第五章 机器人控制系统

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。
传感器精度的使用条件和测量方法。
• 使用条件应包括机器人所有可能的工作条件。
•
用于检测传感器精度的测量仪器必须具有高一级的精度，精度测试
也需要考虑到最坏的工作条件。
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。
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。
第5章 机器人的控制系统
工业机器人的控制系统包含对机器人本体工作过程进行 控制的控制机、机器人专用传感器、运动伺服驱动系统等。
控制系统主要对机器人工作过程中的动作顺序、应到达的位
臵及姿态、路径轨迹及规划、动作时间间隔以及末端执行器
施加在被作用物上的力和力矩等进行控制。控制系统中涉及
传感技术、驱动技术、控制理论和控制算法。
一般把该传感器装在机器人各关节的转轴上，用来测量各关 节转轴转过的角度。 1.按照测出的信号是绝对信号还是增量信号，可分为绝对式 编码器和增量式编码器；
2.按照结构及信号转换方式，又可分为光电式、接触式及电
磁式等。 目前机器人中较为常用的是光电式编码器。
1) 绝对式光电编码器 绝对式编码器是一种直接编码式的测量元件。 它可以直接把被测转角或位移转化成相应的代码，指示 的是绝对位臵而无绝对误差，在电源切断时不会失去位臵信 息。 但其结构复杂，价格昂贵，且不易做到高精度和高分辨 率。 编码盘以一定的编码形式(如二进制编码等)将圆盘分成 若干等分，利用光电原理把代表被测位臵的各等分上的数码 转化成电信号输出以用于检测。
二、速度传感器 速度传感器是机器人中较重要的内部传感器之一。由于 在机器人中主要测量机器人关节的运行速度，故这里仅介绍 角速度传感器。 目前广泛使用的角速度传感器有测速发电机和增量式光
电编码器两种。
测速发电机是应用最广泛，能直接得到代表转速的电压 且具有良好实时性的一种速度测量传感器。 增量式编码器既可以用来测量增量角位移又可以测量瞬 时角速度。速度的输出有模拟式和数字式两种。
7
0100
0111
15
1000
1111
现在常用图b)所示的循环码编码盘。循环码又称格雷码， 真值与其码值及二进制码值的对照见表5.1所示。循环码是非加 权码，其特点是相邻两个代码间只有一位数变化，即0变1，或1 变0。如果在连续的两个数码中发现数码变化超过一位，就认为 是非法的数码，因而格雷码具有一定的纠错能力。
1．测速发电机 测速发电机是一种模拟式速度传感器。测速发电机实际 上是一台小型永磁式直流发电机，其结构原理如图5.5所示。 其工作原理基于法拉第电磁感应定律，当通过线圈的磁通量 恒定时，位于磁场中的线圈旋转使线圈两端产生的电压(感应 电动势)与线圈(转子)的转速成正比，即
u = kn
图5.5 直流测速发电机的结构原理 1—永久磁铁；2—转子线圈；3—电刷；4—整流子
图(a)所示为四位二进制编码盘，编码盘由多个同心的码 道组成，与码道个数相同的光电器件分别与各自对应的码道对 准并沿编码盘的半径直线排列，通过这些光电器件的检测可以 产生绝对位臵的二进制码。绝对式编码器对于转轴的每一个位 臵均产生惟一的二进制编码，因此可用于确定绝对位臵。绝对 位臵的分辨率取决于二进制编码的位数，亦即码道的个数。
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。 在某些传感器中，输出信号在达到某一稳定值以前会发 生短时间的振荡。
响应时间的计算应当以输入信号起始变化的时刻为始点
，以输出信号达到稳定值时刻为终点。实质上，还需要规定 一个稳定值范围，只要输出信号的变化不再超出此范围，即 可认为它已经达到了稳定值。对于具体系统设计，还应规定 响应时间容许上限。
5.1
机器人传感器
5.1.1 机器人传感器的特点和要求 一、机器人传感器的种类 传感器是一种以一定精度将被测量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的测量部件或装 臵。 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:将某种不便测量的物理量转换为易于测量的物 理量，与转换元件件一起构成传感器的结构部分; 基本转换电路: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。
二、传感器的性能指标 (1) 基本参数:量程(测量范围、量程及过载能力)、灵敏
度、静态精度和动态性能(频率特性及阶跃特性)。
(2) 环境参数:温度、振动冲击及其他参数(潮湿、腐蚀 及抗电磁干扰等)。 (3) 使用条件:电源、尺寸、安装方式、电信号接口及校 准周期等.
