工业机器人技术及应用 课件 项目3 工业机器人控制与传感器技术

项目3工业机器人控制与传感器技术《工业机器人技术及应用》3.1工业机器人控制器基础知识工业机器人控制与传感器技术3.1工业机器人控制器基础知识工业机器人控制系统的主要作用是根据用户的指令对机构本体进行操作和控制，完成作业的各种动作。3.1工业机器人控制器基础知识PowerON/OFFPowersupplyunitsOperator´spanelServiceportsUSB(option)EthernetComputerUltraCapDutyTimeCounterMotorsOncontactorsandinterfaceboard(leftinsidewall)ComputerunitPanelunit(safetyinterface)(rightinsidewall)Customer(I/O)spaceFlexPendantconnectionAxiscomputer(rightinsidewall)Driveunitsection230/120VserviceoutletManipulatorsignalinterfacePowerintakeCustomerconnectionsManipulatorconnections(behindoptionalcover)Options:3.1工业机器人控制器基础知识一个完整的工业机器人控制系统包括以下几个部分：（1）控制计算机：控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器。（2）示教器：示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的CPU以及存储单元，与主计算机之间实现信息交互。（3）操作面板由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。3.1工业机器人控制器基础知识（4）硬盘存储：存储机器人工作程序的外围存储器。（5）数字和模拟量输入输出：各种状态和控制命令的输入或输出。（6）打印机接口：记录需要输出的各种信息。（7）传感器接口：用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。（8）轴控制器：完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。3.1工业机器人控制器基础知识（9）辅助设备控制：用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。（10）通信接口：实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等。（11）网络接口：主要由Ethernet接口和Fieldbus接口构成。Ethernet接口可通过以太网实现数台或单台机器人的直接PC通信，数据传输速率高达10Mbit/s，可直接在PC上用windows库函数进行应用程序编程后，通过该接口将数据及程序下载到各个机器人控制器中；Fieldbus接口支持多种流行的现场总线规格，如Devicenet、profibus-DP等。3.1工业机器人控制器基础知识工业机器人控制系统的典型硬件结构3.1工业机器人控制器基础知识工业机器人的基本动作概念与软件功能如下图所示。工业机器人的柔性体现在其运动轨迹、作业条件和作业顺序能自由变更，变更的灵活程度取决于其软件水平。工业机器人按照操作人员的示教动作及要求进行作业，操作人员可以根据作业结果或条件进行修正，直到满足要求为止。3.1工业机器人控制器基础知识工业机器人的基本动作概念与软件功能3.1工业机器人控制器基础知识软件系统应具有以下基本功能1）示教信息输入；2）工业机器人本体及对外部设备的动作控制；3）运动轨迹在线修正；4）实时安全系统等。项目3工业机器人控制与传感器技术——任务3.1工业机器人控制器基础知识谢谢大家观看《工业机器人技术及应用》项目3工业机器人控制与传感器技术《工业机器人技术及应用》3.2工业机器人传感器基础知识工业机器人控制与传感器技术3.2工业机器人传感器基础知识1、工业机器人感觉系统的基本组成视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉、平衡感觉其他3.2工业机器人传感器基础知识16多传感器在工业机器人中的应用

外界环境视觉１视觉２超声波传感器红外接近觉立体视觉地标识别障碍探测目标物探测景物识别内部传感器融合力觉触觉环境模型定位避障操作规划学习路径规划任务规划：执行机构控制指令感觉功能3.2工业机器人传感器基础知识工业机器人的感觉系统包括：传感器；通过传感器获得数据的处理。3.2工业机器人传感器基础知识2、工业机器人常用传感器的分类机器人传感器按用途可分为内部传感器和外部传感器。内部传感器装在操作机上，包括位移、速度、加速度传感器，是为了检测机器人操作机内部状态，在伺服控制系统中作为反馈信号。外部传感器，如视觉、触觉、力觉距离等传感器，是为了检测作业对象及环境与机器人的联系。3.2工业机器人传感器基础知识3、工业机器人传感器的要求与选择一般要求：

