工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ) 課件第4章 傳感與感知

工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部傳感器一、傳感器的定義二、內(nèi)部傳感器的主要類型1/6一傳感器的定義

工業(yè)機(jī)器人的傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對(duì)傳感器的定義是：能感受規(guī)定的被測(cè)量件并按照一定的規(guī)律(數(shù)學(xué)函數(shù)法則)轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。被測(cè)量可用信號(hào)轉(zhuǎn)換2/6二內(nèi)部傳感器的主要類型工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部傳感器主要有：位置和位移傳感器速度傳感器濕度傳感器濕度傳感器

其內(nèi)部傳感器是安裝在機(jī)器人本體上的，用于感知機(jī)器人內(nèi)部狀態(tài)，以調(diào)整并控制機(jī)器人的行動(dòng)。3/6內(nèi)部傳感器的主要類型位置、位移和速度傳感器工業(yè)機(jī)器人的位置、位移和速度傳感器傳感器用于檢測(cè)工業(yè)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)軸的位置、位移和速度。

編碼器是最常用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人關(guān)節(jié)軸位置、位移和速度的傳感器。二位置量電信號(hào)位置轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換位移位移量電信號(hào)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換速度速度量電信號(hào)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換4/6內(nèi)部傳感器的主要類型濕度傳感器和溫度傳感器眾所周知，工業(yè)機(jī)器人的工作環(huán)境對(duì)溫度和濕度有一定的要求。當(dāng)工業(yè)機(jī)器人處于惡劣環(huán)境下，則可能無(wú)法正常完成各項(xiàng)作業(yè)。所以，在工業(yè)機(jī)器人上用濕度和溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)自身工作環(huán)境的檢測(cè)。

溫度傳感器和濕度傳感器通常被安置在機(jī)器人控制系統(tǒng)內(nèi)部或工作環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作環(huán)境的計(jì)量和采樣，保證工業(yè)機(jī)器人在正常工作狀態(tài)系運(yùn)行，且保障其工作精度。二濕度和溫度的物理量電學(xué)量轉(zhuǎn)換5/6THANKS!6/6編碼器的分類一、編碼器的定義二、編碼器的分類按照編碼拾取元件與碼盤是否接觸按照工作原理8/12一編碼器的定義

編碼器（如圖所示）是將信號(hào)或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制，并轉(zhuǎn)換為可用于通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式的設(shè)備，在工業(yè)機(jī)器人中常被用作測(cè)量運(yùn)動(dòng)位置、位移及速度的內(nèi)部傳感器。9/12二編碼器的分類按照編碼拾取元件與碼盤是否接觸：接觸式編碼器非接觸式編碼器按照工作原理的不同：光電編碼器磁電編碼器10/12二編碼器的分類磁電編碼器磁電編碼器采用磁阻或者霍爾元件對(duì)變化的磁性材料的角度或者位移值進(jìn)行測(cè)量，磁性材料角度或者位移的變化會(huì)引起一定電阻或者電壓的變化，經(jīng)放大電路對(duì)變化量進(jìn)行放大，單片機(jī)處理后輸出脈沖信號(hào)或者模擬量信號(hào)，達(dá)到測(cè)量的目的。

光電編碼器是一種將輸出軸上的位移量，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器首先把被測(cè)量（角位移和直線位移）的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，最后以數(shù)字代碼輸出達(dá)到測(cè)量目的。光電編碼器

光電編碼器是由光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成，按信號(hào)采集原理可以分為增量式光電編碼器、絕對(duì)式光電編碼器和混合式光電編碼器。工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)軸上配備的光電編碼器，一般為絕對(duì)式光電編碼器。11/12二編碼器的分類增量式光電編碼器增量式光電編碼器結(jié)構(gòu)（如圖所示），由光源、碼盤、檢測(cè)光柵、光電檢測(cè)器件和轉(zhuǎn)換電路組成。碼盤上相鄰的兩節(jié)距相等的輻射狀透光縫隙，代表一個(gè)增量周期。

