第1章機器人與傳感器  001

1.1機器人繫統的構成  001

1.2機器人的感覺  002

1.3機器人傳感器及其分類  003

1.4多傳感器的信息融合  006

1.5機器人傳感器參數及性能指標  007

1.5.1機器人傳感器的參數  007

1.5.2機器人傳感器常用參數的性能指標  007



第2章機器人內部傳感器  010

2.1位置檢測傳感器  010

2.1.1限位開關  011

2.1.2光電開關  012

2.1.3電位計式傳感器  014

2.1.4編碼器  015

2.2速度和加速度傳感器  021

2.2.1測速發電機  021

2.2.2加速度傳感器  022

2.2.3陀螺儀  027



第3章機器人外部傳感器  036

3.1機器人觸覺傳感器  036

3.1.1觸覺傳感器概述  036

3.1.2接觸覺傳感器  039

3.1.3力覺傳感器  045

3.1.4壓覺傳感器  053

3.1.5滑覺傳感器  055

3.1.6觸覺傳感器的信號檢出與重構  058

3.2機器人接近覺傳感器  063

3.2.1感應式接近覺傳感器  064

3.2.2紅外接近覺傳感器  067

3.2.3超聲波接近覺傳感器  068

3.2.4激光接近覺傳感器  070

3.3其他外傳感器  071

3.3.1機器人聽覺傳感器  071

3.3.2機器人味覺傳感器  074

3.3.3機器人嗅覺傳感器  078



第4章機器人視覺繫統  081

4.1機器人視覺概述  081

4.1.1機器視覺基本理論  085

4.1.2成像幾何基礎  086

4.2圖像的獲取和處理技術  090

4.2.1視覺模型  090

4.2.2圖像預處理技術  095

4.2.3視覺圖像特征提取  098

4.3機器人的視覺  101

4.3.1立體視覺  101

4.3.2三維形狀信息恢復  108

4.3.3智能視覺感知  111

4.4視覺跟蹤繫統  114

4.4.1視覺跟蹤繫統構成  114

4.4.2視覺跟蹤方法  115



第5章機器人導航繫統  117

5.1慣性導航繫統常用傳感器  117

5.1.1高度傳感器  117

5.1.2深度傳感器  120

5.1.3多普勒計程儀  122

5.1.4裡程計  124

5.2慣性導航繫統  125

5.2.1平臺式慣性導航繫統  125

5.2.2捷聯式慣性導航  133

5.3衛星導航繫統  140

5.3.1GPS  140

5.3.2GLONASS  142

5.3.3GALILEO  144

5.3.4北鬥衛星導航繫統  145

5.4水聲定位繫統  146

5.4.1聲吶傳感繫統  146

5.4.2長基線定位  152

5.4.3短基線定位  155

5.4.4超短基線定位  156

5.5視覺導航繫統  157

5.5.1SLAM  158

5.5.2VSLAM  162



第6章移動機器人傳感繫統  166

6.1BigDog(BigDog四足)機器人  166

6.1.1BigDog機器人繫統的組成  167

6.1.2BigDog傳感繫統  168

6.2Robonaut機器人  171

6.2.1Robonaut機器人繫統組成  171

6.2.2Robonaut機器人傳感繫統  172

6.3自主移動機器人(AMR)  176

6.3.1AMR定義與類別  177

6.3.2AMR的傳感繫統  178



第7章機器人焊接過程傳感繫統  181

7.1認識焊接機器人  181

7.1.1焊接機器人的分類  181

7.1.2焊接機器人的優勢  184

7.2點焊機器人  184

7.2.1點焊機器人的組成  184

7.2.2點焊機器人的性能要求  184

7.2.3點焊機器人的技術特點  184

7.3弧焊機器人  185

7.3.1弧焊機器人的組成  185

7.3.2適合弧焊機器人的焊接方法  185

7.4焊接機器人的傳感繫統  185

7.4.1電弧傳感繫統  185

7.4.2超聲波傳感跟蹤繫統  187

7.4.3視覺傳感跟蹤繫統  189

7.5焊接機器人技術未來發展趨勢  191



參考文獻  193

機器人是科技發展的產物，是制造業走向現代化生產的重要設備。機器人自動化是一項快速進步的技術，在短短幾十年的時間裡，工業機器人已經在全世界範圍內變成工廠裡的普通裝置。在工業自動化領域，機器人需要傳感器提供必要的信息，以準確執行相關操作。據預測，2021年，全球工業機器人傳感器市場將以約8%的復合年增長率穩步增長。對於機器人中傳感器的應用，有報告明確指出，到2027年，視覺繫統將單獨成就5的市場，力傳感器市場將超過6。

傳感器是機器人的感知繫統，是機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，纔能為機器人提供更為詳細的外界環境信息，使其在工作時可以不依賴人的操縱。機器人感知技術通過獲取和分析位置、觸覺、力覺、視覺等傳遞來的信息，實現對外部環境和內部狀態的理解，為人機的智能交互和柔性作業提供決策依據。那麼機器人究竟要具備多少種傳感器纔能盡可能地做到如人類一樣靈敏呢？機器人要想接近人類的靈敏度，有8類傳感器至關重要：視覺傳感器、聲覺傳感器、距離傳感器、觸覺傳感器、接近覺傳感器、力覺傳感器、滑覺傳感器、速度和加速度傳感器，尤其是機器人的5大感官傳感器是必不可少的。從擬人功能出發，視覺、力覺、觸覺為重要，相關的傳感器目前已進入實用階段，但其他的感官，如聽覺、嗅覺、味覺、滑覺等對應的傳感器還在進一步科研攻關過程中。

在眾多的感知繫統中，視覺繫統、移動機器人傳感繫統、機器人手眼協作傳感繫統是機器人傳感繫統應用為廣泛的感知繫統。本書結合應用實例，在繫統闡述現代機器人常用傳感器原理與應用的基礎上，重點介紹了機器人視覺繫統、導航繫統，移動機器人傳感繫統和焊接機器人傳感繫統設計的方法。針對機器人所處環境的不同，詳細介紹了每種機器人傳感器配置的類型、測量信息、位置及數量等內容，為讀者設計類似機器人傳感繫統提供思路。

本書可供從事機器人設計與制造相關工作的技術人員使用，也可供高校機電一體化、自動化和電氣專業的師生學習參考。

本書由揚州市職業大學喬玉晶（兼哈爾濱理工大學智能機械研究所成員）、哈爾濱理工大學郭立東、揚州市職業大學呂寧、揚州市職業大學張兆東編著。本書在編寫過程中，得到了領導及同事的大力支持與幫助，在此表示衷心的感謝！

由於水平所限，書中難免有不足之處，懇請讀者批評指正。



編著者