工業(yè)機(jī)器人機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)第1頁(yè)/共80頁(yè)

1.自由度的數(shù)目機(jī)器人的自由度數(shù)目應(yīng)該與所完成的任務(wù)相匹配，并不是在完成任何任務(wù)時(shí)，機(jī)器人都需要6個(gè)自由度.

1)大多數(shù)情況下，末端執(zhí)行器均具有一個(gè)對(duì)稱軸第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.1基于任務(wù)需求的設(shè)計(jì)第2頁(yè)/共80頁(yè)

2)末端執(zhí)行器具有對(duì)稱軸，可以減少自由度

3)在一些任務(wù)中，當(dāng)由主動(dòng)定位裝置來(lái)放置零件時(shí)則可以使用少于6個(gè)自由度的機(jī)器人

第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.1基于任務(wù)需求的設(shè)計(jì)第3頁(yè)/共80頁(yè)

4)很多任務(wù)都可以在少于6個(gè)自由度的情況下完成

Placementofcomponentsoncircuitbourdsprovidesacommonexampleofthis.Circuitboardsgenerallyareplanarandcontainpartsofvariousheights.Positioningpartsonaplanarsurfacerequiresthreedegreesoffreedom();inordertoliftandinserttheparts,afourthmotionnormaltotheplaneisadded().

第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.1基于任務(wù)需求的設(shè)計(jì)第4頁(yè)/共80頁(yè)

2.工作空間

工作任務(wù)的規(guī)模決定了需要的工作空間.避免自身干涉.避免執(zhí)行器與周?chē)l(fā)生碰撞.第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.1基于任務(wù)需求的設(shè)計(jì)第5頁(yè)/共80頁(yè)3.速度:

一個(gè)明顯的目標(biāo)是使操作臂具有越來(lái)越高的速度.高速度提供了明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，比人工勞動(dòng)具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力.速度大小由操作性質(zhì)決定，而不是操作臂本身限制了速度，例如焊接機(jī)器人.加速能力也非常重要.

第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.1基于任務(wù)需求的設(shè)計(jì)第6頁(yè)/共80頁(yè)4.負(fù)載能力負(fù)載能力與操作臂的結(jié)構(gòu)尺寸、動(dòng)力傳遞系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器有關(guān).

5.重復(fù)精度和定位精度機(jī)器人的精度與其制造的具體過(guò)程有關(guān)，而不在于操作臂的設(shè)計(jì)。第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.1基于任務(wù)需求的設(shè)計(jì)第7頁(yè)/共80頁(yè)

一旦所需要的自由度確定之后，必須合理布置各個(gè)關(guān)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些自由度.1、關(guān)節(jié)數(shù)目等于要求的自由度數(shù)目2、大多數(shù)采用最后n-3個(gè)關(guān)節(jié)的腕部結(jié)構(gòu)來(lái)確定姿態(tài)，而前三個(gè)關(guān)節(jié)來(lái)確定位置3、也存在其他一些具有封閉運(yùn)動(dòng)學(xué)解的構(gòu)形。.第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.2運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)形第8頁(yè)/共80頁(yè)

1.笛卡爾操作臂

Joint1through3areprismatic,mutuallyorthogonal.---Theinversekinematicsolutionistrivial,andpreventskinematicsingularities.---Producesrobotswithverystiffstructures.Verylargerobotscanbebuilt,Butretrofittingintoexistingworkcellsextremelydifficult.

第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.2運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)形第9頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.2運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)形第10頁(yè)/共80頁(yè)

鉸接型操作臂關(guān)節(jié)1-關(guān)節(jié)3都是移動(dòng)副，且互相垂直，自然解耦.第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.2運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)形第11頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.2運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)形第12頁(yè)/共80頁(yè)

SCARA操作臂

SCARA構(gòu)形具有三個(gè)平行的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，第四個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)可以使得執(zhí)行器垂直于該平面.前三個(gè)關(guān)節(jié)不必支撐操作臂或負(fù)載的任何重量.便于在連桿0中固定前兩個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器，從而使得機(jī)器人快速移動(dòng).

第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.2運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)形第13頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.2運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)形第14頁(yè)/共80頁(yè)

球面坐標(biāo)操作臂

Hasmanysimilaritiestothearticulatedmanipulator,butwiththeelbowjointreplacedbyaprismaticjoint.Thisdesignisbettersuitedtosomeapplicationsthanistheelbowdesign.Thelinkthatmovesprismaticallymighttelescope—oreven“stickouttheback”whenretracted.第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.2運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)形第15頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.2運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)形Unimate第16頁(yè)/共80頁(yè)

圓柱面坐標(biāo)型操作臂一個(gè)使手臂豎直運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)帶有豎直軸的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，另一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的軸正交.第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.2運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)形第17頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.2運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)形Verstran第18頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.2運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)形仿生構(gòu)形第19頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.2運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)形仿生構(gòu)形第20頁(yè)/共80頁(yè)

腕關(guān)節(jié)最常見(jiàn)的腕關(guān)節(jié)構(gòu)形由兩個(gè)或三個(gè)正交的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，第一個(gè)腕關(guān)節(jié)通常是操作臂的第四個(gè)關(guān)節(jié).第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.2運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)形第21頁(yè)/共80頁(yè)

實(shí)際中很難制作出這種三軸正交且不受關(guān)節(jié)角度限制的腕關(guān)節(jié).

