第5章 机器人的控制系统
水下机器人的自主导航与控制系统设计
水下机器人的自主导航与控制系统设计第一章：引言1.1 研究背景1.2 研究目的1.3 文章结构第二章：水下机器人系统概述2.1 水下机器人的定义2.2 水下机器人的应用领域2.3 水下机器人的主要组成部分第三章：水下机器人的导航系统设计3.1 导航系统的概念与功能3.2 水下机器人的定位技术3.3 水下机器人的地图建立3.4 导航算法设计3.5 导航传感器选择与布局第四章：水下机器人的控制系统设计4.1 控制系统的概念与功能4.2 水下机器人的舵机控制4.3 水下机器人的电动机控制4.4 控制算法设计4.5 控制器硬件选择与布局第五章：水下机器人的自主导航与控制系统设计5.1 自主导航与控制系统的集成设计5.2 自主导航与控制系统的通信机制设计5.3 自主导航与控制系统的错误处理与容错机制设计第六章：仿真与实验验证6.1 系统设计的仿真平台6.2 仿真实验方案与结果分析6.3 系统设计的实验验证平台6.4 实验方案与结果分析第七章：存在问题与展望7.1 存在问题7.2 改进建议7.3 发展前景第八章：结论8.1 研究成果概述8.2 研究的不足之处8.3 展望未来参考文献第一章：引言1.1 研究背景随着水下资源的不断开发与利用，水下机器人应运而生。
水下机器人具有执行复杂任务、深入海底探测、修复设备等优势，成为现代海洋工程领域的重要工具。
然而，水下环境复杂多变，传统的遥控方式无法满足实际需求，因此需要水下机器人具备自主导航与控制能力。
1.2 研究目的本文旨在探索水下机器人的自主导航与控制系统设计，提供一种适用于水下机器人的导航与控制方案，提高水下机器人的自主性能，实现更高效、精准的任务执行。
1.3 文章结构本文分为八个章节，分别介绍了水下机器人的系统概述、导航系统设计、控制系统设计、自主导航与控制系统设计、仿真与实验验证、存在问题与展望等内容。
第二章：水下机器人系统概述2.1 水下机器人的定义水下机器人是指能够在水下环境中执行任务的无人机器人系统，它包括机械结构、电子控制、导航系统、控制系统等多个组成部分。
第5章5.1机器人驱动系统概述
部的形式 ➢ d)驱动电机安装在关节
内部
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第5章 机器人驱动系统
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❖如图5-2所示，耐磨球轴承，a)普通向心球轴承 b）向心力球轴承 c）四点接触球轴承
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第5章 机器人驱动系统
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（2）移动关节
移动关节由直线运动机构和在整个运动范围内起直 线导向作用的直线导轨部分组成。
❖为了使关节定位准确，制动器必须有足够的定位 精度。制动器应当尽可能地放在系统的驱动输入端， 这样利用传动链速比，能够减小制动器的轻微滑动 所引起的系统移动，保证了在承载条件下仍具有较 高的定位精度。在许多实际应用中机器人都采用了 制动器。
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工业机器人基础
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驱动系统的性能如下： ➢1.刚度和柔性 ➢2.重量、功率-重量
比和工作压强
3
第5章 机器人驱动系统
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5.1.1驱动方式
机器人的驱动方式主要分为直接驱动和间接驱动。 两种无论何种方式，都是对机器人关节的驱动。
1.关节与关节驱动
❖机器人中连接运动部分的机构称为关节。关节有 转动型和移动型，分别称为转动关节移动关节。
1-电动机 2-蜗杆 3-臂架 4-丝杠 5-蜗轮 6-箱体 7-华健套 图5.8丝杠螺母传动的手臂升降机构
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第5章 机器人驱动系统
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4 带传动和链传动