精度高、重复性好

稳定性和可靠性好

抗干扰能力强

质量轻、体积小、安装方便特定要求：

适应加工任务要求

满足机器人控制的要求

满足安全性要求以及其它辅助工作的要求3.2工业机器人传感器基础知识传感器融合系统中使用的传感器种类和数量越来越多，每种传感器都有一定的使用条件和感知范围，并且又能给出环境或对象的部分或整个侧面的信息，为了有效地利用这些传感器信息，需要采用某种形式对传感器信息进行综合、融合处理，不同类型信息的多种形式的处理系统就是传感器融合。3.2工业机器人传感器基础知识多传感器信息融合

多传感器信息融合技术是通过对这些传感器及其观测信息的合理支配和使用，把多个传感器在时间和空间上的冗余或互补信息依据某种准则进行组合，以获取被观测对象的一致性解释或描述。多传感器融合系统主要特点是：（1）提供了冗余、互补信息。（2）信息分层的结构特性。（3）实时性。（4）低代价性。

多传感与单传感的比较：多传感器数据融合系统可更大程度获取被探测目标和环境的信息量。单传感器信号处理或低层次的数据处理方式只是对人脑信息处理的一种低水平模仿。3.2工业机器人传感器基础知识多传感器融合常用的方法有：加权平均法、卡尔曼滤波、模糊逻辑、人工神经网络等方法。三种结构形式：串联、并联和混合融合形式。3.2工业机器人传感器基础知识传感器汇集类型有多种，现举两种例子。1)竞争性的：在传感器检测同一环境或同一物体的同一性质时，传感器提供的数据可能是一致的，也可能是矛盾的。若有矛盾，就需要系统裁决。裁决的方法有多种，如加权平均法、决策法等。在一个导航系统中，车辆位置的确定可以通过计算法定位系统(利用速度、方向等记录数据进行计算)或陆标(如交叉路口、人行道等参照物)观测确定。若陆标观测成功，则用陆标观测的结果，并对计算法的值进行修正，否则利用计算法所得的结果。3.2工业机器人传感器基础知识2)互补性的：传感器提供不同形式的数据。例如，识别三维物体的任务就说明这种类型的融合。利用彩色摄像机和激光测距仪确定一段阶梯道路，彩色摄像机提供图像(如颜色、特征)，而激光测距仪提供距离信息，两者融合即可获得三维信息。

目前，要使多传感器信息融合体系化尚有困难，而且缺乏理论依据。多传感器信息融合的理想目标应是人类的感觉、识别、控制体系，但由于对后者尚无一个明确的工程学的阐述，所以机器人传感器融合体系要具备什么样的功能尚是一个模糊的概念。相信随着机器人智能水平的提高，多传感器信息融合理论和技术将会逐步完善和系统化。3.2工业机器人传感器基础知识吸尘器自动装配实验系统