增量式光電編碼器的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。美中不足的是無(wú)法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息。增量式光電編碼器廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、回轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服傳動(dòng)、機(jī)器人、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測(cè)定儀器等需要檢測(cè)角度和速度的裝置和設(shè)備中。12/12二編碼器的分類增量式光電編碼器如圖所示，檢測(cè)光柵上刻有同心的A相、B相兩層光柵，其中A相和B相在編碼盤上互相錯(cuò)開半個(gè)節(jié)距。在A相光柵與B相光柵上分別有間隔相等的透明和不透明區(qū)域，用于透光和遮光。碼盤隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電檢測(cè)元件將接接收到周期變化的光信號(hào)，經(jīng)電路轉(zhuǎn)為周期性電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)將角位移或直線位移以脈沖數(shù)的形式輸出。脈沖頻率則可換算為電機(jī)轉(zhuǎn)速。13/12二編碼器的分類增量式光電編碼器增量式光電編碼器利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出A、B和C相三組方波脈沖；其中A、B兩組脈沖是經(jīng)過(guò)倍頻邏輯電路對(duì)光電轉(zhuǎn)換信號(hào)處理過(guò)的，存在相位差（4倍頻電路時(shí)相位差為90o），兩組信號(hào)的相位差用于判斷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。而C相則為計(jì)數(shù)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。增量式光電編碼器的脈沖信號(hào)如圖4-4所示。當(dāng)碼盤逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，A相超前B相90°的相位角（1/4周期），產(chǎn)生近似正弦的信號(hào)。這些信號(hào)被放大、整形后成為脈沖數(shù)字信號(hào)。14/12二編碼器的分類增量式光電編碼器

增量式編碼器的分辨率（分辨角）以軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周所產(chǎn)生的輸出信號(hào)的基本周期數(shù)來(lái)表示，即脈沖數(shù)每轉(zhuǎn)（PPR）。碼盤旋轉(zhuǎn)一周輸出的脈沖信號(hào)數(shù)目取決于透光縫隙數(shù)目的多少，碼盤上刻的縫隙越多，編碼器的分辨率就越高。假設(shè)碼盤的透光縫隙數(shù)目（線數(shù)）為n線，則此增量式編碼器的分辨率為nPPR。在工業(yè)應(yīng)用中，根據(jù)不同的應(yīng)用對(duì)象，通常可選擇分辨率為500~6000PPR的增量式光電編碼器。在交流伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，通常選用分辨率為2500PPR的編碼器。編碼器的脈沖周期的計(jì)算方法為360°/n，經(jīng)過(guò)A、B兩相4倍頻（倍頻由倍頻邏輯電路實(shí)現(xiàn)，一般得到2倍頻或4倍頻的脈沖信號(hào)，從而進(jìn)一步提高編碼器精度）后，可獲得編碼器精度為360°/4n。如有100個(gè)透光縫隙，則此時(shí)分辨率為100PPR，精度為0.9度。15/12二編碼器的分類絕對(duì)式光電編碼器絕對(duì)式光電編碼器結(jié)構(gòu)如圖所示,主要由多路光源、光敏元件和編碼盤組成。碼盤處在光源與光敏元件之間，其軸與電動(dòng)機(jī)軸相連，隨電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)。16/12二編碼器的分類絕對(duì)式光電編碼器絕對(duì)式編碼器是利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制（格雷碼）等編碼進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，如圖所示為自然二進(jìn)制編碼盤。碼盤上有n個(gè)同心圓環(huán)碼道，整個(gè)圓盤又以一定的編碼形式（例如自然二進(jìn)制編碼）分為若干個(gè)（2n）扇形區(qū)段。每個(gè)扇形區(qū)段含n個(gè)有黑有白的小區(qū)段，黑色區(qū)段不透光，白色區(qū)段透光。編碼器碼盤上的碼道個(gè)數(shù)，代表編碼器的位數(shù)（位數(shù)越大，編碼器精度越高，目前機(jī)器人使用的編碼器位數(shù)多為17位）。四位絕對(duì)式光電編碼器碼盤17/12二編碼器的分類絕對(duì)式光電編碼器絕對(duì)式光電編碼器碼盤的扇形區(qū)段數(shù)目2n即為編碼器分辨率，則編碼器精度為360°/2n。如有10個(gè)碼道，則此時(shí)角度分辨率可達(dá)0.35°。在應(yīng)用中通常需考慮伺服系統(tǒng)要求的分辨率和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)，以選擇碼道數(shù)目合適的編碼器，目前市場(chǎng)上使用的光電編碼器的碼道數(shù)大多為4~18道。

