工业机器人技术 内部传感器

接口
分辨率
可靠性 精度和重复精度
知识准备
一、工业机器人传感器的要求
视频 工业机器人传感器的要求
知识准备
二、内部传感器
内部传感器装在机器人本体上，是用于测量机器人自身状态 的功能元件。具体检测的对象有关节的线位移、角位移等几何量， 速度、加速度、角速度等运动量，倾斜角和振动等物理量。
内部传感器常用于控制系统中，作为反馈元件，检测机器 人自身的各种状态参数，如关节运动的位置、速度、加速度、力 和力矩等。因此，内部传感器主要包括位移、速度及加速度传感 器。
在工业中，根据不同的应用对像，通常可选择分辨率 为500～6000PPR的增量式光电编码器，最高可以达到几万 PPR。
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二、内部传感器
3.1增量式光电编码器
增量式光电编码器在工业机器人中既可以 用来作为位置传感器测量关节相对位置，又可以 作为速度传感器测量关节速度。
作为速度传感器时，既可以在模拟方式下使 用，又可以在数字方式下使用。
在应用时，机器人的关节轴与传感器的旋 转轴相连，根据测量的输出电压的数值，即可 计算出关节对应的旋转角度。
角位移型
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二、内部传感器
电位器式传感器结构简单，性能稳定，使用方便，这种传 感器不会因为失电而丢失其已获得的信息。当电源因故断开时， 电位器的触点将保持原来的位置不变；只要重新接通电源，原 有的位置信号就会重新出现。
三轴加速度传感器实物图
任务实施
请同学们根据资料、视频内容填写相关工作页！
主题讨论
讨论问题
工业机器人传感器的要求？ 内部传感器的用途、种类？ 常用内部传感器的工作原理？
小结
通过前面内容的学习同学们了解了工业机器人传感器的要求； 知 道内部传感器的用途、种类；知道常用内部传感器的工作原理。为 机器人的应用打下了基础。
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二、内部传感器
视频
增量式光电编码器工作原理
知识准备
二、内部传感器
3.增量式光电编码器
光电编码器的分辨率（分辫角）是以编码器轴转动一周 所产生的输出信号的基本周期数来表示的，即脉冲数每转 （PPR）。编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，编码盘上刻的缝隙越多，编码器的分辨率 就越高。假设编码盘的透光缝隙数目为n，则分辨率的计算 公式为：
在机器人应用领域中，一般把该传感器安装在机器人 各关节的转轴上，用来检测各关节转轴转过的角度。作为机 器人位移传感器增量式光电编码器应用最为广泛。
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二、内部传感器
光电编码器的工作原理如图所示，在 圆盘上有规则地刻有透光和不透光的线条， 当圆盘旋转时，便产生一系列交变的光信 号，由另一侧的光敏元件接收，转换成电 脉冲。
工业机器人技术与应用
任务一
项目五 工业机器人概述
内部传感器
导入
你知道工业机器人的内部传感器的用 途是什么？
工业机器人的内部传感器是如何工作 的呢？
目录
学习目标
知识准备
任务实施
主题讨论
学习目标
学习目标
知识目标
1
了解工业机器人传感器的要求
2 了解内部传感器的用途、种类
3 了解常用内部传感器的工作原理
视频 绝对式光电编码器工作原理
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二、内部传感器
3. 增量式光电编码器
增量式光电编码器能够以数字形式测量出转轴相对于某 一基准位置的瞬间角位置，此外还能测出转轴的转速和转向。
增量式光电编码器主要由光源、编码盘、检测光栅、光电 检测器件和转换电路组成，如图所示。
编码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个缝隙 之间代表一个增量周期t；检测光栅上刻有三个同心光栅，分别 称为A相、B相和C相光栅。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，A相和B相在编 码盘上互相错开半个节距t/2。增量式光电编码器编码盘如图所 示。
加速度传感器实物图
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二、内部传感器
6.加速度传感器
根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电容式、 电感式、应变式、压阻式、压电式等。
加速度传感器也可以按测量轴分为单轴、双轴和三轴加速度传感器。 三轴加速度传感器在航空航天、机器人、汽车和医学等领域应用广 泛。这种加速度传感器具有体积小和重量轻特点，可以测量空间加速度， 能够全面准确反映物体的运动性质。目前三轴加速度传感器/三轴加速 度计大多采用压阻式、压电式和电容式工作原理，
学习重点
工业机器人内部传感器的工作原理
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一、工业机器人传感器的要求
机器人需要安装什么样的传感器，对这些传感器有什么要求，是设计机器人感觉系统时遇到的首要问题。 选择机器人传感器应当完全取决于机器人的工作需要和应用特点，应考虑的因素包括以下几个方面：
成本 灵敏度
重量 线性度
尺寸 量程
输出类型 响应时间
增量式光电编码器
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二、内部传感器
（1） 模拟方式 在这种方式下，必须有一个频率-电压 (ƒ/U)变换器，用来把编码器测得的脉冲频率转换成与速度成正比的
