工业机器人传感器：碰撞传感器：接触式与非接触式碰撞传感器比较

工业机器人传感器：碰撞传感器：接触式与非接触式碰撞传感器比较1工业机器人的传感器概述1.1传感器在工业机器人中的作用在现代工业自动化领域，机器人传感器扮演着至关重要的角色。它们是机器人感知环境、执行任务和与外部世界交互的“眼睛”和“耳朵”。通过传感器，机器人能够获取关于其周围环境的实时信息，包括物体的位置、形状、温度、压力等，从而做出准确的决策和动作。传感器的种类繁多，每种传感器都有其特定的功能和应用领域，共同构成了工业机器人的感知系统。1.1.1位置传感器位置传感器用于检测机器人关节的位置，确保机器人能够精确地移动到预定的位置。常见的位置传感器包括编码器和旋转变压器。编码器通过记录电机旋转的脉冲数来确定位置，而旋转变压器则通过电磁感应原理来测量角度。1.1.2力/扭矩传感器力/扭矩传感器用于检测机器人在操作过程中所受的力和扭矩，这对于实现柔顺控制和安全操作至关重要。例如，当机器人在装配过程中遇到阻力时，力/扭矩传感器可以及时反馈信息，使机器人调整其动作，避免损坏零件或机器人本身。1.1.3触觉传感器触觉传感器使机器人能够感知接触和压力，这对于处理需要精细触觉的任务，如装配、打磨和包装，是必不可少的。触觉传感器可以是简单的压力开关，也可以是复杂的矩阵传感器，能够提供接触点的位置和压力分布信息。1.2碰撞传感器的重要性碰撞传感器是工业机器人中的一种特殊传感器，用于检测机器人与环境或物体之间的碰撞。它们对于保护机器人、生产线上的设备和操作人员的安全至关重要。碰撞传感器可以分为接触式和非接触式两大类，每种类型都有其独特的原理和应用场景。1.2.1接触式碰撞传感器接触式碰撞传感器在机器人与物体接触时触发。它们通常安装在机器人的末端执行器或关节处，当检测到超出预设阈值的力或扭矩时，会立即停止机器人的运动，以防止进一步的损坏或伤害。接触式传感器的响应速度快，但可能需要定期校准以确保准确性。1.2.1.1示例：使用力/扭矩传感器检测碰撞#假设使用的是一个力/扭矩传感器，其输出为一个包含六个元素的向量

#分别代表三个方向的力和三个方向的扭矩

importnumpyasnp

#定义力/扭矩传感器的输出阈值

threshold_force=10.0#N

threshold_torque=5.0#Nm

#读取传感器数据

sensor_data=np.array([5.0,0.0,0.0,0.0,0.0,3.0])#示例数据

#检测是否发生碰撞

ifnp.any(np.abs(sensor_data[:3])>threshold_force)ornp.any(np.abs(sensor_data[3:])>threshold_torque):

print("碰撞检测：停止机器人运动")

else:

print("机器人继续运动")1.2.2非接触式碰撞传感器非接触式碰撞传感器通过检测机器人与物体之间的距离或接近程度来预测可能的碰撞。它们利用光学、超声波或电磁波等原理，可以在物体接触机器人之前就发出警告，从而提供更早的响应时间。非接触式传感器适用于高速运动的场景，可以减少因碰撞造成的停机时间。1.2.2.1示例：使用超声波传感器预测碰撞#假设使用的是一个超声波传感器，其输出为距离

importtime

#定义超声波传感器的最小安全距离

min_safe_distance=0.5#m

#读取超声波传感器数据

defread_ultrasonic_sensor():

