《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用同步課件

職業(yè)教育工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用與維護(hù)專業(yè)規(guī)劃教材工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)目錄01020304

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)成果及問(wèn)題工作完成情況明年工作計(jì)劃1工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1CONTENT知識(shí)目標(biāo)1．了解機(jī)器人傳感器的種類和性能指標(biāo)及其使用要求。2．掌握機(jī)器人內(nèi)部傳感器和外部傳感器的區(qū)別和各自的功能、應(yīng)用。能力目標(biāo)1．認(rèn)識(shí)工業(yè)機(jī)器人常用的傳感器。2．能根據(jù)工業(yè)機(jī)器人使用要求、場(chǎng)合，選用合適的傳感器。3．會(huì)分析常見工業(yè)機(jī)器人傳感器系統(tǒng)。任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)工作任務(wù)傳感器是新技術(shù)革命和信息社會(huì)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，是現(xiàn)代科技的開路先鋒。傳感器在機(jī)器人結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位，是決定機(jī)器人性能水平的關(guān)鍵。機(jī)器人傳感器與大量使用的工業(yè)檢測(cè)傳感器不同，對(duì)傳感器信息的種類和智能化處理的要求更高。無(wú)論研究與產(chǎn)業(yè)化，均需要由多種學(xué)科專門技術(shù)和先進(jìn)的工藝裝備作為支撐。今后工業(yè)機(jī)器人能發(fā)展到何種程度，傳感器將是重要關(guān)鍵之一。本任務(wù)主要內(nèi)容是通過(guò)學(xué)習(xí)，熟悉工業(yè)機(jī)器人常用的傳感器，掌握機(jī)器人的內(nèi)部傳感器和外部傳感器的區(qū)別和各自的功能，并能根據(jù)工業(yè)機(jī)器人使用要求、場(chǎng)合，選用合適的傳感器。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1一、工業(yè)機(jī)器人傳感器的分類

傳感器是一種以一定精度將被測(cè)量物理量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系、易于精確處理和測(cè)量的某種物理量的測(cè)量部件或裝置。完整的傳感器應(yīng)包括敏感元件、轉(zhuǎn)化元件、基本轉(zhuǎn)化電路3個(gè)基本部分。

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敏感元件將某種不便測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)化為易于測(cè)量的物理量，與轉(zhuǎn)化元件一起構(gòu)成傳感器的核心部分?；巨D(zhuǎn)化電路將敏感元件產(chǎn)生的易于測(cè)量的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使傳感器的信號(hào)輸出形成符合工業(yè)系統(tǒng)的要求。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1一、工業(yè)機(jī)器人傳感器的分類

機(jī)器人傳感器按用途可分為外部傳感器和內(nèi)部傳感器。外部傳感器，如視覺、觸覺、力覺、距離等傳感器，是為了檢測(cè)作業(yè)對(duì)象及環(huán)境與機(jī)器人的聯(lián)系。

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內(nèi)部傳感器安裝在操作機(jī)上，包括位移、速度、加速度等傳感器，是為了檢測(cè)機(jī)器人內(nèi)部狀態(tài)。機(jī)器人傳感器的分類、功能及應(yīng)用見表1-3-1。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1

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工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1二、工業(yè)機(jī)器人傳感器的性能指標(biāo)

基本參數(shù)：量程（測(cè)量范圍，量程及過(guò)載能力）、靈敏度、靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)精度（頻率特性和階躍特性）。環(huán)境參數(shù)：溫度、振動(dòng)沖擊及其他參數(shù)（潮濕、腐蝕及抗電磁干擾）。使用環(huán)境：電源、尺寸、安裝方式、電信號(hào)接口及校準(zhǔn)周期等。

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傳感器常見的重要性能指標(biāo)如下。1．靈敏度靈敏度是指?jìng)鞲衅鞯妮敵鲂盘?hào)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，輸出信號(hào)變化y與輸入信號(hào)變化x的比值。假設(shè)傳感器的輸出和輸入成線性關(guān)系，其靈敏度S可表示為

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1二、工業(yè)機(jī)器人傳感器的性能指標(biāo)1．靈敏度假設(shè)傳感器的輸出與輸入成非線性關(guān)系，其靈敏度為曲線的導(dǎo)數(shù)，即傳感器的靈敏度越大，傳感器輸出的信號(hào)精確度越高，線性程度越好。

