《工业机器人技术基础》课件-5.认识工业机器人感知系统

工业机器人技术基础航空工业出版社认识工业机器人感知系统项目五目录01任务一

工业机器人传感器概述02任务二

工业机器人内部传感器03任务三

工业机器人外部传感器感知系统的核心地位感知系统是工业机器人核心构成之一，能将各类信号转化为可应用的数据与知识项目学习导向本项目将学习工业机器人传感系统核心组件相关知识。人机感知方式的差异人类靠感觉器官获取外界信息，工业机器人靠传感器实现此功能传感器的关键价值传感器的精度与稳定性影响机器人作业可靠性，是国产工业机器人提升核心竞争力的关键因素之一项目概述工业机器人传感器概述任务一任务导入任务描述传感器赋予了机器人具有某种程度的“感知”功能。工业机器人通过形形色色的传感器，便可以获取到比肩人类，甚至超越人类的感知信息！小梁对传感器充满了好奇，在本任务中，他将系统学习传感器的相关知识，包括传感器的定义、作用，工业机器人传感器的类型、性能指标及其使用要求。任务目标1.了解传感器的定义及作用。2.熟悉工业机器人传感器的类型、性能指标及其使用要求。3.能对传感器进行性能指标评估与选型。4.锤炼学生钻研能力，树立勇于探索的意识，立足专业追求进步。c（一）传感器的定义传感器是感知被测量并转换成可用输出信号的装置或集合，核心功能是将非电量转换为电信号，由敏感元件、转换元件、转换电路和辅助电源组成，敏感元件与转换元件为核心部分。一、传感器的定义与作用任务实施（二）传感器在工业机器人中的作用获取外部环境信息，如工件的位置、形状、颜色和纹理等，为机器人规划行动路径和操作提供依据环境感知监测机器人的关节角度、速度、加速度、力和力矩等，实现精确的运动控制自身状态监测检测碰撞、过载和温度异常等异常状况，及时采取保护措施，切实保障设备和人员安全安全保障通过触觉、视觉和语音等传感器，实现人机交互和协作，进而提高机器人智能化水平智能交互二、工业机器人传感器的类型内部传感器：感知自身运行状态又称内部状态传感器，测机器人关节位移等，是伺服系统稳定运行必备组件外部传感器：感知外部交互环境外部状态传感器含视觉等，获取机器人与环境交互信息，助智能决策多元分类逻辑补充除内外分类外，还可按接触/非接触、无源/有源等标准划分，适配不同场景下的感知需求（一）内部传感器位置感知用于测量机器人各关节或执行机构的具体位置，确保其精确运动。1速度监控监控关节或执行机构的运动速度，调整机器人动作的平稳性和动态响应。2加速度检测评估机器人加减速时的运动情况，避免速度突变导致故障或不稳定。3力矩检测检测关节或执行机构的扭矩负荷，防止机械臂超出设计限度，规避损坏失效。4（二）外部传感器是机器人与环境交互的桥梁，可获取环境、目标状态信息，赋予机器人自校正和自适应能力。通过成像设备识别周围环境物体，能完成路径规划、物体识别及测量等任务。模仿人类触觉系统，感知接触面压力，检测物体接触时的受力情况与触点位置。核心作用视觉传感器触觉传感器工程师手记多传感器数据融合人类或其他生物本能地具有将身体各种功能器官所探测到的信息与先验知识进行融合的能力，以便对周围的环境和正在发生的事件进行评估。多传感器数据融合的基本原理正如此过程一样，它充分利用多个传感器资源，通过对这些传感器及其获得信息的合理支配和使用，以获得被测量的一致性解释或描述，使系统由此获得比各组成部分子集所构成的系统更优越的性能。多传感器数据融合的一般过程。在工业机器人领域中，多传感器数据融合技术主要应用于移动和遥控操作场景。因为这些环境具有高度不确定性，要求机器人具有高度的自治能力和环境的感知能力，而多传感器数据融合技术正是提高机器人系统感知能力的有效方法。三、传感器的性能指标灵敏度是传感器输出稳定时，输出与输入信号变化量比值，线性时定义与数学表达式若输出输入呈线性关系，灵敏度为常数；若呈非线性关系，灵敏度为特性曲线的导数。线性与非线性场景差异输出与输入量纲相同时，灵敏度也称为放大倍数；量纲不同时，按对应量纲比值表示，如mV/mm。量纲与放大倍数关联灵敏度越大，输出精度、线性度越好，但过高会降低稳定性，需按需选适中值。灵敏度选型原则（一）灵敏度（二）线性度线性度反映传感器输出y与输入x的线性关联程度，理想线性关系为y=kx（k为常数）。定义与核心逻辑k为常数或近似常数时传感器线性度高，机器人宜选此类传感器线性度高低判定多数情况k是x函数，输入变化小且高次项系数小，可近似线性近似线性适用条件针对非线性特性，常用割线法、最小二乘法和最小误差法等实现线性化处理。