第6章 控制系统
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第5章 机器人的控制系统 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。 控制系统中涉及传感技术、驱动技术、控制理论 和控制算法。
示教-再现机器人：控制机多为微型计算机，外 部有控制柜。 采用示教-再现的工作方式，机器人的作业路径、 运动参数由操作者手把手示教或通过程序设定， 机器人重复再现示教的内容； 机器人配有内部传感器：速度、位置传感器； 还可以配备简易的外部传感器：视觉、力传感器。
光源具有较好的可靠性及环境的适应性;
光源的光谱与光电敏感元件(受光体)相匹配
在光通路中还应加上透镜和狭缝装置。 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。 增量式光电编码器可测量出转轴的相对位置，但 不能确定机器人转轴的绝对位置，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，如喷涂、搬 运及码跺机器人等。
旋转型电位器式位移传感器
直线型电位器式位移传感器
2.编码式位移传感器（数字式） 输出信号为数字脉冲，可测直线位移和转角。 编码式位移传感器测量范围大，检测精度高，在机器 人的位置检测及其他工业领域都得到了广泛的应用。
1) 绝对式光电编码器
光电编码器的性能主要取决于光电敏感元件的质量
及光源的性能 :
y s x
输出与输入呈非线性关系：
dy s dx
2.线性度
y bx
3.精度
传感器输出值与实际值之间的误差(与使用条件和测 量方法有关)。 4.重复性
按同一方式进行全量程连续多次测量时，测试结果 的变化程度。
5.分辨率 在整个测量范围内所能辨别的被测量的最小变化量。
6．响应时间 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。动态特性指标， 7．抗干扰能力 5.1.2 机器人内部传感器 一、位置传感器 1.电位器式位移传感器（模拟式传感器） 由电位器和滑动触点组成；电压输出。可测直线位移 和转角。 电位器式位移传感器结构简单；性能稳定可靠；精 度高；较方便地选择其输出信号范围；断电时不丢 失信号。其缺点是滑动触点容易磨损。
PC机+专用运动控制芯片控制： PC机+专用运动控制卡控制： 这两种形式的伺服运动控制器控制方便灵活，成 本低，都以通用为平台， 运动控制器都从主机(PC机)接受控制命令，从位 置传感器接受位置信息，向伺服电动机功率驱动电路 输出运动命令。 使得原来由主机做的大部分计算工作由运动控制 器内的芯片来完成，使控制系统硬件设计简单，与主 机之间的数据通信量减少，解决了通信中的瓶颈问题， 提高了系统效率。
测速发电机线性度好，灵敏度高，输出信号强， 一般检测范围为20～40r/min，精度为0.2%～0.5 %。
5.1.3 机器人外部传感器 一、力或力矩（力觉）传感器 应变片式机器人腕力和力矩传感器
二、接近觉传感器 1.电涡流式传感器
2.光纤式传感器
2.光纤式传感器
3.超声波传感器
三、触觉传感器
Fra Baidu bibliotek
直流伺服电动机的工作原理
直流伺服电动机晶体管脉宽调制(PWM)调速系 统： PWM是利用大功率晶体管的开关作用，将恒定 的直流电源电压斩成一定频率的方波电压；通过对 方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，控制 电动机转速 各半导体厂商纷纷推出直流电动机驱动专用集 成电路，如美国Silicon General公司生产的半桥单片 集成电路SG1635以及意大利DGS公司生产的全桥驱 动L292等。
5.2.4 机器人的伺服执行机构 一、步进电动机 将脉冲电信号转换为角 位移或直线位移的一种D/A 转换装置。接收一个电脉冲， 步进电动机就带动机器人的 关节轴转过一个相应的角度。 步进电动机转过的角度与接 收的脉冲数成正比。
步进电动机优点： （1）输出角度精度高，无积累误差，惯性小。 当电动机旋转一周误差回到零。 (2) 输入和输出呈严格线性关系： 输出角度不受电压、电流及波形等因素的影响，仅取 决于输入脉冲数的多少。 (3) 容易控制位置、速度，起、停及正、反转控制方 便： 步进电动机的位置(输出角度)由输入脉冲数确定，其 转速由输入脉冲的频率决定，正、反转(转向)由脉冲输入 的顺序决定，而脉冲数、脉冲频率、脉冲顺序都可方便地 由计算机输出控制。 (4) 输出信号为数字信号，可以与计算机直接接口。 (5) 结构简单，使用方便，可靠性好，寿命长。
