機(jī)器人驅(qū)動與運(yùn)動控制 課件 第4、5章 機(jī)器人控制系統(tǒng)與控制方式、機(jī)器人傳感系統(tǒng)

第4章機(jī)器人控制系統(tǒng)與控制方式4.1機(jī)器人控制系統(tǒng)概述4.2機(jī)器人的控制方式4.3典型機(jī)器人控制系統(tǒng)4.4本章小結(jié)

4.1機(jī)器人控制系統(tǒng)概述

4.1.1機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本原理及分類機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本原理是接收傳感器采集的檢測信號，通過控制計算機(jī)計算驅(qū)動參數(shù)，伺服驅(qū)動機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)運(yùn)動來完成任務(wù)要求，如圖4-1所示。當(dāng)機(jī)器人控制系統(tǒng)開始工作時，一般會完成下列動作。

(1)示教：控制系統(tǒng)通過控制計算機(jī)給機(jī)器人發(fā)布任務(wù)指令，一般通過和控制計算機(jī)連接的示教器來發(fā)布指令。

(2)計算：控制計算機(jī)是控制系統(tǒng)的核心部分，它通過獲得的示教信息形成一個使機(jī)器人運(yùn)動的控制策略，然后再根據(jù)這個策略計算生成各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動控制參數(shù)。同時控制計算機(jī)還要擔(dān)負(fù)起對整個機(jī)器人系統(tǒng)的管理，采集并處理各種信息。

(3)伺服驅(qū)動：將使機(jī)器人運(yùn)動的控制策略通過控制算法獲得驅(qū)動信號，驅(qū)動伺服電機(jī)，使機(jī)器人運(yùn)動可以滿足高速、高精度的要求，從而完成指定的任務(wù)指令。

(4)反饋：控制系統(tǒng)通過傳感器獲取機(jī)器人任務(wù)過程中的位姿、運(yùn)動狀態(tài)等信息，然后把這些信息反饋給控制計算機(jī)，使控制計算機(jī)實(shí)時掌握機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)，及時調(diào)整控制策略。圖4-1機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本原理圖

1.按控制運(yùn)動方式分類

(1)程序控制系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)是通過事先編寫的固定程序?qū)崿F(xiàn)自動控制的系統(tǒng)，其廣泛應(yīng)用于搬運(yùn)、裝配、點(diǎn)焊等作業(yè)，以及弧焊、噴涂機(jī)器人的輪廓控制作業(yè)。

(2)自適應(yīng)控制系統(tǒng)。自適應(yīng)控制系統(tǒng)通過傳感器感知外界條件的變化，根據(jù)檢測到的信息不斷地給出后續(xù)運(yùn)動軌跡的控制。這種系統(tǒng)的參數(shù)能隨著外界條件自動改變。

(3)組合控制系統(tǒng)。組合控制系統(tǒng)是程序控制系統(tǒng)和自適應(yīng)控制系統(tǒng)的結(jié)合，它利用已知的環(huán)境信息實(shí)現(xiàn)程序控制，并且在執(zhí)行過程中還可根據(jù)外界條件的變化而改變控制過

程，以達(dá)到作業(yè)任務(wù)的速度和精度要求。

2.按控制系統(tǒng)信號類型分類

按控制系統(tǒng)信號類型的不同，機(jī)器人控制系統(tǒng)可分為連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)。連續(xù)控制系統(tǒng)的輸入/輸出信號是時間的連續(xù)函數(shù)。例如，弧焊作業(yè)中對焊接電流的控制就是連續(xù)控制。相對應(yīng)的離散控制系統(tǒng)的輸入/輸出信號是離散的。通常，工業(yè)機(jī)器人的工作場景中既有連續(xù)的信息，又有離散的信息，可根據(jù)任務(wù)要求設(shè)定閾值來進(jìn)行兩類信號的轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)這兩種控制。

3.按控制機(jī)器人的數(shù)目分類

根據(jù)控制機(jī)器人數(shù)目的不同，機(jī)器人控制系統(tǒng)可分為單機(jī)系統(tǒng)和群控系統(tǒng)。

單機(jī)系統(tǒng)是指控制系統(tǒng)僅對本機(jī)進(jìn)行控制的系統(tǒng)。群控系統(tǒng)是指同時控制多個機(jī)器人的控制系統(tǒng)。群控系統(tǒng)中每一個機(jī)器人也可有自己單獨(dú)的控制系統(tǒng)，但這些獨(dú)立的控制系

統(tǒng)之間可以通信，或者接收總的控制系統(tǒng)的命令，使得所有機(jī)器人協(xié)調(diào)工作。

4.1.2機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能

根據(jù)實(shí)際使用場景，機(jī)器人控制系統(tǒng)具有如下基本功能：

(1)示教

再現(xiàn)功能。

(2)坐標(biāo)設(shè)置功能。

(3)與外圍設(shè)備的聯(lián)系功能。

(4)位置伺服功能。

4.1.3機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

(1)多關(guān)節(jié)聯(lián)動控制。

(2)運(yùn)動描述復(fù)雜。

(3)具有較高的重復(fù)定位精度，系統(tǒng)剛性好。

(4)信息運(yùn)算量大。

(5)需要采用加(減)速控制。

4.1.4-機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成

機(jī)器人控制系統(tǒng)是影響機(jī)器人性能的重要組件，其組成如圖4-2所示。

下面介紹該系統(tǒng)的主要組成部分。

(1)控制計算機(jī)：控制系統(tǒng)的核心部分，一般為計算機(jī)和可編程邏輯控制器(PLC)。

(2)示教盒(示教器)：又叫作示教編程器，其以串行通信方式與控制計算機(jī)實(shí)現(xiàn)信息交互，是機(jī)器人與人的交互接口。它具有對機(jī)器人手動操縱控制、程序編寫、參數(shù)設(shè)定以及

工作狀態(tài)監(jiān)控等功能。

(3)操作面板：由各種操作按鍵和狀態(tài)指示燈構(gòu)成，能夠完成基本功能操作。

(4)磁盤存儲：存儲工作程序中的各種信息數(shù)據(jù)。

(5)數(shù)字量和模擬量輸入/輸出接口：提供各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出。

(6)打印機(jī)接口：可連接打印機(jī)，其作用是記錄機(jī)器人的各種輸出信息。

(7)傳感器接口：用于采集環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動控制等，并連接觸覺和視覺傳感器。

(8)伺服控制器：用于完成機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置、速度和加速度的控制，例如圖4-2中的大臂伺服控制器、回轉(zhuǎn)伺服控制器、手腕伺服控制器。

(9)通信接口：用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和其他設(shè)備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等。

(10)網(wǎng)絡(luò)接口：通常包括以太網(wǎng)(ethernet)接口和現(xiàn)場總線(fieldbus)接口。機(jī)器人可通過網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)臺或單臺機(jī)器人與PC的通信。圖4-2機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成圖

4.1.5機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及控制方式

從機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能來看，其結(jié)構(gòu)主要包括外圍設(shè)備、控制器、驅(qū)動器、電機(jī)、執(zhí)行器和傳感器，如圖4-3所示。圖4-3機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

1.集中控制

集中控制是指全部控制功能都由一臺計算機(jī)實(shí)現(xiàn)，其框圖如圖4-4所示。圖4-4-集中控制

2.主從控制

主從控制是指采用主、從兩級處理器(主CPU和從CPU)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。主CPU實(shí)現(xiàn)管理、坐標(biāo)變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等計算量大且性能要求高的任務(wù)，從

CPU只用來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所有關(guān)節(jié)的動作控制。這種控制方式能夠具有較好的實(shí)時性，適于高精度、高速度控制的作業(yè)場景，但這種控制方式的系統(tǒng)的擴(kuò)展性仍較差，維修困難。主從控制的架構(gòu)如圖4-5所示。圖4-4-集中控制

3.分布控制

分布控制是指將系統(tǒng)分成幾個模塊，每一個模塊有其自己的控制任務(wù)和控制策略，各模塊之間可以是主從關(guān)系，也可以是平等關(guān)系。這種控制方式的實(shí)時性好，易于實(shí)現(xiàn)高速、高精度控制，易于擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)智能控制，是目前流行的控制方式。分布控制的思想是“分散控制，集中管理”，即系統(tǒng)可以對總體目標(biāo)和任務(wù)進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)和分配，并通過子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作來完成控制任務(wù)。在采用分布控制方式的系統(tǒng)中，子系統(tǒng)由控制器、不同被控對象或設(shè)備構(gòu)成，各個子系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)等相互通信。分布控制通常采用兩級控制，其架構(gòu)如圖4-6所示。圖4-6分布控制

4.1.6機(jī)器人操作系統(tǒng)

由于機(jī)器人作業(yè)任務(wù)的實(shí)時性要求高，因此機(jī)器人操作系統(tǒng)一般采用嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)(RTOS)來保證實(shí)時性。實(shí)時操作系統(tǒng)可以使某些具有時效性、實(shí)時性的任務(wù)優(yōu)先獲

得系統(tǒng)資源運(yùn)行起來?；趦?yōu)先級的實(shí)時操作系統(tǒng)如圖4-7所示。圖4-7基于優(yōu)先級的實(shí)時操作系統(tǒng)

機(jī)器人工作的主要任務(wù)包括機(jī)器人控制任務(wù)、過程控制任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)和系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù)。機(jī)器人操作系統(tǒng)動態(tài)管理這4種任務(wù)，以保證所有工作的完成，其運(yùn)行流程如圖4-8所示。圖4-8機(jī)器人操作系統(tǒng)的運(yùn)行流程圖

1.VxWorks

VxWorks操作系統(tǒng)是一種嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，是Tornado嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。機(jī)器人是對實(shí)時性要求極高的工業(yè)裝備，ABB、KUKA等公司均選用VxWorks作為主控制器操作系統(tǒng)。

2.WindowsCE

WindowsCE是美國微軟公司推出的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，與Windows系列有較好的兼容性。WindowsCE豐富的開發(fā)資源對于在示教器等上進(jìn)行開發(fā)具有較好的優(yōu)勢。例如，ABB等公司采用WindowsCE開發(fā)示教器系統(tǒng)。

3.嵌入式Linux

由于Linux的源代碼是公開的，因此人們可以任意修改，以滿足自己的需求。Linux系統(tǒng)大部分都遵從GPL協(xié)議(CNU通用公共許可協(xié)議)，是開放源代碼和免費(fèi)的，用戶可以定制屬于用戶自己的系統(tǒng)；有龐大的開發(fā)人員群體，無需專門的人才，開發(fā)人員只要懂Unix/Linux和C語言即可；支持的硬件數(shù)量龐大。眾多中小型機(jī)器人公司和科研院所選擇Linux作為機(jī)器人操作系統(tǒng)。

4.μC/OS-Ⅱ

μC/OS-Ⅱ是著名的源代碼公開的實(shí)時內(nèi)核，是專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的，可用于8位、16位和32位單片機(jī)或數(shù)字信號處理器(DSP)。它的主要特點(diǎn)是公開源代碼，可固化，占先式內(nèi)核，可移植性、可裁剪性、可確定性好等。該系統(tǒng)在教學(xué)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人科研等領(lǐng)域得到較多的應(yīng)用。

4.2機(jī)器人的控制方式4.2.1機(jī)器人的伺服控制

1.伺服控制系統(tǒng)伺服控制是機(jī)器人控制的基礎(chǔ)，它是位置控制和速度控制的載體。機(jī)器人一般采用交流伺服系統(tǒng)作為執(zhí)行單元來完成機(jī)器人特定的軌跡運(yùn)動。伺服控制系統(tǒng)一般包括伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)，當(dāng)伺服驅(qū)動器接受上位控制器指令并將其處理后發(fā)送至伺服電機(jī)，伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)自帶的編碼器發(fā)送反饋信號至伺服驅(qū)動器，形成伺服控制系統(tǒng)。機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)實(shí)物如圖4-9所示。圖4-9機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)實(shí)物圖

2.伺服控制的基本流程

機(jī)器人的控制方式有不同的分類，按被控對象不同可分為位置控制、速度控制、加速控制、力控制、力矩控制等，而實(shí)現(xiàn)位置控制是機(jī)器人的基本控制任務(wù)。我們一般關(guān)注的是機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動軌跡和位置，由于機(jī)器人由多個關(guān)節(jié)組成，每個關(guān)節(jié)的運(yùn)動都會影響末端執(zhí)行器的位置，因此，控制機(jī)器人末端執(zhí)行器完成作業(yè)要求的軌跡時必須考慮各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動。

3.獨(dú)立單關(guān)節(jié)伺服控制

已知機(jī)器人動力學(xué)方程為

圖4-10單關(guān)節(jié)伺服控制系統(tǒng)

為簡便起見，假設(shè)驅(qū)動器的動態(tài)特性忽略不計，各個關(guān)節(jié)的驅(qū)動力τi可直接給出，這是最簡單的一種伺服系統(tǒng)，即

式中，Kpi是比例增益，Kvi是速度反饋增益。對于所有的關(guān)節(jié)，可使用矩陣表示成

式中，Kp

是比例增益矩陣，Kv

是速度反饋增益矩陣。

但現(xiàn)實(shí)中，因?yàn)闄C(jī)器人的關(guān)節(jié)并不是嚴(yán)格的單輸入單輸出系統(tǒng)，所以需要考慮關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)中的慣性系數(shù)和速度項(xiàng)的動態(tài)耦合造成的影響。一般來說，采用式(4-3)時會把耦合當(dāng)作外部干擾進(jìn)行處理，但這種處理方式無法消除重力的影響，在靜止?fàn)顟B(tài)下，機(jī)器人受重力影響的定常偏差矢量e=qd-q=Kp-1G(q)。若要使定常偏差為零，則需要在式(4-3)中加入積分項(xiàng)，即

式中，Ki

為積分環(huán)節(jié)增益矩陣。式(4-4)為典型的PID控制。

過去，機(jī)器人采用模擬電路構(gòu)成伺服控制系統(tǒng)。近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，伺服控制系統(tǒng)更多使用數(shù)字電路，采用數(shù)字電路的伺服控制系統(tǒng)也稱為軟件伺服。軟件伺服可

以進(jìn)行更精細(xì)的控制，調(diào)節(jié)各關(guān)節(jié)的增益

Kpi和Kvi，可獲得機(jī)器人在不同姿態(tài)所期望的相應(yīng)特性。在式(4-3)中增加重力項(xiàng)，可以直接進(jìn)行重力項(xiàng)補(bǔ)償，即

4.作業(yè)坐標(biāo)伺服控制

關(guān)節(jié)伺服控制方式簡單，是機(jī)器人常用的控制方式。但在很多場合中，需要把機(jī)器人從某點(diǎn)沿直線運(yùn)動至另一點(diǎn)，這種情況下需要直接給定機(jī)器人的末端位姿，這時我們把機(jī)器人末端執(zhí)行器位置矢量r作為機(jī)器人運(yùn)動的目標(biāo)值。機(jī)器人的關(guān)節(jié)位移q和r的關(guān)系可表示為

把機(jī)器人末端執(zhí)行器位置矢量r作為機(jī)器人運(yùn)動的目標(biāo)值，記作rd。一般來說，機(jī)器人可以直接把rd

本身作為目標(biāo)值來構(gòu)成伺服控制系統(tǒng)。由于在很多情況下，末端執(zhí)行器位置矢量r是用固定于控件內(nèi)的某一個作業(yè)坐標(biāo)系來描述的，因此把以rd

為目標(biāo)值的伺服控制系統(tǒng)稱為作業(yè)坐標(biāo)伺服控制系統(tǒng)，如圖4-11所示。圖4-11作業(yè)坐標(biāo)伺服控制

若采用式(4-9)，則f的旋轉(zhuǎn)力分量就變成從直覺上容易理解的繞三維空間內(nèi)的軸旋轉(zhuǎn)的力矩矢量。這樣，作業(yè)坐標(biāo)伺服控制器可表示為

式(4-10)中機(jī)器人末端現(xiàn)在的位置姿態(tài)r的值可根據(jù)現(xiàn)在的關(guān)節(jié)位移q

的值由正運(yùn)動學(xué)方程求得。若考慮重力項(xiàng)補(bǔ)償項(xiàng)，參考之前的控制器可得

4.2.2機(jī)器人的位置控制

機(jī)器人位置控制的目的是使機(jī)器人各關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)預(yù)先所規(guī)劃的運(yùn)動，最終保證機(jī)器人末端執(zhí)行器沿預(yù)定的軌跡運(yùn)行。機(jī)器人的位置控制分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制兩類，如圖4-12所示。圖4-12位置控制

1.點(diǎn)位控制

點(diǎn)位控制用于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)的位置控制，使機(jī)器人由一個給定點(diǎn)運(yùn)動到下一個給定點(diǎn)。點(diǎn)位控制不關(guān)心點(diǎn)與點(diǎn)之間的軌跡。因此，該控制方式的特點(diǎn)是只控制機(jī)器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間中某些規(guī)定的離散點(diǎn)上的位姿?？刂茣r只要求機(jī)器人快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)相鄰各點(diǎn)之間的運(yùn)動，而對達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡則不作規(guī)定。

2.連續(xù)軌跡控制

連續(xù)軌跡控制用于指定點(diǎn)與點(diǎn)之間的運(yùn)動軌跡所要求的曲線，如直線或圓弧。這種控制方式的特點(diǎn)是連續(xù)地控制機(jī)器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間中的位姿，使其嚴(yán)格按照預(yù)先設(shè)

定的軌跡和速度在一定的精度要求內(nèi)運(yùn)動，速度可控、軌跡光滑、運(yùn)動平穩(wěn)，從而完成作業(yè)任務(wù)。在用機(jī)器人進(jìn)行弧焊、噴漆、切割等作業(yè)時，應(yīng)選用連續(xù)軌跡控制方式。這種控制方式的主要技術(shù)指標(biāo)是機(jī)器人末端執(zhí)行器的軌跡跟蹤精度及平穩(wěn)性。

當(dāng)使用示教盒進(jìn)行連續(xù)軌跡控制時，一般只需記錄運(yùn)動軌跡上的特征點(diǎn)和曲線類型，示教再現(xiàn)時則在這些特征點(diǎn)之間使用圓弧或直線插補(bǔ)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的密化，再將密化后的數(shù)據(jù)輸出給伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動控制，這種方式需要記錄的軌跡特征點(diǎn)較少，運(yùn)動軌跡的修正也更簡單靈活。插補(bǔ)算法如圖4-13所示。圖4-13插補(bǔ)算法

4.2.3機(jī)器人的速度控制

在某些作業(yè)中并不指定機(jī)器人末端的位姿，而命令機(jī)器人從當(dāng)前位置向某個方向移動，又或者當(dāng)機(jī)器人采用位置控制時，如何平穩(wěn)、準(zhǔn)確地到達(dá)指定坐標(biāo)，這就需要對機(jī)器人進(jìn)行速度控制，使機(jī)器人按預(yù)定的指令控制運(yùn)動部件的速度，以滿足運(yùn)動平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確的要求。由于機(jī)器人是一種工作情況多變、慣性負(fù)載大的運(yùn)動機(jī)械，要處理好快速與平穩(wěn)的矛盾，必須控制啟動時的加速和停止前的減速這兩個過渡運(yùn)動區(qū)段。而在整個運(yùn)動過程中，速度控制通常情況下也是必需的。通常，機(jī)器人的行程會遵循一定的速度變化曲線，如圖4-14所示。圖4-14-機(jī)器人行程的速度變化曲線

1.加減速曲線特性分析

為了使機(jī)器人更快、更精確、更穩(wěn)定地從起始點(diǎn)到達(dá)目的點(diǎn)，啟動和停止時的運(yùn)動必須是平緩的，不能有運(yùn)動上的突變行為，因此對運(yùn)動曲線也必須進(jìn)行精確控制。機(jī)器人的最大速度是機(jī)器人運(yùn)動特性的一個重要指標(biāo)，在質(zhì)量一定的情況下，由物理知識可知，速度越大，機(jī)器人的動量也就越大，因此在滿足要求的情況下應(yīng)該盡量減小最大速度。

2.加減速控制分析

加減速控制曲線可以分為梯形加減速曲線、多項(xiàng)式插補(bǔ)曲線、三角函數(shù)加減速曲線，其中梯形加減速曲線是機(jī)器人最常用且最基本的軌跡曲線，用于實(shí)現(xiàn)平滑的加速和減速過程，以達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)動的目的。

梯形加減速曲線的特點(diǎn)：其加速度曲線是連續(xù)的，由加速段、等速段和減速段曲線構(gòu)成，但是它使用的是勻加減速，在加減速的起點(diǎn)和終點(diǎn)處存在加速度突變，使得加速、等速、減速等階段無法平滑過渡，會導(dǎo)致機(jī)器人系統(tǒng)遭受嚴(yán)重的沖擊而造成抖動，影響精度。因此，梯形加減速曲線通常用于低速、低精度的運(yùn)動控制過程。

多項(xiàng)式插補(bǔ)曲線的特點(diǎn)：能夠生成速度與加速度曲線都連續(xù)的平滑曲線，可以避免運(yùn)動時的突變或抖動。但當(dāng)多項(xiàng)式次數(shù)較低時速度曲線或加速度曲線的平滑度不夠，與預(yù)想

軌跡差距較大。用高階多項(xiàng)式處理時，CPU計算的復(fù)雜度也隨之增加，最大速度和最大加速度也會加大，給電機(jī)控制帶來難度。

三角函數(shù)加速度曲線的特點(diǎn)：其加減速過程的速度變化量與時間的余弦成正比，加速度的變化是光滑、連續(xù)的，使得機(jī)器人加減速動作比較柔和，但是在起始與終止位置不能夠無誤差連接，存在加速度突變，會造成機(jī)器人啟動和停止時的大幅度抖動，降低系統(tǒng)性能，同時帶來安全上的隱患。

圖4-15機(jī)器人速度控制伺服系統(tǒng)

4.2.4-機(jī)器人的力控制

如果機(jī)器人能夠利用力反饋信息，主動采用一定的策略去控制作用力，那么稱這種控制為主動柔順控制，如圖4-16(a)所示。

如果機(jī)器人憑借輔助的柔順機(jī)構(gòu)在與環(huán)境接觸時能夠?qū)ν獠孔饔昧ψ匀坏仨槒?，那么稱這種控制為被動柔順控制，如圖4-16(b)所示。圖4-16主動柔順控制與被動柔順控制

4.3典型機(jī)器人控制系統(tǒng)

4.3.1ABB

1988年，ABB公司由瑞典的阿西亞公司(ASEA)和瑞士的布朗勃法瑞公司(BBCBrownBoveri)合并而成，如今其總部位于瑞士，ABB的核心技術(shù)之一是業(yè)界一流的機(jī)器人控制系統(tǒng)。ABB公司生產(chǎn)的機(jī)器人容易跟周邊設(shè)施和現(xiàn)有的生產(chǎn)線集成在一起，ABB機(jī)器人大部分用于焊接、噴涂及搬運(yùn)。

4.3.2FANUC

1956年，日本發(fā)那科(FANUC)公司由數(shù)控系統(tǒng)起家，1971年成為世界最大的數(shù)控系統(tǒng)制造商，市場份額高達(dá)70%。隨后，F(xiàn)ANUC公司于1974年開始進(jìn)行機(jī)器人的研發(fā)。現(xiàn)如今，F(xiàn)ANUC形成了工業(yè)自動化、機(jī)床和機(jī)器人三大業(yè)務(wù)協(xié)同發(fā)展的業(yè)務(wù)模式。FANUC機(jī)器人控制系統(tǒng)在控制原理上與其他品牌的機(jī)器人控制系統(tǒng)差別不大，但其組成結(jié)構(gòu)有自己的特點(diǎn)，比較符合亞洲人的使用習(xí)慣。

FANUC機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

(1)采用32位CPU控制，以提高機(jī)器人運(yùn)動插補(bǔ)和坐標(biāo)變換的運(yùn)算速度；

(2)采用64位數(shù)字伺服驅(qū)動單元，同步控制6軸運(yùn)動，以提升運(yùn)動精度；

(3)支持離線編程技術(shù)，技術(shù)人員可通過設(shè)置參數(shù)來優(yōu)化機(jī)器人的運(yùn)動程序；

(4)控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對集成化，結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，易于維護(hù)保養(yǎng)。

4.3.3安川

安川電機(jī)創(chuàng)立于1915年，由伺服電機(jī)起家。安川公司有自己的伺服控制系統(tǒng)和運(yùn)動控制器產(chǎn)品，并且其技術(shù)水平也是一流水準(zhǔn)，其機(jī)器人的總體技術(shù)方案與發(fā)那科的非常相似，

機(jī)械設(shè)計、伺服控制系統(tǒng)和控制器都由自家公司完成。MOTOMANUP6是安川公司MOTOMAN系列機(jī)器人的一種，其運(yùn)動控制系統(tǒng)采用專用的計算機(jī)控制系統(tǒng)。這個計算機(jī)控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)伺服控制、操作臺和示教編程器控制、顯示服務(wù)、自診斷、I/O通信控制、坐標(biāo)變換、插補(bǔ)計算、自動加速和減速計算、位置控制、軌跡修正、平滑控制原點(diǎn)和減速點(diǎn)開關(guān)位置檢測、反饋信號同步等功能。

4.3.4-庫卡(KUKA)

KUKA公司于1898年在德國成立，是世界領(lǐng)先的工業(yè)機(jī)器人制造商之一。得益于德國汽車工業(yè)的發(fā)展，庫卡由焊接設(shè)備起家，如今它的業(yè)務(wù)主要集中在機(jī)器人本體、系統(tǒng)集

成、焊接設(shè)備和物流自動化等方面。KUKA是四大家族中最“軟”的機(jī)器人廠商，其最新的控制系統(tǒng)KRC4使用了基于x86的硬件平臺，運(yùn)行“VxWorks+Windows”系統(tǒng)，把能軟件化的功能全部用軟件來實(shí)現(xiàn)，包括伺服控制(servocontrol)、安全管理、軟PLC(softPLC)等，如圖4-17所示。圖4-17KUKA控制系統(tǒng)

4.3.5國產(chǎn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)

1.新松SRCC5等系列控制系統(tǒng)

新松機(jī)器人自動化股份有限公司是中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)前10名的核心牽頭企業(yè)，新松SRCC5是其新一代機(jī)器人智能控制系統(tǒng)，有如下特點(diǎn)：

(1)支持虛擬仿真、機(jī)器視覺(2D/3D)、力覺傳感等多種智能技術(shù)的應(yīng)用；

(2)采用全新的控制柜設(shè)計，性能提升，體積縮減，重量降低，安全性提高；

(3)采用觸摸屏橫版示教盒，具有高靈敏度的觸屏體驗(yàn)，適用于新型系統(tǒng)的所有機(jī)型。

2.廣州數(shù)控GSK-RC等系列控制系統(tǒng)

在豐富的機(jī)床數(shù)控技術(shù)積累基礎(chǔ)上，廣州數(shù)控設(shè)備有限公司掌握了機(jī)器人控制器、伺服驅(qū)動、伺服電機(jī)的完全知識產(chǎn)權(quán)。其中GSK-RC是廣州數(shù)控設(shè)備有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)

的、具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的機(jī)器人控制系統(tǒng)。

3.華中數(shù)控CCR等系列控制系統(tǒng)

從1999年開始，華中數(shù)控股份有限公司就開發(fā)出了華中I型機(jī)器人的控制系統(tǒng)和教育機(jī)器人。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，目前華中數(shù)控股份有限公司已掌握了多項(xiàng)機(jī)器人控制和伺服

電機(jī)的關(guān)鍵核心技術(shù)，在控制器、伺服驅(qū)動器和電機(jī)這三大核心部件領(lǐng)域均具備了很大的技術(shù)優(yōu)勢。而CCR系列控制系統(tǒng)是華中數(shù)控股份有限公司自主研發(fā)的重要機(jī)器人控制系統(tǒng)。

4.固高科技GUC等系列控制系統(tǒng)

目前，固高科技股份有限公司的GUC系列控制系統(tǒng)涵蓋了從三軸到八軸各類型號的機(jī)器人，其中技術(shù)難度最大的八軸機(jī)器人已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。與此同時，從2010年開始，固高科技股份有限公司逐漸提出了驅(qū)控一體化的產(chǎn)品體系架構(gòu)，并推出了六軸驅(qū)控一體機(jī)。

4.4-本

章

小

結(jié)

機(jī)器人的控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，是決定機(jī)器人基本功能和技術(shù)性能的主要因素。機(jī)器人控制技術(shù)的主要任務(wù)是控制機(jī)器人在工作空間中的運(yùn)動位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動作的時間等。多數(shù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)是一個空間開鏈結(jié)構(gòu)，各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動是相互獨(dú)立的。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端執(zhí)行器的正確運(yùn)動，需要多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動。因此，機(jī)器人控制系統(tǒng)與普通的控制系統(tǒng)相比較要復(fù)雜一些。

機(jī)器人控制系統(tǒng)通過控制操作機(jī)來完成特定的工作任務(wù)，主要有示教

再現(xiàn)、坐標(biāo)設(shè)置、與外圍設(shè)備聯(lián)系和位置伺服等功能。

機(jī)器人控制方式的選擇是由機(jī)器人所執(zhí)行的任務(wù)決定的。機(jī)器人控制方式主要有伺服控制、位置控制、速度控制、力控制(包括位置/力混合控制)。第5章機(jī)器人傳感系統(tǒng)5.1機(jī)器人傳感系統(tǒng)概述5.2機(jī)器人內(nèi)部傳感器5.3機(jī)器人外部傳感器5.4機(jī)器人感知系統(tǒng)運(yùn)動控制實(shí)例5.5本章小結(jié)

5.1機(jī)器人傳感系統(tǒng)概述

5.1.1傳感器的定義傳感器(transducer/sensor)是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息按一定規(guī)律變換為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器主要由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路及輔助電源四部分組成，如圖5-1所示。圖5-1傳感器的組成

5.1.2傳感器的分類

機(jī)器人傳感器可按多種方法進(jìn)行分類，具體如下。

根據(jù)是否接觸被測量，傳感器可分為接觸式傳感器和非接觸式傳感器。非接觸式傳感器以某種電磁射線(如可見光、X射線、紅外線、雷達(dá)波、聲波、超聲波和電磁射線等)形式測量目標(biāo)響應(yīng)。接觸式傳感器以某種實(shí)際接觸(如力、力矩、壓力、位置、溫度、電量和磁量等)形式測量目標(biāo)響應(yīng)。

機(jī)器人工作時，需要檢測其自身狀態(tài)和作業(yè)對象以及作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，因此根據(jù)工作室檢測對象的不同，機(jī)器人傳感器一般可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器兩大類。傳感系統(tǒng)

在工業(yè)機(jī)器人中的主要工作流程如圖5-2所示。圖5-2傳感系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人中的主要工作流程

傳統(tǒng)的機(jī)器人僅采用內(nèi)部傳感器，用于精確控制機(jī)器人的運(yùn)動、位置和姿態(tài)?，F(xiàn)今，外部傳感器被廣泛安裝和應(yīng)用，使得機(jī)器人對外部環(huán)境的適應(yīng)能力逐步提升，從而體現(xiàn)了一

定的智能性。表5-1中列出了常用的機(jī)器人內(nèi)、外部傳感器比較。給機(jī)器人安裝什么樣的傳感器以及傳感器的性能要求，是現(xiàn)今設(shè)計機(jī)器人傳感系統(tǒng)的首要問題。在設(shè)計機(jī)器人傳

感系統(tǒng)時，應(yīng)當(dāng)考慮機(jī)器人的具體工作需要和應(yīng)用特點(diǎn)，根據(jù)檢測對象、使用環(huán)境選擇合適的傳感器，以最大程度地減小環(huán)境造成的影響，確保機(jī)器人精準(zhǔn)地完成作業(yè)任務(wù)。

5.1.3傳感器的性能指標(biāo)

為了方便評價和選擇傳感器，需要確定每種傳感器的性能指標(biāo)，了解各項(xiàng)性能對機(jī)器人的影響。傳感器的特性主要指輸出量與輸入量之間的關(guān)系。當(dāng)輸入量為常量或變化極為

緩慢時，稱為靜態(tài)特性；當(dāng)輸入量隨時間變化時，稱為動態(tài)特性。

1.靈敏度

靈敏度是指當(dāng)傳感器的輸出量達(dá)到穩(wěn)定時，輸出量變化與輸入量變化的比值。假如傳感器的輸出量和輸入量呈線性關(guān)系，則其靈敏度可表示為

式中，s為傳感器的靈敏度，Δy

為傳感器輸出量的增量，Δx

為傳感器輸入量的增量。

2.線性度

線性度反映傳感器輸出量與輸入量之間的線性程度。輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離擬合直線的程度又稱為非線性誤差，可用下式表示：

式中，ΔLmax為實(shí)際曲線與擬合直線之間的最大偏差，yFS為輸出滿量程值。

假設(shè)傳感器的輸出量為y，輸入量為x，則y與x

的關(guān)系可表示為

若b

為常數(shù)，或者近似為常數(shù)，則傳感器的線性度較高；若b

是一個變化較大的量，則傳感器的線性度較低。機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)該選用線性度較高的傳感器。實(shí)際上，只有在少數(shù)情況下，傳感器的輸出量和輸入量才呈線性關(guān)系。在大多數(shù)情況下，b

都是x

的函數(shù)，即

3.精度

精度是指傳感器的測量輸出值與實(shí)際測量值之間的誤差。精度通常指的是機(jī)器人傳感器的精確程度，精密度說明測量傳感器輸出值的分散性，精密度高意味著隨機(jī)誤差小。準(zhǔn)確度說明傳感器輸出值與真值的偏離程度，它是系統(tǒng)誤差大小的標(biāo)志。精確度是精密度與準(zhǔn)確度兩者的總和，精度高表示精密度和準(zhǔn)確度都比較高，這是在測量中希望得到的結(jié)果。準(zhǔn)確度、精密度、精度三者之間的關(guān)系如圖5-3所示。圖5-3準(zhǔn)確度、精密度、精度三者之間的關(guān)系

4.重復(fù)性

重復(fù)性是指傳感器在對輸入信號按同一方式進(jìn)行全量程連續(xù)多次測量時，相應(yīng)測試結(jié)果的變化程度，其表示式為

式中，Rmax為同方向測量數(shù)據(jù)的最大偏差，yFS為輸出滿量程值。

5.分辨率

分辨率指傳感器在整個測量范圍內(nèi)所能辨別的被測量的最小變化量，或者所能辨別的不同被測量的個數(shù)。傳感器辨別的被測量的最小變化量越小，或被測量的個數(shù)越多，它的分辨率越高；反之，分辨率越低。無論是示教

再現(xiàn)型機(jī)器人，還是可編程型機(jī)器人，都對傳感器的分辨率有一定的要求。傳感器的分辨率直接影響機(jī)器人的可控程度和控制質(zhì)量，一般需要根據(jù)機(jī)器人的工作任務(wù)規(guī)定傳感器分辨率的最低限度要求。

6.響應(yīng)時間

響應(yīng)時間是傳感器的動態(tài)特性指標(biāo)，是指傳感器的輸入信號變化后，其輸出信號隨之變化并達(dá)到一個穩(wěn)定值所需要的時間。在某些傳感器中，輸出信號在達(dá)到某一穩(wěn)定值前會

發(fā)生短時間的振蕩。傳感器輸出信號的振蕩對機(jī)器人控制系統(tǒng)來說非常不利，會影響機(jī)器人的控制精度和工作精度，所以傳感器的響應(yīng)時間越短越好。響應(yīng)時間的計算應(yīng)當(dāng)以輸入信號開始變化的時刻為起點(diǎn)，以輸出信號達(dá)到穩(wěn)定值的時刻為終點(diǎn)。實(shí)際上，還需要規(guī)定一個穩(wěn)定值范圍，只要輸出信號的變化不再超出此范圍，即可認(rèn)為它已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定值。對于具體的機(jī)器人傳感器，還應(yīng)規(guī)定響應(yīng)時間容許上限。

7.漂移

漂移是指在一定時間間隔內(nèi)，傳感器的輸出量存在著與輸入量無關(guān)的、不需要的變化。漂移常包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移。零點(diǎn)漂移是指在某環(huán)境量(時間、溫度等)的變化間隔內(nèi)，零點(diǎn)輸出的變化。靈敏度漂移是指在某環(huán)境量(時間、溫度等)的變化間隔內(nèi)，靈敏度輸出的變化。

5.1.4機(jī)器人傳感器的選擇與要求

1.性價比

傳感器成本是首要的考慮因素。隨著機(jī)器人傳感系統(tǒng)的逐漸復(fù)雜，同一臺機(jī)器人上需要配置多個傳感器，在滿足正常穩(wěn)定工作的前提下，我們僅考慮傳感器的成本、使用壽命、后期維修與更換等與產(chǎn)品性價比有關(guān)的問題即可。

2.重量和尺寸

由于機(jī)器人是運(yùn)動裝置，在設(shè)計時應(yīng)盡量減輕自身負(fù)載，因此傳感器應(yīng)輕量化。傳感器過重會增加機(jī)械臂的慣量，同時還會減少總的有效載荷。根據(jù)傳感器的不同應(yīng)用場合，尺寸大小有時也非常重要。

3.接口與輸出類型

首先，傳感器必須能與其他設(shè)備(如處理器和控制器)相連接。如果傳感器與其他設(shè)備的端口不匹配或兩者之間需要其他額外電路，那么需要解決傳感器與設(shè)備間的接口問題。其次，根據(jù)不同的應(yīng)用，傳感器的輸出量可以是數(shù)字量，也可以是模擬量，它們可以直接使用，也可以進(jìn)行轉(zhuǎn)化后才能使用。

4.抗干擾能力

機(jī)器人的工作環(huán)境是多種多樣的，在有些情況下可能相當(dāng)惡劣，因此必須考慮機(jī)器人傳感器的抗干擾能力。傳感器輸出信號的穩(wěn)定是控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提，為防止機(jī)器人

的意外動作或發(fā)生故障，設(shè)計傳感器系統(tǒng)時必須采用可靠的設(shè)計技術(shù)。通常，抗干擾能力是通過單位時間內(nèi)發(fā)生故障的概率來定義的，因此它是一個統(tǒng)計指標(biāo)。

5.安全保護(hù)

在選擇機(jī)器人傳感器時，除了需要根據(jù)實(shí)際工況、檢測精度、控制精度等具體的要求確定所用傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)，還需要考慮機(jī)器人和操作人員的安全問題。因此，應(yīng)從機(jī)器人的各個結(jié)構(gòu)的負(fù)載極限、運(yùn)動極限、工作人員監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等方面設(shè)置安全防護(hù)系統(tǒng)，配置額外的傳感器。

5.2機(jī)器人內(nèi)部傳感器

5.2.1位置/位移傳感器機(jī)器人的位置/位移傳感器可分為以下兩類。

(1)限位開關(guān)類傳感器。這類傳感器用于檢測指定位置，常用ON/OFF兩個狀態(tài)值。這類傳感器用于檢測機(jī)器人的起始原點(diǎn)、終點(diǎn)位置或某個確定的位置。檢測指定位置時常用的檢測元件有電容式傳感器、微動開關(guān)、光電開關(guān)等。當(dāng)限位開關(guān)接近或遠(yuǎn)離指定位置時，開關(guān)的電氣觸點(diǎn)斷開(常閉)或接通(常開)，并向控制回路發(fā)出動作信號。

(2)位置測量類傳感器。這類傳感器用于測量可變位置和角度，即測量機(jī)器人關(guān)節(jié)的直線位移和角位移，是機(jī)器人位置反饋控制中必不可少的元件。常用的位置測量類傳感器有電位器式位移傳感器、編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等。其中編碼器既可以檢測直線位移，又可以檢測角位移。

1.電位器式位移傳感器

電位器式位移傳感器主要依賴于電位器，電位器是具有三個引出端口且阻值可按某種變化規(guī)律調(diào)節(jié)的電阻元件。電位器通常由電阻體和可移動的電刷組成。當(dāng)電刷沿電阻體移

動時，在輸出端可獲得與位移量成一定關(guān)系的電阻值或電壓值。電位器式位移傳感器就是將機(jī)械位移通過電位器轉(zhuǎn)換為與之成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓并輸出的傳感器。按照傳

感器結(jié)構(gòu)的不同，電位器式位移傳感器可分為兩大類，即直線型電位器式位移傳感器和旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器。

1)直線型電位器式位移傳感器

直線型電位器式位移傳感器的原理圖及實(shí)物圖如圖5-4所示。圖5-4直線型電位器式位移傳感器的原理圖及實(shí)物圖

直線型電位器式位移傳感器的電壓和位移的關(guān)系為

式中，Uo

為輸入電壓，L

為滑動觸點(diǎn)的最大移動距離，x為滑動觸點(diǎn)向左端移動的距離，Ui

為電阻右側(cè)的輸出電壓。

2)旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器

當(dāng)把直線型電位器式位移傳感器的電阻元件彎成圓弧形，滑動觸點(diǎn)的一端固定在圓的中心，使其像時針那樣旋轉(zhuǎn)時，由于電阻值隨相應(yīng)的轉(zhuǎn)角變化，因此就構(gòu)成了一個可以測量角度的旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器。旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器的原理圖及實(shí)物圖如圖5-5所示。旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器由環(huán)狀電阻器和一個可旋轉(zhuǎn)的電刷共同組成。當(dāng)電流流過電阻器時，形成電壓分布。

當(dāng)電壓分布與角度成比例，滑動觸點(diǎn)在電阻元件上做圓周運(yùn)動；當(dāng)滑動觸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角時，輸出電壓值隨之發(fā)生改變，計算公式為

式中，θ為滑動觸點(diǎn)轉(zhuǎn)過的角度；Uout為θ角內(nèi)圓弧阻值分布的電壓，即輸出電壓；Uin為輸入電壓。圖5-5-旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器的原理圖及實(shí)物圖

2.編碼器

根據(jù)檢測原理的不同，編碼器可分為光電編碼器、磁場式編碼器、感應(yīng)式編碼器和電容式編碼器。根據(jù)刻度方法及信號輸出形式的不同，編碼器可分為增量式編碼器、絕對式

編碼器以及混合式編碼器3種。光電編碼器(如圖5-6所示)在機(jī)器人中應(yīng)用最廣泛，其分辨率能夠滿足機(jī)器人工作時的技術(shù)要求。光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的直線位移或位移轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，屬于非接觸式傳感器。光電編碼器主要由碼盤、檢測光柵、轉(zhuǎn)軸、光電接收器、光電檢測裝置(有光源、光敏元件、信號轉(zhuǎn)換電路)等組

成，如圖5-7所示。圖5-6光電編碼器圖5-7光電編碼器結(jié)構(gòu)圖

光電編碼器分為絕對式光電編碼器和相對式(增量式)光電編碼器兩種類型。相對式光電編碼器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價格低、精度高、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用更為廣泛。特別是在高分辨率和大量程角速率/位移測量系統(tǒng)中，相對式光電編碼器更具優(yōu)越性。

1)絕對式光電編碼器

絕對式光電編碼器的圓形碼盤上沿徑向的若干同心圓稱為碼道，一個光敏元件對應(yīng)一個碼道。若碼盤上的透光區(qū)對應(yīng)二進(jìn)制數(shù)“1”，不透光區(qū)對應(yīng)二進(jìn)制數(shù)“0”，則沿碼盤徑向，由外向內(nèi)，可依次讀出碼道上的二進(jìn)制數(shù)。圖5-8絕對式光電編碼器的工作原理

2)相對式光電編碼器

相對式光電編碼器又稱為增量式光電編碼器，常被用于測量旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，其圓形碼盤上的透光區(qū)域與不透光區(qū)域相互間隔，均勻分布在碼盤邊緣。相對式光電編碼器的工作原理如圖5-9所示。圖5-9相對式光電編碼器的工作原理

3.旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器由鐵芯、兩個定子線圈(二次線圈)和一個轉(zhuǎn)子線圈(一次線圈)組成，是測量旋轉(zhuǎn)角度的傳感器。旋轉(zhuǎn)變壓器同樣也是變壓器，其工作原理如圖5-10所示。圖5-10旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理

隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，最終第一個二次線圈中的電壓達(dá)到零，而第二個二次線圈中的電壓達(dá)到最大值。其他角度時刻的電壓值與兩個二次線圈和一次線圈夾角的正弦、余弦值成正比。即若轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角為θ，則轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電動勢為

式中，K

為定子轉(zhuǎn)子線圈的匝數(shù)比，ω

為定子繞組中交流勵磁電壓頻率，Um為定子繞組交流勵磁電壓幅值。

5.2.2速度/加速度傳感器

1.編碼器

前面講過編碼器的工作原理就是將角位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，因此就沒有必要給機(jī)器人配置額外的速度傳感器。只需根據(jù)測得的位移和編碼器中指定時間內(nèi)脈沖信號的數(shù)量，就能計算出相應(yīng)的角速度。

2.測速發(fā)電機(jī)

測速發(fā)電機(jī)是輸出電動勢與轉(zhuǎn)速成比例的微特電機(jī)，其輸出電動勢E

和轉(zhuǎn)速n

呈線性關(guān)系，即E=Kn，K

是常數(shù)。改變測速發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向時，其輸出電動勢的極性即相應(yīng)改變。當(dāng)被測機(jī)構(gòu)與測速發(fā)電機(jī)同軸連接時，只要檢測出輸出電動勢就能得到被測機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速。

機(jī)器人速度伺服控制系統(tǒng)的控制原理如圖5-11所示。圖5-11機(jī)器人速度伺服控制系統(tǒng)的控制原理

測速發(fā)電機(jī)主要可分為直流測速發(fā)電機(jī)和交流測速發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖5-12所示。圖5-12測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

機(jī)器人對測速發(fā)電機(jī)的性能要求主要是精度高、靈敏度高、可靠性好，具體包括以下5個方面：

(1)輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間有嚴(yán)格的正比關(guān)系。

(2)輸出電壓的脈動要盡可能小。

(3)溫度變化對輸出電壓的影響要小。

(4)在一定轉(zhuǎn)速時所產(chǎn)生的電動勢及電壓應(yīng)盡可能大。

(5)正、反轉(zhuǎn)時輸出電壓應(yīng)對稱。

5.2.3力/扭矩傳感器

對于一些驅(qū)動裝置，比如伺服電機(jī)，可以直接通過測量電機(jī)的電流來測量驅(qū)動力，即用一個檢測電阻和電機(jī)串聯(lián)來測量檢測電阻兩端的電壓降。常見的驅(qū)動力傳感器如圖5-13。圖5-13常見的驅(qū)動力傳感器

對于一般的力控制作業(yè)，需要6個力分量來提供完整的接觸力信息，即3個平移力分量和3個力矩。力/扭矩傳感器有各種尺寸和動態(tài)范圍，為了方便機(jī)器人手腕更靈活地完成動作，更多的力/扭矩傳感器被研發(fā)出來。各種六軸力傳感器結(jié)構(gòu)如圖5-14所示。圖5-14各類六軸力傳感器結(jié)構(gòu)圖

5.3機(jī)器人外部傳感器

5.3.1觸覺傳感器觸覺傳感器是機(jī)器人中模仿觸覺功能的傳感器。觸覺是人與外界環(huán)境直接接觸時的重要感覺功能。觸覺傳感器可以判斷機(jī)器人與物體是否接觸，也可以判斷物體的大致形狀及表面特征，這類傳感器通常安裝在末端執(zhí)行器上。簡單的觸覺傳感器以陣列形式排列組合，可以按一定規(guī)律向控制器發(fā)送接觸的形狀信息。機(jī)械式觸覺傳感器如圖5-15所示。圖5-15-機(jī)械式觸覺傳感器

一般情況下，機(jī)器人通過觸覺傳感器可以獲得如下信息。

(1)接觸：判斷機(jī)器人是否接觸物體。

(2)力：觸元受力的大小，以及根據(jù)觸元受力計算得出的更多的表面受力信息。

(3)幾何形狀：接觸區(qū)域的位置、接觸面的形狀，如平面、斜坡、曲面等，或用多次測量匯總出的物體的形狀，如球形、圓柱形等。

(4)機(jī)械特性：摩擦特性和彈性等，以及物體的溫度特性。

(5)滑動狀況：物體與傳感器之間的滑動情況及滑動狀態(tài)。

根據(jù)功能的不同，觸覺傳感器可分為接觸式傳感器、壓覺傳感器、滑覺傳感器。

1.接觸式傳感器

接觸式傳感器主要輔助機(jī)器人完成操作、探測、響應(yīng)三種行為，在現(xiàn)代機(jī)器人的精細(xì)作業(yè)中運(yùn)用廣泛，常用于機(jī)器人末端執(zhí)行器的接觸判定，物體表面硬度、熱特性、粗糙度等信息的獲取等，使得末端執(zhí)行器更穩(wěn)定地完成工作任務(wù)。常見的接觸式傳感器有微動開關(guān)、觸須式傳感器、柔性接觸傳感器、觸覺傳感器陣列，如圖5-16所示。圖5-16常見的接觸式傳感器圖5-16常見的接觸式傳感器

(1)微動開關(guān)：最簡單的接觸式傳感器。它主要由彈簧和觸點(diǎn)構(gòu)成。觸點(diǎn)接觸外界物體后離開基板，造成信號通路斷開或閉合，從而檢測到與外界物體的接觸。微動開關(guān)的觸點(diǎn)間距小、動作行程短、按動力小、通斷迅速，具有使用方便、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。

(2)觸須式傳感器：與昆蟲的觸須類似，可以安裝在移動機(jī)器人的四周，用以發(fā)現(xiàn)外界環(huán)境中的障礙物。該傳感器的控制桿采用柔軟的彈性物質(zhì)制成，相當(dāng)于微動開關(guān)的觸點(diǎn)，當(dāng)觸須式傳感器觸及物體時，接通輸出回路，輸出電壓信號。

(3)柔性接觸傳感器：具有獲取物體表面形狀二維信息的潛在能力。這種傳感器的結(jié)構(gòu)與物體周圍的輪廓相吻合，移去物體時，傳感器即恢復(fù)到最初形狀。

(4)觸覺傳感器陣列：由若干個感知單元組成陣列結(jié)構(gòu)，用于感知目標(biāo)物體的形狀。

2.壓覺傳感器

壓覺傳感器在機(jī)器人的手部和足部應(yīng)用較多，其檢測手部抓取物體時的壓力，用來控制抓取力，保證抓取力不會過大而將物體損壞。例如，抓取雞蛋、西紅柿等物體時，壓覺傳感器可以很好地控制力度。機(jī)器人足部的壓覺傳感器能用來控制機(jī)器人的步態(tài)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定走動。常見的壓覺傳感器包括電容式壓覺陣列、電阻式壓覺陣列和微機(jī)電壓覺陣列，如圖5-17所示。圖5-17常見的壓覺傳感器圖5-17常見的壓覺傳感器

(1)電容式壓覺陣列。電容式壓覺陣列式是最早且最普遍的壓覺傳感器，常用于嵌入機(jī)器人指尖與物體接觸部分，便于靈巧操作。這種傳感器中電容單元的兩電極被彈性介質(zhì)

分開，在機(jī)器人接觸部分因受力產(chǎn)生變形后會導(dǎo)致電容發(fā)生變化，間接地感知壓力大小。

(2)電阻式壓覺陣列。電阻式壓覺陣列一般采用模塑導(dǎo)電橡膠或壓阻油墨制作，通過受力后的電阻變化感知壓力。

(3)微機(jī)電壓覺陣列。微機(jī)電壓覺陣列通常采用硅、壓電陶瓷、壓電薄膜等多層復(fù)合結(jié)構(gòu)嵌入彈性體中來模擬人類皮膚感知彈性體中復(fù)雜的應(yīng)力變化。

3.滑覺傳感器

滑覺是物體與感覺器官有相對位移趨勢時的感覺。機(jī)器人在抓取不知屬性的物體時，其自身應(yīng)能確定最佳握緊力的給定值。當(dāng)握緊力不夠時，滑覺傳感器檢測被提物體的滑動，

利用該檢測信號，在不損害物體的前提下，考慮采取最可靠的夾持方法握緊物體。因此，壓覺通常用于控制末端夾持器的握力，而滑覺用于檢測滑動以及修正設(shè)定的握力值以防止滑動。常見的滑覺傳感器有滾動式滑覺傳感器、球式滑覺傳感器和振動式滑覺傳感器，如圖5-18所示，它們的不同點(diǎn)是轉(zhuǎn)換滑動的形式不同?？偟膩碚f，當(dāng)傳感器接觸表面產(chǎn)生滑動時，滑覺感知器先將滑動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動，再進(jìn)行檢測。圖5-18常見的滑覺傳感器圖5-18常見的滑覺傳感器

(1)滾動式滑覺傳感器?；瑒右饾L輪轉(zhuǎn)動，帶動磁鐵發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過檢測磁鐵與磁頭處的磁阻變化量得出滑動量。

(2)球式滑覺傳感器。這類傳感器由金屬球和探針組成，金屬球表面依次排列著導(dǎo)電與絕緣小方格?；瑒訋咏饘偾蜣D(zhuǎn)動，根據(jù)探針上探測的脈沖信號的頻率可以測得滑動速

度和滑動位移。

(3)振動式滑覺傳感器。當(dāng)探針的鋼球與滑動物體接觸時，物體的滑動引起探針振動，依據(jù)內(nèi)部感應(yīng)線圈輸出的信號來判定物體是否滑動。

5.3.2接近覺傳感器

1.電容式接近覺傳感器

電容式接近覺傳感器利用電容量的變化感知接近物體，其實(shí)物圖及原理圖如圖5-19所示。圖5-19電容式接近覺傳感器的實(shí)物圖及原理圖

電容式接近覺傳感器本身作為一個極板，被接近物體作為另一個極板，將該電容接入電橋電路或RC振蕩電路，利用電容極板距離變化產(chǎn)生的電容變化可以檢測出被接近物體的距離。電容器的電容值受極板間距、相對面積和極板間介電系數(shù)的影響，其表達(dá)為

式中，d

為極板間距，A

為兩極板相對面積，ε為極板間介電常數(shù)，ε0

為真空介電常數(shù)，εr為介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)。

2.電感式接近覺傳感器

電感式接近覺傳感器的工作原理是電磁感應(yīng)，即把機(jī)器人傳感器感知的距離變化轉(zhuǎn)換為電感量變化。常用的電感式接近覺傳感器主要有線圈磁鐵式接近覺傳感器、電渦流式接

近覺傳感器以及霍爾式接近覺傳感器。

(1)線圈磁鐵式接近覺傳感器：由裝在殼體內(nèi)的一小塊永磁鐵和繞在磁鐵上的線圈構(gòu)成。當(dāng)被測物體進(jìn)入永磁鐵的磁場時，這種接近覺傳感器在線圈里感應(yīng)出電壓信號。

(2)電渦流式接近覺傳感器：由線圈、激勵電路和測量電路組成，它的線圈受激勵而產(chǎn)生交變磁場，當(dāng)金屬物體接近時就會由于電渦流效應(yīng)而輸出電信號。

(3)霍爾式接近覺傳感器：由霍爾元件或磁敏二極管、三極管構(gòu)成。當(dāng)磁敏元件進(jìn)入磁場時，霍爾式接近覺傳感器就產(chǎn)生霍爾電勢，從而能檢測出引起磁場變化的物體的接近。

3.光電式接近覺傳感器

光電式接近覺傳感器主要包括光電開關(guān)和光幕。

1)光電開關(guān)

通常我們所說的光電式接近覺傳感器也叫光電開關(guān)，其主要通過檢測物體對光束的遮擋或反射，把光信號轉(zhuǎn)化為電信號，從而檢測物體的有無、位置變化情況、顏色等信息。在光電式接近覺傳感器中，發(fā)光二極管(或半導(dǎo)體激光管)的光束軸線和光電三極管的軸線在一個平面上，并成一定的夾角，兩軸線在傳感器前方交于一點(diǎn)。

光電開關(guān)一般由發(fā)射器、接收器和檢測電路三部分構(gòu)成，如圖5-20所示。圖5-20光電開關(guān)組成

根據(jù)檢測方式的不同，光電開關(guān)可分為對射式光電開關(guān)、漫反射式光電開關(guān)、鏡面反射式光電開關(guān)、槽式光電開關(guān)和光纖式光電開關(guān)。

(1)對射式光電開關(guān)。對射式光電開關(guān)由發(fā)射器和接收器組成，兩者在結(jié)構(gòu)上是相互分離的，在光束被中斷的情況下會產(chǎn)生一個開關(guān)信號變化。對射式光電開關(guān)典型的方式是位于同一軸線上的光電開關(guān)可以相互分開較遠(yuǎn)距離，用于辨別不透明的反光物體，且不易受干擾。

(2)漫反射式光電開關(guān)。漫反射式光電開關(guān)是指當(dāng)開關(guān)發(fā)射光束時，目標(biāo)產(chǎn)生漫反射，發(fā)射器和接收器構(gòu)成單個的標(biāo)準(zhǔn)部件。當(dāng)有足夠的組合光返回接收器時，開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變

化。漫反射式光電開關(guān)的特征是有效作用距離由目標(biāo)的反射能力、目標(biāo)表面性質(zhì)和顏色決定，對目標(biāo)上的灰塵敏感和對目標(biāo)變化了的反射性能敏感。

(3)鏡面反射式光電開關(guān)。鏡面反射式光電開關(guān)由發(fā)射器和接收器構(gòu)成，從發(fā)射器發(fā)出的光束被對面的反射鏡反射，即返回接收器，當(dāng)光束被中斷時，會產(chǎn)生一個開關(guān)信號的變化。光的通過時間是兩倍的信號持續(xù)時間。這種光電開關(guān)可辨別物體的透明程度。

(4)槽式光電開關(guān)。槽式光電開關(guān)通常是標(biāo)準(zhǔn)的U型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊。當(dāng)被檢測物體經(jīng)過U型槽且阻斷光軸時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測到的開關(guān)量信號。槽式光電開關(guān)比較安全可靠，適合檢測高速變化以及分辨透明與半透明物體。

(5)光纖式光電開關(guān)。光纖式光電開關(guān)采用塑料或玻璃光纖傳感器引導(dǎo)光線，以實(shí)現(xiàn)被檢測物體不在相近區(qū)域的檢測。

2)光幕

配置安全光幕的機(jī)器人如圖5-21所示。圖5-21配置安全光幕的機(jī)器人

4.超聲波式接近覺傳感器

超聲波式接近覺傳感器是移動機(jī)器人避障、測距時常用的傳感器之一，其也可用來測量物體的距離。超聲波式接近覺傳感器由超聲波發(fā)射器和接收器組成，如圖5-22所示。圖5-22超聲波式接近覺傳感器

5.3.3視覺傳感器

機(jī)器人視覺傳感器是通過光學(xué)裝置和非接觸式傳感器自動地接收和處理一個真實(shí)物體的圖像，以獲得所需信息或控制機(jī)器人運(yùn)動的裝置。機(jī)器視覺系統(tǒng)如圖5-23所示。一個典

型的機(jī)器視覺系統(tǒng)包括光源、鏡頭、相機(jī)(包括CCD相機(jī)和COMS相機(jī))、圖像處理單元(或圖像捕獲卡)、圖像處理軟件、監(jiān)視器、通信/輸入輸出單元等。圖5-23機(jī)器視覺系統(tǒng)

機(jī)器視覺系統(tǒng)模擬人的視覺功能，從客觀事物的圖像中提取信息，進(jìn)行處理并加以理解，最終用于實(shí)際檢測、測量和控制，其主要功能有以下幾個方面：

(1)定位：找到目標(biāo)物體并精準(zhǔn)定位，引導(dǎo)機(jī)器人末端移動。

(2)測量：測量目標(biāo)物體的尺寸，如長、寬、高、體積、表面積等。

(3)檢查：確認(rèn)產(chǎn)品質(zhì)量，檢查有無缺陷。

(4)識別：識別指定內(nèi)容，如二維碼、光學(xué)字符等。

機(jī)器視覺技術(shù)具有精度高以及連續(xù)性、靈活性、標(biāo)準(zhǔn)性

等特點(diǎn)。

(1)精度高：機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠?qū)Χ鄠€目標(biāo)進(jìn)行空間測量。由于測量是非接觸式的，因此對目標(biāo)沒有損傷和危險