工业机器人技术及编程 课件 项目4 工业机器人的传感系统

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项目4工业机器人的传感系统任务4.1任务4.2

工业机器人常用传感器介绍工业机器人传感器概述项目任务项目分析在掌握了工业机器人传感系统的理论知识后，为加深对这些理论知识的理解和掌握，需要完成以下两个实操训练。1.以汇博“1+X工业机器人应用编程”平台设备为依托，通过查看设备，收集、查找资料，对该设备上的传感器的种类和功能进行分类整理。2.完成利用视觉模块实现物体拍照，对物体的形状、位置和颜色进行识别的实训内容。项目目标素质目标1.通过介绍我国在机器人传感技术领域的成就，激发和培养学生的爱国热情和民族自豪感；2.在整理对“1+X工业机器人应用编程”考核平台上传感器的种类和功能时，培养学生认真细致及系统化思维能力；3.在任务实施阶段，小组配合完成视觉模块的功能，培养学生的创新思维和团队协作能力。知识目标1.了解传感器的分类；2.了解传感器主要性能指标；3.掌握各种传感器的主要应用。能力目标1.能够根据任务要求选取传感器的种类；2.能够用视觉模块实现物体形状和位置识别。任务4.1

工业机器人传感器概述昆明冶金高等专科学校

工业机器人的精准感知源于各类传感器的协同工作。想要掌握汇博“1+X工业机器人应用编程”设备中传感器的应用，需首先理解其功能、分类及关键性能指标。本任务的知识链接部分系统介绍了传感器的基础理论，任务实施部分通过实地调研该设备的传感器的型号、功能及分类，整理分类报告，从而深化从理论到实践的综合应用能力。昆明冶金高等专科学校

任务引入4.1.1工业机器人传感器组成图4-1

传感器的组成

传感器是一种由敏感元件、转换元件、转换电路和辅助电源四部分组成的测量装置。昆明冶金高等专科学校

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1.根据获取信息的来源不同可以分为内部传感器外部传感器2.根据传感器工作原理的不同可以分为应变式传感器压敏传感器热敏传感器超声波传感器光电传感器磁电式传感器电容式传感器电感式传感器3.根据传感器的功能不同可以分为位置/位移传感器力/扭矩传感器速度传感器温度传感器4.根据工业机器人的感官功能不同可以分为视觉传感器触觉传感器接近觉传感器嗅觉传感器听觉传感器味觉传感器4.1.1工业机器人传感器组成昆明冶金高等专科学校

（1）内部传感器内部传感器主要检测各关节的位移、速度、加速度等运动变量，工业机器人通过对这些状态参数的监控，调整和控制自身的位置、速度、姿态等来顺利完成各项任务。内部传感器通常包括位置传感器、速度传感器、加速度传感器、力矩传感器等。（2）外部传感器外部传感器主要用于感知机器人所处的外部环境和对象状况，使机器人能够与环境交互，具备自校正和自适应能力。外部传感器通常包括视觉传感器、接近觉传感器、触觉传感器等。1.根据获取信息的来源不同分类昆明冶金高等专科学校

压力传感器：测量物体表面受力的大小，可以用来判断物体硬度或者是否存在。触觉传感器：检测机器人手指与物体接触的情况，通常用于判断接触的存在和强度。滑动传感器：监测对象是否在滑动，对于需要精细操作的机器人特别有用。热敏传感器：测量物体表面的温度，对于需要进行热处理的工业应用尤为重要。粘性传感器：通过测量介质的粘性来感知外部环境，如物体表面的粘性变化。2.根据传感器工作原理的不同分类昆明冶金高等专科学校

超声波传感器：通过发射和接收超声波来测量距离，常用于检测物体位置。光电传感器：通过发射光并检测反射光或散射光来感知物体的存在与否。力敏传感器：其电阻值会随着施加在传感器表面的力的大小而变化，常用于感知轻触或压力。电容式触觉传感器：通过检测物体表面电容的变化来感知接触。振动传感器：检测机器人在操作过程中由于接触而产生的振动。2.根据传感器工作原理的不同分类昆明冶金高等专科学校

（1）位置/位移传感器：主要用于实现工业机器人位置和运动状态监测及控制，常见的位置/位移传感器有光电开关、开关传感器、陀螺仪传感器等。（2）力/扭矩传感器：主要用于实现工业机器人操作中的力量测量和控制，常见的力/扭矩传感器包括压力传感器、力敏传感器、扭矩传感器等。（3）速度传感器：主要用于实时监测工业机器人关节或末端的运动速度，常见的速度传感器包括测速发电机、编码器等。（4）温度传感器：主要用于实现工业机器人对温度的监测和控制，常见的温度传感器包括热敏电阻传感器、热电偶传感器、红外线温度传感器等。3.根据传感器的功能不同分类昆明冶金高等专科学校