模拟电压。ƒ/U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，这样才能满足测试要求。 （2）数字方式 数字方式测速是指基于数学公式，利用计算机软件计算出速度。由于角速度是转角对时间的一阶导数，如果
能测得单位时间内编码器转过的角度，则编码器在该时间段内的平均速度为：
t
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二、内部传感器
4.旋转变压器
应用最广的是正余弦旋转变压器。它是一种小型的交流电动机，定子和转子都有两个相互垂直的绕组， 如图所示，定子上两个绕组的励磁电压为EMsinωt、EMcosωt。其幅值相等,均为EM，角频率相等，均为ω， 相位相差90°。转子两个绕组输出电压为KEMsin(ωt+θ)、KEMcos(ωt+θ)，其幅值与励磁电压的幅值成正比， 对励磁电压的相位移等于转子的转动角度θ，检测出相位差为θ，即可测出角位移。
其分类如下：
测
同步测速发电机
速 发
交流测速发电机
异步测速发电机
电 机
直流测速发电机
电磁式测速发电机 永磁式测速发电机
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二、内部传感器
直流测速发电机实质是一种微型直流发电机，它的绕 组和磁路经精确设计，其结构及工作原理如图所示。
直流测速发电机的工作原理基于法拉第电磁感应定律， 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 两端产生的感应电动势与线圈转子的转速成正比，即
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二、内部传感器
2. 绝对式光电编码器
绝对式光电编码器是一种直接编 码式的测量元件，它可以把被测转角 或位移直接转化成相应的代码，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。但其结构 复杂、价格昂贵，且不易做到高精度 和高分辨率。工作原理如图所示。
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二、内部传感器
直线型电位器式位移传感器只能用于检测直线位 移，这种传感器的工作范围和分辨率受电阻器长度的 限制，绕线电阻、电阻丝本身的不均匀性会造成传感 器的输入、输出关系的非线性。
直线位移型
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二பைடு நூலகம்内部传感器
如图所示，旋转型电位器式位移传感器的 电阻元件呈圆弧状，滑动触点在电阻元件上做 圆周运动。由于滑动触点等的限制，传感器的 工作范围只能小于360°。
电位器式位移传感器的一个主要缺点是容易磨损，当电刷 和电阻之间接触面磨损或有尘埃附着式会产生噪声，使电位器 的可靠性和寿命受到一定的影响。
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二、内部传感器
1.2光电编码器
按其刻度方法的不同可分为： 增量式 绝对式
它利用光电转换原理将旋转信息转换电信息，并以数 字代码输出，可以高精度地测量转角或直线位移。
a）直线位移型
b）角位移型
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二、内部传感器
1.位移传感器 1.1 电位器
式中e0为电源电压、R1为触点分压电阻、R为 电位器总电阻、RL为负载等效电阻、u0为输出电 压。为了保证电位器的线性输出，应保证等效负
载电阻远远大于电位器总电阻。
电位器式传感器等效电路
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二、内部传感器
如图所示，直线型电位器式位移传感器的滑动触 点左、右移动，改变了与电阻接触的位置，通过检测 输出电压的变化量，确定以电阻中心为基准位置的移 动距离。
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二、内部传感器
1.位移传感器
位移传感器包括直线位移传感器和角位 移传感器。电位器等可用于测量直线位移， 也可用于测量角位移，编码器、旋转变压器 等可用于测量角位移，其分类如图所示。
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二、内部传感器
1.位移传感器 1.1 电位器
电位器可作为直线位移和角 位移的检测元件,其结构形式及实 物如图所示。
U=kn 式中，U为测速发电机的输出电压（V）；n为测速发电机 的转速；k为比例系数。
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二、内部传感器
视频
测速发电机工作原理
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二、内部传感器
6.加速度传感器
加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器，这种传感器可以使机器人了解 它现在身处的环境，并且对于控制机器人姿态也是至关重要的。
加速度的测量可以通过以下几种方法： （1）由速度计算，加速度是速度的时间导数。在一定时间内对速度采样，可计 算加速度。 （2）根据牛顿定律，a=F/m，对于已知质量m的物体，使用力觉传感器，测 得其所受的力F，即可求出加速度a。
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二、内部传感器
5.速度传感器
速度传感器是工业机器人中较重要的内部传 感器之一。由于在机器人中主要需测量的是机器 人关节的运行速度，故这里仅介绍角速度传感器。
目前广泛使用的角速度传感器有： 测速发电机 增量式光电编码器
增量式光电编码器
测速发电机