辛辛那提制造的許多機(jī)器人采用另一種方法，腕關(guān)節(jié)采用由三個(gè)相交但不垂直的軸構(gòu)成.第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.2運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)形第22頁(yè)/共80頁(yè)

有一些工業(yè)機(jī)器人的腕關(guān)節(jié)沒(méi)有相交軸，如果將腕關(guān)節(jié)安裝在鉸接型操作臂上，那么它的第四個(gè)關(guān)節(jié)軸與第二個(gè)、三個(gè)關(guān)節(jié)軸平行，這時(shí)可以得到一個(gè)封閉形式的運(yùn)動(dòng)學(xué)解。第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.2運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)形第23頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.2運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)形第24頁(yè)/共80頁(yè)2.工作空間屬性的定量測(cè)量操作臂設(shè)計(jì)者提出了幾種有效的關(guān)于各種工作空間屬性的定量測(cè)量方法.按照生成工作空間設(shè)計(jì)的效果制造笛卡爾操作臂比制作鉸接型操作臂要消耗更多的材料.---定義操作臂的長(zhǎng)度和:

---定義結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度指標(biāo)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.3工作空間屬性的定量測(cè)量第25頁(yè)/共80頁(yè)

Hence,attemptstoindextherelativeamountofstructure(linkagelength)requiredbydifferentconfigurationstogenerateagivenworkvolume.Gooddesign:amanipulatorwithasmalllengthsumnonethelesspossessedalargeworkspacevolume.Gooddesignhavealow.---Cartesianmanipulator:thevalueofisminimizedwhenallthreejointshavethesamelengthoftravel:.

---Articulatedmanipulator:.

Inanyrealmanipulatorstructure,thefigurejustgivenwouldbemadesomewhatlargerbytheeffectofjointlimitsinreducingtheworkspacevolume.第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.3工作空間屬性的定量測(cè)量第26頁(yè)/共80頁(yè)設(shè)計(jì)良好條件的工作空間在奇異點(diǎn)處，操作臂會(huì)失去一個(gè)或者多個(gè)自由度，所以在該位置某些任務(wù)將無(wú)法完成.操作臂離奇異點(diǎn)越遠(yuǎn)，操作臂越能均勻地在各個(gè)方向上移動(dòng)和施力。.

奇異位型由下式給出:

第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.3工作空間屬性的定量測(cè)量第27頁(yè)/共80頁(yè)

可操作度被定義為:

對(duì)于非冗余操作臂:

.的值越大，其靈巧工作空間越大，該操作臂的設(shè)計(jì)則越好。

第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.3工作空間屬性的定量測(cè)量第28頁(yè)/共80頁(yè)

把笛卡爾質(zhì)量矩陣的特征根作為評(píng)判操作臂在各個(gè)笛卡爾方向的加速能力的方法：

n維橢球方程：

第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.3工作空間屬性的定量測(cè)量第29頁(yè)/共80頁(yè)冗余機(jī)構(gòu)更多的可控關(guān)節(jié)會(huì)帶來(lái)一定好處.微操作臂安裝在傳統(tǒng)操作臂末端，負(fù)責(zé)較小范圍的精細(xì)與力的控制.冗余機(jī)器人可以以無(wú)窮方式到達(dá)期望位姿，以免因障礙影響路徑的選擇.第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.4冗余機(jī)構(gòu)與閉鏈機(jī)構(gòu)第30頁(yè)/共80頁(yè)閉鏈機(jī)構(gòu)很多操作臂具有閉鏈機(jī)構(gòu)

第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.4冗余機(jī)構(gòu)與閉鏈機(jī)構(gòu)第31頁(yè)/共80頁(yè)

1.驅(qū)動(dòng)器布局直接驅(qū)動(dòng)減速系統(tǒng).第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.5驅(qū)動(dòng)方式第32頁(yè)/共80頁(yè)

2.減速和傳動(dòng)系統(tǒng)

1)齒輪:

平行軸、正交軸、傾斜軸間隙、摩擦、傳動(dòng)比第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.6傳動(dòng)方式第33頁(yè)/共80頁(yè)2)柔性帶、鋼纜、皮帶:第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.6傳動(dòng)方式3)普通絲杠和滾珠絲杠第34頁(yè)/共80頁(yè)

1)并聯(lián)和串聯(lián)的柔性元件并聯(lián):

串聯(lián):

2)軸:

第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.7剛度與變形第35頁(yè)/共80頁(yè)

3)齒輪:

whereisthefacewidthofthegears,istheradiusoftheoutputgear,andforsteel.Gearingalsohastheeffectofchangingtheeffectivestiffnessofthedrivesystembyafactorof.Hence,agearreductionhastheeffectofincreasingthestiffnessbythesqureofthegearratio.