5.2 驱动与运动控制系统 5.2.1 概述 早期：液压、气动伺服驱动。 目前：大部分被电气驱动方式所代替，只有在少 数要求超大的输出功率、防爆、低运动精度的场合才 考虑使用液压和气压驱动。 电气驱动无环境污染，响应快，精度高，成本低， 控制方便。 驱动电机：步进电动机，直流伺服电 动机，交 流伺服电动机驱动 伺服控制方式：开环、闭环、半闭环。
步进电动机：一般用在开环伺服系统，没有位 置反馈装置，控制精度相对较低，适用于位置精度 要求不高的机器人中； 交、直流伺服电动机：用于闭环和半闭环伺服 系统中，具有很高的控制精度。 伺服控制系统包括：伺服执行元件(伺服电动 机)、伺服运动控制器、功率放大器(又称伺服驱动 器)、位置检测元件等。 伺服运动控制器的功能是实现对伺服电动机的 运动控制。 MOTOMAN机器人把各个轴的伺服运动控制 器和功率放大器集成组装在控制柜内（专用计算机 控制）。
触觉传感器的作用： (1) 感知操作手指的作用力，使手指动作适当。 (2) 识别操作物的大小、形状、质量及硬度等。 (3) 躲避危险，以防碰撞障碍物引起事故。
触觉传感器包括压觉、滑觉、接触觉及力觉等。 最早的触觉传感器为开关式传感器，只有0和1两 个信号，用于表示接触与不接触。 如果要检测对象物的形状，就需要在接触面上安 装许多敏感元件。 3种敏感元件： 导电合成橡胶：压变时接触面积和反向接触电阻 随外部压力的变化很大。体积小，一般1cm3面积内可 有256个触觉敏感元件，敏感范围达1～100g。 人工皮肤：它实际上就是一种超高密度排列的阵 列传感器，主要用于表面形状和表面特性的 检测。 压电材料：压力与晶体的电阻成比例关系。
三相反应式步进电动机结构原理图 1—定子绕组；2—定子铁心；3—转子；4—A相磁通
二、直流伺服电动机 直流伺服电动机具有启动转矩大，体积小，重量 轻，转速易控制，效率高等优点。 但是，直流伺服电动机结构上具有电刷和换向器， 需要定期更换电刷和进行维修，电动机使用寿命短， 噪声大。 直流电动机的容量小，电枢电压低，很多特性参 数随速度而变化，限制了直流电动机向高速、大容量 方向发展。在一些具有可燃气体的场合，由于电刷换 向过程中可能引起打火，也不适合使用直流电动机， 如井下作业等。、 在一些中、小功率的场合，还常使用永磁式直流 伺服电动机。
三、交流伺服电动机 交流伺服电动机除了不具有直流伺服电动机的 缺点外，还具有转子惯量较直流电动机小，动态响 应好，能在较宽的速度范围内保持理想的转矩，结 构简单，运行可靠等优点。 一般同样体积下，交流电动机的输出功率可比 直流电动机高出10%～70%。 交流电动机的容量可做得比直流电动机大，达 到更高的转速和电压。 目前在机器人系统中，90%的系统采用交流伺服 电动机。
智能机器人：这类机器人的控制机多为计算机， 同时配备了多种内部、外部传感器，不但能感知内 部关节运行速度及力的大小，还能对外部的环境信 息进行感知、反馈和处理。
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 （1）位置传感器 （2）速度传感器 （3）简单触觉：确定工件是否存在。 （4）复合触觉：确定工件是否存在以及尺寸和形状等。 （5）简单力觉：测量单维力。 （6）复合力觉：测量多维力。 （7）接 近 觉：非接触探测工作对象。 （8）简单视觉：检测孔、边、拐角等。 （9）复合视觉：识别工作对象的形状等。 （10）特殊领域：温度、湿度、压力、滑动量、化学性 质等感觉能力方面的传感器。
二、传感器的性能指标 (1) 基本参数：量程、灵敏度、静态精度、动态性能。
(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：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。 输出和输入呈线性关系：
目前已出现包含绝对式和增量式两种类型的混合 式编码器使用绝对式确定机器人的绝对位置，确定由 初始位置开始的变动角的精确位置则使用增量式。
