工业机器人技术基础220

工业机器人技术基础第1章工业机器人概述1.1工业机器人的基础知识

1.2工业机器人的基本组成与技术参数1.3工业机器人的典型应用目录CONTENT掌握工业机器人的定义及特点。了解工业机器人的历史与发展。掌握在不同分类方式下，工业机器人的结构与特征。掌握工业机器人的基本组成及技术参数。了解工业机器人的典型应用。12345学习目标1.1工业机器人的基础知识1.1.1

工业机器人的定义及特点用来进行搬运机械部件或工件的、可编程序的多功能操作器，或通过改变程序可以完成各种工作的特殊机械装置。工业机器人有以下几个特点：1．可编程

生产自动化的进一步发展是柔性自动化。工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程。因此，它在小批量、多品种、均衡、高效的柔性制造过程中能发挥很好的作用，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。2．拟人化

工业机器人在机械结构上有类似人的大臂、小臂、手腕、手爪等部分。通过类似于人类大脑的电脑来控制其运动。此外，智能化工业机器人还有许多“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器等，这些传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力3．通用性

除了专门设计的专用工业机器人外，一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性，只需更换其末端执行器（手爪、工具等）便可。4．涉及学科广泛工业机器人技术实质上是机械学和微电子学的结合——机电一体化技术。1.1.2工业机器人的历史与发展趋势1．工业机器人的历史1）萌芽阶段（20世纪40—50年代）1954年，美国发明家德沃尔对工业机器人的概念进行了定义，并申请了专利。1959年，德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出世界第一台工业机器人Unimate（见图1-1），使工业机器人的历史真正拉开了帷幕。

图1-1Unimate机器人2）初级阶段（20世纪60—70年代）1961年，德沃尔的Unimation公司为通用汽车生产线安装了第一台用于生产的工业机器人，它主要用于生产门窗把手、换挡旋钮、灯具和其他汽车内饰用五金件。1978年，日本山梨大学牧野洋发明SCARA机器人（见图1-2），该机器人具有四个轴和四个运动自由度，特别适合于装配工作，如今被广泛应用于汽车工业、电子产品工业、药品工业和食品工业等领域。图1-2SCARA机器人3）迅速发展阶段（20世纪80—90年代）1981年，通用汽车公司第一次将CONSIGHT机器视觉系统成功地应用在了一个恶劣的制造环境中，利用三台工业机器人以每小时1400个的速度分拣出六种不同的铸件。1992年，瑞士ABB公司推出开放式控制系统——S4。S4旨在改善对用户至关重要的两个领域——人机界面和机器人的技术性能。1994年，Motoman公司（即现在的安川电机）推出的机器人控制系统MRC，使同步控制两台机器人成为可能。MRC可以从普通PC编辑工业机器人作业，且具有控制多达21个轴的能力。4）智能化阶段（21世纪初至今）2011年，日本发那科公司的R-1000iA机器人利用LVC（学习减振装置）对机器人运动轨迹加以优化，减小了振动，将动作周期缩短约20%，从而实现更高速的动作。2018年，发那科公司与首选网络公司合作，首次将人工智能应用于其伺服调谐、工业机器人拾取和热位移补偿等功能上。ABB公司将在上海建设其全球最先进的机器人工厂，该工厂预计将于2020年底投入运营。新的上海工厂将采用大量机器学习、数字化和协作解决方案，使其成为机器人行业中最先进、自动化与柔性化程度最高的工厂，实现用机器人制造机器人。此外，新的研发中心还将帮助加快人工智能领域的发展。2．工业机器人的发展趋势1）高性能2）机械结构向模块化、可重构化发展3）本体结构更新加快4）控制技术的开放化、PC化和网络化5）多传感器融合技术的实用化6）多智能体协调控制技术视野

如图1-3所示为国内外知名工业机器人制造公司，其中，瑞士的ABB、德国的库卡、日本的发那科和安川电机最为著名，并称工业机器人四大家族。工业机器人四大家族在亚洲市场同样也是举足轻重，更占据中国机器人产业70%以上的市场份额，几乎垄断了机器人制造、焊接等高阶领域。（a）ABB（瑞士）（b）柯马（意大利）（c）库卡（德国）（d）发那科（日本）（e）安川（日本）（g）沈阳新松（中国）图1-3国内外知名工业机器人制造公司（f）三菱（日本）1.1.3工业机器人的分类工业机器人按机械结构的不同，可分为串联机器人和并联机器人。串联机器人的特点是一个轴的运动会改变另一个轴的坐标原点，其外形如图1-4所示。并联机器人所采用的并联机构，其一个轴运动不会改变另一个轴的坐标原点，其外形如图1-5所示。