第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.7剛度與變形第36頁(yè)/共80頁(yè)

4)帶:whereisthecross-sectionalareaofthebelt,isthemodulusofelasticityofthebelt,andisthelengthofthefreebeltbetweenpulleysplusone-thirdofthelengthofthebeltincontactwiththepulleys.

5)連桿:wemightmodelasinglelinkasacantileverbeamandcalculatethestiffnessattheendpoint.Foraroundhollowbeam,thestiffnessisgivenby:

whereandaretheinnerandouterdiametersofthetubularbeam,isthelength,andEisthemodulusofelasticity(aboutforsteel).第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.7剛度與變形第37頁(yè)/共80頁(yè)Forasquare-cross-sectionhollowbeam:whereandaretheouterandinnerwidthsofthebeam(i.e.thewallthicknessis).第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.7剛度與變形第38頁(yè)/共80頁(yè)

Example:Asquare-cross-sectionlinkofdimensions5*5*50cmwithathicknessof1cmisdrivenbyasetofrigidgearswith,andtheinputofthegearsisdrivenbyashafthavingdiameter0.5cmandlength30cm.Whatdeflectioniscausedbyaforceof100Ntattheendofthelink?

第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.7剛度與變形第39頁(yè)/共80頁(yè)Thestiffnessofthelink:

Foraloadof100Nt,thedeflectioninthelinkitself:

Additionally,100Ntattheendofa50-cmlinkisplacingatorqueof50Nt-montheoutputgear.Thegeararerigid,buttheflexibilityoftheinputshaftis:第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.7剛度與變形第40頁(yè)/共80頁(yè)which,viewedfromtheoutputgear:Loadingwith50Nt-mcausesanangulardeflectionof:

sothetotallineardeflectionatthetipoflinkis:

第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.7剛度與變形第41頁(yè)/共80頁(yè)Wehaveexaminedsomesimpleformulasforestimatingthestiffness.Theyaremeanttogivesomeguidanceinsizingstructuralmembersandtransmissionelements.Inpracticalapplications,manysourcesofflecxibilityareverydifficulttomodel.

Finite-elementtechniquescanbeusedtopredictthestiffnessofmorerealisticstructuralelementsmoreaccurately.第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.7剛度與變形第42頁(yè)/共80頁(yè)

4.Actuators:

1)Hydrauliccylinders:originallythemostpopularforuseinmanipulator.Theycanproduceenoughforcetodrivejointswithoutareductionsystem.Hydraulicsrequireagreatdealofequipment,suchaspumps,accumulators,hoses,andservovalues.Hydraulicsystemsalsotendtobeinherentlymessy,makingthemunsuitableforsomeapplication.

2)Pneumaticcylinders:haveprovendifficulttocontrolaccurately,becauseofthecompressibilityofairandthehighfrictionoftheseals.

3)Electricmotors:themostpopularactuatorformanipulators.Althoughtheydon’thavethepower-to-weightratioofhydraulicsorpneumatics,theircontrollabilityandeaseofinterfacemakesthemattractiveforsmall-to-medium-sizedmanipulators.第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.8驅(qū)動(dòng)器第43頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.8驅(qū)動(dòng)器液壓驅(qū)動(dòng)氣壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)優(yōu)點(diǎn)適用于大型機(jī)器人和大負(fù)載最高的功率-重量比液壓缸可直接作為關(guān)節(jié)的—部分，故結(jié)構(gòu)緊湊系統(tǒng)剛性好、精度高、響應(yīng)快無(wú)需減速齒輪易于在大的速度范圍內(nèi)工作可以無(wú)損壞地停在一個(gè)位置許多元件是現(xiàn)成的，元件可靠氣缸可作成關(guān)節(jié)的一部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單無(wú)泄漏、無(wú)火花價(jià)格低、系統(tǒng)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便適合開(kāi)關(guān)控制以及拾取和放置柔性系統(tǒng)，具有緩沖作用無(wú)污染問(wèn)題．廢氣可直接排入大氣，工作場(chǎng)地清潔適用于所有尺寸機(jī)器人控制性能好，適用于高精度機(jī)器人與液壓系統(tǒng)比有較高柔性使用減速此輪降低了電機(jī)軸上的慣量可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單可做到無(wú)火花，適用于防爆場(chǎng)合缺點(diǎn)會(huì)泄露，不適合潔凈場(chǎng)合需要泵、儲(chǔ)液箱、電機(jī)、油管等價(jià)格貴，有噪聲，易燃，需要維護(hù)液壓粘度隨溫度改變對(duì)灰塵及液體中雜質(zhì)敏感柔性低高轉(zhuǎn)矩、高壓強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)器的慣性大系統(tǒng)噪聲較大需要?dú)鈮簷C(jī)、過(guò)濾器等很難控制線性位置剛度低，響應(yīng)速度低功率-重量比最低壓縮空氣中含有水分，元件易銹蝕，低溫時(shí)結(jié)冰起動(dòng)困難。剛度低需要減速此輪，增大了間隙、成本、重量等在不供電時(shí)，電機(jī)需要?jiǎng)x車(chē)裝置，否則手臂會(huì)掉落第44頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.8驅(qū)動(dòng)器Pulsewidthmodulation(PWM)