（1）视觉传感器：主要用于机器人实现目标物体的定位、跟踪和识别等功能。（2）触觉传感器：检测机器人手指与物体接触的情况，通常用于判断接触的存在和强度。（3）接近觉传感器：检测机器人附近是否有物体，以及物体的大致距离，但并未发生物理接触。（4）嗅觉传感器：用于检测特定气体的化学成分、浓度等，主要利用在化工行业，通常采用气体传感器或者射线传感器。（5）听觉传感器：用于语音交互、通过声音进行故障诊断、感知外部环境等，主要设备是高保真麦克风。（6）味觉传感器：用于对液体化学成分的分析，主要设备有PH计、化学分析仪等。4.根据工业机器人的感官功能分类灵敏度指传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比，即单位输入变化所引起的输出变化量。灵敏度反映了传感器对被测量变化的敏感程度。高灵敏度的传感器能够检测到较小的输入变化，从而更精确地反映被测量的变化情况。精度指传感器的测量输出值与实际被测量值之间的接近程度，通常用误差来表示，误差越小，精度越高。是衡量传感器性能的重要指标之一，直接影响机器人对环境和物体的感知准确性。可以分为绝对精度和相对精度。昆明冶金高等专科学校

4.1.2工业机器人传感器性能指标4.1.2工业机器人传感器性能指标分辨率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。决定了传感器对被测量变化的最小感知能力，高分辨率的传感器能够检测到更细微的变化。例如，一个位移传感器的分辨率为0.01mm，意味着它能够检测到0.01mm的位移变化。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，其输出信号随之变化并达到一个稳定值所需要的时间。反映了传感器对输入信号变化的快速反应能力。在工业机器人中，快速响应的传感器能够及时反馈环境变化，使机器人能够快速做出反应，提高操作效率和安全性。昆明冶金高等专科学校

线性度反映传感器输出信号与输入信号之间的线性程度。通常用非线性误差来表示，非线性误差越小，线性度越好。线性度好的传感器在测量过程中具有更稳定的输出特性，便于进行数据处理和校准。重复性指传感器在对输入信号按同一方式进行全量程连续多次测量时，相应测试结果的变化程度。反映了传感器在多次测量同一输入信号时输出结果的一致性。在工业机器人中，重复性好的传感器可以确保机器人在重复操作过程中的一致性和稳定性。昆明冶金高等专科学校

4.1.2工业机器人传感器性能指标抗干扰能力指传感器抵御外界电磁干扰的能力。在工业环境中，传感器可能会受到电磁场、无线电波、静电等干扰，抗干扰能力好的传感器能够在这些干扰下正常工作，输出准确的测量结果。测量范围指被测量的最大允许值和最小允许值之差。决定了传感器能够测量的被测量的大小范围。在工业机器人中，选择合适测量范围的传感器可以确保机器人能够准确地感知其工作环境中的各种变化。昆明冶金高等专科学校

4.1.2工业机器人传感器性能指标任务实施——汇博“1+X工业机器人应用编程”平台中传感器类型图3-7ABBIRC5Compact_2控制柜昆明冶金高等专科学校

任务实施——汇博“1+X工业机器人应用编程”平台中传感器类型昆明冶金高等专科学校

序号所属模块传感器型号及数量功能所属分类1快换装置模块E3Z_D81型号4个检测有无快换装置光电传感器、接近觉传感器、外部传感器2立体仓库模块E3Z_D81型号6个检测有无物料光电传感器、接近觉传感器、外部传感器3上料模块E3Z_D81型号1个检测有无物料光电传感器、接近觉传感器、外部传感器4输送模块E3Z_D81型号2个检测有无物料、物料是否到位光电传感器、接近觉传感器、外部传感器5装配模块CMSG-020感应开关2个检测有无物料光电传感器、接近觉传感器、外部传感器6旋转供料模块E3Z_D81型号2个；BS5-L2M-P型号1个检测物料位置光电传感器、位置传感器、外部传感器7视觉检测模块康耐视Insight2000相机识别物料形状、颜色、位置视觉传感器、外部传感器任务4.2

工业机器人常用传感器介绍昆明冶金高等专科学校

工业机器人的环境感知与智能作业离不开传感器系统的支持。本任务中的知识链接部分系统介绍了位置、速度、力/力、接近觉及视觉传感器的原理与应用，任务实施部分借助汇博“1+X工业机器人应用编程”平台的视觉模块，完成图像采集与特征识别，全面提升从理论到应用的系统能力。。昆明冶金高等专科学校