图1-5并联机器人图1-4串联机器人1）串联机器人2）并联机器人串联机器人的自由度比并联机器人多，通过计算机控制系统的控制，可实现复杂的空间作业运动。串联机器人结构简单、易于控制、成本低、运动空间大，是当前采用最多的工业机器人。并联机器人具有刚度大、结构稳定、运动负荷小等特点。在位置求解上，串联结构正解容易，但反解十分困难；而并联结构正解困难，反解却十分容易。并联机器人非常适合高速度、高精度或高负荷的场合。将串联机器人和并联机器人有机结合起来的工业机器人，称为混联机器人。混联机器人既有并联机器人刚度好的优点，又有串联机器人工作范围大的优点，进一步扩大了机器人的应用范围。2．按操作机坐标形式分类1）直角坐标机器人直角坐标机器人是指在工业应用中，能够实现自动控制的、可重复编程的、空间上具有相互垂直关系的三个独立自由度的多用途机器人，其外形及运动空间如图1-6所示。（a）外形图1-6直角坐标机器人（b）运动空间工业机器人按操作机坐标形式的不同，可分为直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、球坐标机器人和多关节机器人等。直角坐标机器人控制简单，空间轨迹易于求解，但是其灵活性较差，自身占据空间较大。2）圆柱坐标机器人圆柱坐标机器人是指能够形成圆柱坐标系的机器人，它主要由一个旋转机座形成的转动关节和水平、垂直移动的两个移动关节构成，其外形及运动空间如图1-7所示。（a）外形（b）运动空间图1-7圆柱坐标机器人圆柱坐标机器人具有占地面积小、工作范围大，末端执行器速度高、控制简单、运动灵活等优点。其缺点是工作时，必须有沿r轴线前后方向的移动空间，空间利用率低。3）球坐标机器人球坐标机器人一般由两个回转关节和一个移动关节构成，其轴线按极坐标配置，如图1-8所示，R为移动坐标，β为手臂在铅垂面内的摆动角，θ为绕手臂支承底座垂直轴的转动角。球坐标机器人的运动空间为半球面。图1-8球坐标机器人球坐标机器人占用空间小、操作灵活、工作范围大，但是其运动学模型较复杂，难以控制。4）多关节机器人多关节机器人又称关节手臂机器人或关节机械手臂，是当今工业领域中最常见的工业机器人，适合诸多工业领域的机械自动化作业。多关节机器人的摆动方向主要有铅垂方向和水平方向两种，因此这类机器人又分为垂直多关节机器人（见图1-9）和水平多关节机器人（见图1-10）。图1-9垂直多关节机器人图1-10水平多关节机器人多关节机器人结构紧凑、工作范围大，其动作最接近人的动作，对喷漆、装配、焊接等作业具有良好的适应性，应用范围十分广泛。3．按控制方式分类工业机器人按控制方式的不同，可分为伺服控制机器人和非伺服控制机器人两种。1）伺服控制机器人伺服控制机器人的控制方式可分为连续控制和点位（点到点）控制两种。无论是哪一种控制，都要对位置和速度的信息进行连续监测，并反馈到与机器人各关节有关的控制系统中，因此各轴都是闭环控制。闭环控制的应用，使机器人的构件能按照指令，移动到各轴行程范围内的任何位置。伺服控制机器人具有以下几个特点：（1）记忆存储容量较大。（2）价格贵，可靠性稍差。（3）机械手端部可按三个不同类型的运动方式移动，即点到点移动、直线移动和连续轨迹移动。（4）在机械允许的极限范围内，位置精度可通过调节伺服回路中相应放大器的增益加以变动。（5）一般以示教模式进行编程。（6）机器人几个轴之间的“协同运动”一般可在小型或微型计算机控制下自动进行。2）非伺服控制机器人从控制的角度来看，非伺服控制是最简单的控制形式。这类机器人又称为端点机器人或开关式机器人。非伺服控制机器人的每个轴只有两个位置，即起始位置与终止位置。轴开始运动后会一直保持运动，只有当碰到适当的定位挡块才停止运动，运动过程中没有监测。因此，这类机器人处于开环控制状态。非伺服控制机器人具有以下几个特点。（1）臂的尺寸小且轴的驱动器施加的是满动力，速度相对较大。（2）价格低廉，工作稳定，易于操作和维修。（3）工作重复性约为±

0.254mm，即工作时有能力返回同一点，误差为±

0.254mm。（4）在定位和编程方面灵活性有限。1.2工业机器人的基本组成与技术参数工业机器人系统主要由三大部分六个子系统组成，具体如下。机械部分：用于实现各种动作，包括机械结构和驱动系统。传感部分：用于感知内部和外部信息，包括感受系统和机器人—环境交互系统。控制部分：用于控制机器人完成各种动作，包括人机交互系统和控制系统。图1-11工业机器人组成系统之间的关系及其与工作对象的关系工业机器人的组成系统之间的关系及其与工作对象的关系如图1-11所示。1．机械部分1）机械结构工业机器人的机械结构又称执行机构或操作机，它是完成工作任务的实体，通常由杆件和关节组成。机械机构从功能角度区分，可分为末端执行器、腕部、臂部和机座。2）驱动系统工业机器人的驱动系统包括驱动器和传动机构两部分，它们通常安装在机器人的关节部位，与机械结构共同组成工业机器人的本体，如图1-12所示。驱动器的驱动方式通常有电动驱动、液压驱动和气动驱动三种。传动机构通常包括连杆机构、滚珠丝杠、齿轮系、链、带、谐波减速器和RV减速器等。图1-12工业机器人机械部分2．传感部分1）感受系统2）机器人—环境交互系统感受系统包括内部检测系统与外部检测系统两部分。内部检测系统的作用是通过各种检测器，检测执行机构的运动境况，根据需要反馈给控制系统，与设定值进行比较后，对执行机构进行调整，以保证其动作符合设计要求。外部检测系统则检测机器人所处环境、外部物体状态或机器人与外部物体的关系。机器人—环境交互系统是实现工业机器人与外部环境设备相互联系和协调的系统。工业机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。当然，也可以是多台机器人、多台机床或设备、多个零件存储装置等集成为一个去执行复杂任务的功能单元。3．控制部分1）人机交互系统人机交互系统是使操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系的装置，如计算机的标准终端、信息显示板、指令控制台、危险信号报警器等。该系统归纳起来可分为指令给定装置和信息显示装置两大类。2）控制系统通过对工业机器人驱动系统的控制，使执行机构按照规定的要求进行工作。工业机器人的控制系统一般由控制计算机和伺服控制器组成。控制计算机不仅发出指令，协调各关节驱动之间的运动，同时要完成编程示教及再现，在其他环境状态（传感器信息）、工艺要求、外部相关设备（如电焊机）之间传递信息和协调工作。伺服控制器控制各个关节的驱动器，使各杆按一定的速度、加速度和位置要求进行运动。1.2.2工业机器人的技术参数工业机器人的技术参数是各工业机器人制造商在供货时所提供的技术数据，主要有机器人的工作范围、自由度、重复定位精度、运动速度和有效负载等。1．工作范围工作范围又称工作区域，是指机器人臂杆的特定部位在一定条件下所能到达空间的位置集合，工作范围的形状和大小反映了机器人工作能力的大小。如图1-13所示。（a）MOTOMANMH3F垂直串联多关节机器人（b）MOTOMANMPP3S水平串联多关节机器人图1-13工业机器人的工作范围理解机器人的工作范围时，要注意以下几点：（1）工业机器人说明书中表示的工作范围通常指的是末端执行器上机械接口坐标系的原点在空间能到达的范围，即末端执行器端部法兰的中心点在空间所能到达的范围。（2）说明书上提供的工作范围往往要小于运动学意义上的最大空间。（3）实际应用中的工业机器人还可能由于受到机械结构的限制，在工作范围的内部也存在着臂端不能到达的区域，这类区域称为空洞或空腔。2．自由度自由度是指机器人操作机在空间运动所需的变量数，用以表示机器人动作灵活程度的参数，一般是以沿轴线移动和绕轴线转动的独立运动的数目来表示。

描述一个物体在三维空间内的位姿需要六个自由度（三个转动自由度和三个移动自由度）。但是，工业机器人一般为开式连杆系，每个关节运动副只有一个自由度，因此一般机器人的自由度数目就等于其关节数。机器人的自由度数目越多，功能就越强。目前工业机器人通常具有4～6个自由度。当机器人的关节数（自由度）增加到对末端执行器的定向和定位不再起作用时，便出现了冗余自由度。冗余度的出现增加了机器人工作的灵活性，但也使控制变得更加复杂。3．重复定位精度定位精度是指工业机器人末端执行器的实际到达位置与目标位置之间的差异，如图1-14所示。重复定位精度是指工业机器人重复定位其末端执行器于同一目标位置的能力，可以用标准偏差这个统计量来表示，它用于衡量误差值的密集度（即重复度），如图1-15所示。图1-14定位精度

