工业机器人技术基础 课件第4章 传感与感知

工业机器人内部传感器一、传感器的定义二、内部传感器的主要类型1/6一传感器的定义

工业机器人的传感器分为内部传感器和外部传感器。

国家标准GB7665-87对传感器的定义是：能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。被测量可用信号转换2/6二内部传感器的主要类型工业机器人的内部传感器主要有：位置和位移传感器速度传感器湿度传感器湿度传感器

其内部传感器是安装在机器人本体上的，用于感知机器人内部状态，以调整并控制机器人的行动。3/6内部传感器的主要类型位置、位移和速度传感器工业机器人的位置、位移和速度传感器传感器用于检测工业机器人的各关节轴的位置、位移和速度。

编码器是最常用来检测机器人关节轴位置、位移和速度的传感器。二位置量电信号位置转换转换位移位移量电信号转换转换速度速度量电信号转换转换4/6内部传感器的主要类型湿度传感器和温度传感器众所周知，工业机器人的工作环境对温度和湿度有一定的要求。当工业机器人处于恶劣环境下，则可能无法正常完成各项作业。所以，在工业机器人上用湿度和温度传感器，实现对自身工作环境的检测。

温度传感器和湿度传感器通常被安置在机器人控制系统内部或工作环境中，实现对工作环境的计量和采样，保证工业机器人在正常工作状态系运行，且保障其工作精度。二湿度和温度的物理量电学量转换5/6THANKS!6/6编码器的分类一、编码器的定义二、编码器的分类按照编码拾取元件与码盘是否接触按照工作原理8/12一编码器的定义

编码器（如图所示）是将信号或数据进行编制，并转换为可用于通讯、传输和存储的信号形式的设备，在工业机器人中常被用作测量运动位置、位移及速度的内部传感器。9/12二编码器的分类按照编码拾取元件与码盘是否接触：接触式编码器非接触式编码器按照工作原理的不同：光电编码器磁电编码器10/12二编码器的分类磁电编码器磁电编码器采用磁阻或者霍尔元件对变化的磁性材料的角度或者位移值进行测量，磁性材料角度或者位移的变化会引起一定电阻或者电压的变化，经放大电路对变化量进行放大，单片机处理后输出脉冲信号或者模拟量信号，达到测量的目的。

光电编码器是一种将输出轴上的位移量，通过光电转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器首先把被测量（角位移和直线位移）的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号，最后以数字代码输出达到测量目的。光电编码器

光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成，按信号采集原理可以分为增量式光电编码器、绝对式光电编码器和混合式光电编码器。工业机器人关节轴上配备的光电编码器，一般为绝对式光电编码器。11/12二编码器的分类增量式光电编码器增量式光电编码器结构（如图所示），由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成。码盘上相邻的两节距相等的辐射状透光缝隙，代表一个增量周期。

增量式光电编码器的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。美中不足的是无法输出轴转动的绝对位置信息。增量式光电编码器广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定仪器等需要检测角度和速度的装置和设备中。12/12二编码器的分类增量式光电编码器如图所示，检测光栅上刻有同心的A相、B相两层光栅，其中A相和B相在编码盘上互相错开半个节距。在A相光栅与B相光栅上分别有间隔相等的透明和不透明区域，用于透光和遮光。码盘随电机转动时，光电检测元件将接接收到周期变化的光信号，经电路转为周期性电信号，实现将角位移或直线位移以脉冲数的形式输出。脉冲频率则可换算为电机转速。13/12二编码器的分类增量式光电编码器增量式光电编码器利用光电转换原理输出A、B和C相三组方波脉冲；其中A、B两组脉冲是经过倍频逻辑电路对光电转换信号处理过的，存在相位差（4倍频电路时相位差为90º），两组信号的相位差用于判断电机的旋转方向。而C相则为计数脉冲，用于基准点定位。增量式光电编码器的脉冲信号如图4-4所示。当码盘逆时针方向旋转时，A相超前B相90°的相位角（1/4周期），产生近似正弦的信号。这些信号被放大、整形后成为脉冲数字信号。14/12二编码器的分类增量式光电编码器