1.装配作业中的应用工业机器人传感器应用3.2工业机器人传感器基础知识2.机器人非接触式检测具有视觉系统的机器人进行非接触式测量

3.2工业机器人传感器基础知识3利用视觉的自主机器人系统日立自主控制机器人工作示意图

3.2工业机器人传感器基础知识4多感觉智能机器人多感觉智能机器人的组成

3.2工业机器人传感器基础知识1）.机器人本体机器人本体结构示意图

3.2工业机器人传感器基础知识2）.多传感系统装有六种传感器的机械手爪

3.2工业机器人传感器基础知识3）.控制部分控制系统硬件框图

3.2工业机器人传感器基础知识4）.总体布局系统总体布局

项目3工业机器人控制与传感器技术——任务3.2工业机器人传感器基础知识谢谢大家观看《工业机器人技术及应用》项目3工业机器人控制与传感器技术《工业机器人技术及应用》3.2工业机器人传感器基础知识——3.2.1内部传感器工业机器人控制与传感器技术3.2.1内部传感器1概述内部传感器中，位置传感器和速度传感器，是当今机器人反馈控制中不可缺少的元件。现已有多种传感器大量生产，但倾斜角传感器、方位角传感器及振动传感器等用作机器人内部传感器的时间不长，其性能尚需进一步改进。3.2.1内部传感器2、内部传感器功能分类1）规定位置、规定角度的检测2）位置、角度测量3）速度、角速度测量4）加速度测量3.2.1内部传感器2、内部传感器功能分类1）规定位置、规定角度的检测检测预先规定的位置或角度，可以用开/关两个状态值，用于检测机器人的起始原点、越限位置或确定位置。

(1)限位开关：规定的位移或力作用到微型开关的可动部分(称为执行器)时，开关的电气触点断开或接通。限位开关通常装在盒里，以防外力的作用和水、油、尘埃的侵蚀。3.2.1内部传感器(2)光电开关：光电开关是由LED光源和光敏二极管或光敏晶体管等光敏元件组成，相隔一定距离而构成的透光式开关。当光由基准位置的遮光片通过光源和光敏元件的缝隙时，光射不到光敏元件上，而起到开关的作用3.2.1内部传感器红外光电开关检测黑白地面的光电开关接I/O、比较器或ADC3.2.1内部传感器光电开关的应用工业机器人机械部件动作的定位、限位2024/2/233.2.1内部传感器2、内部传感器功能分类2）位置、角度测量测量机器人关节线位移和角位移的传感器是机器人位置反馈控制中必不可少的元件。a)电位器b)旋转变压器c)编码器3.2.1内部传感器关于电位器电位器可作为直线位移和角位移检测元件，结构形式如图。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。电位器式传感器结构简单，性能稳定，使用方便，但分辨率不高，且当电刷和电阻之间接触面磨损或有尘埃附着时会产生噪声。3.2.1内部传感器

关于编码器光电式编码器是一种非接触的数字位置位移传感器。它的基本原理是采用红外发射接受管，检测编码盘的位置或移动的方向、速度等。其优缺点刚好与电位器式相反，它是数字信号输出，接口方便；非接触式寿命长；不需限位可以无限次旋转等。

编码器输出表示位移增量的编码器脉冲信号，并带有符号。根据其刻度方法及信号输出形式，分为增量式编码器和绝对式编码器。作为工业机器人位移传感器，光电编码器应用最为广泛。3.2.1内部传感器光电编码器：

光电编码器由发光元件、聚光镜、漏光盘、光栏板、光敏管等构成。灯泡发出的光线经过聚焦后变成平行光束，当漏光盘上的条纹与光栏板上的条纹重合时，光敏管便接受一次光的信号并记数，由此可以测试旋转速度。3.2.1内部传感器光电编码器结构示意图：3.2.1内部传感器编码器信号航空插头3.2.1内部传感器其他角编码器外形3.2.1内部传感器其他角编码器外形（续）拉线式角编码器利用线轮，能将直线运动转换成旋转运动。3.2.1内部传感器3.2.1内部传感器绝对式码盘与增量式码盘有何区别？绝对式编码器按照角度直接进行编码，可直接把被测转角用数字代码表示出来。透光区不透光区3.2.1内部传感器绝对式编码器的码盘示意图3.2.1内部传感器绝对式接触式编码器演示4个电刷4位二进制码盘

+5V输入公共码道最小分辨角度为α=360°/2n

3.2.1内部传感器2．绝对式光电编码器

a）光电码盘的平面结构（8码道）b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4码道）

高位低位3.2.1内部传感器绝对式光电编码器的分辨力及分辨率绝对式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘上的码道数n有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：