图1-15重复定位精度4．运动速度运动速度影响工业机器人的工作效率和运动周期，它与工业机器人所提取的重力和位置精度均有密切的关系。运动速度提高，工业机器人所承受的动载荷会增大，所承受的加减速时的惯性力也会增大，这会影响工业机器人的工作平稳性和位置精度。以目前的技术水平而言，一般工业机器人的最大直线运动速度大多在1000mm/s以下，最大回转速度一般不超过120（°）/s。一般情况下，生产商会在技术参数中标明出厂机器人的最大运动速度。5．有效负载有效负载是指工业机器人操作机在工作时臂端可能搬运的物体重量或所能承受的力或力矩，用以表示操作机的负荷能力。若机器人将目标工件从一个工位搬运到另一个工位，则其工作负荷为工件的重量与机器人末端执行器的重量之和。目前，工业机器人的负载范围为0.5～800kg。6．工业机器人参数示例工作范围图例表1-1ABB公司IRB1100-4/0.47型机器人部分技术参数1.3工业机器人的典型应用1.3.1焊接机器人焊接机器人是从事焊接作业的工业机器人，可分为点焊机器人和弧焊机器人。图1-16焊接机器人1.3.2装配机器人如图1-17所示，装配机器人可以完成生产线上一些零件的装配或拆卸工作，可分为PUMA机器人（可编程通用装配操作手）和SCARA机器人（水平多关节机器人）两种类型。图1-17装配机器人1.3.3喷涂机器人喷涂机器人又称喷漆机器人，是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人，其外形如图1-18所示。图1-18喷涂机器人1.3.4搬运机器人搬运作业是指用一种设备握持工件，从一个加工位置移到另一个加工位置。搬运机器人是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。图1-19搬运机器人THEEND工业机器人技术基础第2章工业机器人运动基础2.1工业机器人数学基础

2.2坐标系及其关系描述2.3坐标变换目录CONTENT2.4工业机器人运动学了解矩阵的概念。掌握矩阵的基本运算。掌握坐标系的分类、关系描述和坐标变换的方法。了解工业机器人D-H表示法。掌握工业机器人运动学基础计算。12345学习目标2.1工业机器人的数学基础2.1.1矩阵概述1．矩阵的定义2．几种特殊形式的矩阵1）行矩阵2）列矩阵3）零矩阵4）方阵5）上三角矩阵6）下三角矩阵7）对角矩阵8）数量矩阵9）单位矩阵上三角矩阵、下三角矩阵、对角矩阵、数量矩阵、单位矩阵都是方阵。10）同型矩阵具有相同行数和相同列数的矩阵，称为同型矩阵。11）矩阵相等12）负矩阵2.1.2矩阵的运算1．矩阵的加法矩阵加法满足以下性质：2．数与矩阵相乘矩阵数乘满足以下性质：3．矩阵的乘法2.2坐标系及其关系描述2.2.1坐标系的分类1．直角坐标系图2-1直角坐标系图2-2右手坐标系2．柱面坐标系图2-3柱面坐标系3．球面坐标系图2-4球面坐标系4．其他形式的坐标系1）参考坐标系图2-5参考坐标系2）关节坐标系图2-6关节坐标系2.2.2向量与坐标表示向量又称为欧几里得向量、几何向量、矢量，它是具有大小和方向的量，可以形象化地表示为带箭头的线段。箭头方向代表向量的方向，线段长度代表向量的大小。与向量对应的只有大小，没有方向的量称为标量。1．空间点的表示图2-7空间点P在直角坐标系中的坐标2．空间向量的表示2.2.3坐标系关系描述1．共原点表2-1方向余弦阵元素排列表2．不共原点2.2.4刚体的表示方法在运动过程中，若物体内任意两点间的距离保持不变，则该物体称为刚体。图2-10椭圆刚体A的位置确定2.3坐标变换2.3.1平移坐标变换图2-11平移坐标变换2.3.2旋转坐标变换图2-12绕Z轴旋转过程（a）旋转前

（b）旋转后图2-13旋转坐标系后的Z向俯视2.3.3复合坐标变换任何变换都可以分解为按一定顺序的一组平移变换和旋转变换。上述结果可通过图2-14验证：（a）旋转前

（b）绕X轴旋转90°（c）沿X轴移动1个单位（d）绕Z轴旋转90°图2-14例2-4图2.4工业机器人运动学2.4.1工业机器人D-H表示法1．D-H表示法概述D-H表示法是一种对机器人连杆和关节进行建模的方法，可用于表示在任何坐标中的变换，如直角坐标、圆柱坐标、球坐标、欧拉坐标等。此外，它还可以用于表示全旋转的链式机器人、SCARA机器人或任何可能的关节和连杆的组合。1955年，Denavit和Hartenberg发表了一篇论文，人们在该论文基础上阐述如何对机器人进行表示和建模，并导出了运动方程，这成为了日后人们表示机器人和对机器人运动进行建模的标准方法，称为Denavit-Hartenberg表示法，简称D-H表示法。2．D-H表示法的参数图2-15D-H表示法1）关节2）连杆3）坐标系4）坐标变换2.4.2工业机器人运动学计算1．正向运动学计算

已知工业机器人各关节的变量，求末端执行器位姿的计算称为正向运动学计算，又称为顺运动学计算。图2-16例2-5图2．反向运动学计算

已知工业机器人末端执行器的位姿，求各关节变量的计算称为反向运动学计算，又称为逆运动学计算。图2-17例2-6图图2-18机器人可能的姿态THEEND工业机器人技术基础第3章工业机器人机械部分3.1末端执行器目录CONTENT3.2腕部3.3臂部3.4机座与行走机构3.5驱动器3.6传动机构掌握工业机器人末端执行器的类型及特点。熟悉工业机器人腕部、臂部、机座与行走机构的类型及特点。熟悉工业机器人的驱动器。了解工业机器人的传动机构。1234学习目标3.1末端执行器3.1.1末端执行器概述工业机器人末端执行器即工业机器人的手部，它安装在机器人的腕部上，用于直接抓握工件或执行焊接、喷涂等作业，对整个机器人任务完成的质量起着关键的作用，是工业机器人最为重要的执行机构。（a）夹持式

