機器人概論機器人技術面面觀---機器人控制技術04第4章機器人技術面面觀---機器人控制技術4.1機器人控制基礎4.2機器人的傳感器機器人技術面面觀---機器人控制技術4.1機器人控制基礎工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)包含對機器人本體工作過程進行控制的控制器、機器人專用傳感器、運動伺服驅動系統(tǒng)等。控制系統(tǒng)主要對機器人工作過程中的動作順序、應到達的位置姿態(tài)、路徑軌跡及規(guī)劃、動作時間及末端執(zhí)行器施加在被作用物上的力矩進行控制。機器人技術面面觀---機器人控制技術4.1.1機器人控制系統(tǒng)的特點（1）機器人的控制與結構運動學及動力學密切相關。機器人手爪的狀態(tài)可以在各種坐標下進行描述，應根據需要選擇不同的參考坐標系并做適當的坐標變換；經常要求解運動學正問題和逆問題，除此之外，還要考慮慣性力、外力（包括重力）、哥氏力、向心力的影響。（2）一個簡單的機器人至少有3～5個自由度，而比較復雜的機器人有十幾個自由度，甚至幾十個自由度。每個自由度一般包含一個伺服機構，它們必須協調起來組成一個多變量控制系統(tǒng)。（3）把多個獨立的伺服系統(tǒng)有機地協調起來，使其按照人的意識行動，甚至賦予機器人一定的“智能”，這個任務只能由計算機來完成。因此，機器人控制系統(tǒng)必須是一個計算機控制系統(tǒng)。機器人技術面面觀---機器人控制技術（4）描述機器人狀態(tài)和運動的數學模型是一個非線性模型，隨著狀態(tài)的不同和外力的變化，其參數也在變化，各變量之間還存在耦合。因此，僅僅利用位置閉環(huán)是不夠的，還要利用速度甚至加速度閉環(huán)。系統(tǒng)中經常使用重力補償、前饋、解耦或自適應控制等方法。（5）機器人的動作往往可以通過不同的方式和路徑來完成，因此存在一個“最優(yōu)”的問題。較高級的機器人可以用人工智能的方法，用計算機建立起龐大的信息庫，借助信息庫進行控制、決策、管理和操作。根據傳感器和模式識別的方法，機器人獲得對象及環(huán)境的工況，按照給定的指示要求，自動選擇最佳的控制規(guī)律。機器人技術面面觀---機器人控制技術4.1.2工業(yè)機器人的控制方式工業(yè)機器人控制方式的分類沒有統(tǒng)一的標準。按運動坐標控制的方式來分，工業(yè)機器人的控制方式可分為關節(jié)空間運動控制、直角坐標空間運動控制；按控制系統(tǒng)對工作環(huán)境的適應程度來分，工業(yè)機器人的控制方式可分為程序控制系統(tǒng)、適應性控制系統(tǒng)、人工智能控制系統(tǒng)；按同時控制機器人的數目來分，工業(yè)機器人的控制方式可分為單控系統(tǒng)、群控系統(tǒng)。除此以外，通常還可按運動控制方式的不同，將工業(yè)機器人的控制方式分為位置控制、速度控制、力控制（包括位置/力混合控制）三類。機器人技術面面觀---機器人控制技術1.位置控制方式1）點位控制點位控制的特點是僅控制離散點上工業(yè)機器人手爪或工具的位姿軌跡，要求盡快而無超調地實現相鄰點之間的運動，但對相鄰點之間的運動軌跡一般不做具體規(guī)定。例如，在印刷電路板上安插元件及點焊、搬運和上下料等工作，都屬于點位控制方式。點位控制的主要技術指標是定位精度和完成運動所需的時間。一般來說，這種方式比較簡單，但是要達到2～3μm的定位精度也是相當困難的。2）連續(xù)軌跡控制連續(xù)軌跡控制的重點是連續(xù)控制工業(yè)機器人手爪（或工具）的位姿軌跡。在弧焊、噴漆、切割等工作中，要求機器人末端執(zhí)行器按照示教的軌跡活動。其控制方式類似于控制原理中的跟蹤系統(tǒng)，稱之為軌跡伺服控制。連續(xù)軌跡控制的技術指標是軌跡精度和平穩(wěn)性。位置控制方式機器人技術面面觀---機器人控制技術2.