絕對(duì)式光電編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，絕對(duì)式編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測(cè)絕對(duì)位置。編碼的設(shè)計(jì)可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。絕對(duì)式編碼器分單圈絕對(duì)式和多圈絕對(duì)式。其特點(diǎn)有：可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值；沒有累積誤差；電源切除后位置信息不會(huì)丟失。絕對(duì)式光電編碼器，常被安裝在工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)軸的電機(jī)上，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)軸位置和位移的測(cè)量。18/12THANKS!19/12工業(yè)機(jī)器人外部傳感器一、外部傳感器的作用二、外部傳感器的主要類型21/10一外部傳感器的作用

機(jī)器人外部傳感器用于監(jiān)測(cè)環(huán)境、目標(biāo)的狀態(tài)特征，是機(jī)器人——環(huán)境交互的橋梁，使得機(jī)器人對(duì)環(huán)境有自己的校正和適應(yīng)能力。如：目標(biāo)是什么物體，離物體的距離是多少，是否已抓取住物體等。22/10二外部傳感器的主要類型工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器主要有：視覺傳感器觸覺傳感器距離傳感器力覺傳感器

工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器通常安裝在機(jī)器人本體外部，用于感知機(jī)器人外部狀態(tài)，以調(diào)整并控制機(jī)器人的行動(dòng)。防爆傳感器其他外部傳感器23/10外部傳感器的主要類型視覺傳感器視覺傳感器是利用光學(xué)元件和成像裝置獲取外部環(huán)境圖像信息的器件，可以將外界物體的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，進(jìn)而將接收到的電信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換）成為數(shù)字圖像輸出。視覺傳感器的精度通常用圖像分辨率來(lái)描述，其精度與分辨率有關(guān)的同時(shí)，還與被測(cè)物體的檢測(cè)距離有關(guān)（距離越遠(yuǎn)，精度越差）。二外界物體的光信號(hào)電信號(hào)轉(zhuǎn)換24/10外部傳感器的主要類型力覺傳感器教材中的力覺是指對(duì)機(jī)器人的在運(yùn)動(dòng)中對(duì)所受力的感知。主要包括：腕力覺、關(guān)節(jié)力覺和機(jī)座力覺等。

力覺傳感器就是測(cè)量作用在機(jī)器人上的外力和外力矩的傳感器。二關(guān)節(jié)力覺腕力覺機(jī)座力覺……力覺25/10外部傳感器的主要類型觸覺傳感器觸覺是與外界環(huán)境直接接觸時(shí)的一種感覺，是接觸、沖擊、壓迫等機(jī)械刺激感覺的綜合。觸覺傳感器是機(jī)器人中用于模仿人的觸覺功能的傳感器。觸覺傳感器通過(guò)利用觸覺可進(jìn)一步感知物體的形狀、硬度等物理性質(zhì)，還可以用來(lái)輔助完成機(jī)器人的抓取動(dòng)作。二沖擊接觸壓迫機(jī)械刺激觸覺26/10外部傳感器的主要類型距離傳感器距離傳感器是通過(guò)發(fā)射光脈沖并測(cè)量其被物體反射回來(lái)的時(shí)間，通過(guò)測(cè)得的時(shí)間間隔計(jì)算出到物體的距離，達(dá)到檢測(cè)目的。日常生活中常見的距離傳感器的應(yīng)用便是汽車車身上的倒車?yán)走_(dá)，使用的大多是超聲波傳感器（如圖所示）。距離傳感器根據(jù)不同的工作原理，可分為光學(xué)距離傳感器、紅外距離傳感器、超聲波距離傳感器等多種。不同類型的距離傳感器的發(fā)射物質(zhì)不同，例如光學(xué)距離傳感器發(fā)射的物質(zhì)是光脈沖，但測(cè)距原理基本相同。二27/10外部傳感器的主要類型防爆傳感器防爆傳感器在機(jī)器人工作過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣中易燃易爆物的濃度，當(dāng)檢測(cè)到濃度超標(biāo)時(shí)，傳感器將給出電信號(hào)，斷開電源，從而達(dá)到防爆目的。二工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用范圍廣泛，在某些領(lǐng)域應(yīng)用的機(jī)器人需要接觸易燃易爆的物體（氣體、粉末等），當(dāng)這些物體達(dá)到一定濃度時(shí)，只要接觸到電火花、助燃劑或者溫度升高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致爆炸。在工業(yè)生產(chǎn)中，這類環(huán)境下工作的機(jī)器人通常會(huì)配置防爆傳感器，保障機(jī)器人的正常工作和生產(chǎn)安全。防爆傳感器28/10外部傳感器的主要類型其他外部傳感器二除了上面介紹的幾類機(jī)器人外部傳感器以外，在生產(chǎn)應(yīng)用中，還可以根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的特殊作業(yè)要求進(jìn)行安裝聽覺、嗅覺等傳感器。機(jī)器人配置聽覺傳感器，可以使其具有聲音識(shí)別能力，用聲音代替鍵盤和示教器，控制機(jī)器人完成相關(guān)操作。在高溫、放射線、可燃?xì)怏w等惡劣的作業(yè)環(huán)境中的機(jī)器人配置嗅覺傳感器，使其可以在惡劣環(huán)境中代替人工檢測(cè)環(huán)境中的放射線和有毒氣體。但是目前這些傳感器的應(yīng)用技術(shù)還不夠成熟，并沒有得到廣泛使用。29/10THANKS!30/10常見的視覺傳感器一、視覺傳感器的定義二、視覺傳感器的發(fā)展應(yīng)用三、常見的視覺傳感器32/10一視覺傳感器的定義光信號(hào)電信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)字圖像模數(shù)轉(zhuǎn)換定義