（b）吸附式（c）专用工具（柔性焊枪）图3-1末端执行器的类型3.1.2夹持式末端执行器夹持式末端执行器应用较为广泛，其主要由手指、驱动装置、传动机构和支架等组成，通过手指的开闭动作实现对物体的夹持，其结构如图3-2所示。夹持式末端执行器根据手指开合的动作特点，又可分为回转型和平移型两种。图3-2夹持式末端执行器的结构1．回转型末端执行器1）单作用斜楔式单作用斜楔式回转型末端执行器如图3-3所示。斜楔向下运动，克服弹簧拉力，使杠杆手指装着滚子的一端向外撑开，从而夹紧工件；斜楔向上运动，则在弹簧拉力作用下使手指松开工件。一般手指与斜楔通过滚子接触，可以减小摩擦力，提高机械效率。图3-3单作用斜楔式回转型末端执行器2）双支点连杆式双支点连杆式回转型末端执行器如图3-4所示。当驱动杆做直线往复运动时，带动连杆推动两手指各绕支点做回转运动，控制手指松开或闭合。图3-4双支点连杆式回转型末端执行器3）滑槽杠杆式滑槽杠杆式回转型末端执行器如图3-5所示。驱动杆上的圆柱销嵌套在滑槽内，当驱动杆同圆柱销一起做往复运动时，即可拨动两个手指各绕其支点（铰销）做相对回转运动，从而控制手指的松开或闭合。图3-5滑槽杠杆式回转型末端执行器2．平移型末端执行器1）直线往复移动机构实现直线往复的移动机构很多，如斜楔平移机构、杠杆平移结构、螺旋平移机构等，如图3-6所示。直线往复移动机构既可以是双指型的，也可以是三指型的，还可以是多指型的；可以是自动定心，也可以是非自动定心。（a）斜楔平移机构

（b）杠杆平移机构

（c）螺旋平移机构

图3-6直线往复移动机构2）平面平行移动机构如图3-7所示为常用的齿条齿轮平移机构。平面平行移动机构一般采用平行四边形的铰链机构（即双曲柄铰链四连杆机构），以实现手指平移。平面平行移动机构的传动方法除齿条齿轮传动外，常用的方法还有蜗轮蜗杆传动和连杆斜滑槽传动等。图3-7齿条齿轮平移机构3．末端执行器的手指手指是工业机器人直接与工件接触的部件，它的结构形式一般取决于工件的形状和特性。常用的手指有V形指、平面指、尖指和特形指等，如图3-8所示。（a）V形指（b）平面指（c）尖指

（d）特形指图3-8末端执行器手指3.1.3吸附式末端执行器根据吸附原理的不同，吸附式末端执行器可分为气吸式和磁吸式两种。1．气吸式末端执行器气吸式末端执行器是利用吸盘内的压力与大气压之间的压力差而工作的，其按形成压力差方法的不同，可分为真空气吸、喷气式负压气吸和挤压排气负压气吸三种类型，如图3-10所示。（a）真空气吸

（b）喷气式负压气吸

（c）挤压排气负压气吸图3-10气吸式末端执行器2．磁吸式末端执行器磁吸式末端执行器主要由电磁式吸盘、防尘盖、线圈、壳体等组成。由于磁吸式末端执行器是利用电磁铁通电后产生的电磁吸力取料，因此只能对铁磁物体起作用。（a）吸附滚动轴承底座

（b）吸附钢板

（c）吸附齿轮

（d）吸附多孔钢板图3-11几种电磁式吸盘吸料示意图如图3-12（a）所示，当线圈通电后，在铁芯内外产生磁场，磁力线经过铁芯，空气隙和衔铁被磁化并形成回路。衔铁受到电磁吸力的作用被牢牢吸住。实际使用时，一般采用如图3-12（b）所示的盘式电磁铁，其衔铁是固定的，衔铁内用隔磁材料将磁力线切断。当衔铁接触铁磁物零件时，零件即被磁化而形成磁力线回路，并受到电磁吸力而被吸住。（a）

（b）

图3-12磁吸式末端执行器的工作原理1—线圈；2—铁芯；3—衔铁磁吸式末端执行器吸附工件的原理3.1.4专用工具工业机器人是一种通用性很强的自动化设备，可根据作业要求装配各种专用的末端执行器来执行各种动作。这些专用工具可通过电磁吸盘式换接器快速地进行更换，形成一整套系列满足用户的不同加工需求，如图3-13所示。

图3-13专用工具和电磁吸盘式换接器1—气路接口；2—定位销；3—电接头；4—电磁吸盘3.2腕部3.2.1腕部概述1．腕部的运动形式臂转：绕小臂轴线方向的旋转。腕摆：末端执行器相对于臂部进行的摆动。手转：末端执行器（手部）绕自身轴线方向的旋转。图3-14腕部回转运动的形式按转动特点的不同，腕部关节的转动又可细分为滚转和弯转两种。2．腕部的结合方式（a）BBR型

（b）BRR型

（c）RBR型

（d）BRB型

（e）RBB型

（f）RRR型图3-16三自由度腕部的结合方式3.2.2常见工业机器人腕部的工作原理1．RRR型三自由度腕部RRR型腕部的中间关节是斜置的，三根转动轴内外套在同一转动轴线上，最外面的转动轴套R1直接驱动整个手腕转动，中间的轴套R2驱动斜置的中间关节运动，中心轴R3驱动第三个滚转关节。图3-17RRR型三自由度腕部2．二自由度腕部如图3-18所示为某种二自由度腕部的设计原理图，其设计思路是通过轴B转动实现腕摆运动，通过轴S转动实现末端执行器的手转运动。图3-18某种二自由度腕部设计原理图1，2，3，4，5，6—锥齿轮；7—构架；8—末端执行器；9—夹持器3．齿轮链轮传动三自由度腕部图3-19齿轮链轮传动三自由度腕部原理图1—油缸；2—链轮；3，4，12，13，14，15，16，17，18，20—锥齿轮；5，6—花键轴；7—传动轴S；8—腕架；9—行星架；10，11，22，24—圆柱齿轮；19—摆动轴；21，23—双联圆柱齿轮；25—传动轴B4．柔顺腕部柔顺性装配技术有两种，一种是从检测、控制的角度，采取各种不同的传感方法，实现边校正边装配，称为主动柔顺装配；另一种是从结构的角度在腕部配置一个柔顺环节，以满足柔顺装配的需要，这种柔顺装配技术称为被动柔顺装配。图3-20移动摆动柔顺腕部图3-21柔顺腕部动作过程板弹簧柔顺腕部图3-22板弹簧柔顺腕部3.3臂部3.3.1臂部概述垂直移动：是指机器人臂部的上下运动，这种运动通常采用液压缸机构或通过调整机器人机身在垂直方向上的安装位置来实现。径向移动：是指臂部的伸缩运动，机器人臂部的伸缩使其臂部的工作范围发生变化。回转运动：是指机器人绕铅垂轴的转动，这种运动决定了机器人的臂部所能达到的角度位置。3.3.2臂部的配置形式1．横梁式配置横梁式工业机器人的机座被设计成横梁，用于悬挂臂部机构，一般分为单臂悬挂式和双臂悬挂式两种，如图3-23所示。

