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關節的零位和極限位置的檢測。零位是機器人關節運動開始時的位置，零位檢測精度直接影響機器人運動的 準確度。極限位置是指機器人關節動作范圍的起止點，所以極限位置的檢測起著 保護機器人和安全動作的重要作用。

Z常用的位置傳感器是微動行程開關，它由微型開關、操作機構(撞頭或推桿) 組成。它安裝在動作范圍兩端的極限位置上，當裝在機器人運動部件上的擋塊移 動到某一極限位置時，觸動操作機構的撞頭或推桿，使微型開關的觸頭閉合或斷 開，即可獲得位置的電信號。微動行程開關是一種既簡單又可靠的檢測傳感器。 也可以用非接觸型的光電開關作位置傳感器，其工作原理與微動行程開關相同，區 別 在 于 它 是 利 用 光 敏 斷 流 器 來 代 替 微 型 開 關 的 。 把 發 光 二 極 管 和 光 敏 三 極 管 在 相對方向中間隔開一段距離安裝，當裝有擋塊的機器人 運動部件從中間穿過時，發光管的光線被隔斷，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現非接觸的 接近開關，從而構成位置傳感器。實際工作中可以從 價格成本、安裝尺寸、測量精度、工作環境條件等各方 面因素來進行選擇。

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節上，用來檢測機器人各關節的位移量。作為機器人的位姿信息，它分為直線位移和轉角位移兩種， 一般直線移動關節用線位移傳感器，旋轉關 節轉角用角位移傳感器來測量。前者有直線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。 一般來說，角位移傳感器比線位移傳 感器的體積小，安裝方便，所以也可以通過機械運動轉換機構將所需測量的直線運 動位移變為旋轉運動位移后，用角位移傳感器進行測量。

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。

旋轉運動是除直線運動以外的Z主要的傳動方式，因此用于測量角位移的傳感 器在移動機器人學中也有Z廣泛的應用。接下來介紹幾種Z常用的角位移傳感器。

(1)光學編碼器：

光學編碼器已經成為在電機驅動內部、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。在移動機器人學中，用編碼器測量位置或輪子的速度，或其 他電機驅動的關節。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題時，需要較大的校正。

以圖4-1-2為例說明光學編碼器的結構。光學編碼器由發光元件、屏蔽光的固 定光柵、與轉軸一起旋轉的帶光柵的轉盤和固定的光敏元件組成。發光元件和光敏 元件安放在碼盤的兩側，當轉盤轉動時，根據固定的和運動的光柵的排列，光敏元件 接收的光通量會發生變化。光敏元件輸出的波形經過整形后形成脈沖，根據脈沖計 數，可以得到固定在碼盤上的轉軸的角位移。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, 而光學編碼器工業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候，會使用正交編碼器。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。按照哪個方波在相位上更超前，就可以確定轉動方向。而且，四個可檢測的 不同狀態，在不改變轉盤刻度的情況下，分辨率可提高4倍。因此， 一個2000CPR 正交編碼器能產生8000個計數。

(2)磁式編碼器：

光學編碼器精度較高，工藝復雜，成本也比較高。作為移動輪角度的測量通常 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。霍爾效應是指在一個半導體薄片 上有一電流通過，此時如有一磁場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，會產生一個很小的電壓，該電壓就稱為霍爾電壓。當磁性材料制成 的轉子旋轉時，就會有一個變化的磁場作用于霍爾元件(半導體材料)上，使霍爾電 壓產生脈沖信號。對所產生的脈沖數目計數即可檢測角位移，其原理和光學編碼 器是類似的。

磁式編碼器是通過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 關系檢測旋轉方向。與光學編碼器相比，磁式編 碼器的刻度間隔大，但它具有耐油污、抗沖擊等 特點。