第4章 工业机器人传感系统【131页PPT】

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传感器在机器人控制中起到关键作用，正因为有了传感器，机 器人才具备了类似人类的感知功能和反应能力。传感器技术、通信 技术和计算机技术是现代信息技术的三大基础学科，被并称为“信息 技术的三大支柱”。 本 节 导 入 系统的自动化程度越高，对传感器的依赖性就越强。 大脑 处理和识别信息 计算机 通信系统 神经系统 传递信息 传感器 感觉器官 自动检测控制系统 传感技术的核心 即传感器，是负责信息交互的必要组成部分 工业机器人传感系统组成 工业机器人的感觉系统、工业机器人内部传感器装置、工业机 器人外部传感器装置和工业机器人传感器应用 传感器是一种能把特定的被测信号，按一定规律转换成某种“可用 信号”输出的器件或装置，以满足信息传输、处理、记录、显示和控制 的要求。总而言之，一切获取信息的仪表器件都可称为传感器。 1 、传感器 图 4-1 传感器的组成结构 敏感元件 转换元件 转换电路 辅助电源 电量 被测量 传感器的特性，主要指输出与输入之间的关系。当输入量为常量或 变化极为缓慢时，此关系被称为静态特性；当输入量随时间变化时，称 为动态特性。 2 、传感器的特性 （ 1 ）传感器的静态特性 传感器的静态特性，是指传感器转换的被测量 ( 输入信号 ) 数值是常 量 ( 处于稳定状态 ) 或变化极为缓慢时，传感器的输出与输入之间的关 系 （ 2 ）传感器的动态特性 实际测量中，许多被测量是随时间变化的动态信号，这就要求传感 器的输出不仅能精确地反映被测量的大小，还要能正确地再现被测量随 时间变化的规律 冲振 电磁场 输入 线性度 迟滞 重复度 灵敏度 误差因素 外界影响 温度 供电 输出 各种干扰 温漂 稳定性（零漂） 分辨率 传 感 器 图 4-2 传感器的静态特性 传感器的静态特性 传感器的动态性能指标有 时域指标和频域指标两种。对 于线性系统的动态响应研究， 最广泛使用的模型是常系数线 性微分方程。 传感器的动态特性 1 、工业机器人传感器的分类 工业机器人所要完成的工作任务不同，所配置的传感器类型、规格 也就不同。工业机器人传感器可按多种方法进行分类，比如：分为接 触式传感器和非接触传感器。 非接触式传感器 以某种电磁射线（如：可见光、 X 射线、红外线、雷达波、声波、超声波 和电磁射线等）形式来测量目标响应 接触式传感器 以某种实际接触（如：力、力矩、压力、位置、温度、电量和磁量等）形 式来测量目标响应 图 4-4 传感器系统在工业机器人中的主要工作流程 控制系统 驱动系统 执行机构 工作对象 内部传感器 外部传感器 传感系统 （ 1 ）内部传感器 用于确定机器人在其自身坐标系内的姿态位置，是完成机器人运动控制 ( 驱动系统及执行机械 ) 所必需的传感器，多数是用于测量位移、速度、加 速度和应力的通用型传感器。 如：为测量回转关节位置的轴角编码器、测量速度以控制其运动的测速计 （ 2 ）外部传感器 用于检测机器人所处环境、外部物体状态或机器人与外部物体 ( 即工作对 象 ) 之间关系，负责检测距离、接近程度和接触程度等变量，便于机器人 引导及物体识别和处理。 如：力觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器、视觉传感器等 图 4-5 工业机器人的传感器按检测对象的不同分类 触觉传感器 力觉传感器 接近觉传感器 听觉传感器 嗅觉传感器 温度传感器 视觉传感器 内部传感器 外部传感器 传感器 位置检测传感器 运动检测传感器 确定位置和角度 任意位置和角度 速度和加速度 速度和角加速度 姿态 立体 平面 工业机器人用于执行各种加工任务，不同的任务对工业机器人提出 不同的要求。