（a）单臂悬挂式

（b）双臂悬挂式图3-23横梁式配置2．立柱式配置立柱式工业机器人较为常见，可分为单臂式和双臂式两种，如图3-24所示。（a）单臂配置

（b）双臂配置图3-24立柱式配置3．机座式配置机座式工业机器人一般为独立的、自成系统的完整装置，可以随意安放和搬动，也可以沿地面上的专用轨道移动，扩大其活动范围，如图3-25所示。（a）单臂回转式

（b）双臂回转式

（c）多臂回转式图3-25机座式配置4．屈伸式配置屈伸式工业机器人的臂部由大臂、小臂组成，大臂、小臂间有相对运动，称为屈伸臂。屈伸臂与机座一起，结合机器人的运动轨迹，既可以实现平面运动，又可以实现空间运动，如图3-26所示。（a）平面屈伸式

（b）立体屈伸式图3-26屈伸式配置1—立柱；2—大臂；3—小臂；4—腕部；5—末端执行器3.3.3臂部结构的设计工业机器人臂部结构的设计具体设计要求有以下几点：（1）臂部的结构应该满足工业机器人作业空间的要求。（2）合理选择臂部截面形状，选用高强度轻质制造材料。工字形截面的弯曲刚度一般比圆截面大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多，所以常用钢管制作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢制作支承板。（3）尽量减小臂部重量和整个臂部相对于转动关节的转动惯量，以减小运动时的动载荷与冲击。（4）合理设计臂部与腕部、机身的连接部位。臂部安装形式和位置不仅关系到机器人的强度、刚度和承载能力，而且还直接影响机器人的外观。3.4机座与行走机构3.4.1移动式机座与行走机构概述移动式机座安装在行走机构上，通常由驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器电缆及管路等组成。移动式机座一方面支承工业机器人的臂部、腕部和末端执行器，另一方面还根据作业任务的要求，带动机器人在更广的空间内运动。工业机器人的行走机构按其运动轨迹的不同，可分为固定轨迹式行走机构和无固定轨迹式行走机构。1．固定轨迹式行走机构固定轨迹式工业机器人的机座安装在一个可移动的拖板座上，整个机器人可以靠丝杠螺母的驱动沿丝杠纵向移动。除此之外，此类机器人也采用类似起重机梁的移动方式行走。2．无固定轨迹式行走机构一般来讲，无固定轨迹式行走机构主要有履带式行走机构、轮式行走机构和足式行走机构等。此外，还有适合于各种特殊场合的步进式行走机构、蠕动式行走机构、混合式行走机构和蛇行式行走机构等。3.4.2履带式行走机构履带式行走机构主要由支重轮、拖链轮、导向轮（引导轮）、驱动轮、履带、行走架、张紧装置、行走液压马达和减速机等组成。图3-27履带式行走机构1—导向轮；2—张紧装置；3—行走架；4—支重轮；5—履带；6—拖链轮；7—驱动轮；8—行走液压马达和减速机履带式行走机构具有以下几个优点：（1）支承面积大，接地比压小，下陷度小，滚动阻力小，适合在松软或泥泞场地作业。（2）越野机动性好，可以在凹凸不平的地面上行走，可以跨越障碍物，能爬梯度不大的台阶，爬坡、越沟等性能优越。（3）履带支承面上有履齿，因此不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力。履带式行走机构具有以下不足：没有自定位轮和转向机构，履带式行走机构只能靠左右两个履带的速度差实现转弯，所以转向和前进方向都会产生滑动，且转弯阻力大，不能准确地确定回转半径。履带式行走机构结构复杂、重量大、运动惯性大、减振功能差，致使零件容易损坏。3.4.3轮式行走机构轮式行走机构在工业机器人中应用十分普遍，其主要应用在平坦的地面上，如图3-30所示。车轮的结构、材料取决于地面的性质和车辆的承载能力。图3-30轮式行走机构在工业机器人中的应用1．三轮行走机构三轮行走机构稳定性较好，代表性的车轮配置方式是一个前轮、两个后轮，如图3-31所示。其中，图3-31（a）所示为两个后轮独立驱动，前轮仅起支承作用，通过后轮速度差实现转向；图3-31（b）所示为前轮驱动，并通过前轮转向；图3-31（c）所示为两后轮驱动并配有差动器，通过前轮转向。图3-31三轮行走机构（a）

（b）

（c）2．四轮行走机构四轮行走机构在工业机器人中的应用最为广泛，其可采用不同的方式实现驱动和转向，如图3-32所示。其中，图3-32（a）所示为后轮分散驱动；图3-32（b）所示为四轮同步转向机构，这种机构可实现更灵活的转向和较大的回转半径。图3-32四轮行走机构（a）

（b）3.4.4足式行走机构履带式行走机构可以行走在凹凸不平的地面上，但其适应性较差，行走时晃动太大，在软地面上行驶速度较慢。（a）单足行走机构

（b）双足行走机构（c）三足行走机构

（d）四足行走机构

（e）六足行走机构图3-33足式行走机构3.5驱动器3.5.1驱动器概述工业机器人驱动器按照动力源的不同，可分为电动驱动、液压驱动和气动驱动三种，其结构框图如图3-37所示。根据需要，工业机器人可采用三种基本驱动类型中的单独一种或几种组合而成的驱动系统。图3-37工业机器人驱动器的结构框图3.5.2电动驱动电动驱动又称为电气驱动，它是利用各种电动机产生的力或力矩，直接或经过减速机构去驱动工业机器人的关节，以获得所要求的位置、速度和加速度的驱动方法。电动驱动控制精度高，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，适用于中小负载。（a）交流伺服电动机

（b）直流伺服电动机

（c）步进伺服电动机图3-38伺服电动机1）交流伺服电动机的结构交流伺服电动机又称AC伺服电动机，其结构比较简单，主要由定子和转子两大基本部分组成，如图3-39所示。定子主要由机座（外壳）、定子铁芯和定子绕组等组成；转子主要由转子铁芯、转子绕组和转轴等组成。图3-39交流伺服电动机的结构2）交流伺服电动机的工作原理交流伺服电动机的工作原理可通过下面这个小实验进行简单模拟。如图3-40所示，磁极与转子之间没有机械联系。当转动外面的磁极时，转子随着磁极同方向一起转动。磁极转动得快，转子转得也快。磁极反转，转子也反转。实验说明，交流伺服电动机工作的关键是有旋转磁场。图3-40交流伺服电动机工作原理的模拟实验3）旋转磁场的形成过程在交流伺服电动机中，由于各相绕组中的电流是交变的，所以，各电流的磁场也是交变的，而三相电流的合磁场则是一旋转磁场。图3-41三相对称电流电流变化一周，合磁场在空间旋转360°。4）交流伺服电动机的特点交流伺服电动机可通过大电流，无电刷，运行安全可靠，适用于频繁的启动、停止工作，而且过载能力、力矩惯量比、定位精度等优于直流伺服电动机。但是，交流伺服电动机控制比较复杂，所构成的驱动系统价格相对比较昂贵。2．直流伺服电动机1）直流伺服电动机的结构直流伺服电动机又称DC伺服电动机，是最普通的电动机，其速度控制相对比较简单。直流伺服电动机（见图3-43）也由定子和转子两部分组成，定子固定不动，转子可以旋转，在这两部分之间的间隙称为空气隙。图3-43直流伺服电动机的结构

