工业机器人传感系统

工业机器人为完成相应的要求需要相应的硬件和软件支持。

一、硬件部分

现在给大家聊聊这方面的内容，工业机器人的硬件主要由以下部分组成： （1）、由控制计算机控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有32位、64位等CPU。（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，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。（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。（4）、硬盘或软盘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。（9）、辅助设备控制用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等的控制。（10）、通信接口主要作用是 实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等两类。（11）、网络接口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之后，支持TCP/IP通信协议，通过Ethernet接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。 （12）、Fieldbus接口支持多种流行的现场总线规格，如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等各种通信协议。

工业机器人控制装置实物图

二、软件部分

软件主要是指控制软件，它包括运动轨迹规划算法和关节伺服控制算法及相应的动作顺序。控制软件可以用任何语言来编制，比如C语言、c 语言、汇编语言、JAVA、PYTHON等，通用语言模块化编制形成的专用工业语言越来越成为工业机器人控制软件的主流。

三、工业机器人控制装置功能

控制装置主要任务是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等以完成特定的工作任务，主要功能如下：

（1）、示教在线功能

指控制系统通过示教器或手把手进行示教，将动作顺序、运动速度、位置等信息预先教给机器人，由机器人的记忆装置自动记录在存储器，当需要再现操作时，重放内容即可。更改内容需重新示教。

（2）、运动控制功能

指工业机器人的末端操作器从一点移动到另一点的过程中，对其位置、速度和加速度的控制。

（3）、示教编程功能

用机器人代替人进行作业时，必须预先对机器人发出指示，规定机器人进行应该完成的动作和作业的具体内容。这个过程就称为对机器人的示教或对机器人的编程。 一般分为直接示教和离线示教，随着计算机虚拟技术的发展，还出现了虚拟示教编程系统。

示教编程

四、工业机器人的控制方式

(1)、点位控制方式--PTP (Point To Point)

只控制起始点和终止点的位姿,控制时只要求快速、准确地实现各点之间的运动，而对两点之间的运动轨迹不作任何规定。操作时要考虑定位精度运动所需的时间。这种控制方式主要应用在上下料、搬运点焊、电路板上安插元件等方面。

(2)、连续轨迹控制方式-- CP（Continuous Path）

连续地控制工业机器人末端操作器在作业空间中的位姿，要求其严格按照预定的轨迹和速度在一定的精度范围内运动，而且速度可控，轨迹光滑，运动平稳，以完成作业任务。操作时要考虑末端操作器位姿的轨迹跟踪精度及平稳性。这种控制方式主要应用在弧焊、喷漆、去毛边，检测作业等方面。

(3)、力（力矩）控制方式

在完成装配、抓放物体等工作时，除要准确定位之外，还要求使用适度的力或力矩进行工作，这时就要利用力（力矩）伺服方式。

(4)、智能控制方式

工业机器人的智能控制是通过传感器获得周围环境的知识，并根据自身内部的知识库做出相应的决策。总之，以上控制方式优点主要有以下几点第一是 多任务功能。第二是具有 网络功能。第三具有操作历史记录功能。第四是具有 海量存储功能。第五是具有 用户接口丰富。

工业机器人的协作工作

五、交流伺服驱动装置

在工业机器人驱动装置中，电动驱动装置是应用最广泛的一种驱动类型。采用交流伺服电动机作为执行元件的伺服驱动称为交流伺服驱动装置。因交流伺服电动机具备十分优良的低速性能，调速广，动态特性和效率都很高，所以已经成为伺服系统的主流之选。

交流伺服驱电机与驱动装置

六、工业机器人检测装置

工业机器人工作的稳定性和可靠性依赖于机器人对工作环境的检测，因此需要高性能传感器及各传感器之间的协调工作。传感器将机器人各种内部状态信息和环境信息从信号转变为机器人自身或者机器人之间能够理解和应用的数据、信息甚至知识，它与机器人控制系统和决策系统组成机器人的核心。机器人内部传感器包括位置和位移传感器、速度传感器等。

（1）、位置和位移传感器

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。位置和位移传感器根据其工作原理和组成的不同有多种形式。电位器式位移传感器，电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。按照传感器的结构不同，电位器式位移传感器可分为两大类:①直线型电位器式位移传感器;②旋转型电位器式位移传感器。