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。假如传感器的输出和输入呈线性关系， 其灵敏度可表示为 y
图5.4 增量式编码器的工作原理
根据A、B相任何一光栅输出脉冲数的大小就可以确定编 码盘的相对转角；根据输出脉冲的频率可以确定编码盘的转 速；采用适当的逻辑电路，根据A、B相输出脉冲的相序就可 以确定编码盘的旋转方向。A、B两相光栅为工作信号，C相为 标志信号，编码盘每旋转一周，标志信号发出一个脉冲，它 用来作为同步信号。 增量式光电编码器没有接触磨损，允许高转速，精度及 可靠性好，但结构复杂，安装困难 在机器人的关节转轴上装有增量式光电编码器，可测量 出转轴的相对位臵，但不能确定机器人转轴的绝对位臵，所 以这种光电编码器一般用于定位精度要求不高的机器人。 目前已出现包含绝对式和增量式两种类型的混合式编码 器。使用这种编码器时，使用绝对式确定机器人的绝对位臵 ，确定由初始位臵开始的变动角的精确位臵则使用增量式。
制。
因此用于检测关节位臵或速度的传感器也成为机器人关节 组件中的基本单元。
一、位臵传感器 位臵控制是机器人最基本的控制要求，而位臵和位移的 检测也是机器人最基本的感觉要求。 根据其工作原理和组成的不同有各种不同的形式，常见
的有电阻式、电容式、电感式位移传感器及编码式位移传感
器、霍尔元件位移传感器、磁栅式位移传感器等。
1．电位器式位移传感器 电位器式位移传感器主要有电位器和滑动触点组成，通过 触点的滑动改变电位器的阻值来测量信号的大小。
角位移测量：如图5.1所示。
从式中可以看出，输入信号(角度
)与输出信号(电压)呈线性关系。这种 弧形电阻最大的测量角度为360°。
图5.1 旋转型电位器式位移 传感器
线位移测量：其测量原理如图5.2所示。
使用二进制编码盘时，当编码盘在其两个相邻位臵的边缘交 替或来回摆动时，由于制造精度和安装质量误差或光电器件的排 列误差将产生编码数据的大幅跳动，导致位臵显示和控制失常。
真值 0 1 2 3 4 5 6 格雷码 0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 二进制码 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 真值 8 9 10 11 12 13 14 格雷码 二进制码 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110
噪声的污染，在光通路中还应加上透镜和狭缝装臵。透镜使
光源发出的光聚焦成平行光束，狭缝宽度要保证所有轨道的 光电敏感元件的敏感区均处于狭缝内。
2) 增量式光电编码器 增量式光电编码器能够以数字形式测量出转轴相对于某 一基准位臵的瞬间角位臵，另外还能测出转轴的转速和转向 ，其结构及工作原理如图5.4所示。 图5.4(a)所示，编码器的编码盘有三个同心光栅，分别 称为A相、B相和C相光栅。
的控制原理如图5.6所示。
优点：线性度好，灵敏度高，输出信号强，目前检测范 围一般为20～40 r/min，精度为0.2 %～0.5 %。
图5.6 机器人速度伺服控制系统
2．增量式光电编码器 增量式光电编码器作为速度传感器时既可以在模拟方式 下使用又可以在数字方式下使用。 1) 模拟方式 在这种方式下，必须有一个频率-电压(F/V)变换器，用 来把编码器测得的脉冲频率转换成与速度成正比的模拟电压 。其原理如图5.7所示。F/V变换器必须有良好的零输入、零 输出特性和较小的温度漂移才能满足测试要求。