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但是過(guò)高的靈敏度有時(shí)會(huì)導(dǎo)致傳感器的輸出穩(wěn)定性下降，所以應(yīng)該根據(jù)機(jī)器人的要求選擇適中的靈敏度。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1二、工業(yè)機(jī)器人傳感器的性能指標(biāo)2．線性度線性度反映傳感器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的線性程度。假設(shè)傳感器的輸出信號(hào)為y，輸入信號(hào)為x，則y與x的關(guān)系為

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機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)該選用線性度較高的傳感器。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1二、工業(yè)機(jī)器人傳感器的性能指標(biāo)3．精度傳感器的精度是指?jìng)鞲衅鞯臏y(cè)量輸出值與實(shí)際被測(cè)量值之間的誤差。在機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的工作精度要求選擇合適的精度。

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4．重復(fù)性重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谄漭斎胄盘?hào)按同一方式進(jìn)行全量程連續(xù)多次測(cè)量時(shí)，相應(yīng)測(cè)量結(jié)果的變化程度。對(duì)于多數(shù)傳感器來(lái)說(shuō)，重復(fù)性指標(biāo)優(yōu)于精度指標(biāo)。這些傳感器的精度指標(biāo)不一定很高，但只要它的溫度、濕度、受力條件和其他參數(shù)不變，傳感器的測(cè)量結(jié)果也沒有較大的變化。同樣，傳感器重復(fù)性也應(yīng)考慮使用條件和測(cè)量方法的問(wèn)題。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1二、工業(yè)機(jī)器人傳感器的性能指標(biāo)5．分辨率分辨率是指?jìng)鞲衅髟谡麄€(gè)測(cè)量范圍內(nèi)所能辨別的被測(cè)量物理量的最小變化量，或者所能辨別的不同被測(cè)量物理量的個(gè)數(shù)。

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無(wú)論是示教再現(xiàn)型機(jī)器人，還是可編程型機(jī)器人，大多對(duì)傳感器的分辨率有一定的要求。傳感器的分辨率直接影響機(jī)器人的可控程度和控制品質(zhì)。一般需要根據(jù)機(jī)器人的工作任務(wù)規(guī)定傳感器分辨率的最低限度要求。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1二、工業(yè)機(jī)器人傳感器的性能指標(biāo)6．響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間是傳感器的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)，是指?jìng)鞲衅鞯妮斎胄盘?hào)變化后，其輸出信號(hào)變化一個(gè)穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。在某些傳感器中，輸出信號(hào)在達(dá)到某一穩(wěn)定值以前會(huì)發(fā)生短時(shí)間的振蕩。

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7．抗干擾能力由于傳感器輸出信號(hào)的穩(wěn)定是控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提，為防止機(jī)器人系統(tǒng)的意外動(dòng)作或故障的發(fā)生，傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須采用可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，通常這個(gè)指標(biāo)通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率來(lái)定義，因此是一個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1三、工業(yè)機(jī)器人傳感器類型的選擇一般根據(jù)工業(yè)機(jī)器人使用要求、使用場(chǎng)合的不同，選擇不同的傳感器。1．根據(jù)機(jī)器人對(duì)傳感器的需求來(lái)選擇機(jī)器人對(duì)傳感器的一般要求如下。

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（1）精度高，重復(fù)性好。（2）穩(wěn)定性好，可靠性高。（3）抗干擾能力強(qiáng)。（4）質(zhì)量輕，體積小，安裝方便可靠。（5）價(jià)格便宜。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1三、工業(yè)機(jī)器人傳感器類型的選擇一般根據(jù)工業(yè)機(jī)器人使用要求、使用場(chǎng)合的不同，選擇不同的傳感器。2．根據(jù)加工任務(wù)的要求來(lái)選擇在現(xiàn)代工業(yè)中，機(jī)器人被用于執(zhí)行各種加工任務(wù)，其中比較常見的加工任務(wù)有物料搬運(yùn)、裝配、噴漆、焊接、檢驗(yàn)等。不同的加工任務(wù)對(duì)機(jī)器人傳感器提出不同的要求。