PWMperiod:asinglecycleofONandOFFstates.Dutyrate:thepercentageoftheONstateinasingleperiod.第45頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.8驅(qū)動(dòng)器雙極式H橋功率變換器電樞兩端的平均電壓為：321第46頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.8驅(qū)動(dòng)器主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率元件少；開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較?。坏退傩阅芎?，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)；主電路元件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通功率小，裝置效率高；直流電源采用不控三項(xiàng)整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)高。第47頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.8驅(qū)動(dòng)器第48頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.9傳感器

機(jī)器人用傳感器的選擇包括三個(gè)方面，一是傳感器類型的選取，二是傳感器性能指標(biāo)的確定，三是傳感器物理特征的選取。

傳感器類型的選取取決于機(jī)器人需完成的任務(wù)，工業(yè)機(jī)器人要被用于執(zhí)行各種加工任務(wù)，如搬運(yùn)、裝配、噴漆、檢驗(yàn)等任務(wù)，不同任務(wù)對(duì)機(jī)器人傳感器的需求是不一樣的。同時(shí)還要從安全角度配置必要的傳感器，一方面為保護(hù)機(jī)器人自身的目的，如機(jī)器人的各構(gòu)件及控制系統(tǒng)都不能超過(guò)其工作極限，另一方面還要保護(hù)機(jī)器人的使用者，如限定機(jī)器人的工作范圍等。

傳感器性能指標(biāo)的確定與機(jī)器人系統(tǒng)得工作要求相關(guān)。根據(jù)機(jī)器人系統(tǒng)的技術(shù)要求，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的各組成部分的性能要求進(jìn)行合理地分配和設(shè)計(jì)，從而確定傳感器上面所述的性能指標(biāo)要求。

傳感器物理特征的選擇主要考慮傳感器的尺寸、重量、安裝形式以及信號(hào)輸出的形式。其中尺寸和重量是傳感器的重要物理參數(shù)，不僅是影響機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要因素，而且對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能有很大影響。安裝形式主要考慮是否有利于機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和便于維護(hù)。輸出形式與機(jī)器人計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)的難易度和效率有關(guān)。第49頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.9傳感器1、機(jī)器人傳感器分類機(jī)器人傳感器是一種能夠?qū)⒕哂形锢肀憩F(xiàn)形式的信息變換為機(jī)器人可以處理的信息的器件，是將被測(cè)非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之相應(yīng)的電量輸出的器件或裝置，是機(jī)器人感知自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息和周?chē)h(huán)境信息的主要手段。傳感器的豐富程度及其性能優(yōu)劣直接影響到機(jī)器人的智能性和自主性。

1）內(nèi)部傳感器：安裝在機(jī)器人自身中，用以控制機(jī)器人的動(dòng)作、感知自身狀態(tài)的傳感器。內(nèi)部傳感器中，位置傳感器和速度傳感器也叫作伺服傳感器，是機(jī)器人反饋控制中不可缺少的元件。加速度和力或力矩傳感器也常用于機(jī)器人的柔順控制。

2）外部傳感器：用于測(cè)量與機(jī)器人作業(yè)有關(guān)的外部因素，即為了認(rèn)識(shí)機(jī)器人周?chē)沫h(huán)境和對(duì)象物狀態(tài)的傳感器，如視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等傳感器。第50頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.9傳感器2、選擇方法

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，目前已有近10萬(wàn)種傳感器面市，但并不是所有的傳感器均能用于機(jī)器人。

1）從機(jī)器人對(duì)傳感器的需求來(lái)選擇：對(duì)感覺(jué)傳感器的需求，感覺(jué)能力能夠補(bǔ)償動(dòng)作精度的不足。