❖带传动和链传动用于传递平行轴之间的回转运动， 或把回转运动转换成直线运动，机器人中的带传动 和链传动分别通过带轮或链轮传递回转运动，有时 还用来驱动平行轴之间的小齿轮。
教案-工业机器人基础第5章02
第五章机器人驱动系统5.2机器人气压驱动 5.3 机器人液压驱动【内容提要】本课主要学习机器人气压驱动系统，气源装置、气动控制元件、气动执行元件和辅助元件；液压驱动系统及其特性。
知识要点：✓气压驱动系统的组成✓气源装置、气动控制元件、气动执行元件和辅助元件的功能✓液压驱动系统的组成和作用重点：✓掌握气压驱动系统的组成和元件功能✓掌握液压驱动系统的作用难点：✓气压驱动和液压驱动的对比关键字：✓气压驱动、气动三大件、液压驱动【本课内容】5.2机器人气压驱动系统气压驱动系统是以压缩空气为工作介质进行能量和信号传递的技术.气压系统的工作原理是利用空压机把电动机或其他原动机输出的机槭能转换为空气的压力能，然后在控制元件的作用下，通过执行元件把压力能转换为直线运动或回转运动形式的机械能，从而完成各种动作，并对外做功。
由此可知，气压驱动系统和液压驱动系统类似，也是由四部分组成的，分别为气源装置、气动控制元件、气动执行元件和辅助元件。
5.2.1 气源装置气源装置是获得压缩空气的装置。
其主体部分是空气压缩机，它将原动机供给的机械能转变为气体的压力能。
气压驱动系统中的气源装置是为气动系统提供满足一定质量要求的压缩空气，它是气压传动系统的重要组咸部分。
由空气压缩机产生的压缩空气，必须经过降温、净化、减压、稳压等一系列处理后`才能供给控制元件和执行元件使用。
而用过的压缩空气排向大气时，会产生噪声，应采取措施，降低噪声，改善劳动条件和环境质量。
1 压缩空气站的设备组成压缩空气站的设备一般包括产生压缩空气的空气压缩机和使气源洚化的辅助设备。
图5.16是压缩空气站设各组成及布置示意图。
在图中，空气压缩机用以产生压缩空气，一般由电动机带动。
其吸气口装有空气过滤器以减少进入空气压缩机的杂质量，后冷却器用以降温冷却压缩空气，使净化的水凝结出来.油水分离器用以分离并排出降温冷却的水滴、油滴、杂质等，贮气罐用以储存压缩空气，稳定压缩空气的压力并除去部分油分和水分。
工业机器人技术试题库与答案
工业机器人技术试题库与答案工业机器人技术题库及答案一、判断题第一章1、工业机器人由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成。
√2、被誉为“工业机器人之父”的XXX最早提出了工业机器人概念。
×（删除）3、工业机器人的机械结构系统由基座、手臂、手腕、末端操作器4大件组成。
×（改为：工业机器人的机械结构系统主要由基座、手臂、手腕和末端操作器组成。
）4、示教盒属于机器人-环境交互系统。
×（删除）5、直角坐标机器人的工作范围为圆柱形状。
×（改为：直角坐标机器人的工作范围为立方体形状。
）6、机器人最大稳定速度高,允许的极限加速度小,则加减速的时间就会长一些。
√7、承载能力是指机器人在工作范围内的特定位姿上所能承受的最大质量。
×（改为：承载能力是指机器人能够承受的最大质量。
）第二章1、工业机器人的机械部分主要包括末端操作器、手腕、手臂和机座。
√2、工业机器人的机械部分主要包括末端操作器、手腕、手肘和手臂。
×（改为：工业机器人的机械部分主要包括末端操作器、手腕、手臂和机座。
）3、工业机器人的手我们一般称为末端操作器。
√4、齿形指面多用来夹持表面粗糙的毛坯或半成品。
√5、吸附式取料手适应于大平面、易碎、微小的物体。
√6、柔性手属于仿生多指灵巧手。
√7、摆动式手爪适用于圆柱表面物体的抓取。
√8、柔顺性装配技术分两种：主动柔顺装配和被动柔顺装配。
√9、一般工业机器人手臂有4个自由度。
×（改为：一般工业机器人手臂有6个自由度。
）10、机器人机座可分为固定式和履带式两种。
×（改为：机器人机座可分为固定式和移动式两种。
）11、行走机构按其行走运动轨迹可分为固定轨迹和无固定轨迹两种方式。
√12、机器人手爪和手腕最完美的形式是模仿人手的多指灵巧手。
√13、手腕按驱动方式来分，可分为直接驱动手腕和远距离传动手腕。
√第三章1、正向运动学解决的问题是：已知手部的位姿，求各个关节的变量。
工业机器人第五章
（2）在线示教（On －line Teaching）
