工业机器人技术 内部传感器
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
知识准备
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。
谢谢观看
加速度传感器实物图
知识准备
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，
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。
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。
知识准备
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。
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
知识准备
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
学习重点
工业机器人内部传感器的工作原理
知识准备
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
视频 绝对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
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。
a）直线位移型
b）角位移型
知识准备
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
知识准备
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。
增量式光电编码器
知识准备
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
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。
知识准备
二、内部传感器
视频
测速发电机工作原理
知识准备
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。
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。
知识准备
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。
知识准备
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：
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
知识准备
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。
知识准备
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。
知识准备
二、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。
知识准备
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。
知识准备
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。
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。
知识准备
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。
知识准备
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
知识准备
二、内部传感器
5.1测速发电机
测速发电机是一种测量转速的微型发电机，它能把机械转速变换为电压信号，并要求输出电压与输入的转速成 正比。自动控制系统对测速发电机的要求，主要是精确度高、灵敏度高、可靠性好等。此外，还要求它的体积小、 重量轻、结构简单、工作可靠、对无线电通讯的干扰小、噪声小等。
工业机器人技术与应用
任务一
Fra Baidu bibliotek
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
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
知识准备
二、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°。
角位移型
知识准备
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。
谢谢观看
加速度传感器实物图
知识准备
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，
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。
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。
知识准备
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。
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
知识准备
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
学习重点
工业机器人内部传感器的工作原理
知识准备
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
视频 绝对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
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。
a）直线位移型
b）角位移型
知识准备
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
知识准备
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。
增量式光电编码器
知识准备
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
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。
知识准备
二、内部传感器
视频
测速发电机工作原理
知识准备
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。
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。
知识准备
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。
知识准备
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：
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
知识准备
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。
知识准备
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。
知识准备
二、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。
知识准备
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。
知识准备
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。
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。
知识准备
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。
知识准备
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
知识准备
二、内部传感器
5.1测速发电机
测速发电机是一种测量转速的微型发电机，它能把机械转速变换为电压信号，并要求输出电压与输入的转速成 正比。自动控制系统对测速发电机的要求，主要是精确度高、灵敏度高、可靠性好等。此外，还要求它的体积小、 重量轻、结构简单、工作可靠、对无线电通讯的干扰小、噪声小等。
工业机器人技术与应用
任务一
Fra Baidu bibliotek
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
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
知识准备
二、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°。