05 模块5 工业机器人传感技术.docx

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1、工业机器人技术基础课程教案课题：模块5工业机器人传感技术课型：新授课课时：本章安排4个课时。教学过程：1 .教学形式：讲授课，教学组织采用课堂整体讲授和分组演示。2 .教学媒体：采用启发式教学、案例教学等教学方法。教学手段采用多媒体课件、视频等媒体技术。板书设计：本课标题模块5工业机器人传感技术课次2授课方式理论课讨论课习题课其他课时安排4学分共2分授课对象应用型木科院校和高职院校工业机器人专业学生任课教师教材及参考资料1工业机器人技术基础。2 .本教材配套视频教程及学习检查等资源。3 .与本课程相关的其他资源。教学基本内容教学方法及教学手段引言近年来，我国的生产制造业发展迅猛，但由于部分技术

2、尚传感系统是机器人的重要组成部分，相当于人的感觉和神经。机器人传感器可以分为内部和外部两类传感器：内部传感器是构成机器人不可缺少的基本元件，而外部传感器取决于机器人所要完成的任务，如对于与工件有接触的作业，像打磨、抛光、装配等，就需要有力（力矩）传感器。本章详细讲解了机器人常用传感器的分类，包括位置和位移传感器、接近传感器、触觉传感器和视觉传感技术的工作原理和特点。参考以下形式：1 .衔接导入2 .悬念导入3 .情景导入4 .激疑导入5 .演示导入6 .实例导入7 .其他形式本章基本知识汇总单元1工业机器人传感技术基础一、传感技术概述传感技术是利用传感器采集环境信息的种自动化技术。传感器是基于

3、内部的物理、化学变化，将之变换成电信号（电压、电流和频率）的装置。传感技术是实现自动检测和控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让1 .教学以学生学习教材的基本内容为主，系统全面地学习税收制度的构成要素的基本内容。2 .整个教学过程中，各教学点可根据实际情况，进行拓展知识的讲解。物体变得“活了起来。从物联网角度看，传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。二、传感系统的组成传感系统通常由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成。其中，敏感元件的基本功能是将某种不易测量的物理量转换为易于测量的物理量；转换元件的功能是将敏感元件输出的物理量转换为电信号，它与敏感元件一

4、起构成传感器的主要部分；基本转换电路的功能是将敏感元件产生的不易测量的小信号进行变换，使传感器的信号输出符合具体工业系统的要求（如420mA、55V）。三、传感技术的功能人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中是远远不够的，为适应这种情况，就需要传感器。可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。随着新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数

5、，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。如果没有优质的传感器，现代化生产也就失去了基础。在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展已经步入众多新领域，例如在宏观上要观测距离地球上千光年的茫茫宇宙，微观上要观测小到飞米的粒子世界，纵向上要观测长达数十万年的天体演化，以及短到飞秒量级的瞬间反应。此外，还出现了各种前端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于获取对象信息存在困难，而一些基于新机理的高灵敏度检测传感器的出现，往往会促进

6、该领域内的技术突破。传感器技术的发展，常常是一些前沿型学科取得进展的先驱力量。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等极其广泛的领域。毫不夸张地说，从茫茫太空到浩瀚海洋，以至各种复杂的系统工程，几乎每一个现代化项目都离不开各式各样的传感器。由此可见，传感器在发展经济、推动社会进步方面的作用是十分明显的，世界各国都十分重视这一技术的发展。单元2工业机器人传感技术应用一、物料感知在工业自动化应用中，物料感知是传感器技术应用最多的i类，其主要目的是判断检测对象是否存在，如流水线末端的物料到位检测、气缸运动体的到位检测等。用于这类功能的传

7、感器类型很多，如光纤传感器、光电传感器、接近传感器。（-）光纤传感器光纤传感器是一种将被测对象的状态转变为可测量的光信号的传感器。光纤传感器的工作原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制器，在调制器内经相互作用，使光的光学性质如光强、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光电器件，经解调器后获得被测参数。整个过程中，光束经由光纤导入，通过调制器后再射出，光纤的作用首先是传输光束，其次是起到光调制器的作用。光纤由中心的纤芯和与其折射率不同的包层构成。光射入纤芯后，会在纤芯与包层的边界面上重复全反射并不断前进，穿过光纤内部从边缘射出的光约呈60。扩散，并照射至检测物体

8、。及光纤原理根据光束的照射，光纤传感器分为对射型和漫反射型。传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这一传感器家族的新成员备受青睐。光纤具有很多优异的性能：抗电磁和原子辐射干扰；径细、质软、质量轻；电气绝缘、无感应；防水、耐高温、耐腐蚀等，它能够在人无法到达的位置（如高温区）或者对人有害的地区（如核辐射区）实现监测作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。（二）光电传感器光电传感器是一种从发射器发射光线，并通过接收器检测物体反射的光或遮光量的变化，从而获取输出信号的仪器，其工作原理基于光电效应。光电效应是指光照射在某些物质上时，

9、物质的电子因吸收光子的能量而发生相应的电效应现象。光电传感器光电传感器一般由处理通路和处理元件两部分组成，其基本原理是以光电效应为基础，把被测量的数据转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将非电信号转换成电信号。光电效应的实质是，用光照射某一物体，可以看作是一连串带有一定能量的光子轰击在这个物体上，此时光子的能量会传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应。通常把光电效应分为三类：1 .在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，如光电管、光电倍增管等。2 .在光线作用下能使物体的电