在机器人工作现场操纵机器人完成全部操作运动，并记录 下位姿等参数的方法，称为～。
条件： 机器人各个关节采用闭环控制（？），具备获得位姿 值的条件（例如利用编码器可以获得关节转角值）。
手把手示教 示教装置示教
手把手示教：
操作员用手直接推动机器人经过一系列示教点。
条件：
编程工具（语言）和显示界面。
机器人控制柜（或示教盒）要含有输入界面（如键盘）和 显示界面（如显示屏）等！ 先进机器人基本采用混和示教方式！
四. 示教－再现原理（Teach－Playback)
借助于示教获得机器人的轨迹参数，然后再依靠控制系统 将运动复现出来的方法，称为示教－再现。 关键在于“示教”！再现功能的实现相对容易。 示教再现机器人：
轨迹参数； 示教再现原理； 关节控制曲线； 多轴协调； 轨迹插补； 学习基础： 电机学 古典控制理论 测试技术
§5.1 轨迹参数
从运动学的角度看，机器人控制的目的就是实现要求的运动！ 问题：如何向机器人描述希望的运动？
一.轨迹参数
轨迹： 机器人末端执行器标架在运动过程中的广义位移、 广义速度和广义加速度，称为～ 轨迹参数： 描述轨迹的参数，称为～ 主要参数 位姿－轨迹上各点位姿
使用机器人语言的目的是为了进行运动编程； 许多通用计算机语言都具备此类功能； 通用计算机语言功能更多； 现在的机器人控制器远比早期时强大。 对通用计算机编程语言进行改造，保留相关功能，剪裁无 用功能，增加新的函数，即可以快速得到一种不错的机器 人语言，例如ROBOC。
§5.2 轨迹实现
一. 控制方式 1. 点到点控制（PTP-Point To Point）
第五章
第5章机器人控制系统
机器人行程的速度 /时间曲线
在进行装配或抓取物体等作业时，工业机器人末端操作器与环境或作业对象
的表面接触，除了要求准确定位之外，还要求使用适度的力或力矩进行工作，这时 就要采取力 (力矩)控制方式。力(力矩)控制是对位置控制的补充，这种方式的控制 原理与位置伺服控制原理也基本相同，只不过输入量和反馈量不是位置信号，而是 力 (力矩 )信号，因此，系统中有力 (力矩)传感器。
5.1.4 工业机器人控制的特点
1) 传统的自动机械是以自身的动作为重点，而工业机器人的控制系统则更 着重本体与操作对象的相互关系。
2) 工业机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。
3) 每个自由度一般包含一个伺服机构，多个独立的伺服系统必须有机地协
调起来，组成一个多变量的控制系统。
4) 描述工业机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着状态的
姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。 机器人控制系统有三种结构：集中控制、主从控制和分布式控制。
5.1.1 机器人控制系统的基本功能
机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以 完成特定的工作任务，其基本功能如下：
（1）记忆功能 （ 2）示教功能 （ 3）与外围设备联系功能 （ 4）坐标设置功能 （ 5）人机接口 （ 6）传感器接口 （ 7）位置伺服功能
第八页，编辑于星期二：二十点 二十一分。
5.2 工业机器人控制的分类
工业机器人控制结构的选择，是由工业机器人所执行的任务决定的，对不 同类型的机器人已经发展了不同的控制综合方法。工业机器人控制的分类，
没有统一的标准。
? 按运动坐标控制的方式来分：有关节空间运动控制、直角坐标空间 运动控制
第5章-机器人控制
5.4 机器人的智能控制
–4.遗传算法
•遗传算法（Genetic Algorithm）是模拟达尔文生物进 化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模 型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。 •主要特点：直接对结构对象进行操作，不存在求导和函 数连续性的限定；具有内在的隐并行性和更好的全局寻 优能力；采用概率化的寻优方法，能自动获取和指导优 化的搜索空间，自适应地调整搜索方向，不需要确定的 规则。
k0
Vf s s 1es1ms
电气时间常数
机械时间常数
m s Vf s
s
k0
1 m s
5.2 机器人的位置控制
