1、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)第4章 工業(yè)機(jī)器人傳感器4.1 工業(yè)機(jī)器人傳感器概述目錄CONTENT4.2工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部傳感器4.3 工業(yè)機(jī)器人外部傳感器掌握工業(yè)機(jī)器人傳感器的種類、性能指標(biāo)及其使用要求。熟悉工業(yè)機(jī)器人內(nèi)、外部傳感器的功能和應(yīng)用。12學(xué)習(xí)目標(biāo)4.1工業(yè)機(jī)器人傳感器概述4.1.1 工業(yè)機(jī)器人傳感器的類型傳感器是一種以一定精度將被測(cè)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)化電路三個(gè)基本部分。工業(yè)機(jī)器人傳感器按用途的不同，可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。表4-1 工業(yè)機(jī)器人傳感器的分類、功能和應(yīng)用4.1.2 傳感器的性

2、能指標(biāo)1靈敏度2線性度圖4-2 傳感器的線性度3精度精度是指?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。在工業(yè)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傳感器精度。（a）激光測(cè)距傳感器（精度0.2 mm） （b）位移傳感器（精度0.01 mm）圖4-3 傳感器4測(cè)量范圍測(cè)量范圍是指被測(cè)量的最大允許值和最小允許值之差。傳感器的測(cè)量范圍應(yīng)該覆蓋工業(yè)機(jī)器人有關(guān)被測(cè)量的工作范圍。如果無法達(dá)到這一要求，可以設(shè)法選用某種轉(zhuǎn)換裝置，但這樣會(huì)引入某種誤差，使傳感器的測(cè)量精度受到一定的影響。5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

3、來說，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)量方法的問題。6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)量的最小變化量，或者所能辨別的不同被測(cè)量的個(gè)數(shù)。工業(yè)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)。傳感器分辨率的最低限度要求一般根據(jù)機(jī)器人的工作任務(wù)確定。7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)變化至一個(gè)穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。在一些傳感器中，輸出信號(hào)在達(dá)到某一穩(wěn)定值以前

4、會(huì)發(fā)生短時(shí)間地振蕩。8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，為防止工業(yè)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)通過單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率來定義，因此抗干擾能力實(shí)際是一個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。4.1.3 工業(yè)機(jī)器人對(duì)傳感器的一般要求1精度高、重復(fù)性好傳感器的精度與重復(fù)性直接影響工業(yè)機(jī)器人的工作質(zhì)量，用于檢測(cè)和控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的傳感器是控制機(jī)器人定位精度的基礎(chǔ)。機(jī)器人是否能夠準(zhǔn)確無誤地正常工作往往取決于傳感器的測(cè)量精度。2穩(wěn)定性好、可靠性高傳感器的穩(wěn)定性和可靠性是保證工業(yè)機(jī)器人能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地工作的必要條件。工業(yè)機(jī)器人經(jīng)常是在無人照看的條件下

5、代替人工操作的，萬一它在工作中出現(xiàn)故障，輕則影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，重則造成嚴(yán)重的事故。3抗干擾能力強(qiáng)工業(yè)機(jī)器人傳感器的工作環(huán)境往往比較惡劣，其應(yīng)當(dāng)能夠承受強(qiáng)電磁干擾、強(qiáng)振動(dòng)，并能夠在一定的高溫、高壓、高污染環(huán)境中正常工作。4重量輕、體積小對(duì)于安裝在工業(yè)機(jī)器人臂部等運(yùn)動(dòng)部件上的傳感器，重量要輕，否則會(huì)加大運(yùn)動(dòng)部件慣性，影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能。對(duì)于工作空間受到某種限制的機(jī)器人，體積和是否安裝方便的要求也是必不可少的。4.2工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部傳感器4.2.1 位移傳感器1電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器一般用于測(cè)量工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)線位移和角位移，是位置反饋控制中必不可少的元件，它可將機(jī)械的直線位移或角位