例如，搬运任务和装配任务对传感器要求主要是力觉触觉 和视觉；焊接任务、喷涂任务和检测任务对传感器要求主要是接近觉和 视觉。不论哪类工作任务，它们对工业机器人传感器的一般要求如下： 2 、工业机器人传感器的一般要求 精度高、重复性好 稳定性好，可靠性高 抗干扰能力强 重量轻、体积小、安装方便可靠 价格便宜，安全性能好 通常，工业机器人的工作性质不同，所选用的传感器也不同。下面 是工业生产中根据不同的需求选择传感器的一般要求。 1 、根据机器人对传感器的需求选择 根据不同的需求，工业机器人对传感器一般要求： （ 1 ）精度高，重复性好； （ 2 ）稳定性好，可靠性高； （ 3 ）抗干扰能力强； （ 4 ）质量轻，体积小，安装方便可靠； （ 5 ）价格便宜。 2 、根据加工任务的要求选择 不同的加工任务对机器人传感器提出不同的要求。比如：选择工业 机器人力矩传感器，主要参考五个方面的因素。 （ 1 ）负荷重量 即传感器所能接受的应用程序需要的负荷重量； （ 2 ）作用力的强度 低频力矩会限制机器人阅读到一定阈值和一个用 于低力范围的高限力传感器参数； （ 3 ）整合 有些传感器具有非常复杂的与机器人的集成方法，通常可 将机械、电子和软件部分都包含在一个简单的捆绑操作传感器中； （ 4 ）噪声水平 噪声水平代表了可以由传感器检测到的最小的力； （ 5 ）滞后问题 如果系统不能回到中立位置时则系统具有滞后性。 3 、根据机器人控制的要求选择 机器人控制需要采用传感器检测机器人的运动位置、速度、加速 度等。除了较简单的开环控制机器人外，多数机器人都采用了位置传 感器作为闭环控制的反馈原件。 机器人根据位置传感器反馈的位置信息，对机器人的运动误差进 行补偿。不少机器人还装备有速度传感器和加速度传感器。 加速度传感器 可以检测机器人构件受到的惯性力，使控制能够补 偿惯性力引起的变形误差。 速度传感器 用于预测机器人的运动时间，计算和控制由离心力引 起的变形误差。 4 、从辅助工作的要求选择 工业机器人在从事某些辅助工作时，也要求具有一定的感觉能力。 辅助工作包括产品的检验和工件的准备等。机器人再外观检验中的应用 日益增多，机器人在此方面的主要用途有检查毛刺、裂缝或孔洞的存在， 确定表面粗糙度和装饰质量，检查装配体的完成情况等。总而言之，根 据辅助工作要求（如：产品检验）和工件的准备来选择机器人传感器。 5 、从安全方面要求选择 从安全方面考虑，机器人对传感器的要求包括以下两个方面：第一， 为了使机器人安全地工作而不受损坏，机器人的各个构件都不能超过其 受力极限。第二，从保护机器人使用者的安全出发，也要考虑对机器人 传感器的要求。 机器人的内部传感器主要是用于检测机器人本身状态的传感器， 多为检测位置、角度的传感器。 本 节 导 入 内部传感器安装位置 以工业机器人本身的坐标轴来确定其位置，一般安装在机械手上 内部传感器组成 由位置传感器、位移传感器、角度传感器、速度传感器、加速度传感 器、力传感器、温度传感器及异常变化的传感器等组成 作用 用于感知机器人自身的状态，以调整和控制机器人的行动 工业机器人关节的位置控制是机器人最基本的控制要求，而对位置 和位移的检测也是机器人最基本的感觉要求。机器人的位置传感器，主 要用于测量机器人自身位置。 常见机器人 位置传感器 电感式位置传感器 电阻式位置传感器 电容式位置传感器 光电式位置传感器 霍尔元件位置传感器 磁栅式位移传感器 电位计式传感器 典型的位置传感器，又称为电位差计。它由一个线绕电阻 ( 或薄膜电阻 ) 和一个滑动触头组成。 工作原理 滑动触头通过机械装置受被检测量的控制。