图3-44电刷的结构

2）直流伺服电动机的工作原理如图3-45所示为直流伺服电动机的模型，将电刷A端、B端接到直流电源上，电刷A端接正极，电刷B端接负极。此时，电枢线圈中有电流沿着abcda的方向流动。线圈ab边和cd边在磁场中受到电磁力的作用，N极下的导体ab受力方向从右向左，S极上的导体cd受力方向从左向右。电磁力形成逆时针方向的电磁转矩，电动机转子逆时针方向旋转。图3-45直流伺服电动机工作原理图3）直流伺服电动机的特点直流伺服电动机最大的问题是无法精确控制电动机转动的转数，也就是位置控制，因此必须加上一个编码盘进行反馈，以获得实际转动的转数。普通交、直流电动机驱动需加减速装置，虽然输出力矩大，但控制性能差，馈性大，一般适用于中型或重型机器人。3．步进伺服电动机步进伺服电动机是将电脉冲信号转换为相应角位移或直线位移的一种特殊电机，其每输入一个电脉冲信号，电机就转动一个角度。输入的脉冲数决定转角值，脉冲频率决定转子的速度。1）三相反应式步进伺服电动机的结构三相反应式步进伺服电动机的定、转子为一段铁芯。由于各相绕组沿圆周方向均匀排列，所以又称径向分相式。它是步进伺服电动机中使用最多的一种结构形式，如图3-46所示为电动机的径向截面图。图3-46三相反应式步进伺服电动机的结构2）三相反应式步进伺服电动机的工作原理图3-47三相反应式步进伺服电动机的工作原理图3）步进伺服电动机的特点步进伺服电动机的控制电路较为简单，且不需要转动状态的检测电路，因此所构成的驱动系统价格比较低廉。但是步进伺服电动机的功率较小，不适用于大负荷的工业机器人使用。3.5.3液压驱动液压驱动系统利用液压泵将原动机的机械能转换为液体（一般为矿物油）的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件再将液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现回转运动或直线往复运动。工业机器人中常用的液压执行元件有液压马达和液压缸。1．液压马达液压马达又称旋转液压马达，是液压驱动系统的旋转式执行元件，其结构如图3-48所示。1，20—齿轮；2—防尘罩；3，30—电位器；4—防尘器；5，11—密封圈；6，10—端盖；7，13—输出轴；8，25—壳体；9，22—钢盘；12—防尘圈；14，17—滚针轴承；15，19—泄油孔；16，18—O形密封圈；21，29—解算器；23，26—转子；24—转动叶片；27—固定叶片；28—进出油孔图3-48液压马达的结构2．液压缸液压缸是将液体压力能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件，其结构简单、工作可靠。在用液压缸实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在工业机器人中应用比较广泛。图3-49直线液压缸3．液压驱动的特点不论液压驱动系统使用哪种液压执行元件，它都具有控制精度高、可无级调速、反应灵敏、可实现连续轨迹控制等优点，并且因其操作力大、功率体积比大，比较适合于大负载低速驱动。但液压驱动系统需要较高的密封性，不宜在高温或低温的场合工作，其价格较贵，维护相对复杂，这些缺点限制了液压驱动在工业机器人中的应用。3.5.4气动驱动气动驱动系统的工作原理与液压驱动系统相同，靠压缩空气来推动气缸或气动马达运动进而带动执行元件运动，其原理框图如图3-50所示。图3-50气动驱动工作原理框图图3-51气动手爪外形气动驱动系统由于气体压缩性大、精度低、阻尼效果差、低速不易控制，难以实现伺服控制，能效比较低。但气动驱动系统结构简单、成本低，适用于轻负载快速驱动和精度要求较低的有限点位控制的工业机器人。3.6传动机构3.6.1谐波减速器谐波减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器，其运动本质是依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动的一种行星齿轮传动。1．谐波减速器的结构如图3-52所示，谐波减速器由具有内齿的刚轮、具有外齿的柔轮和波发生器组成。通常波发生器为主动件，而刚轮和柔轮之一为从动件，另一个为固定件。图3-52谐波减速器的结构1）刚轮刚轮是一个刚性的内齿轮，双波谐波传动的刚轮通常比柔轮多两齿。谐波齿轮减速器多以刚轮固定，外部与箱体连接。2）柔轮柔轮有薄壁杯式、薄壁圆筒式和平嵌式等多种形式。其中，薄壁圆筒式柔轮的开口端外面有齿圈，它随波发生器的转动而变形，筒底部分与输出轴连接。3）波发生器波发生器与输入轴相连，对柔轮齿圈的变形起产生和控制的作用。它由一个椭圆形凸轮和一个薄壁的柔性轴承组成。柔性轴承不同于普通轴承，它的外环很薄，容易产生径向变形，在未装入凸轮之前环是圆形的，装上之后变为椭圆形。2．谐波减速器的工作原理波发生器通常是椭圆形的凸轮，将凸轮装入薄壁轴承内，再将它们装入柔轮内。波发生器长轴和短轴之间的柔轮齿，在沿柔轮周长的不同区段内，有的逐渐退出刚轮齿间，处在半脱开状态，称为啮出；有的逐渐进入刚轮齿间，处在半啮合状态，称为啮入。波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，波发生器的连续转动，使柔轮齿循环往复的进行啮入→啮合→啮出→脱开这四种状态，不断改变各自原来的啮合状态，如图3-53所示。上述现象称为错齿运动，正是这一错齿运动，使减速器将输入的高速转动变为输出的低速转动。图3-53谐波减速器工作原理图3．谐波减速器的特点1）传动比范围大2）体积小、重量轻3）结构简单4）承载能力高5）传动精度高6）传动效率高、运动平稳3.6.2RV减速器RV减速器主要由行星轮、刚性盘、针轮、摆线轮、曲柄轴、输出盘和齿轮轴等组成。图3-54RV减速器的结构1．RV减速器的结构2．RV减速器的工作原理图3-55RV减速器传动简图RV传动装置是由第一级渐开线圆柱齿轮行星减速机构和第二级摆线针轮行星减速机构两部分组成的。渐开线行星轮2与曲柄轴3连成一体，作为摆线针轮传动部分的输入。如果渐开线中心轮1顺时针方向旋转，那么渐开线行星齿轮在公转的同时还进行逆时针方向自转，并通过曲柄轴带动摆线轮进行偏心运动，此时摆线轮在其轴线公转的同时，还将在针齿的作用下反向自转，即顺时针转动。同时通过曲柄轴将摆线轮的转动等速传给输出机构。3．RV减速器的特点RV减速器具有体积小、质量轻、传动比范围大、寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳等一系列优点，日益受到国内外的广泛关注，在工业机器人领域占有主导地位。RV减速器与工业机器人中常用的谐波减速器相比，具有较高的疲劳强度、刚度和寿命，而且回差精度稳定，不像谐波减速器那样随着使用时间增长，会令运动精度显著降低。因此，世界上许多高精度工业机器人的传动装置都采用RV减速器。THEEND工业机器人技术基础第4章工业机器人传感器4.1工业机器人传感器概述目录CONTENT4.2工业机器人内部传感器4.3工业机器人外部传感器掌握工业机器人传感器的种类、性能指标及其使用要求。熟悉工业机器人内、外部传感器的功能和应用。12学习目标4.1工业机器人传感器概述4.1.1工业机器人传感器的类型传感器是一种以一定精度将被测量转换为与之有确定对应关系、易于精确处理和测量的某种物理量的测量部件或装置。完整的传感器应包括敏感元件、转化元件、基本转化电路三个基本部分。工业机器人传感器按用途的不同，可分为内部传感器和外部传感器。表4-1工业机器人传感器的分类、功能和应用4.1.2传感器的性能指标1．灵敏度2．线性度图4-2传感器的线性度3．精度精度是指传感器的测量输出值与实际被测量值之间的误差。在工业机器人系统设计中，应该根据系统的工作精度要求选择合适的传感器精度。（a）激光测距传感器（精度0.2mm）