常用线性化方法（三）测量范围测量范围是被测量的最大允许值和最小允许值之间的差值，需覆盖机器人被测量的工作范围定义与核心要求01若无法覆盖工作范围，可选用转换装置，但会引入误差，影响传感器测量精度范围不足的应对方案02（四）精度精度指传感器测量输出值与实际被测量值之间的误差精度的核心定义机器人系统设计中，需根据系统工作精度要求选择适配的传感器精度选型的关键依据需考虑机器人所有工作条件，测量仪器精度需比传感器高一级，测试要覆盖最差工况精度测量的注意事项（五）重复性相同测量条件下，对同一被测量连续多次测量结果的一致性，一致性越好误差越小重复性的定义对示教再现机器人至关重要，直接决定其能否准确再现示教轨迹对机器人的关键作用多数传感器重复性指标优于精度指标，只要工况参数稳定，测量结果不会有较大变化与精度的区别（六）分辨率指传感器在整个测量范围内，能识别的被测量最小变化量或能辨别的不同被测量个数分辨率的定义可识别的最小变化量越小、可辨别的个数越多，传感器分辨率越高，反之则越低分辨率高低判定直接影响机器人的可控程度和控制品质，需根据工作任务规定最低分辨率要求对机器人的影响（七）响应时间以输入变化时刻为始点，输出稳定为终点，需规定稳定值范围和响应时间容许上限判定标准与要求部分传感器输出会出现短时间振荡，可能造成虚设位置，影响机器人控制与工作精度振荡的负面影响作为动态性能指标，指传感器输入信号变化后，输出信号达到稳定值所需的时间响应时间的定义（八）抗干扰能力机器人工作环境多样且可能恶劣，传感器需充分考量抗干扰能力。环境适配要求传感器输出信号稳定是控制系统稳定、防止机器人故障的关键保障。系统稳定核心设计传感器系统时必须采用可靠性设计技术，强化抗干扰性能。可靠性设计技术抗干扰能力通过单位时间内发生故障的概率定义，属于统计指标。统计指标定义（一）精度高、重复性好机器人能否准确无误地持续正常工作，很大程度上取决于传感器的测量精度与重复稳定性。正常作业的核心前提定位精度的核心基础用于检测和控制机器人运动的传感器，是确保机器人精准定位、完成复杂动作的核心支撑。直接决定工作质量传感器的精度与重复性直接影响工业机器人的工作质量，是作业效果达标的关键前提。四、工业机器人对传感器的要求（二）稳定性好、可靠性高传感器的稳定性和可靠性，是保障工业机器人长期稳定可靠工作的必要核心条件。01长期稳定运行的基础工业机器人常处于无人值守状态，传感器故障轻则打乱生产节奏，重则引发严重安全事故。02规避生产风险与事故工业生产多为连续化作业，高可靠传感器能有效减少停机维护频次，保障整体生产效率。03适配连续生产需求（三）抗干扰能力强工业机器人传感器需具备承受强电磁干扰、强振动的能力，抵御车间复杂环境干扰。耐受复杂电磁与振动强抗干扰性能可避免环境因素干扰数据采集，确保机器人决策判断与动作执行的精准性。保障数据采集精准性需能在一定高温、高压、高污染的恶劣工业环境中持续稳定工作，满足多样生产场景需求。适应极端工况环境（四）重量轻、体积小01安装在机器人臂部等运动部件的传感器需重量轻，避免加大惯性影响机器人运动灵活性与精度。降低运动部件惯性影响03轻量化、小型化传感器可助力机器人实现更紧凑灵活的结构设计，拓展更多应用场景边界。优化机器人整体设计02针对工作空间受限的机器人，传感器的体积大小与安装便捷性是必须考量的核心因素。适配有限工作空间智造视窗机器人传感器的发展与应用1.传感器的小型化趋势近年来，传感器的体积不断缩小，以适应工业机器人日益复杂且精密的需求。例如，微机电系统（MEMS）传感器凭借其小尺寸、低功耗、高灵敏度等特点，在机器人领域得到了广泛应用。MEMS加速度计和陀螺仪可以轻松集成到机器人关节中，实时监控机器人的姿态和运动状态。案例：在手机制造行业，机器人进行精密组件安装时，需要高灵敏度的MEMS传感器，以确保极小的装配误差，从而提升产品的质量和一致性。2.物联网与机器人传感器物联网（IoT）技术正在逐渐与工业机器人相融合，传感器通过与无线网络连接，实现远程监控和数据采集。例如，安装在机器人上的温度、湿度传感器，可以实时监测环境变化，并将数据发送至中央系统，从而实现预防性维护。智造视窗案例：在电子产品生产企业中，机器人通过传感器与物联网技术相结合，实时监控生产环境，有效预防过热或湿度过高对产品质量造成的影响。3.自校准技术的应用自校准传感器可以在使用过程中自动调整校准参数，确保数据始终准确，减少了手动校准的工作量，特别适用于长时间工作且无法频繁停机的机器人。例如，在极端温度或压力下工作的传感器会因为环境变化产生漂移，而自校准技术能够动态调整传感器的基准值，确保数据精确度。案例：在高温环境中的金属铸造工厂，安装在机器人上的自校准温度传感器可以实时调整校准值，确保机器人能够精确感知温度并实时调整操作。工业机器人内部传感器任务二任务导入任务描述小梁了解到，内部传感器是用于测量机器人自身状态参数的功能元件，在工业机器人运行中扮演着重要角色。那么，工业机器人内部传感器的工作原理及应用场景是怎样的？在本任务中，小梁将会探寻答案。任务目标1.熟悉常见工业机器人内部传感器的工作原理及应用。2.能够描述常用内部传感器的类型及其工作原理。3.培养学生团队协作与互助能力，树立团结共进、服务集体的意识。一、位置传感器感测机器人关节或执行机构位置，通过反馈控制保障动作准确性，使其抵达预定位置。核心功能定位01编码器是常用的角度和位置测量装置，主要分为增量式与绝对式两种类型。主流测量装置02增量式靠旋转轴固定增量脉冲数定位置变化，绝对式直接输出唯一编码的绝对位置。编码器原理差异03任务实施（一）工作原理角位移计算公式为