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3．根據(jù)機(jī)器人控制的要求來(lái)選擇例如，機(jī)器人控制需要采用傳感器檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)位置、速度、加速度等。另外，根據(jù)輔助工作要求（如產(chǎn)品檢驗(yàn)）和工件的準(zhǔn)備來(lái)選擇機(jī)器人傳感器；根據(jù)安全方面的要求來(lái)選擇機(jī)器人傳感器。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1四、工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部傳感器工業(yè)機(jī)器人根據(jù)具體用途不同可以選擇不同的控制方式，如位置控制、速度控制及力控制等。在這些控制方式中，機(jī)器人所應(yīng)具有的基本傳感器單元是位置和速度傳感器。

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機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本單元是機(jī)器人的關(guān)節(jié)位置、速度控制，因此用于檢測(cè)關(guān)節(jié)位置和速度的傳感器也成為機(jī)器人關(guān)節(jié)組件中的基本單元。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1四、工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部傳感器1．位置傳感器根據(jù)其工作原理和組成的不同，位置傳感器有多種形式。

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常見的有電阻式、電容式、電感式位移傳感器、編碼式位移傳感器、霍爾元件位移傳感器、光柵式位移傳感器等。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1四、工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部傳感器1．位置傳感器（1）編碼式位移傳感器編碼式位移傳感器是一種數(shù)字位移傳感器，其測(cè)量輸出的信號(hào)為數(shù)字脈沖信號(hào)，可以測(cè)量直線位移，也可以測(cè)轉(zhuǎn)角。

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編碼式位移傳感器測(cè)量范圍大，檢測(cè)精度高，一般把該傳感器安裝在機(jī)器人的各關(guān)節(jié)軸上，用來(lái)測(cè)量各個(gè)關(guān)節(jié)軸的旋轉(zhuǎn)角度。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1四、工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部傳感器1．位置傳感器（1）編碼式位移傳感器按照測(cè)量結(jié)果是絕對(duì)信號(hào)還是增量信號(hào)，可分為絕對(duì)式編碼器和增量式編碼器。

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按照結(jié)構(gòu)及信號(hào)轉(zhuǎn)化方式，又可分為光電式、接觸式及電磁式等。目前機(jī)器人中較為常用的是光電式編碼器。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1四、工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部傳感器1．位置傳感器（1）編碼式位移傳感器①絕對(duì)式光電編碼器。

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絕對(duì)式光電編碼器是一種直接編碼式的測(cè)量元件。它可以直接把被測(cè)轉(zhuǎn)角或位移轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的代碼，指示的是絕對(duì)位置而無(wú)絕對(duì)誤差，在電源切斷時(shí)不會(huì)失去位置信息。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，且不易做到高精度和高分辨率。編碼盤以一定的編碼形式（如二進(jìn)制編碼等）將圓盤分成若干等份，利用光電原理把代表被測(cè)位置的各等份上的數(shù)碼轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸出以用于檢測(cè)。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1四、工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部傳感器1．位置傳感器（1）編碼式位移傳感器①絕對(duì)式光電編碼器。如圖1-3-1所示為四位二進(jìn)制碼編碼盤，圖中空白部分是透光的用“0”來(lái)表示，涂黑的部分是不透光的用“1”來(lái)表示。

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工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1四、工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部傳感器1．位置傳感器（1）編碼式位移傳感器①絕對(duì)式光電編碼器。現(xiàn)在常用如圖1-3-2所示的循環(huán)碼編碼盤。循環(huán)碼又稱格雷碼，格雷碼與二進(jìn)制碼的對(duì)照表見表1-3-2。

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工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1

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工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1四、工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部傳感器1．位置傳感器（1）編碼式位移傳感器②增量式光電編碼器。增量式光電編碼器能夠以數(shù)字形式測(cè)量出轉(zhuǎn)軸相對(duì)于某一基準(zhǔn)位置的瞬間角位置，另外還能測(cè)出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，其結(jié)構(gòu)圖及輸出波形如圖1-3-3所示，編碼器的編碼盤有3個(gè)同心光柵，分別為A相、B相和C相光柵。