2）從加工任務(wù)的需求來(lái)選擇

3）從機(jī)器人控制的要求來(lái)選擇

4）從輔助工作的要求來(lái)選擇

5）從安全方面來(lái)選擇：保護(hù)環(huán)境和保護(hù)機(jī)器人自身

第51頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.9傳感器

1）靈敏度：指?jìng)鞲衅鞯妮敵鲂盘?hào)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出信號(hào)變化與輸入信號(hào)變化的比值。對(duì)線性傳感器，靈敏度表示為

，對(duì)非線性傳感器，靈敏度表示為

。一般來(lái)說(shuō)，靈敏度越大越好，可使輸出信號(hào)的精確度更高。但過(guò)高的靈敏度會(huì)導(dǎo)致輸出的穩(wěn)定性下降。因此應(yīng)根據(jù)機(jī)器人的要求選擇適中的靈敏度。

2）線性度：衡量傳感器輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的比值是否保持為常數(shù)的指標(biāo)。機(jī)器人控制系統(tǒng)因該采用線性度較高的傳感器。

3）測(cè)量范圍：指?jìng)鞲衅鞅粶y(cè)量的最大允許值和最小允許值之差。一般要求傳感器的測(cè)量范圍必須覆蓋機(jī)器人有關(guān)被測(cè)量的工作范圍。

4）精度：指?jìng)鞲衅鞯臏y(cè)量輸出值與實(shí)際被測(cè)值之間的誤差。應(yīng)根據(jù)機(jī)器人的工作精度要求選擇合適的傳感器精度，精度過(guò)低，滿足不了要求，精度過(guò)高，成本也較高。還要注意傳感器精度的適用條件和測(cè)試方法。第52頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.9傳感器

5）重復(fù)性：指?jìng)鞲衅髟谄漭斎胄盘?hào)按一定方向進(jìn)行全量程連續(xù)多次測(cè)量時(shí)，其相應(yīng)測(cè)量結(jié)果的變化程度。測(cè)量結(jié)果變化越小，重復(fù)性越好。同樣重復(fù)性也要注意傳感器精度的適用條件和測(cè)試方法。對(duì)于示教再現(xiàn)型機(jī)器人，傳感器的重復(fù)性是很重要的，直接關(guān)系到機(jī)器人能否準(zhǔn)確地再現(xiàn)其示教軌跡。

6）分辨率：指?jìng)鞲衅髟谡麄€(gè)測(cè)量范圍內(nèi)所能辨識(shí)的被測(cè)量的最小變化量。辨別的最小變化量越小，分辨率越高。分辨率直接影響機(jī)器人的可控程度和控制質(zhì)量。

7）響應(yīng)時(shí)間：這是一個(gè)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，指?jìng)鞲衅鞯妮斎胄盘?hào)變化后，其輸出信號(hào)變化到一個(gè)穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。

8）可靠性：對(duì)于所有機(jī)器人來(lái)說(shuō)，可靠性都是十分重要的。在工業(yè)領(lǐng)域，一般要求在98%-99%的工作時(shí)間里，機(jī)器人系統(tǒng)都能正常工作。第53頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.9傳感器

1）尺寸和重量：機(jī)器人重要物理參數(shù)，是手臂驅(qū)動(dòng)器負(fù)載的一部分，影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能和工作性能。因此，減小機(jī)器人的尺寸和重量是傳感器設(shè)計(jì)、選用的主要要求之一。

2）輸出形式：可以是某種機(jī)械運(yùn)動(dòng)，也可以是電壓和電流。一般希望傳感器輸出最好是計(jì)算機(jī)可以直接接受的數(shù)字式信號(hào)，否則需要轉(zhuǎn)換。

3）可接插性：不僅影響是用的方便程度，而且影響機(jī)器人結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，輔助性設(shè)計(jì)工作也會(huì)提高成本。

第54頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.9傳感器

電位器既可以是旋轉(zhuǎn)式也可以是直線式，因此能夠測(cè)量旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)式電位器還可以是多圈的，使得用戶可以測(cè)量多種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。電位器既可以是繞線的，也可以是噴鍍薄膜的（也稱導(dǎo)電塑料），即在表面噴鍍阻性材料的薄膜。薄膜式電位器的優(yōu)點(diǎn)是輸出連續(xù)、噪聲低，可以通過(guò)電子裝置對(duì)輸出的微分得出速度。繞線式電位器輸出時(shí)步進(jìn)式的，不可以進(jìn)行微分。電位器通常用來(lái)做內(nèi)部反饋傳感器，可以檢測(cè)關(guān)節(jié)和連桿的位置。第55頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.9傳感器