–因为转子转速ω=dθm/dt，所以：
m s Vf s
k0
s 1ms
m s Vf s
k0
1ms
–电枢控制直流电动机的传递函数：
S
1
22
S
2
S2
22
1
5.2 机器人的位置控制
机器人为串续连杆式机械手，其动态特性具有高 度的非线性。控制这种由马达驱动的操作机器 人，用适当的数学方程式来表示其运动是十分重 要的。这种数学表达式就是数学模型，或简称模 型。控制机器人运动的计算机，运用这种数学模 型来预测和控制将要进行的运动过程。
–3. 主要控制层次
•（3）伺服系统级 •解决机器人的一般实际问题。主要包括伺服电机的控 制、液压缸伺服控制、电-液伺服控制等。
5.1 机器人的基本控制原则
–液压缸伺服传动系统
•作为液压传动系统的动力元件， 能够省去中间动力减速器，从而消 除齿隙和磨损问题。 •结构简单、比较便宜，在工业机 器人机械手的往复运动装置和旋转 运动装置上都获得了广泛应用。
第五章机器人轨迹追踪控制20191214-PPT精品文档
●PD控制及稳定性？ ●动态控制
●前馈控制
●前馈+反馈控制 ●计算力矩法
●加速度分解法
●实验结果
哈工大 机械设计系
5.1 位置/轨迹控制
位置/轨迹控制为机器人最基本的控制目标。 本节内容：(1) 位置/轨迹控制的基本理论 (2) 以SICE-DD机器人的控制实际。
5.1.1 PD控制及其稳定性
哈工大 机械设计系
5.2.2前馈动态控制器的构成
τ = M ( q ) q + C ( q , q ) + B q + D ( q ) + g ( q ) ( 5 . 8 )
逆动力学问题是基于参数推定值推定实现给定运动所需的力矩。其解可以表 示为：
ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ τ ( q , q , q ) = M ( q ) q + C ( q , q ) + B q + D ( q ) + g ( q ) ( 5 . 9 ) ID
哈工大 机械设计系
5.1.3 SICE-DD机器人 臂的实验
( τ = K ( q q )K q 5 . 5 ) p r v
K diag ( K ,K ) p= p 1 p 2 K diag ( K ,K ) v= v 1 v 2
( 5 . 6 ) ( 5 . 7 )
采样时间为3ms
Fig.5.2
( 5 . 2 )
(5式
哈工大 机械设计系
Fig.5.1 PD控制系统框图
PD控制方式的特点——对各关节独立地使用PD这种线 性反馈控制律可以保证渐进稳定性，且控制器容易设 计，在工业机器人控制中广为采用。
哈工大 机械设计系
第五章搬运机器人系统工作站(搬运工作站外围控制系统的设计1)优质教学课件PPT
MESSI
纸箱的通过检测
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5.5.1 光敏传感器的选型
MESSI
(4)限定反射型 限定反射型光敏传感器与扩散反射型一 样,投光器和受光器置于一体。由发射器发出光信号,并在限 定范围内由接收器接受被检物反射的光,并引起光敏传感器 动作,输出开关控制信号。如下左图所示,呈正反射光结构, 检测距离限定于某个范围,不易受到背景物体的干扰。
对射型光敏传感器的特点: 1)动作的稳定度高,检测距离长(数厘米~数十米)。 2)即使检测物体的通过线路变化,检测状态也不变。 3)检测物体的光泽、颜色、倾斜等的影响很少。 对射型光敏传感器的应用如下图所示。
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车辆的通过检测
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5.5.1 光敏传感器的选型
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(2)回归反射型 回归反射型光敏传感器的投光器与受光器装 在同一个机壳里,通常投光器发出的光线将反射到相对设置的反 射板上,回到受光器。如果检测物体遮蔽光线,进人受光器的光量 将减少。根据这种光的变化,便可进行检测。
视觉传感器、旋转编码器和超声波传感器等,每种传感器都有自身的 特点和应用范围。