（b）位移传感器（精度0.01mm）图4-3传感器4．测量范围测量范围是指被测量的最大允许值和最小允许值之差。传感器的测量范围应该覆盖工业机器人有关被测量的工作范围。如果无法达到这一要求，可以设法选用某种转换装置，但这样会引入某种误差，使传感器的测量精度受到一定的影响。5．重复性重复性是指传感器在其输入信号按同一方式进行全量程连续多次测量时，相应测量结果的变化程度。对于多数传感器来说，重复性指标优于精度指标。这些传感器的精度指标不一定很高，但只要它的温度、湿度、受力条件和其他参数不变，传感器的测量结果也没有较大的变化。同样，传感器重复性也应考虑使用条件和测量方法的问题。6．分辨率分辨率是指传感器在整个测量范围内所能辨别的被测量的最小变化量，或者所能辨别的不同被测量的个数。工业机器人大多对传感器的分辨率有一定的要求。传感器的分辨率直接影响机器人的可控程度和控制品质。传感器分辨率的最低限度要求一般根据机器人的工作任务确定。7．响应时间响应时间是传感器的动态特性指标，是指传感器的输入信号变化后，其输出信号变化至一个稳定值所需要的时间。在一些传感器中，输出信号在达到某一稳定值以前会发生短时间地振荡。8．抗干扰能力由于传感器输出信号的稳定是控制系统稳定工作的前提，为防止工业机器人系统的意外动作或故障的发生，传感器系统设计必须采用可靠性设计技术，通常这个指标通过单位时间内发生故障的概率来定义，因此抗干扰能力实际是一个统计指标。4.1.3工业机器人对传感器的一般要求1．精度高、重复性好传感器的精度与重复性直接影响工业机器人的工作质量，用于检测和控制机器人运动的传感器是控制机器人定位精度的基础。机器人是否能够准确无误地正常工作往往取决于传感器的测量精度。2．稳定性好、可靠性高传感器的稳定性和可靠性是保证工业机器人能够长期稳定可靠地工作的必要条件。工业机器人经常是在无人照看的条件下代替人工操作的，万一它在工作中出现故障，轻则影响生产的正常进行，重则造成严重的事故。3．抗干扰能力强工业机器人传感器的工作环境往往比较恶劣，其应当能够承受强电磁干扰、强振动，并能够在一定的高温、高压、高污染环境中正常工作。4．重量轻、体积小对于安装在工业机器人臂部等运动部件上的传感器，重量要轻，否则会加大运动部件惯性，影响机器人的运动性能。对于工作空间受到某种限制的机器人，体积和是否安装方便的要求也是必不可少的。4.2工业机器人内部传感器4.2.1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，电位器式位移传感器分为直线型和旋转型两种。1）直线型电位器式位移传感器直线型电位器式位移传感器的外形和结构如图4-4所示。当测量轴发生直线位移时，与其相连的传感器触头也发生位移，使得触头与滑线电阻端的电阻值和输出电压值发生变化，根据输出电压值的变化，即可测出工业机器人各关节的位置和位移量。图4-4直线型电位器式位移传感器图4-5直线型电位器式位移传感器工作原理图2）旋转型电位器式位移传感器（a）外形

（b）工作原理图4-6单圈旋转型电位器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，如图4-7所示。图4-7光电编码器的结构1—转轴；2—LED；3—检测光栅；4—码盘；5—光敏器件图4-8光电编码器工作原理图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（增量式）和绝对式两种类型。1）相对式光电编码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（见图4-9）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。图4-9相对式光电编码器的码盘当码盘随转轴转动时，每转过一个透光区与一个不透光区便会产生一次光线的明暗变化，经整形放大，可以得到一个电脉冲输出信号。相对式光电编码器构造简单、加工容易、成本较低、分辨率高、抗干扰能力强，适合于长距离传输。但是其采用计数累加的方式测得位移量，只能提供对于某基准点的相对位置。因此，在工业控制中，每次操作相对式编码器前需进行基准点校准（盘片上通常刻有单独的一个小洞表示零位）。图4-10相对式光电编码器工作原理图2）绝对式光电编码器如图4-11所示，绝对式光电编码器的圆形码盘上有沿径向分布的若干同心圆，称为码道，一个光敏元件对准一个码道。若码盘上的透光区对应二进制1，不透光区对应二进制0，则沿码盘径向，由外向内，可依次读出码道上的二进制数，如图4-12所示。