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工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1四、工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部傳感器1．位置傳感器（2）電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器主要由電位器和滑動(dòng)觸點(diǎn)組成，通過(guò)觸點(diǎn)的滑動(dòng)改變電位器的阻值來(lái)測(cè)量信號(hào)的大小。

該傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，精度高，可以在一定程度上較方便地選擇其輸出信號(hào)范圍，且測(cè)量過(guò)程中斷電或發(fā)生故障時(shí)，輸出信號(hào)能保持而不會(huì)丟失。任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1四、工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部傳感器1．位置傳感器（2）電位器式位移傳感器①角位移測(cè)量。旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器如圖1-3-4所示，輸入信號(hào)（角度）與輸出信號(hào)（電壓V）成線性關(guān)系。這種弧形電阻最大的測(cè)量角度為360°。

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工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1四、工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部傳感器1．位置傳感器（2）電位器式位移傳感器②線位移測(cè)量。直線型電位器式位移傳感器如圖1-3-5所示。線測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，精度高?？梢栽谝欢ǔ潭壬陷^方便地選擇其輸出信號(hào)范圍，且測(cè)量過(guò)程中斷電或發(fā)生故障時(shí)，輸出信號(hào)能保持而不會(huì)丟失。其缺點(diǎn)是滑動(dòng)觸點(diǎn)容易磨損。

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工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1四、工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部傳感器2．速度傳感器（1）測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種模擬式速度傳感器。測(cè)速發(fā)電機(jī)實(shí)際上是一臺(tái)小型永磁式直流發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)原理如圖1-3-6所示。其工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)通過(guò)線圈的磁通量恒定時(shí)，位于磁場(chǎng)中的線圈旋轉(zhuǎn)使線圈兩端產(chǎn)生的電壓u（感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)）與線圈（轉(zhuǎn)子）的轉(zhuǎn)速n成正比，即

（K是常數(shù)）

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工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1四、工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部傳感器2．速度傳感器（1）從上式可以看出，輸出電壓與轉(zhuǎn)子成線性關(guān)系。但當(dāng)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)帶有負(fù)載時(shí)，電樞的線圈繞組便會(huì)產(chǎn)生電流而使輸出電壓下降，這樣便破壞了輸出電壓與轉(zhuǎn)速的線性度，使輸出特性產(chǎn)生誤差。

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為了減少測(cè)量誤差，應(yīng)使負(fù)載盡可能小且保持負(fù)載性質(zhì)不變。測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子與機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)相連就能測(cè)出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，并能在機(jī)器人速度閉環(huán)系統(tǒng)中作為速度反饋元件。測(cè)速發(fā)電機(jī)具有線性度好、靈敏度高、輸出信號(hào)強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)器人速度伺服控制系統(tǒng)的控制原理如圖1-3-7所示。目前檢測(cè)范圍一般為20～40r/min，精度為0.2%～0.5%。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1四、工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部傳感器2．速度傳感器

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工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1四、工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部傳感器2．速度傳感器（2）增量式光電編碼器增量式光電編碼器作為速度傳感器時(shí)既可以在模擬方式下使用，又可以在數(shù)字方式下使用。

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①模擬方式。在模擬方式下，必須有一個(gè)頻率/電壓（F/V）變換器，用來(lái)把編碼器測(cè)得的脈沖頻率轉(zhuǎn)換成與速度成正比的模擬電壓，模擬方式下的增量式編碼盤測(cè)速原理如圖1-3-8所示。F/V變換器必須有良好的零輸出、零輸出特性和較小的溫度漂移才能滿足測(cè)試要求。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1四、工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部傳感器2．速度傳感器（2）增量式光電編碼器②數(shù)字方式。

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數(shù)字方式測(cè)速是利用數(shù)學(xué)公式計(jì)算出速度。角速度是轉(zhuǎn)角對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，編碼器在時(shí)間t內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速為

=

/t，單位時(shí)間越小，則所求得的轉(zhuǎn)速越接近瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，然而時(shí)間越短，編碼器通過(guò)的脈沖數(shù)太少，導(dǎo)致所得到的速度分辨率下降。在實(shí)踐中通常用以下方法來(lái)解決這一問(wèn)題。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1四、工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部傳感器2．速度傳感器（2）增量式光電編碼器②數(shù)字方式。

