第五章机器人控制系统.

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， 如位置控制、速度控制及力控制等。
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。 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。
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。
在这些控制方式中，机器人系统所应具有的基本传感单元 是位置和速度传感器。
机器人控制系统的基本单元是机器人单关节位置、速度控 制。
因此用于检测关节位置或速度的传感器也成为机器人关节 组件中的基本单元。
一、位置传感器 位置控制是机器人最基本的控制要求，而位置和位移的 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) 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 的是绝对位置而无绝对误差，在电源切断时不会失去位置信 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置的各等分上的数码Baidu Nhomakorabea 化成电信号输出以用于检测。
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 置及姿态、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。
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。
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。
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
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 a2x2
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。
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。
机器人传感器除了常见的位置、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。
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 置。 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。
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。