壓，該電壓就稱(chēng)為霍爾電壓。當磁性材料制成 的轉子旋轉時(shí)，就會(huì )有一個(gè)變化的磁場(chǎng)作用于霍爾元件(半導體材料)上，使霍爾電 壓產(chǎn)生脈沖信號。對所產(chǎn)生的脈沖數目計數即可檢測角位移，其原理和光學(xué)編碼 器是類(lèi)似的。

磁式編碼器是通過(guò)在強磁性材料表面上等 間隔的磁化刻度標尺，標尺旁邊相對放置磁阻 效應元件或霍爾元件，即能檢測磁通的變化，如 圖4-1-4所示，兩個(gè)磁傳感器的距離恰好是磁化 標尺間隔的1/4. 因此可以根據輸出信號的相位 關(guān)系檢測旋轉方向。與光學(xué)編碼器相比，磁式編 碼器的刻度間隔大，但它具有耐油污、抗沖擊等 特點(diǎn)。