在工业机器人工作站中大量使用光敏传感器、光纤传感器,用于 工件有无的检测、设备运行中位置的检测等。光敏传感器、光纤传 感器以其无触点、无机械碰撞、响应速度快、控制精度高等特点在 工业控制装置和机器人中得到了广泛的应用。
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第五章 搬运机器人系统工作站
5.5 搬运工作站外围控制系统的设计 5.5.1 光敏传感器的选型 5.5.2 变频器的选型
MESSI
MESSI MESSI
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学习目标
▪ 目标一 ▪ 目标二 ▪ 目标三 ▪ 目标四 ▪ 目标五
《工业机器人技术基础》(第5章)
2．连续轨迹控制
（a）
（b）
（c）
图5-11 示教数据的编辑机能
（d）
连续轨迹控制不仅要求机器人以一定的精度到达目标点，而且对移动轨
迹也有一定的精度要求。
5.2.2 力控制
1．被动交互控制
在被动交互控制中，由于机器人固有的柔顺，机器人末端执行器的轨迹 被相互作用力所修正。被动交互控制不需要力〔力矩〕传感器，并且预设的 末端执行器轨迹在执行期间也不需要改变。此外，被动柔顺结构的响应远快 于利用计算机控制算法实现的主动重定位。
集中控制结构是用一台计算机实现全部控制功能，构简单、本钱低，但实时 性差，难以扩展。
图5-3 集中控制结构框图
2．主从控制结构
主从控制结构采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主计算机实现管理、 坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从计算机实现所有关节的动作控制。这种控制结 构系统实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。
2．运动控制功能
运动控制功能是指通过对机器人末端执行器在空间的位姿、速度、加速度等项的 控制，使机器人末端执行器按照任务要求进行动作，最终完成给定的作业任务。
运动控制功能与示教再现功能的区别
在示教再现控制中，机器人末端执行器的各项运动参数是由示教人员 教给它的，其精度取决于示教人员的熟练程度；而在运动控制中，机器 人末端执行器的各项运动参数是由机器人的控制系统经过运算得来的， 且在工作人员不能示教的情况下，通过编程指令仍然可以控制机器人完 成给定的作业任务。
5.1.3 工业机器人控制系统的组成
工业机器人控制系统主要由控制计算机、示教盒、操作面板、硬盘和软盘存储器、 数字和模拟量输入/输出接口、打印机接口、传感器接口、轴控制器、辅助设备控制 接口、通信接口、网络接口等组成，如图5-2所示。
第5章 工业机器人PLC控制[优质ppt]
![第5章 工业机器人PLC控制[优质ppt]](https://img.taocdn.com/s3/m/2f12e99df524ccbff1218443.png)
典型的如PLC和计算机数控装置(CNC)组合成一
体，构成先进的数控机床。
5.1 可编程序逻辑控制器概要
❖（4）数据处理 ❖现代PLC都具有不同程度的数据处理功能，能够 完成数学运算（函数运算、矩阵运算、逻辑运算）、 数据的移位、比较、传递、数值的转换和查表等操 作，对数捃进行采集、分析和处理。数据处理通常 用在大、中型控制系统中，如柔性制造系统、机器 人的控制系统等。
下应用而设计。它采用可以编制程序的存储器，
用来在执行存储逻辑运算和顺序控制、定时、计
数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟
的输入(I)和输出(O)接口，控制各种类型的机械 设备或生产过程。”
5.1 可编程序逻辑控制器概要
❖ 该定义强调了可编程控制器是“数字运算操作 的电子系统”，是一种计算机。它是“专为工业环 境下应用而设计”的工业计算机，是一种用程序改 变控制功能的设备，该种设备采用“面向用户的指 令”，因此编程方便，可完成逻辑运算、顺序控制、 定时计数和数学运算操作，还具有数字量与模拟量 的输入输出能力。
❖ 概括起来，PLC的应用主要有以下5个方面。
5.1 可编程序逻辑控制器概要
❖ （1）开关量控制
