《工业机器人技术基础》课件 2.3.1 工业机器人的内部传感器

2.3.1工业机器人的内部传感器目录02.速度传感器01.位移传感器03.力传感器04.课程总结

内部传感器帮助机器人了解自身状态，具体检测对象有关节的线位移、角位移等几何量，速度、角速度、加速度等运动量，还有电动机扭矩等物理量。它常被用在控制系统中，是当今机器人反馈控制中不可缺少的元件。一般安装于机器人的末端执行器上，而不安装于周围的环境中。常见的工业机器人内部传感器主要有位移传感器、速度传感器和力传感器。位移传感器01

位移传感器主要检测工业机器人的空间位置、角度与位移距离等物理量。选择位移传感器时，要考虑工业机器人各关节和连杆的运动定位精度要求、重复精度要求以及运动范围要求等。目前,比较常见的位移传感器是电位器式位移传感器和光电传编码器。一.位移传感器一.位移传感器（1）电位器式位移传感器电位器式位移传感器一般用于测量工业机器人的关节线位移和角位移，是位

置反馈控制中必不可少的元件，它可将机械的直线位移或角位移输入量转换为与

其成一定函数关系的电阻或电压输出。

电位器式位移传感器主要由电阻元件、骨架及电刷等组成。根据滑动触头运动方式的不同，可分为直线型和旋转型两种。优点是结构简单，性能稳定可靠，精度高。缺点是滑动触点容易磨损。一.位移传感器一.位移传感器①

直线型电位器式位移传感器。如图所示为直线型电位器式位移传感器的外形和工作原理，触头滑动距离x可由电压值求得，即

式中，L为触头最大滑动距离；Vr为输入电压；Vo

为输出电压。（a）外形（b）工作原理一.位移传感器②旋转型电位器式位移传感器

旋转型电位器式位移传感器分为单圈电位器和多圈电位器两种，前者的测量范围小于360°，对分辨率也有限制；后者有更大的工作范围及更高的分辨率。如图所示，单圈旋转型电位器的电阻元件为圆弧状，滑动触头在电阻元件上做圆周运动。当滑动触头旋转

角时，触头与滑线电阻端的电阻值和输出电压值也会发生变化。（a）外形（b）工作原理（2）光电编码器

光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的直线位移或角度变化转换成脉冲或数字量的传感器，属于非接触式传感器，它主要由码盘、机械部件、检测光栅和光电检测装置（光源、光敏器件、信号转换电路）等组成。一.位移传感器1—转轴；2—LED；3—检测光栅；4—码盘；5—光敏器件一.位移传感器

根据码盘上透光区域与不透光区域分布的不同，光电编码器又可分为相对式和绝对式两种类型。一.位移传感器

测量旋转运动最常见的传感器是相对式光电编码器,其圆形码盘上的透光区与不透光区相互间隔,均匀分布在码盘边缘,分布密度决定测量的解析度。在码盘两边分别装有光源及光敏元件。相对式光电编码器一.位移传感器

如图所示是相对式光电编码器的工作原理。当码盘随转轴同步转动时，每转过一个透光区和一个不透光区，就产生一次光的明暗变化，经整形放大，可得到一个电脉冲输出信号。该脉冲信号被送到计数器中计数，由累加的脉冲信号知道码盘转过的角度。通过计算每秒输出脉冲的个数便能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，相对式光电编码器还可提供相位相差90°的两路方波脉冲A、B信号。所以通过该编码器可以直接计算位移和方向。绝对式光电编码器

绝对式编码器是一种直接编码式的测量元件。它可以直接把被测转角或位移转化成相应的代码,指示的是绝对位置而无绝对误差,在电源切断时不会失去位置信息。一.位移传感器一.位移传感器

右图所示为4位二进制编码盘，图中空白部分是透光的，用“0”来表示；涂黑的部分是不透光的，用“1”来表示。通常将组成编码的圈称为码道，每个码道表示一位二进制数。绝对式光电编码器对于转轴的每一个位置均产生唯一的二进制编码，因此，可用于确定绝对位置。绝对位置的分辨率取决于二进制码的个数，即码道数。一.位移传感器

现在常用图所示的循环码编码盘。循环码又称格雷码，其与二进制码的对照如下表所示。循环码是非加权码，其特点是相邻两个数码间只有一位数变化，即0变1，或1变0。如果在相邻的两个数码中发现数码变化超过一位，就认为是非法的数码，因而循环码具有一定的纠错能力。一.位移传感器

若码盘上有n条码道，便被均分为2n个扇形，该编码器能分辨的最小角度（分辨率）为如以上图所示的绝对式光电编码器码盘有4条码道，则该编码器的分辨率为

速度传感器02二.速度传感器

速度传感器是工业机器人中比较重要的内部传感器之一，主要测量机器人关

节的运行速度。目前，工业机器人中广泛使用的角速度传感器有测速发电机和相

对式光电编码器两种。测速发电机应用最为广泛，能直接得到代表转速的电压，具有良好的实时性。相对式光电编码器不但可以用作位移传感器测量角位移，还可以测量瞬时角速度。（1）测速发电机

测速发电机是一种模拟式速度传感器，它实际上是一台小型永磁式直流发电机。当通过线圈的磁通量恒定时，位于磁场中的线圈旋转使线圈两端产生的电压u（感应电动势）与线圈（转子）的转速

成正比。二.速度传感器（2）相对式光电编码器（速度测量）相对式光电编码器作为速度传感器时，有模拟和数字两种测量方式。二.速度传感器二.速度传感器①模拟方式在模拟方式下，必须有一个频率/电压（F/V）变换器，用来将编码器测得的脉冲频率转换成与速度成正比的模拟电压，F/V变换器必须有良好的零输入、零输出特性和较小的温度漂移才能满足测试要求。②数字方式数字方式测速是利用数学方式通过计算软件计算出速度。角速度是转角对时间的一阶导数，编码器在时间Δt内的平均转速为w

=Δθ/Δt，单位时间越小，则所求得的转速越接近瞬时转速。力觉传感器03

力觉传感器又称力或力矩传感器，是用来检测工业机器人的臂部和腕部所产生的力或其所受反力的传感器。工业机器人在自我保护时需要检测关节和连杆之间的内力，防止机器人手臂因承载过大或与周围障碍物碰撞而引起的损坏。此外，工业机器人在进行装配、搬运、研磨等作业时需要以工作力或力矩进行控制。因此，力觉传感器也可视为机器人的外部传感器。三.力觉传感器

力觉传感器的种类很多，常用的有电阻应变片式、压电式、电容式和电感式等。它们都是通过弹性敏感元件将被测力或力矩转换成某种位移量或变形量，然后通过各自的敏感介质将位移量或变形量转换成能够输出的电量。三.力觉传感器三.力觉传感器装在关节驱动器上的力传感器称为关节力传感器，它用于控制中的力反馈。装在末端执行器和机器人最后一个关节之间的力传感器称为腕力传感器，用于测量作用在末端执行器上的各向力和力