【正文】 機器人技術基礎 第 5章 機器人的控制系統(tǒng) 機器人傳感器 驅動與運動控制系統(tǒng) 控制理論與算法 (不要求 ) 2022/2/9 2 概述 ? 工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)包含對機器人本體工作過程進行控制的 控制機 、 機器人傳感器 、 運動伺服驅動系統(tǒng)等 。 ? 控制系統(tǒng)主要對機器人工作過程中的 位置及姿態(tài) 、 路徑軌跡及規(guī)劃 以及末端執(zhí)行器施加在被作用物上的力和力矩等進行控制 。 ? 控制系統(tǒng)中涉及傳感技術 、 驅動技術 、 控制理論和控制算法 。 2022/2/9 3 概述 (續(xù) ) ? 目前廣泛使用的工業(yè)機器人中 ， 控制機多為微型計算機 ，設有專門的控制柜 。 ? 機器人一般配有簡單的內(nèi)部傳感器 ， 用來感知運行速度 、位置和姿態(tài)等 ， 還可以配備簡易的視覺 、 力傳感器感知外部環(huán)境 。 ? 近年來 ， 智能機器人 的研究 ,主要體現(xiàn)在 :處理的信息量大 ，控制算法復雜 。 同時 配備了多種內(nèi)部 、 外部傳感器 ， 不但能感知內(nèi)部關節(jié)運行速度及力的大小 ， 還能對外部的環(huán)境信息進行感知 、 反饋和處理 。 2022/2/9 4 機器人傳感器 ? 機器人傳感器的特點和要求 ? 機器人內(nèi)部傳感器 ? 機器人外部傳感器 2022/2/9 5 機器人傳感器的特點和要求 ? 一 、 機器人傳感器的種類 ? 傳感器是以一定精度將被測量 (如位移 、 力 、 加速度 、 溫度等 )轉換為與之有確定對應關系 、 易于處理的某種物理量的部件或裝置 ()。 ? 完整的傳感器應包括敏感元件 、 轉換元件 、 基本轉換電路三部分 ?(以應變片為例 )。 ? 使傳感器的信號輸出應符合具體工業(yè)系統(tǒng)的要求 (如 4～20mA、 –5～ 5V)。 2022/2/9 6 傳感器的種類 ? 機器人傳感器除了常見的位置 、 速度傳感器外 ，還包括以下幾類傳感器： ? (1) 簡單 /復合觸覺 —— 確定工件對象是否存在 ,以及它的尺寸和形狀等 。 ? (2) 簡單 /復合力覺 —— 單維力或多維力的測量 。 ? (3) 接近覺 —— 工作對象的非接觸探測 。 ? (4) 簡單 /復合視覺 —— 孔 、 邊 、 拐角等的檢測 /識別工作對象的形狀等 。 ? 一些特殊領域應用的機器人還可能需要具有溫度 、濕度 、 壓力 、 滑動量 、 化學性質(zhì)等感覺能力方面的傳感器 。 2022/2/9 7 二、傳感器的性能指標 ? (1) 基本參數(shù) ， 包括量程 、 靈敏度 、 靜態(tài)精度和動態(tài)性能(頻率特性及階躍特性 )。 ? (2) 環(huán)境參數(shù) ， 包括溫度 、 振動沖擊及其他參數(shù) (潮濕 、腐蝕及抗電磁干擾等 )。 ? (3) 使用條件 ， 包括電源 、 尺寸 、 安裝方式 、 電信號接口及校準周期等 。 2022/2/9 8 較重要和常用的一些參數(shù)指標 ? 1． 靈敏度 ? 2． 線性度 ? 3． 精度 ? 4． 重復性 ? 5． 分辨率 ? 6． 響應時間 :傳感器的動態(tài)特性指標 ? 7． 抗干擾能力 2022/2/9 9 機器人內(nèi)部傳感器 ? 操作機器人根據(jù)具體用途不同可以選擇不同的控制方式 ， 如位置控制 、 速度控制及力控制等 。 ? 機器人的位置或速度控制通常是在 關節(jié)空間 進行的 ， 機器人控制系統(tǒng)的基本單元是機器人單關節(jié)位置 、 速度控制 . ? 用于 檢測關節(jié)位置或速度的傳感器 也成為機器人關節(jié)組件中的基本單元 (所謂的內(nèi)部傳感器 )。 2022/2/9 10 一、位置傳感器 ? 常見的有電阻式 、 電容式 、 電感式位移傳感器及編碼式位移傳感器 、 霍爾元件位移傳感器 、 磁柵式位移傳感器等 。 這里介紹幾種典型的位移傳感器 。 2022/2/9 11 1．電位器式位移傳感器 ? 電位器式位移傳感器主要有電位器和滑動觸點組成 ， 通過觸點的滑動改變電位器的阻值來測量信號的大小 。 ? 這種位移傳感器 可以測量直線位移也可以測量角位移 ? 測量角位移的電位器式位移傳感器的結構原理如圖 。 2022/2/9 12 旋轉型電位器式位移傳感器 ? 圖中可變電阻做成圓弧形 ， 滑動觸點是一個繞中心回轉的電刷 ， 當被測角度發(fā)生變化時 ， 電刷轉過的角度隨之改變 ,輸出與角度成線性關系的電壓信號 。 2022/2/9 13 直線型電位器式位移傳感器 ? 將可變電阻做成直線形 ， 當電刷沿電阻的長度方向作直線運動時 ， 可測量出與電刷固連的被測物的直線位移 。 其測量原理如圖 。 2022/2/9 14 電位器式位移傳感器特點 ? 電位器式位移傳感器結構簡單 ， 性能穩(wěn)定 ， 精度高 。 ? 只要改變可變電阻兩端的基準電壓 ， 就可以在一定程度上選擇其輸出信號范圍 ， 且測量過程中掉電或發(fā)生故障時 ， 輸出信號能得到保持而不會自動丟失 。 ? 其缺點是滑動觸點容易磨損 。 ? +運動中接觸點可能不可靠 ? 2022/2/9 15 2．編碼式位移傳感器 ? 編碼式位移傳感器是一種數(shù)字式位移傳感器 ， 其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖 ， 可以測直線位移也可以測轉角 。 ? 編碼式位移傳感器測量范圍大 ， 檢測精度高 ， 在機器人的位置檢測及其他工業(yè)領域都得到了廣泛的應用 ()。 ? 編碼器按照測出的信號是絕對信號還是增量信號 ， 可分為絕對式編碼器和增量式編碼器 ； ? 按照結構及信號轉換方式 ， 又可分為光電式 、 接觸式及電磁式等 。 目前機器人中較為常用的是光電式編碼器 。 2022/2/9 16 1) 絕對式光電編碼器 ? 絕對式編碼器是一種直接編碼式的測量元件 ， 它可以直接把被測轉角或位移轉化成相應的代碼 ， ? 指示的是絕對位置而無絕對誤差 ， 在電源切斷時不會失去位置信息 。 ? 但其結構復雜 ， 價格昂貴 ， 且 不易做到高精度和高分辨率 (現(xiàn)在已不存在此問題 )。 2022/2/9 17 絕對式光電編碼器 (續(xù) ) ? 編碼盤以一定的編碼形式 (如二進制編碼等 )將圓盤分成若干等分 ， 利用光電原理把代表被測位置的各等分上的數(shù)碼轉化成電信號輸出以用于檢測 。 ? 圖 (a)所示為四位二進制編碼盤 ， 編碼盤由多個同心的碼道 (track)組成 ， 這些碼道沿徑向順序具有各自不同的二進制權值 。 2022/2/9 18 絕對式光電編碼器 (續(xù) ) 紅色處應為白色 順時針 ,由外向里讀數(shù) 2022/2/9 19 絕對式光電編碼器 (續(xù) ) ? 每個碼道上按其權值劃分為 遮光段和投射段 (分別為圖中白色和黑色部分 )， 分別代表二進制數(shù)的 0和 1， ? 與碼道個數(shù)相同的光電器件分別與各自對應的碼道對準 ,并沿編碼盤的半徑直線排列 ， 通過這些光電器件的檢測可以產(chǎn)生絕對位置的二進制碼 。 ? 絕對式編碼器對于轉軸的每一個位置均產(chǎn)生惟一的二進制編碼 ， 因此可用于確定絕對位置 。 ? 絕對位置的分辨率取決于二進制編碼的位數(shù) ， 亦即碼道的個數(shù) 。 圖 (a)中的 4個碼道可產(chǎn)生 2^4即 16個位置 ， 如有10個碼道則可產(chǎn)生 1?024個位置 ， 此時角度的分辨率為360/1024=21’ 6” .目前光電編碼器單個編碼盤可以做到18個碼道 。 2022/2/9 20 循環(huán)碼 (格雷碼 ) ? 使用二進制 編碼盤 時 ， 當編碼盤在其兩個相鄰位置的邊緣交替或來回擺動時 ， 由于制造精度和安裝質(zhì)量誤差或光電器件的排列誤差將 產(chǎn)生編碼數(shù)據(jù)的大幅跳動 ， 導致位置顯示和控制失常 。 ? 例如 ， 從位置 0011到 0100， 若位置失常 ， 就可能得到 0000、000 00 010 01 0111等多個碼值 。 所以 ， 二進制編碼盤現(xiàn)在已較少使用 ， 而改為采用圖 (b)所示的循環(huán)碼編碼盤 。 ? 循環(huán)碼又稱格雷碼 ， 真值與其碼值及二進制碼值的對照見表 。 2022/2/9 21 循環(huán)碼 (格雷碼 )(續(xù) ) ? 循環(huán)碼是非加權碼 ， 其特點是相鄰兩個代碼間只有一位數(shù)變化 ， 即 0變 1， 或 1變 0。 ? 如果在連續(xù)的兩個數(shù)碼中發(fā)現(xiàn)數(shù)碼變化超過一位 ，就認為是非法的數(shù)碼 ， 因而格雷碼具有一定的 糾錯 ?(檢錯非糾錯 )能力 。 2022/2/9 22 循環(huán)碼 (格雷碼 )(續(xù) ) 二者之間的轉換 ? 2022/2/9 23 2) 增量式光電編碼器 ? 增量式光電編碼器以數(shù)字形式測量出轉軸相對于某一基準位置的瞬間角位置 ， 另外還能測出轉軸的轉速和轉向 (測控電路 :細分與辨向 )。 ? 圖 (a)所示為編碼盤的結構圖 ， 編碼器的編碼盤有三個同心光柵 ， 分別稱為 A相 、 B相和 C相光柵 (結構示意 ,并不都是如此 )。 ? A相光柵與 B相光柵上分別間隔有相等的透明和不透明區(qū)域用于透光和遮光 ， A相和 B相在編碼盤上互相錯開半個區(qū)域(相位超前 /滯后 90176。 ,或 1/4周期 )。 2022/2/9 24 增量式光電編碼器 (續(xù) ) 2022/2/9 25 增量式光電編碼器 (續(xù) ) ? 增量式光電編碼器沒有接觸磨損 ， 允許高轉速 ， 精度及可靠性好 ， 但結構復雜 ， 安裝困難 ?。 ? 常用的增量式編碼器的分辨率一般為 2022?P/r、 2500?P/r、3000?P/r、 20220 P/r、 25000 P/r及 30000 P/r等 。 ? 在機器人的關節(jié)轉軸上裝有增量式光電編碼器 ， 可測量出轉軸的相對位置 ， 但 不能確定機器人轉軸的絕對位置 ， 所以這種光電編碼器一般用于定位精度要求不高的機器人 ，如噴涂 、 搬運及碼跺機器人等 。 ? 目前已出現(xiàn)包含絕對式和增量式兩種類型的混合式編碼器 。使用這種編碼器時 ， 使用絕對式確定機器人的絕對位置 ，確定由初始位置開始的變動角的精確位置則使用增量式 。 2022/2/9 26 增量式光電編碼器 (續(xù) ) ? 根據(jù) A、 B相任何一光柵輸出 脈沖數(shù) 的多少就可以確定編碼盤的相對轉角； ? 根據(jù)輸出 脈沖的頻率 可以確定編碼盤的轉速； ? 采用適當?shù)倪壿嬰娐?， 根據(jù) A、 B相輸出脈沖的相序就可以確定編碼盤的旋轉方向 。 ? A、 B兩相光柵為工作信號 ， C相為標志信號 ， 編碼盤每旋轉一周 ， 標志信號發(fā)出一個脈沖 ， 它用來作為同步信號 。 2022/2/9 27 二、速度傳感器 ? 速度傳感器是機器人中較重要的內(nèi)部傳感器之一 。由于在機器人中主要測量機器人關節(jié)的運行速度 ，故這里僅介紹角速度傳感器 。 ? 目前廣泛使用的角速度傳感器有 測速發(fā)電機 增量式光電編碼器 2022/2/9 28 速度傳感器 (續(xù) ) ? 測速發(fā)電機是應用廣泛 ， 能直接得到代表轉速的電壓且具有良好實時性的一種速度測量傳感器 。 ? 增量式編碼器既可以用來測量增量角位移又可以測量瞬時角速度 。 速度的輸出有模擬式 (頻率 電壓轉換 )和數(shù)字式兩種 。 2022/2/9 29 1．測速發(fā)電機 ? 測速發(fā)電機是一種模擬式速度傳感器 。 ? 測速發(fā)電機實際上是一臺小型永磁式直流發(fā)電機 ，其結構原理如圖 。 ? 其工作原理基于法拉第電磁感應定律 ， 當通過線圈的磁通量恒定時 ， 位于磁場中的線圈旋轉使線圈兩端產(chǎn)生的電壓 (感應電動勢 )與線圈 (轉子 )的轉速成正比 () 2022/2/9 30 直流測速發(fā)電機的結構原理 永久磁鐵 轉子線圈 電刷 整流子 2022/2/9 31 測速發(fā)電機 (續(xù) ) ? 測速發(fā)電機的輸出電壓與轉子轉速呈線性關系 。 ? 但帶有負載時 ， 電樞的