❖ 这是PLC最基本的应用领域，可用PLC取代传统 的继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。 在单机控制、多机群控和自动生产线控制方面都 有很多成功的应用实例。如机床电气控制、起重 机、皮带运输机和包装机械的控制、注塑机的控 制、电梯的控制、饮料灌装生产线、家用电器 （电视机、冰箱、洗衣机等）自动装配线的控制、 汽车、化工、造纸、轧钢自动生产线的控制等。
❖ 可编程控制器是应用面广、功能强大、使用方 便的通用工业控制设备，已经成为当代工业自动化 的主要支柱之一。
《工业机器人技术基础》教学大纲(可编辑修改word版)
《工业机器人技术基础》教学大纲一、课程基本信息课程名称：工业机器人技术基础学时：48适用对象: 工业机器人技术专业、电气自动化技术专业、机电一体化技术专业考核方式：考查二、课程简介机器人学是一门高度交叉的前沿学科，机器人技术是集力学、机械学、生物学、人类学、计算机科学与工程、控制论与控制工程学、电子工程学、人工智能、社会学等多学科知识之大成，是一项综合性很强的新技术。
通过该课程的学习，使得学生基本熟悉这门技术以及其发展状况，为今后从事工业机器人的操作管理、维护维修、系统安装调试和集成设计的工作打下基础。
三、课程性质与教学目的本课程是专业基础课，通过本课程的学习，使学生了解机器人及其应用，掌握机器人系统组成、机构、运动分析、控制和使用的技术要点和基础理论。
机器人是典型的机电一体化装置，它不是机械、电子的简单组合，而是机械、电子、控制、检测、通信和计算机的有机融合，通过这门课的学习，使学生对机器人有一个全面、深入的认识。
培养学生综合运用所学基础理论和专业知识分析问题解决问题的能力。
第1 章概述机器人的基本概念，机器人的组成原理、机器人应用与外部的关系、机器人应用技术的现状第2 章机器人的基础知识机器人的分类、机器人的基本术语与图形符号、机器人的技术参数、机器人的运动学基础、机器人的动力学基础第3 章机器人的机械结构系统机器人的机械结构系统、机器人的腕部机构、机器人的手部机构、机器人的行走机构第4 章机器人的驱动系统机器人的驱动系统概述、电动机及其特性、液压驱动系统及其特性第5 章机器人的控制系统机器人的控制系统、伺服控制系统及其参数、交流伺服电动机的调速、机器人控制系统结构、机器人控制的示教再现、机器人控制系统举例第6 章机器人的感觉系统机器人的传感技术、机器人的内部传感器、机器人的外部传感器、机器人的视觉系统、机器人传感器的选择第7 章机器人的语言系统机器人的语言系统概述、常用的机器人语言简介、机器人的离线编程、机器人的编程示例第8 章工业机器人及其应用工业机器人概述、焊接机器人、搬运机器人、喷涂机器人、装配机器人五、需要说明的问题1.本大纲适用于工业机器人技术、电气自动化技术、机电一体化技术专业；2.本大纲的学时为参考学时，学时如有变化，任课教师可在此大纲的基础上增减一些内容。
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2．从使用的角度：
多轴运动的协调控制，以产生要求的工作轨迹： 机器人的手部的运动是所有关节运动的合成 运动，要使手部按照规定的规律运动，就必 须很好地控制各关节协调动作。 较高的位置精度，很大的调速范围： 除直角坐标式机器人外，机器人关节上的位 置检测元件通常安装在各自的驱动轴上，构 成位置半闭环系统。机器人以极低的作业速 度工作；空行程时，又能以极高的速度移动。 系统的静差率要小：即要求系统具有较好的刚性。 位置无超调，动态响应快：避免与工件发生碰撞， 在保证系统适当响应能力的前提下增加系统的阻 尼。 需采用加减速控制：为了增加机器人运动平稳性， 运动启停时应有加减速装置。
二、机器人控制方式分类：
机器人位置控制：
定位控制方式：固定位置方式，多点位置方式，伺 服控制方式 。 路径控制方式 ：连续轨迹控制 ，点到点控制 。 速度控制方式，加速度控制方式。 固定力控制，可变力控制。
机器人速度控制：
机器人力控制：
三、 机器人的传感器
传感器是一种以一定精度将被测量(如位移、力、加速度、 温度等)转换为与之有确定对应关系、易于精确处理和测量 的某种物理量 (如电量 )的测量部件或装置。根据一般传感 器在系统中所发挥的作用，完整的传感器应包括敏感元件、 转换元件、基本转换电路三部分。敏感元件的基本功能是 将某种不便测量的物理量转换为易于测量的物理量，转换 元件与敏感元件一起构成传感器的结构部分，而基本转换 电路是将敏感元件产生的易测量小信号进行变换，使传感 器的信号输出符合具体工业系统的要求 ( 如 4 ～ 20mA 、 – 5～5V)。 给机器人装备什么样的传感器，对这些传感器有什么要求， 这是设计机器人感觉系统时遇到的首要问题。选择机器人 传感器应当完全取决于机器人的工作需要和应用特点。
