工业机器人技术基础6.1工业机器人传感器分类

机器人传感器的类别及应用原理一般机器人系统由机械手、环境、任务和控制器四个互相作用的部分组成。

我们称一般安装在机器人机械手上的传感器为内传感器（Inner Sensons），而称作为环境的一部分的传感器为外传感器（External Sensons）。

下面将以此为主，结合机器人传感器其它分类方法进行阐述。

机器人产业近年来发展很快，2012年全球产量为16万台，欧、美、日等工业发达国家机器人市场已比较成熟，已处于平增长阶段。

其机器人密度（万名员工使用机器人台数）韩国为347台，日本为339台，法国为261台，而我国为10台（有统计数据称为21台，仅供参考）。

而我国机器人市场也发展很快，工业机器人每年装机量增长速度均超过20%，2010年装机量为52290台，2011年上涨到74317台，实现了42%的增长率。

在2012年，我国出台了《智能制造科技发展十二五专项规划》，2013年4月21日还成立了中国机器人产业联盟，这些均证明了我国机器人产业将会有更大的发展。

机器人产品目前分类为工业机器人和服务机器人两大类。

国内也有分为工业机器人和特种机器人两大类的；或分为一般机器人和智能机器人两大类；或分为一般机器人和移动机器人两类；或分为一般机器人和拟人机器人两类等。

目前工业机器人多用于搬运、分拣、上下料、包装、码垛、焊接、喷涂、打磨、抛光、切割、摆放、装配等方面。

随着智能化的程度提高，机器人传感器应用越来越多。

智能机器人主要有交互机器人、传感机器人和自主机器人3种。

从拟人功能出发，视觉、力觉、触觉最为重要，早已进入实用阶段，听觉也有较大进展，其它还有嗅觉、味觉、滑觉等，对应有多种传感器，所以机器人传感产业也形成了生产和科研力量。

机器人的控制系统相当于人类大脑，执行机构相当于人类四肢，传感器相当于人类的五官。

因此，要让机器人像人一样接收和处理外界信息，机器人传感器技术是机器人智能化的重要体现。

传感器是机器人完成感觉的必要手段，通过传感器的感觉作用，将机器人自身的相关特性或相关物体的特性转化为机器人执行某项功能时所需要的信息。

除以上介绍的常用内部传感器外， 还有一些根据机器人不 同要求而安装的不同功能的内部传感器， 如用于倾斜角测量的 液 体 式 倾 斜 角 传 感 器 、电 解 液 式 倾 斜 角 传 感 器 、垂 直 振 子 式 倾 斜 角 传 感 器 、用 于 方 位 角 测 量 的 陀 螺 仪 和 地 磁 传 感 器 。
语。学生走向社会后， 用“说”远比其他三项使用频率高。为此， 我 们 除 结 合 读 、听 、写 练 说 外 ， 还 利 用 每 天 的 朝 会 时 间 给 学 生 创 造 机会练习说， 一人也就是听与说结合， 培养学生听、辩能力。学生 的耳朵以往是单项与老师联系的， 不愿意听同学说， 要引导他们 真听， 听了发表不同的看法， 这就是听、辩能力的训练。
机器人所用的传感器很多， 根据使用目的可分为内部测量 传感器和外部测量传感器两大类：
１．内部传感器按功能分类 １．１ 规定位置、角度传感器： 检测预先规定的位置或角度， 可以用 ＯＮ／ＯＦＦ 两个状态值， 这种方法用于检测机器人的起始原点、越限位置或确定位置。 一般包括： ｌ） 微型开关： 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。 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。 １．２ 任意位置、角度传感器： 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。 １） 电位器： 电位器可作为直线位移和角位移检测元件。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。 ２） 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， 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。 １．３ 速度、角速度传感器： 速度、角速度测量是驱动器反馈控制中必不可少的环节， 机 器人中最常用的速度传感器是测速发电机， 它分为直流式的和 交流式的两种。在机器人中， 交流测速发电机用得不多，多数情 况下用的是直流测速。 １．４ 加速度传感器： 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。加速 度传感器分为： １） 应变片加速度传感器： 应变片加速度传感器是由一个板 簧 支 承 重 锤 所 构 成 的 振 动 系 统 。在 板 簧 两 面 分 别 贴 两 个 应 变 片 ， 应变片受振动产生应变， 其电阻值的变化通过电桥电路的输出 电压被检测出来。 ２） 伺服加速度传感器： 伺服加速度传感器中振动系统重锤位 移变换成成正比的电流， 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。根据检测的电流可以求出加速度。 １．５ 其他内部传感器：