增量式编码器的分辨率（分辨角）以轴转动一周所产生的输出信号的基本周期数来表示，即脉冲数每转（PPR）。码盘旋转一周输出的脉冲信号数目取决于透光缝隙数目的多少，码盘上刻的缝隙越多，编码器的分辨率就越高。假设码盘的透光缝隙数目（线数）为n线，则此增量式编码器的分辨率为nPPR。在工业应用中，根据不同的应用对象，通常可选择分辨率为500~6000PPR的增量式光电编码器。在交流伺服电动机控制系统中，通常选用分辨率为2500PPR的编码器。编码器的脉冲周期的计算方法为360°/n，经过A、B两相4倍频（倍频由倍频逻辑电路实现，一般得到2倍频或4倍频的脉冲信号，从而进一步提高编码器精度）后，可获得编码器精度为360°/4n。如有100个透光缝隙，则此时分辨率为100PPR，精度为0.9度。15/12二编码器的分类绝对式光电编码器绝对式光电编码器结构如图所示,主要由多路光源、光敏元件和编码盘组成。码盘处在光源与光敏元件之间，其轴与电动机轴相连，随电动机的转动而旋转。16/12二编码器的分类绝对式光电编码器绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（格雷码）等编码进行光电转换，如图所示为自然二进制编码盘。码盘上有n个同心圆环码道，整个圆盘又以一定的编码形式（例如自然二进制编码）分为若干个（2n）扇形区段。每个扇形区段含n个有黑有白的小区段，黑色区段不透光，白色区段透光。编码器码盘上的码道个数，代表编码器的位数（位数越大，编码器精度越高，目前机器人使用的编码器位数多为17位）。四位绝对式光电编码器码盘17/12二编码器的分类绝对式光电编码器绝对式光电编码器码盘的扇形区段数目2n即为编码器分辨率，则编码器精度为360°/2n。如有10个码道，则此时角度分辨率可达0.35°。在应用中通常需考虑伺服系统要求的分辨率和机械传动系统的参数，以选择码道数目合适的编码器，目前市场上使用的光电编码器的码道数大多为4~18道。

绝对式光电编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对式编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。绝对式编码器分单圈绝对式和多圈绝对式。其特点有：可以直接读出角度坐标的绝对值；没有累积误差；电源切除后位置信息不会丢失。绝对式光电编码器，常被安装在工业机器人关节轴的电机上，用来实现对机器人关节轴位置和位移的测量。18/12THANKS!19/12工业机器人外部传感器一、外部传感器的作用二、外部传感器的主要类型21/10一外部传感器的作用

机器人外部传感器用于监测环境、目标的状态特征，是机器人——环境交互的桥梁，使得机器人对环境有自己的校正和适应能力。如：目标是什么物体，离物体的距离是多少，是否已抓取住物体等。22/10二外部传感器的主要类型工业机器人的外部传感器主要有：视觉传感器触觉传感器距离传感器力觉传感器

工业机器人的外部传感器通常安装在机器人本体外部，用于感知机器人外部状态，以调整并控制机器人的行动。防爆传感器其他外部传感器23/10外部传感器的主要类型视觉传感器视觉传感器是利用光学元件和成像装置获取外部环境图像信息的器件，可以将外界物体的光信号转换成电信号，进而将接收到的电信号经模数转换（A/D转换）成为数字图像输出。视觉传感器的精度通常用图像分辨率来描述，其精度与分辨率有关的同时，还与被测物体的检测距离有关（距离越远，精度越差）。二外界物体的光信号电信号转换24/10外部传感器的主要类型力觉传感器教材中的力觉是指对机器人的在运动中对所受力的感知。主要包括：腕力觉、关节力觉和机座力觉等。