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

編碼器一定時(shí)，編碼器的每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)就確定，設(shè)某一編碼器為1000P/r，則編碼器連續(xù)輸出兩個(gè)脈沖轉(zhuǎn)過(guò)的角度

=

22/1000，而轉(zhuǎn)過(guò)該角度的時(shí)間增量用如圖1-3-9所示時(shí)間增量測(cè)量電路測(cè)得。測(cè)量時(shí)利用一高頻脈沖源發(fā)出連續(xù)不斷的脈沖，設(shè)該脈沖源的周期為0.1ms，用一計(jì)數(shù)器測(cè)出編碼器發(fā)出兩個(gè)脈沖的時(shí)間內(nèi)高頻脈沖源發(fā)出的脈沖數(shù)。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1四、工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部傳感器2．速度傳感器（2）增量式光電編碼器②數(shù)字方式。

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

門電路在編碼器發(fā)出第一個(gè)脈沖時(shí)開啟，發(fā)出第二個(gè)脈沖時(shí)關(guān)閉。這樣計(jì)數(shù)器計(jì)得的計(jì)數(shù)值就是時(shí)間增量?jī)?nèi)高頻脈沖源發(fā)出的脈沖數(shù)。設(shè)該計(jì)數(shù)值為100，則得時(shí)間增量為 所以加速度為

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1五、工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器1．力覺傳感器力覺傳感器又稱力或力矩傳感器。工業(yè)機(jī)器人在進(jìn)行裝配、搬運(yùn)、研磨等作業(yè)時(shí)需要以工作力或力矩進(jìn)行控制。

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

另外，機(jī)器人在自我保護(hù)時(shí)也需要檢測(cè)關(guān)節(jié)和連桿之間的內(nèi)力，防止機(jī)器人手臂因承載過(guò)大或與周圍障礙物碰撞而引起破壞。力或力矩傳感器種類很多，常用的有電阻應(yīng)變片式、壓電式、電容式、電感式及各種外力傳感器。力或力矩傳感器都是通過(guò)彈性敏感元件將被測(cè)力或力矩轉(zhuǎn)換成某種位移量或變形量，然后通過(guò)各自的敏感介質(zhì)把位移量或變形量轉(zhuǎn)換成能夠輸出的電量。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1五、工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器1．力覺傳感器力覺是指對(duì)機(jī)器人的指、肢和關(guān)節(jié)等運(yùn)動(dòng)中所受力的感知，主要包括腕力、關(guān)節(jié)力、指力和支座力傳感器，是機(jī)器人重要的傳感器之一。

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

關(guān)節(jié)力傳感器，測(cè)量驅(qū)動(dòng)器本身的輸出力和力矩，用于控制中的力反饋。腕力傳感器，測(cè)量作用在末端執(zhí)行器上的各向力和力矩。指力傳感器，測(cè)量夾持物體手指的受力情況。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1五、工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器1．力覺傳感器目前使用最廣泛的是電阻應(yīng)變片式力和力矩傳感器。

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

這種傳感器的力或力矩敏感元件是應(yīng)變片，裝載在鋁制筒體上，筒體有8個(gè)簡(jiǎn)支梁（彈性梁）支持。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1五、工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器1．力覺傳感器如圖1-3-10所示為SRI（StanfordResearchInstitute）六維腕力傳感器，它由一只直徑為75mm的鋁管銑削而成，具有8根窄長(zhǎng)的彈性梁，每個(gè)梁的頸部只傳遞力，扭矩作用很小。梁的另一頭貼有應(yīng)變片。圖1-3-10中從Px+到Qy-代表了8根應(yīng)變梁的變形信號(hào)的輸出。

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1五、工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器1．力覺傳感器如圖1-3-11所示為日本和制衡株式會(huì)社林純一研制的十字梁腕力傳感器。它是一種整體輪輻式結(jié)構(gòu)，傳感器在十字梁與輪緣連接處有一個(gè)柔性環(huán)節(jié)（a、b、c、d），在4根交叉梁上共貼有32個(gè)應(yīng)變片（圖1-3-11中的小方塊），組成8路全橋輸出。