（2）、光电编码器

利用光电转换原理将旋转信息转换为电信息，并以数字代码输出，可以高精度地测量转角或直线位移。一般装在机器人各关节的转轴上，用来测量各关节转轴转过的角度。根据测出的信号不同，编码器可分为绝对式和增量式两种。一种是绝对式光电编码器它是一种直接编码式的测量元件，它可以直接把被测转角或位移转化成相应的代码，指示的是绝对位置而无绝对误差，在电源切断时不会失去位置信息。但其结构复杂、价格昂贵，且不易做到高精度和高分辨率。绝对式光电编码器主要由多路光源、光敏元件和编码盘组成。编码盘处在光源与光敏元件之间，其轴与电动机轴相连，随电动机的旋转而旋转。编码盘上有4个同心圆环码道，整个圆盘又以一定的编码形式（如二进制编码等）分为16等份的扇形区段。 光电编码器利用光电原理把代表被测位置的各等份上的数码转换成电脉冲信号输出，以用于检测。编码盘每转一周产生0000 - 1111共16个二进制数，对应于转轴的每一个位置均有唯一的二进制编码，因此可用于确定旋转轴的绝对位置。绝对位置的分辨率（分辨角）a 取决于二进制编码的位数，即码道的个数n 。第二种是增量式光电编码器，它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。增量式光电编码器主要由光源、编码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成当编码盘逆时针方向旋转时，A相光栅先于B相光栅透光导通，A相和B相光电元件接受时断时续的光；当顺时针方向旋转时，则相反。根据A、B相任何一光栅输出脉冲数的多少就可以确定编码盘的相对转角；根据输出脉冲的频率可以确定编码盘的转速；采用适当的逻辑电路，根据A、B相输出脉冲的相序就可以确定编码盘的旋转方向。光电编码器的分辨率（分辨角） 仅是以编码器轴转动一周所产生的输出信号的基本周期数来表示的，即脉冲数每转( PPR)。 编码盘旋转一周输出的脉冲信号数目取决于透光缝隙数目的多少。

光电编码器实物图

（3）、 速度传感器

速度传感器：测量机器人关节速度。一是角速度传感器 角速度传感器可用测速发电机、增量光电编码器来转换信号。测速发电机它是把机械转速变换成电压信号，输出电压与输入的转速成正比即U=Kn。U:测速发电机的输出电压(V)；n:为测速发电机的转速； K:为比例系数;另一个是增量式光电编码器它既可以用来作为位置传感器测量关节相对位置，又可作为速度传感器测量关节速度。(1)模拟方式 在这种方式下，必须采用频率-电压(f/U)变换器，把编码器测得的脉冲频率转换成与速度成正比的模拟电压。 (2)数字方式，它测速是指基于数学公式，利用计算机软件计算出速度。若单位时间∆ t内编码器转过的角度∆ θ ，则编码器在该时间段内的平均速度就可以计算出来。

（4）、力觉传感器

力觉传感器是指工业机器人的指、肢和关节等运动中所受力或力矩的感知。目前使用最广泛的是电阻应变片式六维力和力矩传感器，它能同时获取三维空间的三维力和力矩信息，广泛应用于力/位置控制、轴孔配合、轮廓跟踪及双机器人协调等机器人控制领域。

七、机器人外部传感器

工业机器人如果感知周围环境，就需要外部传感器，能使具有自校正能力和反映适应环境变化的能力。

（1）、 触觉传感器，它是人与外界环境直接接触时的重要感觉功能，研制满足要求的触觉传感器是机器人发展中的关键技术之一。（1）接触觉传感器（2）力-力矩觉传感器（3）压觉传感器（4）滑觉传感器。

（2）、应力传感器，它是应力应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力矩或压力等的作用下发生相应的应变或位移，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量即受力的大小。

（3）、接近度传感器， 它是检测物体接近程度的传感器① 电涡流式：它由线圈、激励电路和测量电路组成（见电涡流式传感器）。它的线圈受激励而产生交变磁场，当金属物体接近时就会由于电涡流效应而输出电信号。②霍耳式：它由霍耳元件或磁敏二极管、晶体管构成（见半导体磁敏元件）。当磁敏元件进入磁场时就产生霍耳电动势，从而能检测出引起磁场变化的物体的接近。

（4）、视觉传感器 ，它是一种非接触式的光学传感系统，同时集成软硬件，综合现代计算机、光学、电子技术，能够自动地从所采集到的图像中获取信息或者产生控制动作它的特点具有。1、可靠性高 ， 非接触测量不仅满足狭小空间装配过程的检测，同时提高了系统安全性。精度高 2、可提高测量精度，人工目测受测量人员主观意识的影响，而机器视觉这种精确的测量仪器排除这种干扰，提高了测量结果的准确性。3、灵活性； 视觉系统能够进行各种测量。当使用环境变化以后，只需软件做相应变化或者升级以适应新的需求即可。4、自适应性 ； 机器视觉可以不断获取多次运动后的图像信息，反馈给运动控制器，直至最终结果准确，实现自适应闭环控制。

（5）、其他外部传感器主要由声觉传感器：主要用于感受和解释在气体（非接触式感受）、液体或固体（接触式感受）中的声波。温度传感器：主要用于机器人自主运行时、人不在场时、需要知道温度信号时，对当前环境或物体温度的检测。滑觉传感器：滑觉传感器主要检测物体的滑动。当机器人抓住特性未知的物体时，必须确定最适合的握力值。

各种工业相机作为工业机器人视觉传感器

综上所述，工业机器人控制装置主要由硬件和软件两部分组成。对于硬件来说工业机器人主要包括控制装置、驱动装置及检测装置三部分。