力觉传感器就是测量作用在机器人上的外力和外力矩的传感器。二关节力觉腕力觉机座力觉……力觉25/10外部传感器的主要类型触觉传感器触觉是与外界环境直接接触时的一种感觉，是接触、冲击、压迫等机械刺激感觉的综合。触觉传感器是机器人中用于模仿人的触觉功能的传感器。触觉传感器通过利用触觉可进一步感知物体的形状、硬度等物理性质，还可以用来辅助完成机器人的抓取动作。二冲击接触压迫机械刺激触觉26/10外部传感器的主要类型距离传感器距离传感器是通过发射光脉冲并测量其被物体反射回来的时间，通过测得的时间间隔计算出到物体的距离，达到检测目的。日常生活中常见的距离传感器的应用便是汽车车身上的倒车雷达，使用的大多是超声波传感器（如图所示）。距离传感器根据不同的工作原理，可分为光学距离传感器、红外距离传感器、超声波距离传感器等多种。不同类型的距离传感器的发射物质不同，例如光学距离传感器发射的物质是光脉冲，但测距原理基本相同。二27/10外部传感器的主要类型防爆传感器防爆传感器在机器人工作过程中，实时监测空气中易燃易爆物的浓度，当检测到浓度超标时，传感器将给出电信号，断开电源，从而达到防爆目的。二工业机器人应用范围广泛，在某些领域应用的机器人需要接触易燃易爆的物体（气体、粉末等），当这些物体达到一定浓度时，只要接触到电火花、助燃剂或者温度升高时，会导致爆炸。在工业生产中，这类环境下工作的机器人通常会配置防爆传感器，保障机器人的正常工作和生产安全。防爆传感器28/10外部传感器的主要类型其他外部传感器二除了上面介绍的几类机器人外部传感器以外，在生产应用中，还可以根据工业机器人的特殊作业要求进行安装听觉、嗅觉等传感器。机器人配置听觉传感器，可以使其具有声音识别能力，用声音代替键盘和示教器，控制机器人完成相关操作。在高温、放射线、可燃气体等恶劣的作业环境中的机器人配置嗅觉传感器，使其可以在恶劣环境中代替人工检测环境中的放射线和有毒气体。但是目前这些传感器的应用技术还不够成熟，并没有得到广泛使用。29/10THANKS!30/10常见的视觉传感器一、视觉传感器的定义二、视觉传感器的发展应用三、常见的视觉传感器32/10一视觉传感器的定义光信号电信号转换数字图像模数转换定义

视觉传感器是利用光学元件和成像装置获取外部环境图像信息的器件，可以将外界物体的光信号转换成电信号。将视觉传感器接收到的电信号，经模数转换（A/D转换）为数字图像输出。33/10二视觉传感器的发展应用视觉传感器是20世纪50年代后期出现的，是机器人最重要的传感器之一。20世纪70年代后，视觉传感器被广泛应用于产品检验和分拣。例如在汽车制造厂，机器人可同时携带视觉传感器和胶枪，一边为车门边框涂胶，一边进行胶线合格性检验；再如在包装生产线上，利用视觉传感器保障粘贴标签位置正确等等。在实际生产中，最常见的视觉传感器为CCD图像传感器，它是工业相机的核心部件。CCD图像传感器工业相机34/10二视觉传感器的发展应用CCD图像传感器是一种半导体器件，可以将它看作一种集成电路，感光元件整齐地排列在半导体材料上面，能感应光线。CCD的作用就像传统的胶片一样，用来承载图像，但它能够把光学影像转换成数字信号。机器视觉系统是指机器代替人眼的功能，实现对外界物体的测量和判断的系统。视工业相机是机器视觉系统的重要组成部分和主要信息来源，其功能主要是获取机器视觉系统需处理的原始图像。机器视觉系统的工作流程为：图像输入，图像处理，图像输出三部分，其中视觉传感器实现对外界物体的图像采集，以完成图像输入。系统对原始图像进行分析判断后，将分析结果输出到控制系统中上位机或某些执行机构（机器人），以完成后续作业。常见的与视觉系统结合使用的设备有PLC、PC、工业机器人等。机器视觉系统35/10二视觉传感器的发展应用机器视觉系统的工作流程为：图像输入，图像处理，图像输出三部分。36/10视觉传感器在工业机器人视觉系统中，充当机器人的眼，与机器人