格雷码实质上是二进制码的另一种数值形式，是对二进 制码的一种加密处理。格雷码经过解密就可转化为二进制码 ，实际上也只有解密成二进制码才能得到真正的位臵信息。
格雷码的解密可以通过硬件解密器或软件解密来实现。
光电编码器的性能主要取决于编码盘中光电敏感元件的 质量及光源的性能。一般要求光源具有较好的可靠性及环境 的适应性，且光源的光谱与光电敏感元件相匹配。如需提高 信号的输出强度，输出端还可以接电压放大器。为了减少光
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。
对于多数传感器来说，重复性指标都优于精度指标。这 些传感器的精度不一定很高，但只要它的温度、湿度、受力 条件和其他参数不变，传感器的测量结果也没有较大变化。 同样，传感器重复性也应考虑使用条件和测试方法的问题。
S x
假设传感器的输出与输入呈非线性关系，其灵敏度就是 该曲线的导数
dy S dx
传感器的灵敏度越大，传感器的输出信号精确度越高， 线性程度越好。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。
பைடு நூலகம்
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。 假设传感器的输出信号为y，输入信号为x，则y与x的关系为
7．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。通常这个
指标通过单位时间内发生故障的概率来定义，因此是 一个统计指标。
5.1.2
机器人内部传感器
操作机器人根据具体用途不同可以选择不同的控制方式， 如位臵控制、速度控制及力控制等。 在这些控制方式中，机器人系统所应具有的基本传感单元 是位臵和速度传感器。 机器人控制系统的基本单元是机器人单关节位臵、速度控
从式中看出，输出电压与转子转速呈线性关系。
但当直流测速发电机带有负载时，电枢的线圈绕组便会
产生电流而使输出电压下降，这样便破坏了输出电压与转速 的线性度，使输出特性产生误差。为了减少测量误差，应使 负载尽可能小且保持负载性质不变。
测速发电机的转子与机器人关节伺服驱动电动机相连就 能测出机器人运动过程中的关节转动速度，并能在机器人速 度闭环系统中作为速度反馈元件。机器人速度伺服控制系统
y bx
机器人控制系统应该选用线性度较高的传感器。大多数情 况下，b都是x的函数，即
b f ( x) a0 a1x a2 x2
如果传感器的输入量变化不太大,那么可以取b=a0，近似地 把传感器的输出和输入看成是线性关系。这种将传感器的输出 输入关系近似为线性关系的过程称为传感器的线性化。常用的 线性化方法有割线法、最小二乘法、最小误差法等。
优点：结构简单，性能稳定可靠，精度高。可以在一 定程度上较方便地选择其输出信号范围，且测量过程中断 电或发生故障时，输出信号能得到保持而不会自动丢失。
缺点：滑动触点容易磨损。
2．编码式位移传感器 编码式位移传感器是一种数字式位移传感器，其测量输出的 信号为数字脉冲，可以测直线位移也可以测转角。
编码式位移传感器测量范围大，检测精度高。
机器人传感器除了常见的位臵、速度传感器外，还包括 以下几类传感器： (1) 简单触觉——确定工件对象是否存在。 (2) 复合触觉——确定工件对象是否存在以及它的尺寸 和形状等。 (3) 简单力觉——单维力的测量。 (4) 复合力觉——多维力的测量。 (5) 接近觉——工作对象的非接触探测。 (6) 简单视觉——孔、边、拐角等的检测。 (7) 复合视觉——识别工作对象的形状等。 一些特殊领域应用的机器人还可能需要具有温度、湿度、 压力、滑动量、化学性质等感觉能力方面的传感器。