多模感知：机器人/灵巧手位置传感器

机器人的传感器分为内部传感器和外部传感器，一般来说，机器人的内部传感器用于感知自身的状态，机器人可以知道自身在任意时刻的位置、速度和驱动力等信息，机器人的外部传感器用于感知外部的状态信息，如距离，交互力，触觉信息，形状信息，颜色信息等。在当今社会，机电一体化设备除了关键的机械元器件，驱动原理，高精度和高可靠性传感器是机电系统的重要元器件。传感器的性能将决定系统的实际性能。多模传感器将使得机器人与人交互，与环境交互的可能性大大增加，也必将助力机器人走进大家的生活中。

在机器人的多个传感器中，最为基础的信息是机器人的位置传感器，机器人位置传感器是机器人的关键元器件，而机器人的位置控制也是应用最多的控制方式，且对于其他力的控制方案中，机器人的位置控制也是机器人的重要实现方案之一。

而位置传感器作为自动控制系统的重要元件得到了迅速的发展。目前的位置传感器种类很多，主要分为：

• 电容式位置传感器；
• 光电式位移传感器；
• 电位计式位置传感器；
• 霍尔式位置传感器；
• 巨磁阻式位置传感器等。

对于上述不同原理的位置传感器，主要目的还是实现机器人的位置信息测量，机器人的为主要包括机器人关节位置和电机位置。

1 电容式位置传感器

电容式位置传感器的测量头通常是电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向传感器时，物体和传感器间介电常数发生变化，等效电容随着变化，由此便可测量出物体的位置。虽然这种电容式位置传感器结构简单，易于实现，但是其输出特性呈现出非线性的特性、分辨力不高，且由于边缘效应的存在，实际应用中，这种面积和电容的对应关系很不确定，稳定性较差。

其是一种把被测的机械量转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。

简易的电容模型

上图图片来源Here。电容器存储电荷，并且通常包括两个由非导电材料或电介质隔开的导电板。 电介质通常是空气，塑料或陶瓷。电容效应被用于许多传感器中，特别是在诸如手机和平板电脑之类的设备的触摸传感器中。 这些电容式传感器可检测人手指的不存在或存在，作为按钮开关的替代选择。 一个人的手指（或者更确切地说是其中的水）的存在是为了改变相对静态电容率，从而导致电容发生变化。

2 光电式位置传感器

光电式位置传感器是一种新型的半导体位置探测器，是一种非分割型器件，可将光敏面上的光点位置转化为电信号。一般光电式位置测量系统由光学系统、位敏元件、前置电路、数据处理等部分构成，有的系统还有反馈执行元件。一般说来， PSD位置测量系统比较简单，具有很好的抗杂光干扰能力和较小的位置温度系数，以及高精度、低噪声的优点，但是由于光学系统工艺要求高，不仅价格昂贵，易受振动影响，而且系统的集成度很低。

光电位置传感器是基于横向光电效应的光电装置。 它对入射光敏表面上光斑的位置相对敏感。 当光束撞击光栅时，光电位置传感器将检测光斑的位置并输出相应的位置信号。光电位置传感器具有光电二极管阵列的定位性能； 精密安装后可获得良好的精度，具有电路配置简单，分辨率高，响应速度快，灵敏度高的特点，得到了广泛的应用。 但是，与电阻式位置传感器类似，光电式位置传感器的耐冲击性差，易受环境干扰，无法在极端温度条件下工作，对异物敏感，并且在故障之前没有任何症状。

光电式

图片来源：Here.

3 电位计式位置传感器

电位计式位置传感器通过电位计元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。但是，为实现测量位置目的而设计的电位计，要求在位置变化和电阻变化之间有一个确定关系。通常在电位计上通以电源电压，以把电阻变化转换为电压输出。电位计测量关节位置具有如下优点：结构简单，成本低，稳定度高，线性度好，灵敏度高，可通过提高工作电压来改善灵敏度，甚至不用放大器也能直接推动指示仪表。但由于电刷和电阻丝之间存在摩擦，故有如下缺点：外形尺寸较大；只能在较低频率下工作；使用寿命短，需要维护；电噪声大。

4 磁传感器

磁传感器应用磁敏感元件感应磁场、电流等物理量的变化，并按某种确定的关系将角度转换为元件的电压或电阻输出。除可实现耐污染的非接触角度测量外，其抗振动、抗噪声能力较强，即使在极为恶劣的环境下也能可靠、稳定的工作，因此采用磁敏感器件测量角度信息己成为角度测量的常见方法。

5 霍尔位置传感器

霍尔位置传感器是一种磁敏感器件，以霍尔效应为工作基础，它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达1 Mhz)，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高(可达μm 级)。霍尔元件磁敏感范围较大，但是和磁阻传感器相比其灵敏度和分辨率较低，一般不采用其作为高性能位置传感器。

6 巨磁阻式位置传感器

巨磁阻式位置传感器是为宽范围测量或检测磁场强度而设计的，它直接检测磁场，而不是磁场强度的变化速率，非常适合作为位置传感器。实际上，由于它对磁场的微小变化很敏感，因此与磁性材料配合可精确测量直线运动或转动系统的位置或位移。由于检测元件尺寸很小，因此位置检测灵敏度很高，尤其是存在微小磁体或大磁场梯度场合更是如此。

与其它磁传感器相比，巨磁阻传感器灵敏度最高，且是唯一能同时满足高灵敏度，尺寸微型化，响应速度快，功耗低和磁滞小等要求的磁传感器，引起了许多研究者的关注，并在汽车、机器人方面得到了广泛地应用。但即使在巨磁阻传感器应用中，永磁铁表面和巨磁阻传感器芯片表面的距离也通常大于1.5 mm，因为若这个距离太小，未知的磁场强度可能超出巨磁阻传感器工作范围而导致传感器信号失真，或者是过强而损坏传感器。