，其中θ为角位移，N为每转脉冲数，n为计数脉冲数，脉冲数量与旋转角度直接成正比。角位移精准计算逻辑利用A、B两相脉冲90°相位差判断旋转方向：A相超前B相90°为正转，B相超前A相90°则为反转。旋转方向判定机制（二）应用广泛用于检测关节的角度和旋转位置，实现高精度位置控制。增量式与绝对式编码器通过检测电阻的变化来测量线性位移或角度位置，适用于低精度的检测任务。电位计二、速度传感器多用于需精确控速场景，如工业机器人物料搬运、移动机器人路径巡航关键应用场景监控机器人关节运动速度实时反馈，调整平稳保障动态响应核心作用常见类型包括光电、磁电速度传感器，适配不同机器人运动检测需求典型类型测量轮速或关节频率，转换电信号为控制系统供实时数据工作原理（一）工作原理基于霍尔效应原理，当载流导体在磁场中运动时，会产生与速度成正比的电压信号。霍尔传感原理通过测量位置随时间变化的导数，从而计算出速度信息。旋转编码原理（二）速度计算速度计算公式为

，其中v为速度（单位：m/s），Δs为位移变化（单位：m），Δt为时间间隔（单位：s）核心计算公式01国际单位制中速度单位为米每秒（m/s），日常常用千米每小时（km/h），计算时需统一单位单位规范02（三）应用（1）霍尔效应传感器：用于检测旋转部件的转速，如电动机转速。（2）旋转编码器：与位置传感器结合使用，为机器人提供精确的速度反馈。图5-2-2为工业机器人速度传感器安装示意图。三、加速度传感器评估机器人加减速，检测突发加速度变化，防运动不稳定故障，给控制系统实时动态反馈核心作用：筑牢运动稳定防线可实现动态监测、姿态校正、故障预判，与陀螺仪组成IMU系统，助力机器人适应复杂环境三重关键价值赋能智能化向主动预测演进，分析加速度模式预判运动轨迹，在仿生外骨骼、康复医疗等场景实现精准助力，提升人机协同效率前沿升级：从监测到意图感知涵盖电容式、压电式、MEMS等类型，MEMS因体积小等优势，成工业机械臂、人形机器人场景主流主流类型与场景适配（一）MEMS加速度计MEMS加速度计基于微机电系统技术，通过测量质量块在加速度作用下产生的偏移量，输出对应的电信号。（二）加速度计算根据牛顿第二定律：

F=m·a用MEMS加速度计测量质量块所受的力

F，即可计算加速度a。其中，F

为质量块所受的力（N）；m

为质量块的质量（kg）；a为质量块的加速度（m/s2）。（三）应用加速度传感器用于实时监控机器人各部分的加速度，及时检测异常运动状态。四、力矩传感器感知机器人操作过程中的力信息，实时反馈确保精准抓取、装配，避免损坏物体。核心作用是人形机器人实现安全交互与精密操作的关键，已在工业、医疗等领域落地应用。行业价值涵盖应变片、电容、光学、磁性等类型，在精度、功耗、成本上各有优劣。技术类型（一）工作原理外力使弹性体形变，应变片电阻变，经电桥转成正比扭矩电信号，用于工业机器人