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2) 压觉传感器: 压觉传感器用来检测和机器人接触的对象物之间的压力值。 a. 利用某些材料的内阻随压力变化而变化的压阻效应制成的压阻元件， 将它们密集配置成阵列，即可检测压力的分布。（压敏导电橡胶或塑料） b. 利用压电效应器件如压电晶体等。它的优点是耐腐蚀、频带宽和灵敏 度高等；缺点是无直流响应，不能直接检测静态信号。 c. 利用半导体力敏器件与信号电路构成的集成压敏传感器。常用的三种： 压电型（ZnO/Si-IC），电阻型SIR(硅集成)和电容型SIC，其优点是体积小、 成本低、便于同计算机接口;缺点是耐压负载差、不柔软。 d. 利用压磁传感器、扫描电路与针式差动变压器式传感器构成的压觉传 感器，有较强的过载能力，但体积较大。
号
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分辨率
额定值
四、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。
高密度智能压觉传感器这是一种 很有发展前途的压觉传感器，其中压阻式和电容 式使用最多。提别是硅电容式压觉传感器得到了广泛应用
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3) 滑觉传感。可以检测垂直于握持方向物体的位移、旋转、由重力 引起的变形，以达到修正受力值、防止滑动、进行多层次作业及测 量物体重量和表面特性等的目的。
滚轴带动光 电传感器和 缝隙圆板而 产生脉冲信
力觉传感器根据力的检测方式不同，可以分为： a. 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； b. 利用压电效应的压电元件式； c. 用位移计测量负载产生的位移的差动变压器、电容位移

（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
传感器
内部传感器 外部传感器
位置检测传感器
确定位置和角度 任意位置和角度
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
2、光学式增量型旋转编码器 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。
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。
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。
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。
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
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
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。

工业机器人内部传感器的分类和原理一、引言工业机器人是一种能够自动执行各种任务的可编程装置，常用于组装、焊接、搬运等工业生产过程中。

为了能够准确、安全地完成任务，工业机器人内部配备了一系列传感器，用于感知周围环境和自身状态。

本文将介绍工业机器人内部传感器的分类和原理。

二、传感器的分类根据传感器的功能和原理，可以将工业机器人内部传感器分为以下几类：1. 位置传感器位置传感器用于测量机器人在三维空间中的位置和姿态。

常见的位置传感器包括激光测距传感器、光电开关和编码器等。

•激光测距传感器：利用激光束发射器和接收器进行测距，通过测量激光束的往返时间来计算距离。

激光测距传感器具有高精度和长测距范围等优点，常用于工业机器人的精确定位。

•光电开关：利用光电效应，测量光线的遮挡情况。

通过光电开关可以检测物体的存在和位置，常用于机器人的末端效应器控制。

•编码器：通过测量电机转子的旋转角度，确定机器人的位置。

编码器可以直接安装在机器人的关节上，或者通过传动装置间接测量，用于机器人的运动控制和位置反馈。

2. 接触传感器接触传感器用于检测机器人与物体之间的接触力和接触位置。

常见的接触传感器包括力敏电阻、压电传感器和光纤传感器等。

•力敏电阻：利用电阻值与受力之间的关系，测量接触力的大小。

力敏电阻可以分布在机器人的末端效应器上，实时监测与工件的接触力，用于力控制任务。

•压电传感器：利用材料的压电效应，将压力转化为电信号。

压电传感器可以测量接触力的大小和变化情况，常用于机器人的触摸感应和力控制。

•光纤传感器：通过光纤的折射和反射，测量机器人与物体之间的距离和接触位置。

光纤传感器具有高精度和快速响应的特点，常用于机器人的微小力控制和物体定位。

3. 视觉传感器视觉传感器用于获取机器人周围环境的图像信息，实现图像识别和目标跟踪等功能。

常见的视觉传感器包括摄像头、3D视觉传感器和红外传感器等。

•摄像头：通过光学镜头和图像传感器，捕捉机器人周围环境的图像。

关于机器人传感器的种类介绍随着智能化的程度提高，机器人传感器应用越来越多。

智能机器人主要有交互机器人、传感机器人和自主机器人3种。

从拟人功能出发，视觉、力觉、触觉最为重要，早已进入实用阶段，听觉也有较大进展，其它还有嗅觉、味觉、滑觉等，对应有多种传感器，所以机器人传感产业也形成了生产和科研力量。

1、内传感器机器介机电一体化的产品，内传感器和电机、轴等机械部件或机械结构如手臂（Arm）、手腕（Wrist）等安装在一起，完成位置、速度、力度的测量，实现伺服控制。

2、位置（位移）传感器直线移动传感器有电位计式传感器和可调变压器两种。

角位移传感器有电位计式、可调变压器（旋转变压器）及光电编码器三种，其中光电编码器有增量式编码器和绝对式编码器。

增量式编码器一般用于零位不确定的位置伺服控制，绝对式编码器能够得到对应于编码器初始锁定位置的驱动轴瞬时角度值，当设备受到压力时，只要读出每个关节编码器的读数，就能够对伺服控制的给定值进行调整，以防止机器人启动时产生过剧烈的运动。