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1五、工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器1．力覺傳感器如圖1-3-12所示，三梁腕力傳感器的內(nèi)圈和外圈分別固定于機(jī)器人的手臂和手爪，力沿與內(nèi)圈相切的三根梁進(jìn)行傳遞。每根梁上下、左右各貼一對(duì)應(yīng)變片，3根梁上共有6對(duì)應(yīng)變片，分別組成6組半橋，對(duì)這6組電橋信號(hào)進(jìn)行解耦可得到六維力（力矩）的精確解。

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1五、工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器2．接近覺傳感器

接近覺傳感器是機(jī)器人用來(lái)探測(cè)機(jī)器人自身與周圍物體之間相對(duì)位置或距離的一種傳感器，它探測(cè)的距離一般為幾毫米到十幾厘米之間。

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

接近傳感器結(jié)構(gòu)上分為接觸型和非接觸型兩種，其中非接觸型接近傳感器應(yīng)用較廣。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1五、工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器2．接近覺傳感器目前按照轉(zhuǎn)換原理的不同，接近覺傳感器分為電渦流式、光纖式、超聲波式及激光掃描式等。

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

（1）電渦流式傳感器導(dǎo)體在一個(gè)不均勻的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)或處于一個(gè)交變磁場(chǎng)中時(shí)，其內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種感應(yīng)電流稱為電渦流，這一現(xiàn)象稱為電渦流現(xiàn)象，利用這一原理可以制作電渦流傳感器。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1五、工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器2．接近覺傳感器（1）電渦流式傳感器

電渦流式傳感器如圖1-3-13所示。由于傳感器的電磁場(chǎng)方向與產(chǎn)生的電渦流方向相反，兩個(gè)磁場(chǎng)相互疊加削弱了傳感器的電感和阻抗。

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

用電路把傳感器電感和阻抗的變化轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換電壓，則能計(jì)算出目標(biāo)物與傳感器之間的距離。該距離正比于轉(zhuǎn)換電壓，但存在一定的線性誤差。對(duì)于鋼或鋁等材料的目標(biāo)物，線性度誤差為±5%。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是外形尺寸小、價(jià)格低廉、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，而且檢測(cè)精度也高，能夠檢測(cè)到0.02mm的微量位移。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1五、工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器2．接近覺傳感器

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1五、工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器2．接近覺傳感器（2）光纖式傳感器用光纖制作接近覺傳感器可以用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人與目標(biāo)物間較遠(yuǎn)的距離。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是抗電磁干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、響應(yīng)快。

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

光纖式傳感器如圖1-3-14所示，有3種不同的形式。其中第一種為射束中斷型光纖式傳感器，如圖1-3-14（a）所示，這種傳感器只能檢測(cè)出不透明物體，對(duì)透明或半透明的物體無(wú)法檢測(cè)。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1五、工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器2．接近覺傳感器（2）光纖式傳感器第二種是回射型光纖式傳感器，如圖1-3-14（b）所示，與第一種類型相比，它可以檢測(cè)出用透光材料制成的物體。

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

第三種為擴(kuò)散型光纖式傳感器，如圖1-3-14（c）所示，與第二種相比其少了回射靶，因?yàn)榇蟛糠植牧隙寄芊瓷湟欢康墓?，這種類型的傳感器可檢測(cè)透光或半透光物體。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1五、工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器2．接近覺傳感器

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1五、工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器2．接近覺傳感器（3）超聲波式傳感器超聲波式傳感器的主要作用是用超聲波測(cè)量距離，其原理圖如圖1-3-15所示。超聲波傳感器由一個(gè)超聲波發(fā)射器、一個(gè)超聲波接收器、定時(shí)電路及控制電路組成。

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1五、工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器2．接近覺傳感器（3）超聲波式傳感器待超聲波發(fā)射器發(fā)出脈沖式超聲波后關(guān)閉發(fā)射器，同時(shí)打開超聲波接收器。該脈沖波到達(dá)物體表面后返回到接收器，定時(shí)電路測(cè)出從發(fā)射器發(fā)射到接收器接收的時(shí)間。設(shè)該時(shí)間為T，而聲波的傳輸速度為V，則被測(cè)距離L為

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

超聲波的傳輸速度與其波長(zhǎng)和頻率成正比，只要這兩者不變，速度就為常數(shù)，但隨著環(huán)境溫度的變化，波速會(huì)有一定變化。超聲波傳感器對(duì)于水下機(jī)器人的作業(yè)非常重要。水下機(jī)器人安裝超聲波傳感器后能使其定位精度達(dá)到微米級(jí)。激光掃描型傳感器的測(cè)量原理與超聲波式傳感器類似。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1五、工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器3．觸覺傳感器觸覺傳感器在機(jī)器人應(yīng)用中有以下幾個(gè)方面的作用。感知操作手指與對(duì)象物之間的作用力，使手指動(dòng)作適當(dāng)。

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

識(shí)別操作物的大小、形狀、質(zhì)量及硬度等。躲避危險(xiǎn)，以防碰撞障礙物引起事故。機(jī)器人的觸覺傳感器一般包括壓覺、滑覺、接觸覺及力覺等。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1五、工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器3．觸覺傳感器（1）壓覺傳感器壓覺傳感器實(shí)際上也是一種觸覺傳感器，只是它專門對(duì)壓覺有感知作用。目前壓覺傳感器主要有以下幾種。

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

①壓阻效應(yīng)式壓覺傳感器。利用某些材料的內(nèi)阻隨壓力變化而變化的壓阻效應(yīng)，制成壓阻器件，將它們密集配置成陣列，即可檢測(cè)壓力的分成，如壓敏導(dǎo)電橡膠或塑料等。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1五、工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器3．觸覺傳感器（1）壓覺傳感器②壓電效應(yīng)式壓覺傳感器。利用某些材料在壓力的作用下，其相應(yīng)表面上會(huì)產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)制成壓電器件，如壓電晶體等，將它們制成類似人類的皮膚的壓電薄膜，感知外界的壓力，其優(yōu)點(diǎn)是耐腐蝕、頻帶寬和靈敏度高等，但缺點(diǎn)是無(wú)直流響應(yīng)，不能直接檢測(cè)靜態(tài)信號(hào)。

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

③集成壓敏壓覺傳感器。利用半導(dǎo)體力敏器件與信號(hào)電路構(gòu)成集成壓敏傳感器。常用的有3種類型，即電壓型（如ZnO/Si-IC）、電阻型SIR（硅集成）和電容型SIC。其優(yōu)點(diǎn)是體積小、成本低、便于與計(jì)算機(jī)連用。缺點(diǎn)是耐壓負(fù)載小、不柔軟。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1五、工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器3．觸覺傳感器（1）壓覺傳感器④利用壓磁傳感器。掃描電路和針式差動(dòng)變壓器式觸覺傳感器構(gòu)成的壓覺傳感器。壓磁器件具有較強(qiáng)的過(guò)載能力，但缺點(diǎn)是體積較大。

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

利用半導(dǎo)體技術(shù)制成的高密度智能壓覺傳感器，是一種發(fā)展?jié)摿O大的壓覺傳感器，如圖1-3-16所示。其中傳感元件以壓阻式與電容式最多。雖然壓阻式器件比電容式器件的線性好，封裝也簡(jiǎn)單，但是其靈敏度要比電容式器件小一個(gè)數(shù)量級(jí)，溫度靈敏度比電容式器件大一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，電容式壓覺傳感器，特別是硅電容式壓覺傳感器得到了廣泛的應(yīng)用。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1五、工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器3．觸覺傳感器（2）滑覺傳感器機(jī)器人在抓取不知屬性的物體時(shí)，其自身應(yīng)能確定最佳握緊力的給定值。當(dāng)握緊力不夠時(shí)，要檢測(cè)被握緊物體的滑動(dòng)，利用該檢測(cè)信號(hào)，在不損害物體的前提下，考慮最可靠的夾持方法，實(shí)現(xiàn)此功能的傳感器稱為滑覺傳感器。