应变效应原理压电材料受力生电，电量与力相关，经算法解算力矩，灵敏响应快，适配动态测量。压电效应原理采用光栅/光纤技术检测光功率变化，经光电转换测力矩，抗干扰适用于精密测量光学效应原理（二）计算力和力矩的平衡方程为三维平衡方程组01Fx、Fy、Fz为三个方向的力（单位：N）；Mx、My、Mz为三个方向的力矩（单位：N·m）；fxi、fyi、fzi为传感器测得的力分量（单位：N）；xi、yi、zi

为测力点的坐标（m）。核心参数定义02（三）应用安装在关节驱动器上，用于控制中的力反馈。关节力传感器安装在机器人手指上的力传感器。指力传感器安装在末端执行器和机器人最后一个关节之间。腕力传感器电阻应变片式力矩传感器应用及结构类型电阻应变片式力矩传感器应用最广。如图5-2-3所示，（a）为SRI六维腕力传感器，由铝管铣削而成，含8根弹性梁，梁端贴应变片输出梁变形信号；（b）是日本大和制衡十字梁腕力传感器，轮辐式结构，十字梁与轮缘有柔性环节，4根梁贴32个应变片，8路全桥输出；（c）为三梁腕力传感器，内外圈连机器人臂部与末端执行器，力沿三根相切梁传递，每梁贴4个应变片，6组半桥解耦得六维力（力矩）精确解。工业机器人外部传感器任务三任务导入任务描述外部传感器用于感知机器人与外界环境的交互，帮助机器人在复杂环境中进行导航、物体识别、触觉反馈等操作。在本任务中，小梁将学习常见工业机器人外部传感器的工作原理及应用。任务目标1.熟悉视觉传感器的工作原理及应用。2.熟悉触觉传感器的工作原理及应用。3.能够描述常用外部传感器的类型及其工作原理。4.深耕专业知识，树立以所学本领助力行业发展贡献力量的初心。当前工业场景应用相对有限，但随着对机器人精度与性能要求不断提高，外部传感器的应用将日益增多，推动工业自动化升级。应用趋势涵盖接触觉、滑觉、接近觉、视觉传感器，分别实现接触判断、滑动检测、距离探测、环境视觉感知等核心功能。主流类型作为机器人的“感官”，检测作业对象及环境状态，为机器人灵活性与精确性提供支撑，是提升生产效率和质量的关键。核心作用任务实施一、视觉传感器工作原理以CCD/CMOS为核心，经图像采集、信号转换、智能分析、结果输出四步，模拟人眼捕捉与解读环境信息。核心优势可获取颜色、纹理、形状等多维信息，单设备能同时识别多类目标，环境适应性强且无信号干扰。典型应用覆盖工业质检、机器人导航、自动驾驶、安防监控等领域，为智能系统提供关键环境感知能力。电荷耦合器件（CCD）或互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器将光信号转换为电信号。图像传感器通过运用边缘检测、形状识别和深度估计等算法提取有用信息。图像处理算法（一）工作原理（二）立体视觉深度计算核心计算公式采用公式计算物体到摄像头的距离，实现立体视觉深度测算。技术实现路径可通过结构光、飞行时间（ToF）等技术，精准获取场景深度信息，支撑深度计算。参数含义解析Z为物体到摄像头距离（mm），f为摄像头焦距（mm），B为双摄像头基线距离（mm），d为视差（mm）。（三）应用广泛覆盖零件定位、质量检测、视觉导航等工业与智能场景，凭借高集成度与低成本成为首选方案。CCD/CMOS摄像头的主流视觉任务应用通过结构光或飞行时间（ToF）技术获取深度信息，为机器人3D建模、精准避障提供关键数据支持。深度相机的三维感知支撑热成像、事件相机等技术分别适配设备过热预警、高速运动抓拍等特定需求，拓展视觉应用边界。特殊成像传感器的场景化适配二、触觉传感器核心原理与主流类型基于压阻、电容、压电等原理，将压力、形变等转化为电信号，涵盖主流类型，各有优劣势多领域核心应用场景支撑工业机器人精密抓取、医疗手术精准操作、消费电子触控交互，助力机器人实现智能交互前沿技术突破港科大（广州）团队研发亚毫米级高密度传感器阵列，材料硬度识别准，让机器人获类人触觉（一）工作原理压电效应传感机制压电材料受机械压力时，因晶体非中心对称结构使正负电荷中心位移，表面产生电荷量与压力成正比的可测电荷。压电双向转换特性正压电效应实现机械能到电能转换，逆压电效应实现电能到机械能转换，双向特性支撑多场景传感与驱动应用。电容变化传感原理当传感电极间距离、介电常数发生改变时，电容值随之变化，可将物理量变化转化为电信号实现检测。（二）计算公式压