第56頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.9傳感器

編碼器是一種能夠檢測(cè)細(xì)微運(yùn)動(dòng)輸出數(shù)字信號(hào)的簡(jiǎn)單裝置。碼盤(pán)或碼尺被分割成若干小區(qū)，每個(gè)小區(qū)可能透明也可能不透明，當(dāng)光源發(fā)射光時(shí)，另一側(cè)光敏傳感器進(jìn)行檢測(cè)，透光時(shí)輸出高電平，不透光時(shí)，輸出低電平。隨著碼盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器就連續(xù)不斷地輸出信號(hào)，如果對(duì)該信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可測(cè)量任意時(shí)刻碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的近似總位移。除光學(xué)編碼器外，還常用磁式編碼器，磁式編碼器在強(qiáng)磁性材料表面上，記錄等間隔的磁化刻度標(biāo)尺，標(biāo)尺旁邊相對(duì)放置磁阻效應(yīng)元件或霍爾元件，即能檢測(cè)磁通的變化。第57頁(yè)/共80頁(yè)

編碼器又稱碼盤(pán)，是一種回轉(zhuǎn)式數(shù)字測(cè)量元件，通常裝在被檢測(cè)軸上，隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的模擬量（位移）轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號(hào)。測(cè)量線位移的稱作直線編碼器，測(cè)量角位移的稱作旋轉(zhuǎn)編碼器。編碼器按其結(jié)構(gòu)形式有接觸式、光電式、電磁式等，后兩種為非接觸式編碼器。它們的工作原理不同，敏感元件不同，由結(jié)構(gòu)相似但內(nèi)涵不同的碼盤(pán)組成。第58頁(yè)/共80頁(yè)類結(jié)構(gòu)特點(diǎn)接觸式電刷與碼盤(pán)直接接觸，電刷數(shù)目與碼道數(shù)目相同，每個(gè)電刷連接一根導(dǎo)線。碼盤(pán)基體是絕緣體，碼道上小網(wǎng)格為高電平——導(dǎo)電區(qū)和低電平——非導(dǎo)電區(qū)。另加一個(gè)供電碼道，并與供電電刷相連，所有碼區(qū)內(nèi)導(dǎo)電區(qū)與供電碼道相連。電刷安裝精度直接影響編碼器精度。直接接觸造成磨損，抗震能力差、易跳閘。光電式在碼盤(pán)基體上形成透明與不透明的碼區(qū)，組成扇形網(wǎng)格。每個(gè)扇形網(wǎng)格由透明“1”或不透明“0”小網(wǎng)格組成。光源采用白熾燈和發(fā)光二極管。光敏元件采用光電二極管，光電三極管或硅光電池。對(duì)透明不透明碼區(qū)的轉(zhuǎn)接處要求位置準(zhǔn)確，邊緣陡峭分明。光路較復(fù)雜，成本高、壽命也長(zhǎng)。磁電式對(duì)碼盤(pán)的碼道上各碼區(qū)進(jìn)行磁化處理，磁化區(qū)用“0”表示，非磁化區(qū)用“1”表示。敏感元件是小磁環(huán)，每個(gè)環(huán)上繞兩個(gè)繞組；一個(gè)是詢問(wèn)繞組通以恒頻恒幅交流電，另一個(gè)是讀出繞組。工作可靠，工作范圍比接觸式寬，成本較高。第59頁(yè)/共80頁(yè)

就精度和可靠性來(lái)講，光電式編碼器優(yōu)于其他類型，電磁式及接觸式的編碼器因其精度及可靠性不高的原因，應(yīng)用愈來(lái)愈少。本節(jié)主要介紹光電式編碼器。光電式編碼器按照編碼方式分為脈沖盤(pán)式（增量編碼器）和碼盤(pán)式編碼器（絕對(duì)值編碼器），其關(guān)系如下所示：光電式編碼器脈沖盤(pán)式編碼器(增量編碼器)碼盤(pán)式編碼器(絕對(duì)值編碼器)第60頁(yè)/共80頁(yè)

增量編碼器的輸出是一系列脈沖，需要一個(gè)計(jì)數(shù)系統(tǒng)對(duì)脈沖進(jìn)行加減(正向或反向旋轉(zhuǎn)時(shí))累計(jì)計(jì)數(shù)，一般還需要一個(gè)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)即零位基準(zhǔn)，才能完成角位移測(cè)量。

絕對(duì)值編碼器不需要基準(zhǔn)數(shù)據(jù)及計(jì)數(shù)系統(tǒng)，它在任意位置都可給出與位置相對(duì)應(yīng)的固定數(shù)字碼輸出，能方便地與數(shù)字系統(tǒng)（如微機(jī)）連接。第61頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.9傳感器——旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器(Resolver)由鐵心、兩個(gè)定子線圈和兩個(gè)轉(zhuǎn)子線圈組成，是測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度的傳感器。定子和轉(zhuǎn)子由硅鋼片或鈹莫合金疊層制成，在槽里繞上線圈。定子和轉(zhuǎn)子分別由互相垂直的兩相繞組構(gòu)成。