α=360°/2n分辨率=1/2n3.2.1内部传感器二、增量式编码器转轴盘码及狭缝光敏元件光栏板及辨向用的A、B狭缝LEDABC零位标志ABC3.2.1内部传感器增量式编码器的原理增量式光电编码盘上只有A、B、C三条码道，只需要三对红外发射接受管。在A、B码道上分别刻有等距离的黑白相间标识（或透光缝隙）并相互错开半个缝宽（90度），C道只有一个黑点，每转一圈出一个脉冲。应用增量式编码器可以得到运动的方向（正转、反转）；运动的速度；位移等信息。3.2.1内部传感器增量式编码器3.2.1内部传感器辨向信号和零标志

光电编码器的光栏板上有A组与B组两组狭缝，两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号A、B彼此相差90

相位，用于辩向。当编码正转时，A信号超前B信号90

；当码盘反转时，B信号超前A信号90

。(请画出反转时信号B的波形）

在上一页图的码盘里圈，还有一根狭缝C，每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。3.2.1内部传感器增量式光电编码器的分辨力及分辨率增量式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数n有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：3.2.1内部传感器三、角编码器的应用角编码器除了能直接测量角位移或间接测量直线位移外，可用于数字测速、工位编码、伺服电机控制等。3.2.1内部传感器M法测速（适合于高转速场合）T编码器每转产生N个脉冲，在T时间段内有m1

个脉冲产生，则转速（r/min)为：n=60m1/（NT）

m13.2.1内部传感器例题T有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，在5s时间内测得65536个脉冲，则转速（r/min)为：

n=60×65536/（1024×5）r/min

=768r/min

m13.2.1内部传感器T法测速（适合于低转速场合）时钟脉冲fc

编码器输出脉冲

m2

···编码器每转产生N

个脉冲，用已知频率fc作为时钟，填充到编码器输出的两个相邻脉冲之间的脉冲数为m2

，则转速(r/min)为n=60fc/（Nm2）

3.2.1内部传感器T法测速举例时钟脉冲fc

编码器输出脉冲

m2

···

n=60fc

/（Nm2

）

=60*1000000/（1024*3000）

=19.53r/min

有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，时钟频率fc为1MHz，则转速（r/min)为：3.2.1内部传感器安装套编码器的安装方式

1.编码器的套式安装3.2.1内部传感器安装轴编码器的轴式安装3.2.1内部传感器编码器的安装机械方面：由于编码器属于高精度机电一体化设备，所以编码器轴与用户端输出轴之间需要采用弹性软连接，以避免因用户轴的串动、跳动而造成编码器轴系和码盘的损坏3.2.1内部传感器旋转编码器的安装机械方面：安装时注意允许的轴负载应保证编码器轴与用户输出轴的不同轴度＜0.20mm，与轴线的偏角＜1.5°安装时严禁敲击和摔打碰撞，以免损坏轴系和码盘长期使用时，定期检查固定编码器的螺钉是否松动（每季度一次）3.2.1内部传感器旋转编码器的安装电气方面：接地线应尽量粗，一般应大于1.5平方编码器的输出线彼此不要搭接，以免损坏输出电路编码器的信号线不要接到直流电源上或交流电流上，以免损坏输出电路与编码器相连的电机等设备，应接地良好，不要有静电3.2.1内部传感器旋转编码器的安装电气方面：配线时应采用屏蔽电缆开机前，应仔细检查，产品说明书与编码器型号是否相符，接线是否正确长距离传输时，应考虑信号衰减因素，选用具备输出阻抗低，抗干扰能力强的型号3.2.1内部传感器旋转编码器的安装电气方面：避免在强电磁波环境中使用3.2.1内部传感器旋转编码器的安装环境方面：编码器是精密仪器，使用时要注意周围有无振源及干扰源不是防漏结构的编码器不要溅上水、油等，必要时要加上防护罩注意环境温度、湿度是否在仪器使用要求范围之内3.2.1内部传感器编码器在定位加工中的应用1—绝对式编码器