二、速度传感器 角速度传感器：测速发电机；增量式光电编码器。 1.测速发电机（模拟传感器）
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
示教-再现机器人：控制机多为微型计算机，外 部有控制柜。 采用示教-再现的工作方式，机器人的作业路径、 运动参数由操作者手把手示教或通过程序设定， 机器人重复再现示教的内容； 机器人配有内部传感器：速度、位置传感器； 还可以配备简易的外部传感器：视觉、力传感器。
光源具有较好的可靠性及环境的适应性;
光源的光谱与光电敏感元件(受光体)相匹配
在光通路中还应加上透镜和狭缝装置。 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。 增量式光电编码器可测量出转轴的相对位置，但 不能确定机器人转轴的绝对位置，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，如喷涂、搬 运及码跺机器人等。
旋转型电位器式位移传感器
直线型电位器式位移传感器
2.编码式位移传感器（数字式） 输出信号为数字脉冲，可测直线位移和转角。 编码式位移传感器测量范围大，检测精度高，在机器 人的位置检测及其他工业领域都得到了广泛的应用。
1) 绝对式光电编码器
光电编码器的性能主要取决于光电敏感元件的质量
及光源的性能 :
y s x
输出与输入呈非线性关系：
dy s dx
2.线性度
y bx
3.精度
传感器输出值与实际值之间的误差(与使用条件和测 量方法有关)。 4.重复性
按同一方式进行全量程连续多次测量时，测试结果 的变化程度。
5.分辨率 在整个测量范围内所能辨别的被测量的最小变化量。
6．响应时间 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。动态特性指标， 7．抗干扰能力 5.1.2 机器人内部传感器 一、位置传感器 1.电位器式位移传感器（模拟式传感器） 由电位器和滑动触点组成；电压输出。可测直线位移 和转角。 电位器式位移传感器结构简单；性能稳定可靠；精 度高；较方便地选择其输出信号范围；断电时不丢 失信号。其缺点是滑动触点容易磨损。
PC机+专用运动控制芯片控制： PC机+专用运动控制卡控制： 这两种形式的伺服运动控制器控制方便灵活，成 本低，都以通用为平台， 运动控制器都从主机(PC机)接受控制命令，从位 置传感器接受位置信息，向伺服电动机功率驱动电路 输出运动命令。 使得原来由主机做的大部分计算工作由运动控制 器内的芯片来完成，使控制系统硬件设计简单，与主 机之间的数据通信量减少，解决了通信中的瓶颈问题， 提高了系统效率。
测速发电机线性度好，灵敏度高，输出信号强， 一般检测范围为20～40r/min，精度为0.2%～0.5 %。
5.1.3 机器人外部传感器 一、力或力矩（力觉）传感器 应变片式机器人腕力和力矩传感器
二、接近觉传感器 1.电涡流式传感器
2.光纤式传感器
2.光纤式传感器
3.超声波传感器
三、触觉传感器
Fra Baidu bibliotek
直流伺服电动机的工作原理
直流伺服电动机晶体管脉宽调制(PWM)调速系 统： PWM是利用大功率晶体管的开关作用，将恒定 的直流电源电压斩成一定频率的方波电压；通过对 方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，控制 电动机转速 各半导体厂商纷纷推出直流电动机驱动专用集 成电路，如美国Silicon General公司生产的半桥单片 集成电路SG1635以及意大利DGS公司生产的全桥驱 动L292等。
5.2.4 机器人的伺服执行机构 一、步进电动机 将脉冲电信号转换为角 位移或直线位移的一种D/A 转换装置。接收一个电脉冲， 步进电动机就带动机器人的 关节轴转过一个相应的角度。 步进电动机转过的角度与接 收的脉冲数成正比。
步进电动机优点： （1）输出角度精度高，无积累误差，惯性小。 当电动机旋转一周误差回到零。 (2) 输入和输出呈严格线性关系： 输出角度不受电压、电流及波形等因素的影响，仅取 决于输入脉冲数的多少。 (3) 容易控制位置、速度，起、停及正、反转控制方 便： 步进电动机的位置(输出角度)由输入脉冲数确定，其 转速由输入脉冲的频率决定，正、反转(转向)由脉冲输入 的顺序决定，而脉冲数、脉冲频率、脉冲顺序都可方便地 由计算机输出控制。 (4) 输出信号为数字信号，可以与计算机直接接口。 (5) 结构简单，使用方便，可靠性好，寿命长。