10、阻率改变的现象称为内光电效应，如光敏电阻、光敏晶体管等。3 .在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，如光电池等。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。由于光电传感器涉及的领域非常广泛，其研窕和开发在世界上引起了高度重视，它已从最初的军用逐渐发展到民用，而且与我们的生活息息相关。现代化的生活离不开光电传感器的参与，如传真机、复印机、扫描仪、打印机、车库开门器、液晶显示器、色度计、分光计、汽车和医疗诊断仪器等，不胜枚举。（三）接近传感器接近传感器是一种具有感知物体接近能力的传

11、感器件，它利用位移传感器对接近的物体具有敏感特性的原理来识别物体的接近，并输出相应的开关信号，因此又称为接近开关。接近传感器的检测对象仅为金属，它可以透过塑料、玻璃等检测金属物质的靠近。1通用型4 .铝检测型5 .接近传感器的特点对比其他类型的传感器，接近传感器具有如下特点：（1）由于能以非接触方式进行检测，所以不会磨损或损伤检测对象。（2）由于采用无接点半导体输出方式，对接点的寿命无影响。（3）与光检测方式不同，适合在水和油等环境下使用，检测时几乎不受检测对象的污渍和油、水等的影响。此外，还包括特氟龙外壳型及耐药性良好的产品。（4）与接触式开关相比，可实现高速响应。（5）能对应广泛的温度范围

12、。（6）对检测对象的物理性质变化进行检测，所以几乎不受表面颜色等的影响。（7）与接触式不同，会受周围温度、物体、同类传感器的影响，包括感应型、静电容量型在内，传感器之间相互影响。因此，对于传感器的设置需要考虑相互干扰。此外，在感应型中需要考虑周围金属的影响，而在静电容量型中则需考虑周围物体的影响。二、速度感知在进行物料分拣时，常常会使用一种测速装置，配合视觉系统和机器人进行物料的动态抓取工作。物料在传送带上运动，相机负责获取物料的位置信息，并将位置数据输入机器人系统，机器人进而运动到合适的位置取走物料。由于物料的位置会跟随传送带不断变化，因此机器人要想准确地抓取物料，还需要知晓物料的运动速度。

13、由于旋转编码器与传送面接触，所以能够检测传送带表面的线速度，即物料的运动速度。旋转编码器是-种将角位移或线位移转换成电信号的旋转式传感器。它既可以用于测量回转运动的角位移和角速度，也可以用来测量线性运动的线位移和线速度。旋转编码器主要由转轴、码盘、发射器和接收器组成。转轴在检测过程中与测量对象接触，如果是测角位移，则与回转体旋转轴连接；如果是测量线位移，则需安装轴套，使轴套轮廓与线性运动对象接触。发射器和接收器通常是一套激光传感器或光电传感器，通过检测码盘方形孔引起的信号变化，将角位移转换成电信号。接收器1和接收器2都可以用于检测码盘旋转产生的脉冲，并将其转换成电信号以测量角速度。码盘上的发射

14、器1和发射器2对应的方形孔间隔相差一定角度，使接收器1到接收器2的脉冲间隔时间与接收器2到接收器1的脉冲间隔时间不等，通过这样的方式可以检测码盘回转的矢量方向。三、力觉感知力传感器是将力的量值转换为相关电信号的器件。力传感器能检测张力、拉力、压力、质量、扭矩、内应力和应变等物理量，其具体组成器件有金属应变片、压力传感器等，它在动力设备、工程机械、各类工作母机和工业自动化系统中已成为不可缺少的核心部件。例如，装配时需完成将轴类零件插入孔里、调准零件位置、拧动螺钉等一系列步骤，在拧动螺钉过程中需要有确定的拧紧力；搬运时机器人手爪对工件需有合理的握力，握力太小不足以搬动工件，太大则会损坏工件；研磨时

15、需要有合适的砂轮进给力以保证研磨精度。另外，机器人在自我保护时也需要检测关节和连杆之间的内力，防止机器人手臂因负载过大或与周围障碍物碰撞而引起损坏，所以力和力矩传感器在机器人中的应用较广泛。力和力矩传感器种类很多，常用的有电阻应变片式传感器、压电式传感器、电容式传感器、电感式传感器及各种外力传感器。力和力矩传感器的工作方式都是通过弹性敏感元件将被测力或力矩转换成某种位移量或形变量，然后通过各自的敏感介质把位移量或形变量转换成能够输出的电信号。四、视觉识别为了能够胜任更复杂的工作，机器人不但要有更好的控制系统，还需要更多地感知环境的变化。其中，机器视觉技术以其可获取的信息量大、信息完整而成为机器人最重要的感知功能。()机器视觉技术机器视觉技术是一门涉及人工智能、神经生物学、心理物理学、计算机科学、图像处理、模式识别等诸多领域的交叉学科。机器视觉主要用计算机来模拟人的视觉功能，但它并不仅仅是人眼的简单延伸，更重要的是具有人脑的一-部分功能从客观事物的图像中提取信息，进行处理并加以理解，最终用于实际检测、测量和控制。美国制造工程师协会机器视觉分会和美国机器人工业协会自动化视觉分会对机器视觉的定义为：机器视觉是通过光学装置和非接触传感器自动接收和处理真实物体的图像，以获得所需信息或用于控制机器人的运动。在20世纪70年代，出现了一些实用性