2—电动机

3—转轴

4—转盘

5—工件

6—刀具

设该增量式光电编码器的参数为1024p/r，大、小皮带轮的传动比为5，若希望当加工好元件1后紧接着加工元件8，则电动机转动了多少分之几圈？应等待编码器给出多少脉冲数时，电动机停转？3.2.1内部传感器编码器在数控加工中心的刀库选刀控制中的应用旋转刀库被加工工件刀具角编码器的输出为当前刀具号角编码器与旋转刀库连接3.2.1内部传感器编码器在伺服电机中的应用利用编码器测量伺服电机的转速、转角，并通过伺服控制系统控制其各种运行参数。转速测量转子磁极位置测量角位移测量3.2.1内部传感器3）速度、角速度测量速度、角速度测量是驱动器反馈控制必不可少的环节。有时也利用测位移传感器测量速度及检测单位采样时间位移量，但这种方法有其局限性：低速时测量不稳定的危险；高速时，只能获得较低的测量精度。最通用的速度、角速度传感器是测速发电机或成为转速表的传感器、比率发电机。测量角速度的测速发电机，可按其构造分为直流测速发电机、交流测速发电机和感应式交流测速发电机。3.2.1内部传感器784）加速度测量随着机器人的高速比、高精度化，机器人的振动问题提上日程。为了解决振动问题，有时在机器人的运动手臂等位置安装加速度传感器，测量振动加速度，并把它反馈到驱动器上。

a)应变片加速度传感器

b)伺服加速度传感器

c)压电感应加速度传感器

d)其他类型传感器项目3工业机器人控制与传感器技术——任务3.2工业机器人传感器基础知识谢谢大家观看《工业机器人技术及应用》项目3工业机器人控制与传感器技术《工业机器人技术及应用》3.2工业机器人传感器基础知识——3.2.2外部传感器工业机器人控制与传感器技术3.2.2外部传感器1．概述

为了检测作业对象及环境或机器人与它们的关系，在机器人上安装了触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、超声波传感器和听觉传感器，大大改善了机器人工作状况，使其能够更充分地完成复杂的工作。由于外部传感器为集多种学科于一身的产品，有些方面还在探索之中，随着外部传感器的进一步完善，机器人的功能越来越强大，将在许多领域为人类做出更大贡献。3.2.2外部传感器2．外部传感器功能分类（1）触觉传感器触觉是接触、冲击、压迫等机械刺激感觉的综合，触觉可以用来进行机器人抓取，利用触觉可进一步感知物体的形状、软硬等物理性质。一般把检测感知和外部直接接触而产生的接触觉、压力、触觉及接近觉的传感器称为机器人触觉传感器3.2.2外部传感器接触觉：接触觉是通过与对象物体彼此接触而产生的，所以最好使用手指表面高密度分布触觉传感器阵列，它柔软易于变形，可增大接触面积，并且有一定的强度，便于抓握。接触觉传感器可检测机器人是否接触目标或环境，用于寻找物体或感知碰撞。主要有：机械式、弹性式和光纤式等。机械式传感器：利用触点的接触断开获取信息，通常采用微动开关来识别物体的二维轮廓，由于结构关系无法高密度列阵。3.2.2外部传感器弹性式传感器：这类传感器都由弹性元件、导电触点和绝缘体构成。如采用导电性石墨化碳纤维、氨基甲酸乙酯泡沫、印制电路板和金属触点构成的传感器，碳纤维被压后与金属触点接触，开关导通。也可由弹性海绵、导电橡胶和金属触点构成，导电橡胶受压后，海绵变形，导电橡胶和金属触点接触，开关导通。也可由金属和铍青铜构成，被绝缘体覆盖的青铜箔片被压后与金属接触，触点闭合。3.2.2外部传感器光纤传感器这种传感器包括由一束光纤构成的光缆和一个可变形的反射表面。光通过光纤束投射到可变形的反射材料上，反射光按相反方向通过光纤束返回。如果反射表面是平的，则通过每条光纤所返回的光的强度是相同的。如果反射表面因与物体接触受力而变形，则反射的光强度不同。用高速光扫描技术进行处理，即可得到反射表面的受力情况。接触觉传感器(a)点式;(b)棒式;(c)缓冲器式;(d)平板式;(e)环式

