工业机器人内部传感器
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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。
1.2 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
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，即
u A
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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，
工业机器人基础
工业机器人内部传感器
1.1 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。
式中，A 为常数。
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。
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。
工业机器人基础
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
十进制 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
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）。
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
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
其中，码盘分为透光区与不透光区。如图 4-8 所示，当光线透过码盘的透光区时，光敏元件导通， 产生电流 I，输出端电压Vo 为高电平，有
Vo RI 当光线照射到码盘的不透光区时，光敏元件不导通，则输出电压为低电平。
编码器在时间 t 内的平均转速为 /t ，单位时间越小，则所求得的转速越接近瞬时转速，
然而时间太短，编码器通过的脉冲数太少，会导致所得到的速度分辨率下降。
图4-15 时间增量测量电路
1.3 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。
1
0
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0
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格雷码
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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
360 2n
如图 4-12 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
360 24
22.5
如图 4-5 所示为直线型电位器式位移传感器的工作原理，触头滑动距离 x 可由电压值求得，即 x Vo L Vr
式中， L 为触头最大滑动距离；Vr 为输入电压；Vo 为输出电压。
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。
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
如图 4-6 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
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。
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。
1.2 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
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，即
u A
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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，
工业机器人基础
工业机器人内部传感器
1.1 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。
式中，A 为常数。
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。
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。
工业机器人基础
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
十进制 0
1
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4
5
6
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9 10 11 12 13 14 15
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0
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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）。
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
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
其中，码盘分为透光区与不透光区。如图 4-8 所示，当光线透过码盘的透光区时，光敏元件导通， 产生电流 I，输出端电压Vo 为高电平，有
Vo RI 当光线照射到码盘的不透光区时，光敏元件不导通，则输出电压为低电平。
编码器在时间 t 内的平均转速为 /t ，单位时间越小，则所求得的转速越接近瞬时转速，
然而时间太短，编码器通过的脉冲数太少，会导致所得到的速度分辨率下降。
图4-15 时间增量测量电路
1.3 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。
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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
360 2n
如图 4-12 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
360 24
22.5
如图 4-5 所示为直线型电位器式位移传感器的工作原理，触头滑动距离 x 可由电压值求得，即 x Vo L Vr
式中， L 为触头最大滑动距离；Vr 为输入电压；Vo 为输出电压。
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。
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
如图 4-6 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
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。