#模拟读取超声波传感器数据

return0.45#m

#检测是否接近物体

distance=read_ultrasonic_sensor()

ifdistance<min_safe_distance:

print("接近检测：减速或停止机器人运动")

else:

print("机器人继续以当前速度运动")通过上述示例，我们可以看到，无论是接触式还是非接触式碰撞传感器，它们都在工业机器人的安全操作中发挥着关键作用。合理选择和使用碰撞传感器，可以显著提高工业机器人的工作效率和安全性，减少生产过程中的意外损失。2工业机器人传感器：接触式碰撞传感器2.1接触式碰撞传感器的工作原理接触式碰撞传感器，顾名思义，是在机器人与物体发生物理接触时触发的传感器。这类传感器通常安装在机器人的关节或末端执行器上，通过检测力或位移的变化来判断是否发生了碰撞。工作原理主要基于力传感器或位移传感器的信号变化。2.1.1力传感器力传感器通过测量作用在机器人上的力的大小和方向来检测碰撞。当机器人与物体接触时，力传感器会检测到力的突然增加，从而触发碰撞检测机制。例如，使用应变片技术的力传感器，当受到外力时，应变片的电阻会发生变化，通过测量电阻的变化，可以计算出作用力的大小。2.1.2位移传感器位移传感器则通过检测机器人关节或末端执行器的位移变化来判断碰撞。当发生碰撞时，机器人的运动可能会突然停止或改变方向，位移传感器会捕捉到这种变化，并将其转换为电信号，用于碰撞检测。2.2接触式碰撞传感器的类型接触式碰撞传感器根据其检测原理和应用场合的不同，可以分为多种类型：2.2.1应变片式力传感器应变片式力传感器是通过应变片的电阻变化来测量力的大小。应变片贴在弹性体上，当弹性体受到外力变形时，应变片的电阻也随之变化，通过测量电阻的变化，可以计算出作用力的大小。2.2.2电容式力传感器电容式力传感器利用电容的变化来检测力。当两个电极之间的距离因外力而改变时，电容值也会随之变化，这种变化可以被转换为力的测量值。2.2.3位移传感器位移传感器，如线性编码器或旋转编码器，通过检测机器人关节或末端执行器的位移变化来判断碰撞。这些传感器可以精确测量微小的位移变化，对于检测轻微碰撞非常有效。2.3接触式碰撞传感器的应用案例接触式碰撞传感器在工业机器人领域有着广泛的应用，以下是一些典型的应用案例：2.3.1装配操作在装配操作中，机器人需要精确地将零件安装到正确的位置。使用接触式碰撞传感器可以检测到装配过程中可能发生的碰撞，避免对零件或机器人造成损害。2.3.2人机协作在人机协作的环境中，接触式碰撞传感器可以确保安全。当机器人与人接触时，传感器会立即检测到碰撞并停止机器人的运动，防止对操作人员造成伤害。2.3.3精密加工在精密加工中，接触式碰撞传感器可以用于检测刀具与工件之间的接触力，确保加工过程中的力控制，提高加工精度和质量。2.3.4代码示例：使用应变片式力传感器检测碰撞#导入必要的库

importRPi.GPIOasGPIO

importtime

#设置GPIO模式

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

#应变片传感器的GPIO引脚

strain_gauge_pin=18

#设置引脚为输入模式

GPIO.setup(strain_gauge_pin,GPIO.IN)

#检测碰撞的函数

defdetect_collision():

#读取应变片传感器的值

sensor_value=GPIO.input(strain_gauge_pin)

#如果传感器值发生变化，表示发生了碰撞

ifsensor_value!=last_sensor_value:

print("Collisiondetected!")

#停止机器人的运动

stop_robot()

#更新上一次传感器的值

last_sensor_value=sensor_value

#停止机器人的函数

defstop_robot():

#发送停止信号到机器人控制器

robot_controller.send_stop_signal()

#主循环

try:

whileTrue:

detect_collision()

time.sleep(0.1)#休眠0.1秒，避免CPU过度使用

finally:

#清理GPIO

GPIO.cleanup()注释说明：-上述代码示例展示了如何使用应变片式力传感器来检测碰撞。在实际应用中，应变片传感器的信号通常需要通过ADC（模数转换器）转换为数字信号，这里为了简化示例，假设传感器直接输出数字信号。-detect_collision函数用于检测碰撞，通过比较当前传感器值与上一次传感器值来判断是否发生了碰撞。-stop_robot函数用于在检测到碰撞时停止机器人的运动，实际应用中，这可能涉及到向机器人控制器发送停止信号。-主循环中，detect_collision函数会持续运行，每0.1秒检查一次传感器值，以实时检测碰撞。通过以上内容，我们深入了解了接触式碰撞传感器的工作原理、类型以及在工业机器人中的应用案例。这些传感器在确保机器人操作的安全性和精度方面发挥着至关重要的作用。3非接触式碰撞传感器的工作原理非接触式碰撞传感器，顾名思义，不需要与物体直接接触即可检测到碰撞或接近事件。这类传感器通过发射和接收信号来监测周围环境，当信号遇到障碍物或物体时，传感器会根据信号的反射或干扰来判断是否有碰撞发生。非接触式碰撞传感器的工作原理主要依赖于以下几种技术：3.1超声波传感器超声波传感器通过发射超声波脉冲并接收回波来测量距离。超声波是一种频率高于20kHz的声波，人耳无法听到。当超声波遇到物体时，会反射回传感器，传感器通过计算发射和接收之间的时间差，利用声速公式计算出距离。3.1.1工作流程发射超声波：传感器中的压电陶瓷片在电脉冲的激励下产生超声波。接收回波：当超声波遇到障碍物时，部分声波会被反射回来，传感器中的接收器捕获这些回波。计算距离：传感器根据回波的时间延迟和声速计算出到障碍物的距离。3.1.2示例代码#超声波传感器示例代码

importRPi.GPIOasGPIO

importtime

#设置GPIO模式

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

#定义超声波传感器的触发和接收引脚

TRIG=23

ECHO=24

#设置引脚模式

GPIO.setup(TRIG,GPIO.OUT)

GPIO.setup(ECHO,GPIO.IN)

defmeasure_distance():

#发送超声波脉冲

GPIO.output(TRIG,True)

time.sleep(0.00001)

GPIO.output(TRIG,False)

#等待接收回波

whileGPIO.input(ECHO)==0:

pulse_start=time.time()

whileGPIO.input(ECHO)==1:

pulse_end=time.time()

#计算时间差

pulse_duration=pulse_end-pulse_start

#计算距离

distance=pulse_duration*17150

distance=round(distance,2)

returndistance

try:

whileTrue:

dist=measure_distance()

print("Distance:{}cm".format(dist))

time.sleep(1)

exceptKeyboardInterrupt:

GPIO.cleanup()3.2红外线传感器红外线传感器通过发射红外线并接收反射回来的红外线来检测障碍物。红外线是一种电磁波，波长比可见光长，人眼无法看到。红外线传感器可以分为两种类型：主动式和被动式。主动式红外线传感器会发射红外线，而被动式红外线传感器则检测物体发出的红外辐射。3.2.1工作流程发射红外线：主动式红外线传感器中的LED发射红外线。接收反射红外线：当红外线遇到物体时，部分光线会被反射回来，传感器中的光电二极管或光电晶体管接收这些光线。检测变化：传感器根据接收到的红外线强度变化来判断是否有物体接近。3.2.2示例代码#红外线传感器示例代码

importRPi.GPIOasGPIO

#设置GPIO模式

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

#定义红外线传感器的接收引脚

IR_PIN=18

#设置引脚模式

GPIO.setup(IR_PIN,GPIO.IN)

defdetect_object():

ifGPIO.input(IR_PIN):

return"Noobjectdetected"

else:

return"Objectdetected"

try:

whileTrue:

print(detect_object())

time.sleep(0.5)

exceptKeyboardInterrupt:

GPIO.cleanup()3.3激光雷达（LiDAR）激光雷达是一种使用激光来测量距离的传感器，常用于机器人导航和避障。它通过发射激光脉冲并接收反射回来的脉冲来测量距离，可以生成周围环境的3D地图。3.3.1工作流程发射激光脉冲：激光雷达发射激光脉冲。接收反射激光：当激光遇到物体时，部分光线会被反射回来，激光雷达接收这些反射光线。计算距离：激光雷达根据发射和接收之间的时间差和光速计算出到物体的距离。生成地图：通过连续测量，激光雷达可以生成机器人周围环境的3D地图。3.3.2示例代码#激光雷达示例代码

importrplidar

importmatplotlib.pyplotasplt

#初始化激光雷达

PORT_NAME='/dev/ttyUSB0'

lidar=rplidar.RPLidar(PORT_NAME)

#定义数据存储

data=[]

#读取激光雷达数据

forscaninlidar.iter_scans():

data.extend([(0,1000)]*4)

data.extend(scan)

break

#绘制数据

angles=[item[1]foritemindata]

distances=[item[2]foritemindata]

plt.polar(angles,distances)

plt.show()

#清理资源

lidar.stop()

lidar.disconnect()4非接触式碰撞传感器的类型非接触式碰撞传感器主要分为超声波传感器、红外线传感器和激光雷达（LiDAR）三种类型。每种类型都有其独特的优点和应用场景：超声波传感器：适用于测量中短距离，不受光线影响，成本较低。红外线传感器：响应速度快，适用于短距离检测，成本低。激光雷达（LiDAR）：精度高，可以生成3D地图，适用于长距离和复杂环境的检测，但成本较高。5非接触式碰撞传感器的应用案例非接触式碰撞传感器在工业机器人领域有着广泛的应用，以下是一些典型的应用案例：5.1机器人避障在机器人导航和避障中，激光雷达和超声波传感器被广泛使用。它们可以实时监测机器人周围的障碍物，帮助机器人规划路径，避免碰撞。5.2物体检测与识别红外线传感器和激光雷达可以用于检测和识别物体。例如，通过分析激光雷达生成的3D地图，可以识别出特定形状的物体，从而实现自动化分拣。5.3机器人手臂末端执行器的定位在精密操作中，激光雷达可以提供高精度的位置信息，帮助机器人手臂末端执行器准确定位，提高操作精度。以上就是非接触式碰撞传感器的工作原理、类型及其在工业机器人领域的应用案例。通过这些传感器，工业机器人可以更加智能、安全地执行任务。6工业机器人传感器：碰撞传感器：接触式与非接触式碰撞传感器比较6.1精度与响应时间的比较在工业机器人领域，碰撞传感器的精度和响应时间是评估其性能的关键指标。接触式和非接触式碰撞传感器在这些方面各有优势。6.1.1接触式碰撞传感器接触式碰撞传感器，如力矩传感器，通过直接测量机器人与物体接触时产生的力或力矩来检测碰撞。这种传感器通常具有较高的精度，能够准确测量作用力的大小和方向，适用于需要精确力控制的应用场景，如精密装配或打磨作业。6.1.1.1精度接触式传感器的精度主要由其内部的传感器元件决定，如应变片或压电元件。这些元件能够将微小的力变化转换为可测量的电信号，从而实现高精度的力矩测量。6.1.1.2响应时间接触式传感器的响应时间取决于信号转换和处理的速度。由于需要物理接触才能触发，响应时间可能略长于非接触式传感器，尤其是在需要通过机械结构传递力的情况下。6.1.2非接触式碰撞传感器非接触式碰撞传感器，如超声波传感器或激光雷达，通过发射和接收信号来检测机器人周围环境的变化，从而间接判断是否发生碰撞。这种传感器在精度和响应时间上可能不如接触式传感器，但在某些应用中提供了更广泛的优势。6.1.2.1精度非接触式传感器的精度受到信号传播介质（如空气）的影响，以及信号处理算法的限制。例如，超声波传感器在空气中传播时，可能会受到温度和湿度的影响，导致测量误差。6.1.2.2响应时间非接触式传感器的响应时间通常较快，因为它们不需要物理接触即可检测到障碍物。例如，激光雷达能够以毫秒级的速度检测到物体，非常适合需要快速反应的场景，如机器人导航或避障。6.2环境适应性与维护需求环境适应性和维护需求是选择碰撞传感器时需要考虑的另一个重要因素。6.2.1接触式碰撞传感器6.2.1.1环境适应性接触式传感器在某些恶劣环境中可能表现不佳，如高温、高湿或有尘埃的环境，因为这些条件可能影响传感器的机械结构或电气性能。6.2.1.2维护需求接触式传感器通常需要定期维护，以确保其机械结构的完好和传感器元件的准确性。这可能包括清洁传感器表面、校准传感器输出以及检查连接线缆的完整性。6.2.2非接触式碰撞传感器6.2.2.1环境适应性非接触式传感器在环境适应性方面通常优于接触式传感器。例如，激光雷达和超声波传感器可以在各种环境条件下工作，包括高温、高湿和尘埃环境，因为它们不需要与环境直接接触。6.2.2.2维护需求非接触式传感器的维护需求相对较低。它们通常只需要定期清洁传感器表面，以确保信号的正常发射和接收。此外，由于没有直接的物理接触，传感器元件的磨损和损坏风险也较低。6.3成本与安装复杂度成本和安装复杂度是决定传感器在工业机器人中应用的另一个关键因素。6.3.1接触式碰撞传感器6.3.1.1成本接触式传感器的成本通常较高，因为它们需要精密的机械结构和高质量的传感器元件。此外，集成到机器人关节或末端执行器中可能需要额外的工程设计和定制部件，进一步增加了成本。6.3.1.2安装复杂度接触式传感器的安装通常较为复杂，需要精确的机械对准和电气连接。在某些情况下，可能还需要对机器人结构进行修改，以容纳传感器。6.3.2非接触式碰撞传感器6.3.2.1成本非接触式传感器的成本通常较低，尤其是当使用成熟技术如超声波或红外线时。这些传感器的批量生产可以降低单位成本，使其成为成本敏感应用的首选。6.3.2.2安装复杂度非接触式传感器的安装相对简单，通常只需要固定在机器人适当的位置，并进行基本的电气连接。由于不需要与机器人结构进行机械集成，安装过程更为快捷和方便。6.4示例：使用超声波传感器进行碰撞检测假设我们有一个工业机器人，需要在工作区域内检测障碍物，以避免碰撞。我们可以使用超声波传感器来实现这一功能。#导入必要的库