图4-11绝对式光电编码器的码盘

图4-12绝对式光电编码器工作原理图绝对式光电编码器编码的设计采用二进制码或格雷码，如表4-2所示。由于格雷码相邻数码之间仅改变一位二进制数，所以误差不超过1，被大多数光电编码器使用。表4-2格雷码4.2.2速度传感器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，其结构原理如图4-13所示。图4-13直流输出测速发电机结构原理图测速发电机的转子与工业机器人关节伺服驱动电动机相连便能测出机器人运动过程中的关节转动速度，并能在机器人速度闭环系统中作为速度反馈元件。测速发电机具有线性度好、灵敏度高、输出信号强等优点。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。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，其原理如图4-14所示。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。图4-14模拟方式的相对式光电编码器测速2）数字方式图4-15时间增量测量电路4.2.3力觉传感器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。力觉传感器是工业机器人重要的传感器种类之一，机器人机体上一般常安装有以下三种类型的力觉传感器。（1）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。（2）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。（3）装在机器人手指上的力传感器称为指力传感器。4.3工业机器人外部传感器用于检测工业机器人作业对象及作业环境状态的传感器称为外部传感器。4.3.1接触觉传感器1．接触觉传感器概述1）接触觉传感器的定义及类型接触觉传感器是判断工业机器人是否接触物体的测量传感器，可以感知工业机器人与周围障碍物的接近程度。接触觉传感器按接触方式的不同，可分为开关式、面接触式和触须式三种。接触觉传感器在工业机器人中有以下几方面的作用：感知操作手指与对象物之间的作用力，使手指动作适当；识别操作物的大小、形状、质量及硬度等；躲避危险，以防碰撞障碍物引起事故。2）接触觉传感器的作用3）接触觉阵列原理如图所示，电极与柔性导电材料（条形导电橡胶、PVF2薄膜）保持电气接触，导电材料的电阻随压力而变化。当物体压在其表面时，将引起局部变形，测出连续的电压变化，便可测量局部变形。电阻的改变很容易转换成电信号，其幅值正比于施加在材料表面上某一点的力。图4-17阵列接触觉传感器

图4-18装有接触觉传感器的手爪2．开关式接触觉传感器开关式接触觉传感器外形尺寸较大，空间分辨率较低。开关式接触觉传感器主要分为微动开关和限位开关两种。微动开关即使用很小的力也能动作，其多采用杠杆原理；限定开关是限制工作机构位置的电器，主要用于限定工业机器人的动作范围。（a）结构

（b）工作原理图4-19开关式接触觉传感器3．面接触式接触觉传感器面接触式接触觉传感器即接触觉阵列。将接触觉阵列的电极或光电开关应用于工业机器人末端执行器的前端及内外侧面，或应用于相当于人类手掌心的位置，传感器通过识别末端执行器上接触物体的位置，可使末端执行器接近物体并且准确地完成夹持动作。（a）电极反应式

（b）光电开关式图4-20面接触式接触觉传感器4．触须式接触觉传感器触须式接触觉传感器由须状触头及其检测部分构成，触头由具有一定长度的柔空软条丝构成，它与物体接触所产生的弯曲由在根部的检测单元检测。与昆虫的触角一样，触须式传感器的功能是识别接近的物体，确认所设定的动作结束，以及根据接触发出回避动作的指令或搜索对象物的存在。图4-21触须式接触觉传感器4.3.2滑觉传感器滑觉传感器是一种用来检测工业机器人与抓握对象间滑移程度的传感器。目前常用的滑觉传感器有滚轮式、球式和振动式等类型。1．滚轮式滑觉传感器滚轮式滑觉传感器由一个圆柱滚轮测头和弹簧板支承组成，如图4-22所示。当工件滑动时，圆柱滚轮测头也随之转动，发出脉冲信号，脉冲信号的频率反映了滑移速度，个数对应滑移的距离。图4-22滚轮式滑觉传感器2．球式滑觉传感器球式滑觉传感器体积小，检测灵敏度高。球与被夹持物体相接触，无论滑动方向如何，只要球一转动，传感器便会产生脉冲输出，该球体在冲击力作用下不转动，因此球式滑觉传感器的抗干扰能力较强。图4-23球式滑觉传感器3．振动式滑觉传感器振动式滑觉传感器通过检测滑动时的微小振动来检测滑动。如图4-24所示，钢球指针与被夹持物体接触，若工件滑动，则指针振动，线圈输出信号。图4-24振动式滑觉传感器4.3.3接近觉传感器接近觉传感器是工业机器人用来探测自身与周围物体之间相对位置或距离的一种传感器，它探测的距离一般在几毫米到十几厘米之间。接近觉传感器按照转换原理的不同，可分为电涡流式、光纤式和超声波式等类型。1．电涡流式接近觉传感器当导体在一个不均匀的磁场中运动或处于一个交变磁场中时，其内部便会产生感应电流。这种感应电流称为电涡流，这一现象称为电涡流现象，电涡流式接近觉传感器便是利用这一原理制作的。（a）外形

（b）工作原理图4-25电涡流式接近觉传感器电涡流式接近觉传感器外形尺寸小、价格低廉、可靠性高、抗干扰能力强，而且检测精度也高，能够检测到0.02mm的微量位移。但是电涡流式接近觉传感器检测距离短，一般只能测到13mm以内，且只能检测固态导体。2．光纤式接近觉传感器用光纤制作的接近觉传感器具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、响应快、检测距离较远等特点。光纤式接近觉传感器有三种不同的形式，如图4-26所示。（a）射束中断型光纤传感器（b）回射型光纤传感器（c）扩散型光纤传感器图4-26光纤式接近觉传感器3．超声波式接近觉传感器超声波式接近觉传感器通过超声波测量距离。如图4-27所示，传感器由超声波发射器、超声波接收器、定时电路和控制电路等组成。图4-27超声波式接近觉传感器工作原理图被测距离L有：4.3.4视觉传感器1．视觉传感器概述视觉传感器又称为摄像管，它是采用光电转换原理摄取平面光学图像，并使其转换为电子图像信号的器件。视觉传感器必须具备两个作用：一是将光信号转换为电信号；二是将平面图像上的像素进行点阵取样，并把这些像素按时间取出。视觉传感器在工业机器人中的应用类型大致可以分为三类，即视觉检验、视觉导引和过程控制；其应用领域包括电子工业、汽车工业、航空工业以及食品和制药等。2．光导摄像管如图4-29（a）所示，光导摄像管外面有一圆柱形玻璃外壳2，内部有位于一端的电子枪7以及位于另一端的屏幕1和光敏层3。加在线圈6，9上的电压将电子束聚焦并使其偏转。偏转电路驱使电子束对光敏层的内表面扫描以便“读取”图像。（a）结构

（b）电子束扫描方式

图4-29光导摄像管1—屏幕；2—玻璃外壳；3—光敏层；4—网格；5—电子束；6—光束聚焦线圈；7—电子枪；8—引脚；9—光束偏转线圈3．CCD传感器CCD传感器与一般摄像管相比，具有重量轻、体积小、寿命长、功耗低等优点，它使用一种高感光度的半导体材料制成，能将光线转变成电荷，通过模/数转换器转换成数字信号。数字信号经过压缩以后的数据传输至计算机，并借助于计算机的处理手段，根据任务需要反馈给执行器。图4