任务引入昆明冶金高等专科学校

工业机器人的常用传感器位置传感器电位器光电编码器速度传感器测速发电动机增量式光电编码器力/力矩传感器位置/位移传感器力/扭矩传感器速度传感器温度传感器接近觉传感器光电传感器超声波传感器电容式传感器电感式传感器红外传感器4.2.1位置传感器功能检测物体位置并将其转换为可用输出信号。分类电位器、光电编码器、电容式位置传感器、超声波位置传感器、激光测距传感器等。测量机器人各关节的位置和角度，为机器人的运动控制提供精确的反馈信息。应用昆明冶金高等专科学校

4.2.1位置传感器——直线型电位器基本功能把机械的直线位移或角位移输入转换成与其成特定函数关系的电阻或电压输出。工作原理输出电压的幅值与转速严格成正比，输出电压的极性反映了旋转方向，其本质是一种微型发电动机。昆明冶金高等专科学校

4.2.1位置传感器——光电编码器主要类型绝对式编码器：直接输出绝对位置信息增量式编码器：通过计数脉冲测量相对位移工作原理光束照射到旋转编码盘上，通过传感器接收反射光或透射光，将光信号转换为电信号，并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。昆明冶金高等专科学校

4.2.1位置传感器——绝对式编码器工作原理码盘通常被分为n个同心圆（图中n=4），同时码盘沿径向被分为2n等分，透明（白色）的部分为“0”，不透明（黑色）的部分为“1”。码盘旋转时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。昆明冶金高等专科学校

4.2.1位置传感器——增量式编码器工作原理光源和光敏元件分别安装在码盘两边。码盘与电动机同轴，电动机旋转时，码盘同速旋转，每转过一个透光区与一个不透光区就产生一次光线变化，这个变化经过整形电路，可以输出一组脉冲信号。昆明冶金高等专科学校

4.2.1位置传感器——绝对式编码器和增量式编码器的性能对比昆明冶金高等专科学校

特性绝对式光电编码器增量式光电编码器工作原理每个位置对应一个唯一的绝对二进制编码通过计数从基准点开始的脉冲数量来计算相对位置位置信息绝对位置值相对位移量断电记忆有。断电后位置信息不会丢失，无。断电后位置信息丢失，上电后必须执行“回零”操作。码盘结构复杂。有多圈同心码道，每道刻线编码独一无二。简单。仅有均匀分布的透光缝隙。输出信号输出代表绝对位置的多位数字代码输出两路（A、B相）正交脉冲信号和一路零点（Z相）信号系统成本本身成本较高，但系统集成简单，无需额外限位开关。成本较低，但系统可能需要额外的限位开关和回零程序。抗干扰性强。数据是绝对的弱。计数过程中一旦受到干扰脉冲丢失或增多，误差会持续累积直到下次回零。应用场景对安全性和可靠性要求高、不允许回零的场合。如：机器人关节、航空航天、医疗设备、高端CNC。对成本敏感、允许上电回零的连续旋转场合。如：普通伺服电机、

conveyorbelts、数控机床的进给轴。4.2.2速度传感器——测速发电机基本功能一种用于检测机械转速的电磁装置，能够把机械转速变换为电压信号。工作原理输出电压的幅值与转速严格成正比，输出电压的极性反映了旋转方向，其本质是一种微型发电动机。常规型直流永磁型昆明冶金高等专科学校

4.2.3力/力矩传感器昆明冶金高等专科学校

应变式力/力矩传感器的工作原理：当力/力矩作用于弹性元件时，弹性元件产生弹性变形，应变片随之发生相应形变，电阻发生变化。电阻的变化转换为电压输出，最后得到精确的力/力矩值。4.2.4接近觉传感器——光电传感器工作原理利用光的反射或透射来检测物体的接近。典型应用场景流水线产品计数与检测自动感应门控制系统智能停车与障碍物检测昆明冶金高等专科学校

4.2.4接近觉传感器——超声波传感器工作原理通过发射超声波脉冲并测量其反射时间来计算物体的距离。典型应用汽车倒车雷达系统移动机器人避障导航工业自动化流水线检测方形超声波传感器圆柱形超声波传感器昆明冶金高等专科学校

4.2.4接近觉传感器——电容式传感器工作原理通过检测物体与传感器之间的电容变化来感知物体的接近。圆柱形传感器引线式传感器典型应用液位检测物体识别昆明冶金高等专科学校

4.2.4接近觉传感器——电感式传感器工作原理通过检测金属物体引起的电磁场变化来工作。

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