在各定子線圈加上交流電壓，轉(zhuǎn)子線圈中由于交鏈磁通的變化產(chǎn)生感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓和勵(lì)磁電壓之間相關(guān)聯(lián)的耦合系數(shù)隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角而改變。因此，根據(jù)測(cè)得的輸出電壓，就可以知道轉(zhuǎn)角的大小?？梢哉J(rèn)為，旋轉(zhuǎn)變壓器是由隨轉(zhuǎn)角而改變且耦合系數(shù)位的兩個(gè)變壓器構(gòu)成的。第62頁(yè)/共80頁(yè)分解器繞組的結(jié)構(gòu)保證了定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙磁通呈正、余弦規(guī)律分布。防止氣隙磁通畸變加上相互垂直的繞組，因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)隨轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角θ機(jī)呈正弦規(guī)律變化。即：或其中，Us

，Uc

為定子正弦、余弦繞組上的激磁電壓，k為變壓比。旋轉(zhuǎn)變壓器原理第63頁(yè)/共80頁(yè)鑒相方式

在旋轉(zhuǎn)變壓器定子的兩相正交繞組上分別加上幅值相等、頻率相同的正弦、余弦激磁電壓，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后，兩個(gè)激磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓線性疊加得總感應(yīng)電壓為：因此，只要檢測(cè)出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就知道了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角θ機(jī)

。

鑒幅方式給定子的兩個(gè)繞組分別通上頻率、相位相同但幅值不同的激磁電壓，

則在轉(zhuǎn)子繞組上得到感應(yīng)電壓為不斷修改激磁調(diào)幅電壓幅值的電氣角θ電，使之跟蹤θ機(jī)的變化，并測(cè)量感應(yīng)電壓幅值即可求得機(jī)械角位移θ機(jī)

。第64頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.9傳感器—差動(dòng)變壓器

線位移差動(dòng)變壓器（LVDT）實(shí)際上就是一個(gè)變壓器，它的鐵心隨被測(cè)位移移動(dòng)，同時(shí)將隨位移變化的模擬電壓輸出作為位移的測(cè)量結(jié)果。線位移差動(dòng)變壓器的輸出線性度很好，它與鐵心的位置成比例。第65頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.10速度傳感器—編碼器

如果用編碼器測(cè)量位置，就沒(méi)有必要使用速度傳感器。對(duì)任意給定的角位移，編碼器將產(chǎn)生確定信號(hào)的脈沖信號(hào)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)指定時(shí)間

內(nèi)脈沖信號(hào)的數(shù)量，就能計(jì)算出相應(yīng)的角速度。

越短，得到的速度值就越準(zhǔn)確，越接近實(shí)際的瞬時(shí)速度，如果編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)的很緩慢，則測(cè)得的速度可能會(huì)不準(zhǔn)確。第66頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.10速度傳感器—測(cè)速發(fā)電機(jī)

測(cè)速發(fā)電機(jī)是利用發(fā)電機(jī)原理的速度傳感器或角速度傳感器。恒定磁場(chǎng)中的線圈發(fā)生位移，線圈兩端的感應(yīng)電壓E與線圈內(nèi)交鏈磁通

的變化速率成正比，輸出電壓為：

根據(jù)這個(gè)原理測(cè)量角速度的測(cè)速發(fā)電機(jī)，可按其構(gòu)造分為直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、交流測(cè)速發(fā)電機(jī)和感應(yīng)式交流測(cè)速發(fā)電機(jī)。

直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的定子是永久磁鐵，轉(zhuǎn)子是線圈繞組，它的原理和永久磁鐵的直流發(fā)電機(jī)相同，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電壓通過(guò)轉(zhuǎn)向器和電刷以直流電壓的形式輸出，可以測(cè)量0-10000r/min的旋轉(zhuǎn)速度。此外，停機(jī)時(shí)不易產(chǎn)生殘留電壓，因此，它最適宜作速度傳感器。但是電刷部分是機(jī)械接觸，需會(huì)注意維修。另外，換向器在切換時(shí)產(chǎn)生脈動(dòng)電壓，使測(cè)量精度降低。因此，現(xiàn)在也有無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)。

永久磁鐵式交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的構(gòu)造和直流測(cè)速發(fā)電機(jī)恰好相反，它的轉(zhuǎn)子上安裝多磁極永久磁鐵，定子線圈輸出與旋轉(zhuǎn)速度成正比的交流電壓。第67頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.10速度傳感器—位置微分

如果位置信號(hào)中噪聲較小，那么對(duì)它進(jìn)行微分來(lái)求取速度信號(hào)不僅可行，而且很簡(jiǎn)單。微分運(yùn)算可以用硬件電路實(shí)現(xiàn)，也可以用數(shù)值微分實(shí)現(xiàn)，但位置信號(hào)應(yīng)盡可能連續(xù)，以免在速度信號(hào)中產(chǎn)生大的脈動(dòng)，信號(hào)的微分總會(huì)有噪聲的，應(yīng)仔細(xì)處理。第68頁(yè)/共80頁(yè)速度測(cè)量