5.2 驱动与运动控制系统 5.2.1 概述 早期：液压、气动伺服驱动。 目前：大部分被电气驱动方式所代替，只有在少 数要求超大的输出功率、防爆、低运动精度的场合才 考虑使用液压和气压驱动。 电气驱动无环境污染，响应快，精度高，成本低， 控制方便。 驱动电机：步进电动机，直流伺服电 动机，交 流伺服电动机驱动 伺服控制方式：开环、闭环、半闭环。
步进电动机：一般用在开环伺服系统，没有位 置反馈装置，控制精度相对较低，适用于位置精度 要求不高的机器人中； 交、直流伺服电动机：用于闭环和半闭环伺服 系统中，具有很高的控制精度。 伺服控制系统包括：伺服执行元件(伺服电动 机)、伺服运动控制器、功率放大器(又称伺服驱动 器)、位置检测元件等。 伺服运动控制器的功能是实现对伺服电动机的 运动控制。 MOTOMAN机器人把各个轴的伺服运动控制 器和功率放大器集成组装在控制柜内（专用计算机 控制）。
触觉传感器的作用： (1) 感知操作手指的作用力，使手指动作适当。 (2) 识别操作物的大小、形状、质量及硬度等。 (3) 躲避危险，以防碰撞障碍物引起事故。
触觉传感器包括压觉、滑觉、接触觉及力觉等。 最早的触觉传感器为开关式传感器，只有0和1两 个信号，用于表示接触与不接触。 如果要检测对象物的形状，就需要在接触面上安 装许多敏感元件。 3种敏感元件： 导电合成橡胶：压变时接触面积和反向接触电阻 随外部压力的变化很大。体积小，一般1cm3面积内可 有256个触觉敏感元件，敏感范围达1～100g。 人工皮肤：它实际上就是一种超高密度排列的阵 列传感器，主要用于表面形状和表面特性的 检测。 压电材料：压力与晶体的电阻成比例关系。
三相反应式步进电动机结构原理图 1—定子绕组；2—定子铁心；3—转子；4—A相磁通
二、直流伺服电动机 直流伺服电动机具有启动转矩大，体积小，重量 轻，转速易控制，效率高等优点。 但是，直流伺服电动机结构上具有电刷和换向器， 需要定期更换电刷和进行维修，电动机使用寿命短， 噪声大。 直流电动机的容量小，电枢电压低，很多特性参 数随速度而变化，限制了直流电动机向高速、大容量 方向发展。在一些具有可燃气体的场合，由于电刷换 向过程中可能引起打火，也不适合使用直流电动机， 如井下作业等。、 在一些中、小功率的场合，还常使用永磁式直流 伺服电动机。
三、交流伺服电动机 交流伺服电动机除了不具有直流伺服电动机的 缺点外，还具有转子惯量较直流电动机小，动态响 应好，能在较宽的速度范围内保持理想的转矩，结 构简单，运行可靠等优点。 一般同样体积下，交流电动机的输出功率可比 直流电动机高出10%～70%。 交流电动机的容量可做得比直流电动机大，达 到更高的转速和电压。 目前在机器人系统中，90%的系统采用交流伺服 电动机。
智能机器人：这类机器人的控制机多为计算机， 同时配备了多种内部、外部传感器，不但能感知内 部关节运行速度及力的大小，还能对外部的环境信 息进行感知、反馈和处理。
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 （1）位置传感器 （2）速度传感器 （3）简单触觉：确定工件是否存在。 （4）复合触觉：确定工件是否存在以及尺寸和形状等。 （5）简单力觉：测量单维力。 （6）复合力觉：测量多维力。 （7）接 近 觉：非接触探测工作对象。 （8）简单视觉：检测孔、边、拐角等。 （9）复合视觉：识别工作对象的形状等。 （10）特殊领域：温度、湿度、压力、滑动量、化学性 质等感觉能力方面的传感器。
二、传感器的性能指标 (1) 基本参数：量程、灵敏度、静态精度、动态性能。
(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：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。 输出和输入呈线性关系：
目前已出现包含绝对式和增量式两种类型的混合 式编码器使用绝对式确定机器人的绝对位置，确定由 初始位置开始的变动角的精确位置则使用增量式。
二、速度传感器 角速度传感器：测速发电机；增量式光电编码器。 1.测速发电机（模拟传感器）
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