6、移輸入量轉(zhuǎn)換為與其成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。電位器式位移傳感器主要由電阻元件、骨架及電刷等組成。根據(jù)滑動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)方式的不同，電位器式位移傳感器分為直線型和旋轉(zhuǎn)型兩種。1）直線型電位器式位移傳感器直線型電位器式位移傳感器的外形和結(jié)構(gòu)如圖4-4所示。當(dāng)測(cè)量軸發(fā)生直線位移時(shí)，與其相連的傳感器觸頭也發(fā)生位移，使得觸頭與滑線電阻端的電阻值和輸出電壓值發(fā)生變化，根據(jù)輸出電壓值的變化，即可測(cè)出工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置和位移量。圖4-4 直線型電位器式位移傳感器圖4-5 直線型電位器式位移傳感器工作原理圖2）旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器（a）外形 （b）工作原理圖4-6 單圈旋轉(zhuǎn)型電位器2光電編碼器光電編碼器

7、是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的直線位移或角度變化轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，屬于非接觸式傳感器，它主要由碼盤、機(jī)械部件、檢測(cè)光柵和光電檢測(cè)裝置（光源、光敏器件、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路）等組成，如圖4-7所示。圖4-7 光電編碼器的結(jié)構(gòu)1轉(zhuǎn)軸；2LED；3檢測(cè)光柵；4碼盤；5光敏器件圖4-8 光電編碼器工作原理圖根據(jù)碼盤上透光區(qū)域與不透光區(qū)域分布的不同，光電編碼器又可分為相對(duì)式（增量式）和絕對(duì)式兩種類型。1）相對(duì)式光電編碼器測(cè)量旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)最常見的傳感器是相對(duì)式光電編碼器，其圓形碼盤（見圖4-9）上的透光區(qū)與不透光區(qū)相互間隔，均勻分布在碼盤邊緣，分布密度決定測(cè)量的解析度。在碼盤兩邊分別裝有光源及光敏元件。圖4

8、-9 相對(duì)式光電編碼器的碼盤當(dāng)碼盤隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)透光區(qū)與一個(gè)不透光區(qū)便會(huì)產(chǎn)生一次光線的明暗變化，經(jīng)整形放大，可以得到一個(gè)電脈沖輸出信號(hào)。相對(duì)式光電編碼器構(gòu)造簡(jiǎn)單、加工容易、成本較低、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)，適合于長(zhǎng)距離傳輸。但是其采用計(jì)數(shù)累加的方式測(cè)得位移量，只能提供對(duì)于某基準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)位置。因此，在工業(yè)控制中，每次操作相對(duì)式編碼器前需進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)校準(zhǔn)（盤片上通?？逃袉为?dú)的一個(gè)小洞表示零位）。圖4-10 相對(duì)式光電編碼器工作原理圖2）絕對(duì)式光電編碼器如圖4-11所示，絕對(duì)式光電編碼器的圓形碼盤上有沿徑向分布的若干同心圓，稱為碼道，一個(gè)光敏元件對(duì)準(zhǔn)一個(gè)碼道。若碼盤上的透光區(qū)對(duì)應(yīng)二進(jìn)制1，不

9、透光區(qū)對(duì)應(yīng)二進(jìn)制0，則沿碼盤徑向，由外向內(nèi)，可依次讀出碼道上的二進(jìn)制數(shù)，如圖4-12所示。 圖4-11 絕對(duì)式光電編碼器的碼盤 圖4-12 絕對(duì)式光電編碼器工作原理圖絕對(duì)式光電編碼器編碼的設(shè)計(jì)采用二進(jìn)制碼或格雷碼，如表4-2所示。由于格雷碼相鄰數(shù)碼之間僅改變一位二進(jìn)制數(shù)，所以誤差不超過1，被大多數(shù)光電編碼器使用。表4-2 格雷碼4.2.2 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，它實(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4-13所示。圖4-13 直流輸出測(cè)速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子與工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)相連便能測(cè)出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，并能在機(jī)

10、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)等優(yōu)點(diǎn)。2相對(duì)式光電編碼器（速度測(cè)量）相對(duì)式光電編碼器作為速度傳感器時(shí)，有模擬和數(shù)字兩種測(cè)量方式。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，用來將編碼器測(cè)得的脈沖頻率轉(zhuǎn)換成與速度成正比的模擬電壓，其原理如圖4-14所示。F/V變換器必須有良好的零輸入、零輸出特性和較小的溫度漂移才能滿足測(cè)試要求。圖4-14 模擬方式的相對(duì)式光電編碼器測(cè)速2）數(shù)字方式圖4-15 時(shí)間增量測(cè)量電路4.2.3 力覺傳感器力覺傳感器又稱力或力矩傳感器，是用來檢測(cè)工業(yè)機(jī)器人的臂部和腕部所產(chǎn)生的力或其所受反力的傳感器。力覺

11、傳感器是工業(yè)機(jī)器人重要的傳感器種類之一，機(jī)器人機(jī)體上一般常安裝有以下三種類型的力覺傳感器。（1）裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器上的力傳感器稱為關(guān)節(jié)力傳感器，它用于控制中的力反饋。（2）裝在末端執(zhí)行器和機(jī)器人最后一個(gè)關(guān)節(jié)之間的力傳感器稱為腕力傳感器。（3）裝在機(jī)器人手指上的力傳感器稱為指力傳感器。4.3工業(yè)機(jī)器人外部傳感器用于檢測(cè)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)對(duì)象及作業(yè)環(huán)境狀態(tài)的傳感器稱為外部傳感器。4.3.1 接觸覺傳感器1接觸覺傳感器概述1）接觸覺傳感器的定義及類型接觸覺傳感器是判斷工業(yè)機(jī)器人是否接觸物體的測(cè)量傳感器，可以感知工業(yè)機(jī)器人與周圍障礙物的接近程度。接觸覺傳感器按接觸方式的不同，可分為開關(guān)式、面接觸式和觸須式三種

12、。接觸覺傳感器在工業(yè)機(jī)器人中有以下幾方面的作用：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)；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。2）接觸覺傳感器的作用3）接觸覺陣列原理如圖所示，電極與柔性導(dǎo)電材料（條形導(dǎo)電橡膠、PVF2薄膜）保持電氣接觸，導(dǎo)電材料的電阻隨壓力而變化。當(dāng)物體壓在其表面時(shí)，將引起局部變形，測(cè)出連續(xù)的電壓變化，便可測(cè)量局部變形。電阻的改變很容易轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其幅值正比于施加在材料表面上某一點(diǎn)的力。 圖4-17 陣列接觸覺傳感器 圖4-18 裝有接觸覺傳感器的手爪2開關(guān)式接觸覺傳感器開關(guān)式接觸覺傳感器外形尺寸較大，空間分辨率較低。開關(guān)式接觸覺

13、傳感器主要分為微動(dòng)開關(guān)和限位開關(guān)兩種。微動(dòng)開關(guān)即使用很小的力也能動(dòng)作，其多采用杠桿原理；限定開關(guān)是限制工作機(jī)構(gòu)位置的電器，主要用于限定工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)作范圍。 （a）結(jié)構(gòu) （b）工作原理圖4-19 開關(guān)式接觸覺傳感器3面接觸式接觸覺傳感器面接觸式接觸覺傳感器即接觸覺陣列。將接觸覺陣列的電極或光電開關(guān)應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的前端及內(nèi)外側(cè)面，或應(yīng)用于相當(dāng)于人類手掌心的位置，傳感器通過識(shí)別末端執(zhí)行器上接觸物體的位置，可使末端執(zhí)行器接近物體并且準(zhǔn)確地完成夾持動(dòng)作。 （a）電極反應(yīng)式 （b）光電開關(guān)式圖4-20 面接觸式接觸覺傳感器4觸須式接觸覺傳感器觸須式接觸覺傳感器由須狀觸頭及其檢測(cè)部分構(gòu)成，觸頭

14、由具有一定長(zhǎng)度的柔空軟條絲構(gòu)成，它與物體接觸所產(chǎn)生的彎曲由在根部的檢測(cè)單元檢測(cè)。與昆蟲的觸角一樣，觸須式傳感器的功能是識(shí)別接近的物體，確認(rèn)所設(shè)定的動(dòng)作結(jié)束，以及根據(jù)接觸發(fā)出回避動(dòng)作的指令或搜索對(duì)象物的存在。圖4-21 觸須式接觸覺傳感器4.3.2 滑覺傳感器滑覺傳感器是一種用來檢測(cè)工業(yè)機(jī)器人與抓握對(duì)象間滑移程度的傳感器。目前常用的滑覺傳感器有滾輪式、球式和振動(dòng)式等類型。1滾輪式滑覺傳感器滾輪式滑覺傳感器由一個(gè)圓柱滾輪測(cè)頭和彈簧板支承組成，如圖4-22所示。當(dāng)工件滑動(dòng)時(shí)，圓柱滾輪測(cè)頭也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)出脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的頻率反映了滑移速度，個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)滑移的距離。圖4-22 滾輪式滑覺傳感器2球式滑覺

15、傳感器球式滑覺傳感器體積小，檢測(cè)靈敏度高。球與被夾持物體相接觸，無論滑動(dòng)方向如何，只要球一轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器便會(huì)產(chǎn)生脈沖輸出，該球體在沖擊力作用下不轉(zhuǎn)動(dòng)，因此球式滑覺傳感器的抗干擾能力較強(qiáng)。圖4-23 球式滑覺傳感器3振動(dòng)式滑覺傳感器振動(dòng)式滑覺傳感器通過檢測(cè)滑動(dòng)時(shí)的微小振動(dòng)來檢測(cè)滑動(dòng)。如圖4-24所示，鋼球指針與被夾持物體接觸，若工件滑動(dòng)，則指針振動(dòng)，線圈輸出信號(hào)。圖4-24 振動(dòng)式滑覺傳感器4.3.3 接近覺傳感器接近覺傳感器是工業(yè)機(jī)器人用來探測(cè)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)的距離一般在幾毫米到十幾厘米之間。接近覺傳感器按照轉(zhuǎn)換原理的不同，可分為電渦流式、光纖式和超聲波式等類

16、型。1電渦流式接近覺傳感器當(dāng)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)部便會(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，電渦流式接近覺傳感器便是利用這一原理制作的。（a）外形 （b）工作原理圖4-25 電渦流式接近覺傳感器電渦流式接近覺傳感器外形尺寸小、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0.02 mm的微量位移。但是電渦流式接近覺傳感器檢測(cè)距離短，一般只能測(cè)到13 mm以內(nèi)，且只能檢測(cè)固態(tài)導(dǎo)體。2光纖式接近覺傳感器用光纖制作的接近覺傳感器具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、響應(yīng)快、檢測(cè)距離較遠(yuǎn)等特點(diǎn)。光纖式接近覺傳感器有三種不同的形式，如

17、圖4-26所示。（a）射束中斷型光纖傳感器（b）回射型光纖傳感器（c）擴(kuò)散型光纖傳感器圖4-26 光纖式接近覺傳感器3超聲波式接近覺傳感器超聲波式接近覺傳感器通過超聲波測(cè)量距離。如圖4-27所示，傳感器由超聲波發(fā)射器、超聲波接收器、定時(shí)電路和控制電路等組成。圖4-27 超聲波式接近覺傳感器工作原理圖被測(cè)距離L有：4.3.4 視覺傳感器1視覺傳感器概述視覺傳感器又稱為攝像管，它是采用光電轉(zhuǎn)換原理攝取平面光學(xué)圖像，并使其轉(zhuǎn)換為電子圖像信號(hào)的器件。視覺傳感器必須具備兩個(gè)作用：一是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；二是將平面圖像上的像素進(jìn)行點(diǎn)陣取樣，并把這些像素按時(shí)間取出。視覺傳感器在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用類型大致可以分為三類，即視覺檢驗(yàn)、視覺導(dǎo)引和過程控制；其應(yīng)用領(lǐng)域包括電子工業(yè)、汽車工業(yè)、航空工業(yè)以及食品和制藥等。2光導(dǎo)攝像管如圖4-29（a）所示，光導(dǎo)攝像管外面有一圓柱形玻璃外殼2，內(nèi)部有位于一端的電子槍7以及位于另一端的屏幕1和光敏層3。加在線圈6，