1）利用編碼器測(cè)量如果用編碼器測(cè)量位置，就沒(méi)有必要使用速度傳感器。對(duì)任意給定的角位移，編碼器將產(chǎn)生確定信號(hào)的脈沖信號(hào)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)指定時(shí)間內(nèi)脈沖信號(hào)的數(shù)量，就能計(jì)算出相應(yīng)的角速度。越短，得到的速度值就越準(zhǔn)確，越接近實(shí)際的瞬時(shí)速度，如果編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)的很緩慢，則測(cè)得的速度可能會(huì)不準(zhǔn)確。2)利用位置信號(hào)微分如果位置信號(hào)中噪聲較小，那么對(duì)它進(jìn)行微分來(lái)求取速度信號(hào)不僅可行，而且很簡(jiǎn)單。微分運(yùn)算可以用硬件電路實(shí)現(xiàn)，也可以用數(shù)值微分實(shí)現(xiàn)，但位置信號(hào)應(yīng)盡可能連續(xù)，以免在速度信號(hào)中產(chǎn)生大的脈動(dòng)，信號(hào)的微分總會(huì)有噪聲的，應(yīng)仔細(xì)處理。第69頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.10力傳感器

（1）力敏電阻測(cè)量

力敏電阻是一種聚合物厚膜器件，其阻值隨垂直施加在表面的力的增加而降低。當(dāng)作用力從10-10000g變化時(shí)，其阻值大約從變化到。

（2）應(yīng)變片測(cè)量

應(yīng)變片也能用于測(cè)量力，應(yīng)變片的輸出是與其形變成正比的阻值，而形變本身又與施加的力成正比。于是，通過(guò)測(cè)量應(yīng)變片的電阻，就可以確定施加的力的大小。應(yīng)變片也可以測(cè)量機(jī)器人關(guān)節(jié)和連桿上的載荷。

應(yīng)變片按使用的電阻體材質(zhì)的不同可分為電阻絲應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片，其中電阻絲應(yīng)變片價(jià)格低廉，而且各種圖形皆能制作，用得比較廣泛。第70頁(yè)/共80頁(yè)

應(yīng)變片常用在惠斯通電橋中，電橋的輸出為：

如果規(guī)定

為應(yīng)變片，則由于形變引起

的變化為

，當(dāng)

時(shí)，輸出電壓為：

當(dāng)

、

均為應(yīng)變片，且

受拉伸力作用，

同時(shí)被壓縮，

則：

如果

、

、

、

均為應(yīng)變片，受力時(shí)

、增加

，、減少

，則有第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.10力傳感器第71頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.10力傳感器

（3）力矩的測(cè)量力矩可以用一對(duì)精心安裝的力傳感器測(cè)量。圖示是一種用2枚應(yīng)變片來(lái)檢測(cè)軸上2個(gè)方向的形變，當(dāng)M側(cè)施加轉(zhuǎn)矩，則相差45度的應(yīng)變片中，、受拉伸力作用，、受壓縮力作用。此時(shí)①②兩端加上電壓，③④兩端可以獲得比例于轉(zhuǎn)矩的輸出電壓。OP-3V0驅(qū)動(dòng)側(cè)負(fù)荷側(cè)傳動(dòng)軸+V-V滑環(huán)滑環(huán)刷子輸出121234第72頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.11加速度傳感器

隨著機(jī)器人的高速化、高精度化，由機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分剛性不足所引起的振動(dòng)問(wèn)題逐漸引起重視。作為抑制振動(dòng)問(wèn)題的對(duì)策，有時(shí)在機(jī)器人的各桿件上安裝加速度傳感器，測(cè)量振動(dòng)加速度，并把它反饋到桿件底部的驅(qū)動(dòng)器上，有時(shí)把加速度傳感器安裝在機(jī)器人末端上，將測(cè)得的加速度進(jìn)行數(shù)值積分，加到反饋環(huán)節(jié)中，以改善機(jī)器人的性能。

（1）應(yīng)變片加速度傳感器：Ni-Cu或Ni-Cr等金屬電阻應(yīng)變片加速度傳感器(Straingaugeacceleration)是一個(gè)由板簧支承重錘所構(gòu)成的振動(dòng)系統(tǒng)，板簧上下兩面分別貼兩個(gè)應(yīng)變片，應(yīng)變片受振動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)變，其電阻值的變化通過(guò)電橋電路的輸出電壓被檢測(cè)出來(lái)。

半導(dǎo)體應(yīng)變片的應(yīng)變系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片高50-100倍，靈敏度很高，但溫度特性差，需要加補(bǔ)償電路。第73頁(yè)/共80頁(yè)第八章機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

§8.11加速度傳感器

（2）伺服加速度傳感器: