【正文】 22/2/9 34 1) 模擬方式 ? 在這種方式下 ， 必須有一個(gè)頻率 電壓 (F/V)變換器 ， 用來(lái)把編碼器測(cè)得的脈沖頻率轉(zhuǎn)換成與速度成正比的模擬電壓 。 2022/2/9 33 2．增量式光電編碼器測(cè)速 ? 如前所述 ， 增量式光電編碼器在機(jī)器人中既可以作為位置傳感器測(cè)量關(guān)節(jié)相對(duì)位置 ， 又可以作為速度傳感器測(cè)量關(guān)節(jié)速度 。 2022/2/9 32 測(cè)速發(fā)電機(jī) (續(xù) ) ? 測(cè)速發(fā)電機(jī)在機(jī)器人速度閉環(huán)系統(tǒng)中作為速度反饋元件 。 ? 為了減少測(cè)量誤差 ， 應(yīng)使負(fù)載盡可能小且保持負(fù)載性質(zhì)不變 。 ? 其工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律 ， 當(dāng)通過(guò)線圈的磁通量恒定時(shí) ， 位于磁場(chǎng)中的線圈旋轉(zhuǎn)使線圈兩端產(chǎn)生的電壓 (感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) )與線圈 (轉(zhuǎn)子 )的轉(zhuǎn)速成正比 () 2022/2/9 30 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理 永久磁鐵 轉(zhuǎn)子線圈 電刷 整流子 2022/2/9 31 測(cè)速發(fā)電機(jī) (續(xù) ) ? 測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系 。 2022/2/9 29 1．測(cè)速發(fā)電機(jī) ? 測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種模擬式速度傳感器 。 ? 增量式編碼器既可以用來(lái)測(cè)量增量角位移又可以測(cè)量瞬時(shí)角速度 。由于在機(jī)器人中主要測(cè)量機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)行速度 ，故這里僅介紹角速度傳感器 。 ? A、 B兩相光柵為工作信號(hào) ， C相為標(biāo)志信號(hào) ， 編碼盤每旋轉(zhuǎn)一周 ， 標(biāo)志信號(hào)發(fā)出一個(gè)脈沖 ， 它用來(lái)作為同步信號(hào) 。使用這種編碼器時(shí) ， 使用絕對(duì)式確定機(jī)器人的絕對(duì)位置 ，確定由初始位置開(kāi)始的變動(dòng)角的精確位置則使用增量式 。 ? 在機(jī)器人的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸上裝有增量式光電編碼器 ， 可測(cè)量出轉(zhuǎn)軸的相對(duì)位置 ， 但 不能確定機(jī)器人轉(zhuǎn)軸的絕對(duì)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(jī)器人 ，如噴涂 、 搬運(yùn)及碼跺機(jī)器人等 。 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(méi)有接觸磨損 ， 允許高轉(zhuǎn)速 ， 精度及可靠性好 ， 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ， 安裝困難 ?。 ? 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(cuò)開(kāi)半個(gè)區(qū)域(相位超前 /滯后 90176。 2022/2/9 22 循環(huán)碼 (格雷碼 )(續(xù) ) 二者之間的轉(zhuǎn)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(cè)量出轉(zhuǎn)軸相對(duì)于某一基準(zhǔn)位置的瞬間角位置 ， 另外還能測(cè)出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向 (測(cè)控電路 :細(xì)分與辨向 )。 2022/2/9 21 循環(huán)碼 (格雷碼 )(續(xù) ) ? 循環(huán)碼是非加權(quán)碼 ， 其特點(diǎn)是相鄰兩個(gè)代碼間只有一位數(shù)變化 ， 即 0變 1， 或 1變 0。 所以 ， 二進(jìn)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 。 2022/2/9 20 循環(huán)碼 (格雷碼 ) ? 使用二進(jìn)制 編碼盤 時(shí) ， 當(dāng)編碼盤在其兩個(gè)相鄰位置的邊緣交替或來(lái)回?cái)[動(dòng)時(shí) ， 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(dòng) ， 導(dǎo)致位置顯示和控制失常 。 ? 絕對(duì)位置的分辨率取決于二進(jìn)制編碼的位數(shù) ， 亦即碼道的個(gè)數(shù) 。 2022/2/9 18 絕對(duì)式光電編碼器 (續(xù) ) 紅色處應(yīng)為白色 順時(shí)針 ,由外向里讀數(shù) 2022/2/9 19 絕對(duì)式光電編碼器 (續(xù) ) ? 每個(gè)碼道上按其權(quán)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(jìn)制數(shù)的 0和 1， ? 與碼道個(gè)數(shù)相同的光電器件分別與各自對(duì)應(yīng)的碼道對(duì)準(zhǔn) ,并沿編碼盤的半徑直線排列 ， 通過(guò)這些光電器件的檢測(cè)可以產(chǎn)生絕對(duì)位置的二進(jìn)制碼 。 2022/2/9 17 絕對(duì)式光電編碼器 (續(xù) ) ? 編碼盤以一定的編碼形式 (如二進(jìn)制編碼等 )將圓盤分成若干等分 ， 利用光電原理把代表被測(cè)位置的各等分上的數(shù)碼轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸出以用于檢測(cè) 。 2022/2/9 16 1) 絕對(duì)式光電編碼器 ? 絕對(duì)式編碼器是一種直接編碼式的測(cè)量元件 ， 它可以直接把被測(cè)轉(zhuǎn)角或位移轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的代碼 ， ? 指示的是絕對(duì)位置而無(wú)絕對(duì)誤差 ， 在電源切斷時(shí)不會(huì)失去位置信息 。 ? 編碼器按照測(cè)出的信號(hào)是絕對(duì)信號(hào)還是增量信號(hào) ， 可分為絕對(duì)式編碼器和增量式編碼器 ； ? 按照結(jié)構(gòu)及信號(hào)轉(zhuǎn)換方式 ， 又可分為光電式 、 接觸式及電磁式等 。 ? +運(yùn)動(dòng)中接觸點(diǎn)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(cè)量輸出的信號(hào)為數(shù)字脈沖 ， 可以測(cè)直線位移也可以測(cè)轉(zhuǎn)角 。 ? 只要改變可變電阻兩端的基準(zhǔn)電壓 ， 就可以在一定程度上選擇其輸出信號(hào)范圍 ， 且測(cè)量過(guò)程中掉電或發(fā)生故障時(shí) ， 輸出信號(hào)能得到保持而不會(huì)自動(dòng)丟失 。 其測(cè)量原理如圖 。 2022/2/9 12 旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器 ? 圖中可變電阻做成圓弧形 ， 滑動(dòng)觸點(diǎn)是一個(gè)繞中心回轉(zhuǎn)的電刷 ， 當(dāng)被測(cè)角度發(fā)生變化時(shí) ， 電刷轉(zhuǎn)過(guò)的角度隨之改變 ,輸出與角度成線性關(guān)系的電壓信號(hào) 。 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(dòng)觸點(diǎn)組成 ， 通過(guò)觸點(diǎn)的滑動(dòng)改變電位器的阻值來(lái)測(cè)量信號(hào)的大小 。 2022/2/9 10 一、位置傳感器 ? 常見(jiàn)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 。 2022/2/9 8 較重要和常用的一些參數(shù)指標(biāo) ? 1． 靈敏度 ? 2． 線性度 ? 3． 精度 ? 4． 重復(fù)性 ? 5． 分辨率 ? 6． 響應(yīng)時(shí)間 :傳感器的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo) ? 7． 抗干擾能力 2022/2/9 9 機(jī)器人內(nèi)部傳感器 ? 操作機(jī)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 。 ? (2) 環(huán)境參數(shù) ， 包括溫度 、 振動(dòng)沖擊及其他參數(shù) (潮濕 、腐蝕及抗電磁干擾等 )。 ? 一些特殊領(lǐng)域應(yīng)用的機(jī)器人還可能需要具有溫度 、濕度 、 壓力 、 滑動(dòng)量 、 化學(xué)性質(zhì)等感覺(jué)能力方面的傳感器 。 ? (3) 接近覺(jué) —— 工作對(duì)象的非接觸探測(cè) 。 2022/2/9 6 傳感器的種類 ? 機(jī)器人傳感器除了常見(jiàn)的位置 、 速度傳感器外 ，還包括以下幾類傳感器： ? (1) 簡(jiǎn)單 /復(fù)合觸覺(jué) —— 確定工件對(duì)象是否存在 ,以及它的尺寸和形狀等 。 ? 完整的傳感器應(yīng)包括敏感元件 、 轉(zhuǎn)換元件 、 基本轉(zhuǎn)換電路三部分 ?(以應(yīng)變片為例 )。 同時(shí) 配備了多種內(nèi)部 、 外部傳感器 ， 不但能感知內(nèi)部關(guān)節(jié)運(yùn)行速度及力的大小 ， 還能對(duì)外部的環(huán)境信息進(jìn)行感知 、 反饋和處理 。 ? 機(jī)器人一般配有簡(jiǎn)單的內(nèi)部傳感器 ， 用來(lái)感知運(yùn)行速度 、位置和姿態(tài)等 ， 還可以配備簡(jiǎn)易的視覺(jué) 、 力傳感器感知外部環(huán)境 。 ? 控制系統(tǒng)中涉及傳感技術(shù) 、 驅(qū)動(dòng)技術(shù) 、 控制理論和控制算法 。機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ) 第 5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 機(jī)器人傳感器 驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)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(jī)器人的控制系統(tǒng)包含對(duì)機(jī)器人本體工作過(guò)程進(jìn)行控制的 控制機(jī) 、 機(jī)器人傳感器 、 運(yùn)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等 。 ? 控制系統(tǒng)主要對(duì)機(jī)器人工作過(guò)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(jìn)行控制 。 2022/2/9 3 概述 (續(xù) ) ? 目前廣泛使用的工業(yè)機(jī)器人中 ， 控制機(jī)多為微型計(jì)算機(jī) ，設(shè)有專門的控制柜 。 ? 近年來(lái) ， 智能機(jī)器人 的研究 ,主要體現(xiàn)在 :處理的信息量大 ，控制算法復(fù)雜 。 2022/2/9 4 機(jī)器人傳感器 ? 機(jī)器人傳感器的特點(diǎn)和要求 ? 機(jī)器人內(nèi)部傳感器 ? 機(jī)器人外部傳感器 2022/2/9 5 機(jī)器人傳感器的特點(diǎn)和要求 ? 一 、 機(jī)器人傳感器的種類 ? 傳感器是以一定精度將被測(cè)量 (如位移 、 力 、 加速度 、 溫度等 )轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系 、 易于處理的某種物理量的部件或裝置 ()。 ? 使傳感器的信號(hào)輸出應(yīng)符合具體工業(yè)系統(tǒng)的要求 (如 4～20mA、 –5～ 5V)。 ? (2) 簡(jiǎn)單 /復(fù)合力覺(jué) —— 單維力或多維力的測(cè)量 。 ? (4) 簡(jiǎn)單 /復(fù)合視覺(jué) —— 孔 、 邊 、 拐角等的檢測(cè) /識(shí)別工作對(duì)象的形狀等 。 2022/2/9 7 二、傳感器的性能指標(biāo) ? (1) 基本參數(shù) ， 包括量程 、 靈敏度 、 靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)性能(頻率特性及階躍特性 )。 ? (3) 使用條件 ， 包括電源 、 尺寸 、 安裝方式 、 電信號(hào)接口及校準(zhǔn)周期等 。 ? 機(jī)器人的位置或速度控制通常是在 關(guān)節(jié)空間 進(jìn)行的 ， 機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本單元是機(jī)器人單關(guān)節(jié)位置 、 速度控制 . ? 用于 檢測(cè)關(guān)節(jié)位置或速度的傳感器 也成為機(jī)器人關(guān)節(jié)組件中的基本單元 (所謂的內(nèi)部傳感器 )。 這里介紹幾種典型的位移傳感器 。 ? 這種位移傳感器 可以測(cè)量直線位移也可以測(cè)量角位移 ? 測(cè)量角位移的電位器式位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖 。 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(dāng)電刷沿電阻的長(zhǎng)度方向作直線運(yùn)動(dòng)時(shí) ， 可測(cè)量出與電刷固連的被測(cè)物的直線位移 。 2022/2/9 14 電位器式位移傳感器特點(diǎn) ? 電位器式位移傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 性能穩(wěn)定 ， 精度高 。 ? 其缺點(diǎn)是滑動(dòng)觸點(diǎn)容易磨損 。 ? 編碼式位移傳感器測(cè)量范圍大 ， 檢測(cè)精度高 ， 在機(jī)器人的位置檢測(cè)及其他工業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用 ()。 目前機(jī)器人中較為常用的是光電式編碼器 。 ? 但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ， 價(jià)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(wèn)題 )。 ? 圖 (a)所示為四位二進(jìn)制編碼盤 ， 編碼盤由多個(gè)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(jìn)制權(quán)值 。 ? 絕對(duì)式編碼器對(duì)于轉(zhuǎn)軸的每一個(gè)位置均產(chǎn)生惟一的二進(jìn)制編碼 ， 因此可用于確定絕對(duì)位置 。 圖 (a)中的 4個(gè)碼道可產(chǎn)生 2^4即 16個(gè)位置 ， 如有10個(gè)碼道則可產(chǎn)生 1?024個(gè)位置 ， 此時(shí)角度的分辨率為360/1024=21’ 6” .目前光電編碼器單個(gè)編碼盤可以做到18個(gè)碼道 。 ? 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(gè)碼值 。 ? 循環(huán)碼又稱格雷碼 ， 真值與其碼值及二進(jìn)制碼值的對(duì)照見(jiàn)表 。 ? 如果在連續(xù)的兩個(gè)數(shù)碼中發(fā)現(xiàn)數(shù)碼變化超過(guò)一位 ，就認(rèn)為是非法的數(shù)碼 ， 因而格雷碼具有一定的 糾錯(cuò) ?(檢錯(cuò)非糾錯(cuò) )能力 。 ? 圖 (a)所示為編碼盤的結(jié)構(gòu)圖 ， 編碼器的編碼盤有三個(gè)同心光柵 ， 分別稱為 A相 、 B相和 C相光柵 (結(jié)構(gòu)示意 ,并不都是如此 )。 ,或 1/4周期 )。 ? 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 。 ? 目前已出現(xiàn)包含絕對(duì)式和增量式兩種類型的混合式編碼器 。 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(duì)轉(zhuǎn)角； ? 根據(jù)輸出 脈沖的頻率 可以確定編碼盤的轉(zhuǎn)速； ? 采用適當(dāng)?shù)倪壿嬰娐?， 根據(jù) A、 B相輸出脈沖的相