当位置量发生变化时，滑动 触头也发生位移，改变了滑动触点与电位器各端之间的电阻值和输出电 压值，电位计式传感器通过输出电压值的变化量，检测机器人各关节的 位置和位移量。 按照传感器的结构的不同，电位计式位移传感器可分为两大类 直线型电位计式位移传感器 旋转型电位计式位移传感器 1 、电位计式位移传感器 （ a ）工作原理 （ b ）实物图 图 4-6 电位计式传 感器 （ 4-1 ） 电位计式位移传感器主要用于直线位移检测，其电阻器采用直线型 螺线管或直线型碳膜电阻，滑动触点只能沿电阻的轴线方向做直线运 动，其具有诸多优点。 主要缺点是易磨损，电位器的可靠性和寿命受到一定程度地影响。正 因如此，电位计式位移传感器在机器人上的应用受到了一定的局限。近 年来随着光电编码器价格的降低而逐渐被取代。 当把电位计式位移传感器的电阻元件弯成圆弧形，可动触点的一端 固定在圆的中心，像时针那样旋转时，由于电阻值随相应的转角变化， 就构成一个简易的角度传感器。 2 、旋转型电位计式角度传感器 单圈电位器 多圈电位器 图 4-7 旋转型电位计式角度传 感器 （ b ）实物图 （ a ）工作原理 应用最多的旋转角度传感器是旋转编码器，旋转编码器又称为回转 编码器，有绝对型和增量型两种。旋转编码器一般装在机器人各关节的 转轴上，用来测量各关节转轴的实时角度。 1 、光学式绝对型旋转光电编码器 绝对式编码器 它可以直接把被测转角或位移转化成相应的代码，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。 工作原理 绝对式旋转编码器在使用时，可以用一个传感器检测角度和角速度。这 种编码器的输出是旋转角度的实时值，所以若对采集的值进行记忆，并 计算它与实时值之间的差值，就可以求出角速度。 图 4-8 绝对式光电编码器的 码盘 （ b ）实物图 （ a ）工作原理 图 4-9 光学式绝对型旋转光电编 二进制码编码盘使用时，当编码盘在其两个相邻位置的边缘交替或 来回摆动时，由于制造精度和安装质量误差或光电器件的排列误差将 产生编码数据的大幅跳动，导致位置显示和控制失常。 例如，从位置 0011 到 0100 ，若位置失常 就可能得到 0000 、 0001 、 0010 、 0101 、 0110 、 0111 等多个码值 所以，普通二进制码编码盘现在已较少使用 而改为采用格雷码码盘 增量型旋转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。光学式增量型旋转编 码器主要由光源、编码盘、检测光栅、光电检测器和转换电路组成。 2 、光学式增量型旋转编码器 光 源 光电 检测器 检测光栅 转换电路 编码盘 光学式 增量型旋转 编码器 在旋转圆盘上设置一条环带，将环带沿圆周方向分割成均匀等分，把圆盘置 于光线的照射下，透过去的光线用一个光传感器进行判读。圆盘每转过一定角度， 光传感器的输出电压在 H(high level) 与 L(low level) 之间就会交替地进 行换，当把这个转换次数用计数器进行统计时，就能知道旋转的角度，如图 4- 10 所示。 （ b ）实物图 （ a ）工作原理 图 4-10 光学式增量型旋转编 角度的分辨率由环带上缝隙条纹的个数决定。例如，在一圈 360° 内能形成 600 个缝隙条纹，就称其为 600P/r( 脉冲 / 转 ) 。 光学式增量型旋转编码器工作时，有相应的脉冲输出，其旋转方 向的判别和脉冲数量的增减需要借助判相电路和计数器来实现。 其计数点可任意设定，并可实现多圈的无限累加和测量；还可以 把每转发出一个脉冲的 Z 信号作为参考机械零位。 当脉冲数已固定时，而需要提高分辨率，则可利用 90° 相位差 A 、 B 两路信号对原脉冲进行倍频。 