3、速度和加速度传感器速度传感器有测量平移和旋转运动速度两种，但大多数情况下，只限于测量旋转速度。

利用位移的导数，特别是光电方法让光照射旋转圆盘，检测出旋转频率和脉冲数目，以求出旋转角度，及利用圆盘制成有缝隙，通过二个光电二极管辨别出角速度，即转速，这就是光电脉冲式转速传感器。

此外还有测速发电机用于测速等。

应变仪即伸缩测量仪，也是一种应力传感器，用于加速度测量。

加速度传感器用于测量工业机器人的动态控制信号。

一般有由速度测量进行推演、已知质量物体加速度所产生动力，即应用应变仪测量此力进行推演。

还有就是下面所说的方法：与被测加速度有关的力可由一个已知质量产生。

这种力可以为电磁力或电动力，最终简化。

触觉传感器
2. 应用领域
触觉传感器在机器人领域中的 应用也非常广泛，例如：在工 业制造中检测零件的表面质量 ；在医疗康复中识别患者的肌 肉状态和康复情况；在家庭服 务中识别物体的材质和硬度等
触觉传感器
3. 作用和重要性
触觉传感器在机器人领域中也具有非常重要 的作用和意义。首先，触觉传感器提高了机 器人的操作精度和稳定性，使机器人能够更 准确地抓取和操作物体。其次，触觉传感器 增强了机器人的感知能力，使机器人能够更 好地适应不同的工作环境和物体特性。最后 ，触觉传感器提高了机器人的智能化水平， 使机器人能够更好地服务于人类社会
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接近觉传感器
接近觉传感器
接近觉传感器是指利用物理场或机械结构等检 测物体距离和方位的传感器
在机器人领域中，接近觉传感器主要用于检测 机器人与周围物体之间的距离和方位关系，以
实现安全导航和避障功能
1. 基本原理
接近觉传感器通常由 超声波、红外线、微 波等物理场发射器和 接收器组成。当有物 体接近时，接收器会 接收到相应的信号变 化，从而检测出物体 距离和方位信息
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听觉传感器
听觉传感器
1. 基本原理
听觉传感器通常由麦 克风阵列和声音处理 单元组成。麦克风阵 列用于采集声音信号 ，然后通过声音处理 单元
对声音信号进行分析 和处理，提取出声音 的特征信息
听觉传感器
听觉传感器
2. 应用领域
听觉传感器在机器人领域中的应用也十分广 泛，例如：在服务机器人中用于识别语音指 令和环境声音；在智能监控中用于识别异常 声音和报警；在医疗康复中用于识别患者的 声音和语言等
听觉传感器
3. 作用和重要性
听觉传感器在机器人领域中也具有重要的作 用和意义。首先，听觉传感器增强了机器人 的感知能力，使机器人能够更好地理解和交 互复杂的声环境。其次，听觉传感器提高了 机器人的自主性，使机器人能够进行自主导 航、目标跟踪和声音定位等任务。最后，听 觉传感器提升了机器人的智能化水平，使机 器人能够更好地服务于人类社会

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为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
5.2 工业机器人内部传感器 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。
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。
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。
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为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
◦ 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。
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。 据检测原理，编码器可分为：光学式、磁式、感应式和 电容式。 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。 作为机器人位移传感器，光电编码器应用最为广泛。

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常用的工业机器人圆筒式腕力传 感器分为上下两层, 上层 由 4 根竖直梁组成, 下层由 4 根 水平梁组成。在 8 根梁的相应位 置上粘贴应变片作为测量敏感点。 传感器两端通过法兰盘与机器人 腕部联接。 机器人腕部受力时, 8 根弹性梁产生不同性质的变形, 使 敏感点的应变片发生应变, 输出电 信号, 通过一定的数学关系式就可 算出 X、Y、Z 三个坐标上的分力 和分力矩。
工业机器人 外部传感器
王庆龙
目录
一、工业机器人常用传感器的分类 二、工业机器人传感器的要求与选择 三、触觉传感器 四、力觉传感器 五、接近觉传感器
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一．工业机器人常用传感器的分类
工业机器人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、距离传感器，是 为了检测作业对象及环境与机器人的关系。
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分辨率
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四、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。 力觉传感器根据力的检测方式不同，可以分为： a. 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； b. 利用压电效应的压电元件式； c. 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。
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五、接近觉传感器
接近觉传感器就是放机器人手接近对象物体的距离约为 数毫米～数十毫米时，就可检测出到对象物体表面的距离、 斜度和表面状态的传感器。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、光学接近传感器和超 声波式。