importRPi.GPIOasGPIO

importtime

#设置GPIO模式

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

#定义超声波传感器的触发和接收引脚

TRIG=23

ECHO=24

#初始化引脚

GPIO.setup(TRIG,GPIO.OUT)

GPIO.setup(ECHO,GPIO.IN)

defdistance():

#发送触发信号

GPIO.output(TRIG,True)

time.sleep(0.00001)

GPIO.output(TRIG,False)

#等待接收信号

whileGPIO.input(ECHO)==0:

pulse_start=time.time()

whileGPIO.input(ECHO)==1:

pulse_end=time.time()

#计算距离

pulse_duration=pulse_end-pulse_start

distance=pulse_duration*17150

distance=round(distance,2)

returndistance

try:

whileTrue:

dist=distance()

print("Distance:{}cm".format(dist))

ifdist<30:

print("Collisiondetected!")

time.sleep(1)

exceptKeyboardInterrupt:

GPIO.cleanup()6.4.1代码解释这段代码使用了RPi.GPIO库来控制树莓派的GPIO引脚，树莓派在这里作为超声波传感器的控制单元。超声波传感器通过TRIG引脚发送触发信号，然后通过ECHO引脚接收反射信号。通过测量信号的往返时间，可以计算出传感器与障碍物之间的距离。如果检测到的距离小于30厘米，代码将输出“Collisiondetected!”，表示可能发生了碰撞。6.5结论在选择工业机器人中的碰撞传感器时，需要综合考虑精度、响应时间、环境适应性、维护需求、成本和安装复杂度等因素。接触式传感器在精度和响应时间上表现优异，但成本较高，安装复杂，且对环境条件敏感。非接触式传感器虽然在精度上可能略逊一筹