原理构造简单 易于实现 机械平均寿命长 可达到几万小时以上 分辨率高 抗干扰能力较强 可靠性较高 信号传输距离较长 无法直接读出转动轴的绝对位置信息 角速度传感器 分为测速发电机、增量式光电编码器两种 测速发电机 可以把机械转速变换成电压信号 而且输出电压与输入的转速成正比 增量式编码器 既可测量增量角位移 又可测量瞬时角速度 机器人自动化技术中，旋转运动速度测量较多，且直线运动速度常 通过旋转速度间接测量。在机器人中，主要测量机器人关节的运行速度， 下面重点以角速度传感器进行介绍。 数字 信号 模拟 信号 测速发电机的输出电动势与转速成比例，改变旋转方向时输出电动 势的极性即相应改变。 被测机构与测速发电机同轴连接时，只要检测出输出电动势，就能 获得被测机构的转速，故又称速度传感器。 按其构造分为直流测速发电机和交流测速发电机。 1 、测速发电机 测速发电机是应用最广泛，能直接得到代表转速的电压且具有良好 实时性的一种速度测量传感器，它主要用于检测机械转速，能把机械转 速变换为电压信号。 图 4-12 直流测速发电机的结构原理 直流测速发电机实际是一种微型直流发电机，按定子磁极的励磁方 式分为永磁式和电磁式。图 4-12 为直流测速发电机的结构原理。 永磁式 采用高性能永久磁钢励磁，受温度变 化的影响较小，输出变化小，斜率高， 线性误差小。 电磁式 采用他励式，不仅复杂且因励磁受电 源、环境等因素的影响，输出电压变 化较大，应用不多。 交流异步测速发电机与交流伺服电动机的结构相似，其转子结构有 笼型的，也有杯型的，在自动控制系统中多用空心杯转子异步测速发电 机。图 4-13 为交流异步测速发电机的结构原理。 图 4-13 交流异步测速发电机的结构原理 测速发电机属于模拟速度传感器，它的工作原理类似于小型永磁式 直流发电机。它们的工作原理都是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室线圈两端产生的感应电动 势与转子线圈的转速度成正比，即： 通过以上分析可以看出，测速发电机的输出电压与转子转速呈线性 关系，为了减少误差，测速发电机应保持负载尽可能小以及性质不变。 利用测速发电机与机器人关节伺服驱动电动机相连就能测出机器人 运动过程中的关节转动速度，并能在机器人自动系统中作为速度闭环系 统的反馈元件，机器人速度闭环控制系统原理如图 4-14 所示。 测速发电机具有线性度好、灵敏度高、等特点、目前检测范国一般 在 20 ～ 40r/min, 精度为 0.2 ％～ 0.5 ％。 图 4-14 机器人速度闭环控制系统 速度伺服放大器 M 速度指令 + - TG 2 、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作为位置传感器测量关节 相对位置，又可作为速度传感器测量关节速度。当作为速度传感器时， 既可以在数字量方式下使用，又可以在模拟量方式下使用。 增量式光电编码器 图 4-15 模拟方式的增量式编码盘测速 关节驱动电机 速度伺服放大器 增量式编码盘 速度伺服放大器 M 速度指令 + - （ 1 ）增量式光电编码器的模拟量控制 模拟方式下，必须有一个频率 - 电压变换器 ( F-V 转换器 ) ，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信号，其原理如图 4-15 所示，频率 - 电压（ 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。 （ 4 −4 ） 随着机器人的高速化、高精度化，由机械运动部分刚性不足所引起的 振动问题开始得到关注。在机器人各杆件上或末端执行器上安装加速度传 感器，测量振动加速度，并进行反馈，以改善机器人的性能。