3.2.2外部传感器2024/2/23机电工程学院872)接近觉接近觉是一种粗略的距离感觉，接近觉传感器的主要作用是在接触对象之前获得必要的信息，用来探测在一定距离范围内是否有物体接近、物体的接近距离和对象的表面形状及倾斜等状态，一般用“1”和“0”两种态表示。接近觉传感器

3.2.2外部传感器2024/2/23在机器人中，主要用于对物体的抓取和躲避。接近觉一般用非接触式测量元件，如霍尔效应传感器、电磁式接近开关和光学接近传感器。以光学接近传感器为例，其结构如图。由发光二极管和光敏晶体管组成。发光二极管发出的光经过反射被光敏晶体管接收，接收到的光强和传感器与目标的距离有关，输出信号是距离的函数。红外信号被调制成某一特定频率，可大大提高信噪比3.2.2外部传感器89

接近觉传感器能使机器人手爪感知与物体的接近程度，当近到一定距离时能使高速搜索物体的手爪向控制系统发出减速信号，以减少手爪和物体的冲击。接近觉传感器有光学、超声波和电磁等几种，一般装在手爪上。3.2.2外部传感器3)滑觉机器人在抓取不知属性的物体时，其自身应能确定最佳握紧力的给定值。当握紧力不够时，要检测被握紧物体的滑动，利用该检测信号，在不损害物体的前提下，考虑最可靠的夹持方法，实现此功能的传感器称为滑觉传感器。

滑觉传感器有滚动式和球式，还有一种通过振动检测滑觉的传感器。物体在传感器表面上滑动时，和滚轮或环相接触，把滑动变成转动。3.2.2外部传感器2024/2/23机电工程学院91磁力式滑觉传感器中，滑动物体引起滚轮滚动，用磁铁和静止的磁头，或用光传感器进行检测，这种传感器只能检测到一个方向的滑动。球式传感器用球代替滚轮，可以检测各个方向的滑动，振动式滑觉传感器表面伸出的触针能和物体接触，物体滚动时，触针与物体接触而产生振动，这个振动由压电传感器或磁场线圈结构的微小位移计检测。滚轮式滑觉传感器如图所示。3.2.2外部传感器测振式滑觉传感器

常见的滑觉传感器3.2.2外部传感器柱型滚轮式滑觉传感器(a)机器人夹持器；(b)传感器

常见的滑觉传感器3.2.2外部传感器球形滑觉传感器常见的滑觉传感器3.2.2外部传感器3.2.2外部传感器（2）力觉传感器力觉是指对机器人的指、肢和关节等运动中所受力的感知.主要包括：腕力觉、关节力觉和支座力觉等，根据被测对象的负载，可以把力传感器分为测力传感器(单轴力传感器)、力矩表(单轴力矩传感器)、手指传感器(检测机器人手指作用力的超小型单轴力传感器)和六轴力觉传感器。3.2.2外部传感器力觉传感器根据力的检测方式不同，可以分为：1)检测应变或应力的应变片式，应变片力觉传感器被机器人广泛采用；2)利用压电效应的压电元件式；3)用位移计测量负载产生的位移的差动变压器、电容位移计式。在选用力传感器时，首先要特别注意额定值，其次在机器人通常的力控制中，力的精度意义不大，重要的是分辨率。在机器人上实际安装使用力觉传感器时，一定要事先检查操作区域，清除障碍物。这对实验者的人身安全、对保证机器人及外围设备不受损害有重要意义。3.2.2外部传感器Draper的腕力传感器

常见的力觉传感器3.2.2外部传感器SRI腕力传感器应变片连接方式

SRI腕力传感器

常见的力觉传感器3.2.2外部传感器林纯一的腕力传感器

常见的力觉传感器3.2.2外部传感器图

5-22非径向中心对称三梁腕力传感器

3.2.2外部传感器（3）距离传感器