視覺傳感器是利用光學(xué)元件和成像裝置獲取外部環(huán)境圖像信息的器件，可以將外界物體的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。將視覺傳感器接收到的電信號(hào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換）為數(shù)字圖像輸出。33/10二視覺傳感器的發(fā)展應(yīng)用視覺傳感器是20世紀(jì)50年代后期出現(xiàn)的，是機(jī)器人最重要的傳感器之一。20世紀(jì)70年代后，視覺傳感器被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品檢驗(yàn)和分揀。例如在汽車制造廠，機(jī)器人可同時(shí)攜帶視覺傳感器和膠槍，一邊為車門邊框涂膠，一邊進(jìn)行膠線合格性檢驗(yàn)；再如在包裝生產(chǎn)線上，利用視覺傳感器保障粘貼標(biāo)簽位置正確等等。在實(shí)際生產(chǎn)中，最常見的視覺傳感器為CCD圖像傳感器，它是工業(yè)相機(jī)的核心部件。CCD圖像傳感器工業(yè)相機(jī)34/10二視覺傳感器的發(fā)展應(yīng)用CCD圖像傳感器是一種半導(dǎo)體器件，可以將它看作一種集成電路，感光元件整齊地排列在半導(dǎo)體材料上面，能感應(yīng)光線。CCD的作用就像傳統(tǒng)的膠片一樣，用來(lái)承載圖像，但它能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。機(jī)器視覺系統(tǒng)是指機(jī)器代替人眼的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界物體的測(cè)量和判斷的系統(tǒng)。視工業(yè)相機(jī)是機(jī)器視覺系統(tǒng)的重要組成部分和主要信息來(lái)源，其功能主要是獲取機(jī)器視覺系統(tǒng)需處理的原始圖像。機(jī)器視覺系統(tǒng)的工作流程為：圖像輸入，圖像處理，圖像輸出三部分，其中視覺傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)外界物體的圖像采集，以完成圖像輸入。系統(tǒng)對(duì)原始圖像進(jìn)行分析判斷后，將分析結(jié)果輸出到控制系統(tǒng)中上位機(jī)或某些執(zhí)行機(jī)構(gòu)（機(jī)器人），以完成后續(xù)作業(yè)。常見的與視覺系統(tǒng)結(jié)合使用的設(shè)備有PLC、PC、工業(yè)機(jī)器人等。機(jī)器視覺系統(tǒng)35/10二視覺傳感器的發(fā)展應(yīng)用機(jī)器視覺系統(tǒng)的工作流程為：圖像輸入，圖像處理，圖像輸出三部分。36/10視覺傳感器在工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)中，充當(dāng)機(jī)器人的眼，與機(jī)器人