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

利用半導(dǎo)體技術(shù)制成的高密度智能壓覺傳感滑覺傳感器有滾動(dòng)式和球式，還有一種通過(guò)振動(dòng)檢測(cè)滑覺的傳感器。其原理是物體在傳感器表面滑動(dòng)時(shí)，和滾輪或環(huán)相接觸，把滑動(dòng)變成轉(zhuǎn)動(dòng)。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1五、工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器3．觸覺傳感器（2）滑覺傳感器如圖1-3-17所示為滾珠式滑覺傳感器，圖1-3-17中的滾球表面是導(dǎo)體和絕緣體配置成的網(wǎng)眼，從物體的接觸點(diǎn)可以獲取斷續(xù)的脈沖信號(hào)，它能檢測(cè)全方位的滑動(dòng)行為。

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1五、工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器3．觸覺傳感器（2）滑覺傳感器如圖1-3-18所示為滾柱式滑覺傳感器結(jié)構(gòu)，滾柱式滑覺傳感器是經(jīng)常使用的一種滑覺傳感器。

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

由圖1-3-18可知，當(dāng)機(jī)器人手爪中的物體滑動(dòng)時(shí)，將使?jié)L柱旋轉(zhuǎn)，滾柱帶動(dòng)安裝在其中的光電傳感器和縫隙圓板而產(chǎn)生脈沖信號(hào)。這些信號(hào)通過(guò)計(jì)數(shù)電路和D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，通過(guò)反饋系統(tǒng)，構(gòu)成閉環(huán)控制，不斷修正握力，達(dá)到消除滑動(dòng)的目的。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1五、工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器3．觸覺傳感器（2）滑覺傳感器目前出現(xiàn)了“人工皮膚”，實(shí)際上就是一種超高密度排列的陣列傳感器，主要用于表面形狀和表面特性的檢測(cè)。壓電材料是另一種有潛力的觸覺敏感材料，其原理是利用晶體的壓電效應(yīng)，在晶體上施壓時(shí)，一定范圍內(nèi)施加的壓力與晶體的電阻成比例關(guān)系。

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

但是一般晶體的脆性比較大，作為敏感材料時(shí)很難制作。目前已有一種聚合物材料具有良好的壓電性，且柔性好，易制作，有希望成為新的觸覺敏感材料。其他常用敏感材料有半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)，其原理與應(yīng)變片一樣，即應(yīng)變變形原理。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1六、多傳感器的融合及應(yīng)用1．傳感器的融合系統(tǒng)中使用的傳感器種類和數(shù)量越來(lái)越多，每種傳感器都有一定的使用條件和感知范圍，并且又能給出環(huán)境或?qū)ο蟮牟糠只蛘麄€(gè)側(cè)面的信息，為了有效地利用這些傳感器信息，需要采用某種形式對(duì)傳感器信息進(jìn)行綜合、融合處理，不同類型信息的多種形式的處理系統(tǒng)就是傳感器融合。

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

傳感器的融合技術(shù)設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、知識(shí)工程、模糊理論等信息檢測(cè)、控制領(lǐng)域的新理論和新方法。如圖1-3-19所示為KUKA多傳感器信息融合自主移動(dòng)機(jī)器人。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1六、多傳感器的融合及應(yīng)用1．傳感器的融合傳感器融合類型有多種，現(xiàn)以兩個(gè)例子進(jìn)行說(shuō)明。（1）競(jìng)爭(zhēng)性的在傳感器檢測(cè)同一環(huán)境或同一物體的同一性質(zhì)時(shí)，傳感器提供的數(shù)據(jù)可能是一致的，也可能是矛盾的。若有矛盾，就需要系統(tǒng)決定。

任務(wù)3工業(yè)機(jī)器人的傳感器及其應(yīng)用

決定的方法有多種，如加權(quán)平均法、決策法等。在一個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)中，車輛位置的確定可以通過(guò)計(jì)算法定位系統(tǒng)（利用速度、方向等記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算）或陸標(biāo)觀測(cè)（如交叉路口、人行道等參照物）確定。若陸標(biāo)觀測(cè)成功，則用陸標(biāo)觀測(cè)的結(jié)果，并對(duì)計(jì)算法的值進(jìn)行修正，否則利用計(jì)算法所得的結(jié)果。

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)模塊1六、多傳感器的融合及應(yīng)用1．傳感器的融合傳感器融合類型有多種，現(xiàn)以兩個(gè)例子進(jìn)行說(shuō)明。（2）互補(bǔ)性的傳感器提供不同形式的數(shù)據(jù)。