从测量振动 的目的出发，加速度传感器日趋受到重视。 机器人常用的加速度传感器 应变片 加速度 传感器 伺 服 加速度 传感器 压 电 加速度 传感器 Ni-Cu 或 Ni-Cr 等金属电阻应变片加速度传感器是一个由板簧支 承重锤所构成的振动系统，板簧上下两面分别贴两个应变片 ( 见图 4- 16) 。应变片受震动产生应变，其电阻值的变化通过电桥电路的输出电 压被检测出来。除了金属电阻外， Si 或 Ge 半导体压阻元件也可用于 加速度传感器。 1 、应变片加速度传感器 图 4-16 应变片加速度传感器 半导体应变片的应 变系数比金属电阻应变 片高 50 ～ 100 倍，灵 敏度很高，但温度特性 差，需要加补偿电路。 伺服加速度传感器检测出与上述振动系统重锤位移成比例的电流，把 电流反馈到恒定磁场中的线圈，使重锤返回到原来的零位移状态。由于重 锤没有几何位移，这种传感器与前一种相比，更适用于较大加速度的系统。 2 、伺服加速度传感器 首先产生与加速度成比例的惯性力 F 它和电流产生的复原力保持平衡 根据弗菜明左手定则 F 和 i 成正比 ( 比例系数为 K ) 关系式为 F ＝ ma ＝ Ki 这样，根据检测的电流可以求出加速度 压电加速度传感器利用具有压电效应的物质，将产生加速度的力转 换为电压，这种具有压电效应的物质，受到外力发生机械形变时，能产 生电压；反之，外加电压时，也能产生机械形变。压电元件多由具有高 介电系数的酸铅材料制成。 3 、压电加速度传感器 图 4-17 形变的三种基本模式 压电元件的形变 有三种基本模式：压 缩形变、剪切形变和 弯曲形变，如图 4- 17 所示。 图 4-18 剪切方式的加速度传感器 为了检测作业对象及环境或机器人与它们之间的关系，在机器 人上安装触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、 超声波传感器、听觉传感器等外部传感器，大大改善了机器人的工 作状况，使其能够更充分地完成复杂的工作。 本 节 导 入 触觉传感器 视觉传感器 听觉传感器 接近觉传感器 超声波传感器 外部传感器的定义 外部传感器主要用来检测机器人所处环境计目标状况，从而使得机 器人能够与环境发生交互作用并对环境具有自我矫正和适应能力。广义 来看，机器人外部传感器就是具有人类五官的感知能力的传感器，具有 多种外部传感器是先进工业机器人的重要标志。 外部传感器的分类 常用的工业机器人外部传感器主要包括：视觉传感器，听觉传感器、 力觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器、距离传感器、角度觉（平衡 觉）传感器等。 机器视觉系统是一种非接触式的光学传感系统，同时集成软硬件， 综合现代计算机、光学、电子技术，能够自动地从所采集到的图像中 获取信息或者产生控制动作。机器视觉系统的具体应用需求千差万别， 视觉系统也可能有多种形式，但都包括三个步骤： 利用光源照射被测物体，通过光学成像系统采集视频图像，相机和 图像采集卡将光学图像转换为数字图像； 计算机通过图像处理软件对图像进行处理，分析获得其中的有用信 息，这是整个机器视觉系统的核心； 图像处理获得的信息最终用于对对象（被测物体、环境）的判断， 并形成相应的控制指令，发送给相应的机构。 如果要赋予机器人较高级的智能，机器人必须通过视觉系统更多地 获取周围环境信息。视觉传感器是固态图像传感器 ( 如： CCD 、 CMOS ) 呈像技术和 Framework 软件结合的产物，它可以 识别条形码和任意 OCR 字符。图 4-19 所示为视觉传感器。 图 4-19 视觉传感器 应用领域 功 能 图 例 识 别 检测一维码和二维码， 对光学字符进行识