典型元器件：
2．位置、角度测量（1）：
测量机器人关节线位移和角位移的传 感器是机器人位置反馈控制中必不可 少的元件。常用的有电位器、旋转变 压器、编码器等。其中编码器既可以 检测直线位移，又可以检测角位移。
内传感器常用于控制系统中，用作反馈 元件，检测机器人自身的状态参数。
2．外传感器：
测量与机器人作业有关的外部因素。通 常与机器人的目标识别、作业安全等因 素有关。
典型内传感器
1．规定位置检测的内传感器：
应用场合：
检测规定的位置，常用ON/OFF两个状态值。这 种方法用于检测机器人的起始原点、终点位置或 某个确定的位置。 给定位置检测常用的检测元件有微型开关、光电 开关等。规定的位移量或力作用在微型开关的可 动部分上，开关的电气触点断开（常闭）或接通 （常开）并向控制回路发出动作信号。
2、机器人需要的感觉能力（1）
触觉能力：
主要指确定工作对象是否存在，以及它的尺寸大小 和形状等。 主要用于探测机器人自身与周围物体之间相对位置 或距离的传感器。接近觉界于触觉与视觉之间。 孔、边、拐角的检测及工作对象形状的检测等。
接近觉：
Hale Waihona Puke 视觉：2、机器人需要的感觉能力（2）
压觉：
6．响应时间 响应时间是传感器的动态特性指标，是指传感器 的输入信号变化后，其输出信号变化一个稳定值 所需要的时间。传感器的响应时间越短越好。 7．抗干扰能力 机器人的工作环境是多种多样的，在有些情况下 可能相当恶劣，因此机器人系统传感器设计必须 考虑抗干扰能力。由于传感器输出信号的稳定是 控制系统稳定工作的前提，为防止机器人系统的 意外动作或发生故障，传感器系统设计必须采用 可靠性设计技术。
2．线性度 线性度反映传感器输出信号与输入信号 之间的线性程度。 3．精度 传感器的精度是指传感器的测量输出值 与实际被测量值之间的误差。在机器人 系统设计中，应该根据系统的工作精度 要求选择合适的传感器精度。
4．重复性 重复性是指传感器在其输入信号按同一方式进行 全量程连续多次测量时，相应测试结果的变化程 度。测试结果的变化越小，传感器的测量误差就 越小，重复性越好。对于多数传感器来说，重复 性指标都优于精度指标。 5．分辨率 分辨率是指传感器在整个测量范围内所能辨别的 被测量的最小变化量，或者所能辨别的不同被测 量的个数。如果它辨别的被测量最小变化量越小， 或被测量个数越多，则分辨率越高；反之，分辨 率越低。无论是示教-再现型机器人，还是可编 程型机器人，多对传感器的分辨率有一定的要求。 传感器的分辨率直接影响机器人的可控程度和控 制品质。一般需要根据机器人的工作任务规定传 感器分辨率的最低限度要求。
主要用于检测机器人与作业对象之间接 触面的法向压力值的大小。 主要用于检测物体因自重相对于机器人 手爪的滑移量的大小。
滑觉：
传感器的分类
1．内传感器：
内传感器是用于测量机器人自身状态的 功能元件。 具体检测的对象有：
关节的线位移、角位移等几何量； 速度、角速度、加速度等运动量； 倾斜角、方位角、振动等物理量。
传感器的性能指标
系统设计时比较重要和常用的一些参数指标有如下 几个： 1．灵敏度 灵敏度是指传感器的输出信号达到稳定时，输出信 号变化与输入信号变化的比值。 传感器输出量的量纲和输入量的量纲不一定相同。 若输出和输入具有相同的量纲，则传感器的灵敏度 也称为放大倍数。一般来说，传感器的灵敏度越大 越好，这样可以使传感器的输出信号精确度更高， 线性程度更好。但是过高的灵敏度有时会导致传感 器输出稳定性下降，所以应该根据机器人的要求选 择适中的传感器灵敏度。
第五章、机器人的控制系统
控制系统中涉及传感技术、驱动技 术、控制理论和控制算法。
一、机器人控制系统的特性
从不同的角度，机器人的控制系统 具有不同的特性。
1．从动力学的角度：
机器人本质是一个非线性系统：引起机器人 非线性的因素很多，结构方面、传动件、驱 动元件等都会引起系统的非线性。 各关节间具有耦合作用：表现为某一个关节 的运动，会对其它关节产生动力效应，使得 每一个关节都要承受其它关节运动所产生的 扰动。 机器人控制系统是一个时变系统：动力学参 数随着关节运动位置的变化而变化。