传感器与检测技术PPT课件第十章-工业机器人的传感器3讲义.ppt
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1、1 1 工业机器人的感觉系统工业机器人的感觉系统2 2 工业机器人内部传感器工业机器人内部传感器3 3 工业机器人外部传感器工业机器人外部传感器4 4 工业机器人传感器应用工业机器人传感器应用2022-8-5机电工程学院12022-8-5机电工程学院21 1 工业机器人的感觉系统工业机器人的感觉系统1 1 、 工业机器人感觉系统的基本组成工业机器人感觉系统的基本组成视觉、视觉、听觉、听觉、触觉、触觉、嗅觉、嗅觉、味觉、味觉、平衡感觉平衡感觉其他其他2022-8-5机电工程学院3工业机器人的感觉系统包括:工业机器人的感觉系统包括:a)a)传感器;传感器;b)b)通过传感器获得数据的处理。通过传感
2、器获得数据的处理。2 2、工业机器人常用传感器的分类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机器人传感器按用途可分为内部传感器内部传感器和和外部传感器外部传感器。内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。系统中作为反馈信号。外部传感器外部传感器,如视觉、触觉、力觉距离等传感器,是为,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。了检测作业对象及环境与机器人的联系。3 3、工业机器人传感器的要
3、求与选择工业机器人传感器的要求与选择一般要求:一般要求: 精度高、重复性好精度高、重复性好 稳定性和可靠性好稳定性和可靠性好 抗干扰能力强抗干扰能力强 质量轻、体积小、安装方便质量轻、体积小、安装方便特定要求:特定要求: 适应加工任务要求适应加工任务要求 满足机器人控制的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满足安全性要求以及其它辅助工作的要求2022-8-5机电工程学院52 2 工业机器人内部传感器工业机器人内部传感器1 1 概述概述内部传感器中,位置传感器和速度传感器,是当今机内部传感器中,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。器人反馈控制中
4、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。间不长,其性能尚需进一步改进。2022-8-5机电工程学院62 2、内部传感器功能分类、内部传感器功能分类1 1)规定位置、规定角度的检测)规定位置、规定角度的检测2 2)位置、角度测量)位置、角度测量3 3)速度、角速度测量)速度、角速度测量4 4)加速度测量)加速度测量2022-8-5机电工程学院72 2、内部传感器功能分类、内部传感器功能分类1 1)规定位置、规
5、定角度的检测)规定位置、规定角度的检测检测预先规定的位置或角度,可以用开检测预先规定的位置或角度,可以用开/ /关两个状态值,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。用于检测机器人的起始原点、越限位置或确定位置。 1) 1) 微型开关微型开关:规定的位移或力作用到微型开关的可动部:规定的位移或力作用到微型开关的可动部分分( (称为执行器称为执行器) )时,开关的电气触点断开或接通。限位开时,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。关通常装在盒里,以防外力的作用和水、油、尘埃的侵蚀。 2) 2) 光电开关光电开关:光电开关是由:光电
6、开关是由LEDLED光源和光敏二极管或光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,而起到开关的作用隙时,光射不到光敏元件上,而起到开关的作用2022-8-5机电工程学院82 2、内部传感器功能分类、内部传感器功能分类2 2)位置、角度测量)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。人位置反馈控制中必不可少的
7、元件。a)a)电位器电位器b)b)旋转变压器旋转变压器c) c)编码器编码器2022-8-5机电工程学院9关于电位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。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。2022-8-5机电工程学院10关于旋转变压器关于旋转变压器旋转变压器由铁心、两个定子线圈和两个转子线圈组成,旋转变压器由铁心、两个定子线圈和两个转子线圈组成,是测量旋转角度的传感器。定子和转
8、子由硅钢片和坡莫合是测量旋转角度的传感器。定子和转子由硅钢片和坡莫合金叠层制成,如图所示。金叠层制成,如图所示。 在各定子线圈加上交流电压,转子线圈中由于交链磁通的变化产生感应电压。感应电压和励磁电压之间相关联的耦合系数随转子的转角而改变。因此,根据测得的输出电压,就可以知道转子转角的大小。2022-8-5机电工程学院11 关于编码器关于编码器编码器输出表示位移增量的编码器脉冲信号,并带有符号。编码器输出表示位移增量的编码器脉冲信号,并带有符号。据检测原理,编码器可分为:据检测原理,编码器可分为:光学式、磁式、感应式和电光学式、磁式、感应式和电容式容式。根据其刻度方法及信号输出形式,分为增量式
9、编码器和绝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。对式编码器。作为机器人位移传感器,光电编码器应用最为广泛。作为机器人位移传感器,光电编码器应用最为广泛。2022-8-5机电工程学院122 2、内部传感器功能分类、内部传感器功能分类3 3)速度、角速度测量)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。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
10、得较低的测量精度。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。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。发电机、交流测速发电机和感应式交流测速发电机。2022-8-5机电工程学院132 2、内部传感器功能分类、内部传感器功能分类4 4)加速度测量)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
11、了解决振动问题,有时在机器人的运动提上日程。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。把它反馈到驱动器上。 a)a)应变片加速度传感器应变片加速度传感器 b)b)伺服加速度传感器伺服加速度传感器 c) c)压电感应加速度传感器压电感应加速度传感器 d)d)其他类型传感器其他类型传感器2022-8-5机电工程学院142 2、内部传感器功能分类、内部传感器功能分类4 4)加速度测量)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。
12、为了解决振动问题,有时在机器人的运动提上日程。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。把它反馈到驱动器上。 a)a)应变片加速度传感器应变片加速度传感器 b)b)伺服加速度传感器伺服加速度传感器 c) c)压电感应加速度传感器压电感应加速度传感器 d)d)其他类型传感器其他类型传感器2022-8-5机电工程学院153 3 工业机器人外部传感器工业机器人外部传感器1 1概述概述 为了检测作业对象及环境或机器人与它们的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
13、觉传感关系,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。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,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。域为人类做出更大贡献。2022-8-5机电工程学院1
14、62 2外部传感器功能分类外部传感器功能分类(1 1)触觉传感器)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。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、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压力、触觉及接近觉的传感器称为机器人触觉传感器感器2022-8-5机电工程学院171)1)接触觉:接触觉:接触觉是通过与对象物体彼此接触而产生的,所接触觉
15、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,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。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。主要有:机械式、弹性式和光纤式等。机械式传感器机械式传感器:利用触点的接触断开获取信息,: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,由于通常采用微动开关来识别物
16、体的二维轮廓,由于结构关系无法高密度列阵。结构关系无法高密度列阵。2022-8-5机电工程学院18弹性式传感器弹性式传感器:这类传感器都由弹性元件、导电:这类传感器都由弹性元件、导电触点和绝缘体构成。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、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,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
17、导通。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。箔片被压后与金属接触,触点闭合。2022-8-5机电工程学院19 光纤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面是平的,则通过每条光纤所
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