速度控制方式對工業(yè)機器人的運動控制來說，在位置控制的同時，有時還要進行速度控制。例如，在連續(xù)軌跡控制方式下，工業(yè)機器人按預定的指令，控制運動部件的速度和實行加、減速，以滿足運動平穩(wěn)、定位準確的要求。為了實現這一要求，機器人的行程要遵循一定的速度變化曲線。由于工業(yè)機器人是一種工作情況（行程負載）多變、慣性負載大的運動機械，要處理好快速與平穩(wěn)的矛盾，必須控制起動加速和停止前的減速這兩個過渡運動區(qū)段。機器人行程的速度-時間曲線機器人技術面面觀---機器人控制技術3.力（力矩）控制方式在完成裝配、抓放物體等工作時，除了要準確定位外，還要求使用適度的力或力矩進行工作，這時就要利用力（力矩）伺服方式。這種方式的控制原理與位置伺服控制原理基本相同，只不過輸入量和反饋量不是位置信號，而是力（力矩）信號，因此系統(tǒng)中必須有力（力矩）傳感器。有時也利用接近、滑動等傳感功能進行自適應式控制。機器人技術面面觀---機器人控制技術4.1.3機器人控制系統(tǒng)的結構和工作原理一個工業(yè)機器人系統(tǒng)通常分為機構本體和控制系統(tǒng)兩大部分?？刂葡到y(tǒng)的主要作用是根據用戶的指令對機構本體進行操作和控制，完成作業(yè)的各種動作?？刂葡到y(tǒng)的性能在很大程度上決定了機器人系統(tǒng)的性能。一個良好的控制器要有靈活、方便的操作方式，多種形式的運動控制方式和安全可靠地運行。1.機器人控制系統(tǒng)的構成要素構成機器人控制系統(tǒng)的要素主要有計算機硬件系統(tǒng)及操作控制軟件、輸入/輸出設備及裝置、驅動器系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)。機器人控制系統(tǒng)的構成要素機器人技術面面觀---機器人控制技術2.工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本功能（1）記憶功能。記憶功能包括存儲作業(yè)順序、運動路徑、運動方式、運動速度和生產工藝有關的信息。（2）示教功能。示教功能包括離線編程、在線示教（包括示教盒和導引示教）、間接示教。（3）與外圍設備聯系功能。與外圍設備聯系功能包括輸入和輸出接口、通信接口、網絡接口、同步接口。（4）坐標設置功能。坐標設置功能包括關節(jié)、絕對用戶自定義坐標系等。（5）人機接口。人機接口包括示教盒、操作面板、顯示器等。（6）傳感器接口。傳感器接口包括位置檢測、視覺、觸覺、力覺。（7）位置伺服功能。位置伺服功能包括機器人多軸聯動、運動控制、速度和加速度控制、動態(tài)補償等。（8）故障診斷安全保護功能。故障診斷安全保護功能包括運行時系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護和故障自診斷。機器人技術面面觀---機器人控制技術3.PUMA562型機器人控制系統(tǒng)的結構和工作原理以PUMA562型機器人為例，說明機器人控制系統(tǒng)的結構和工作原理。PUMA機器人的外形結構機器人技術面面觀---機器人控制技術1）PUMA562控制器硬件配置及結構圖中除I/O設備和伺服電動機外，其余各部件均安裝在控制柜內。PUMA562型機器人控制器為多CPU兩級控制結構，上位計算機配有64KBRAM內存、2塊串口接口板、1塊I/O并行接口板、1塊與下位機通信的A接口板。上位計算機系統(tǒng)采用QBus總線作為系統(tǒng)總線。PUMA-562型機器人控制器原理框圖機器人技術面面觀---機器人控制技術與上位機連接的I/O設備有CRT顯示器和鍵盤、示教盒、軟盤驅動器，通過串口板還可接入視覺傳感器、高層監(jiān)控計算機、實時路徑修正控制計算機。A、B接口板是上、下位機通信的橋梁。上位機經過A、B接口板向下位機發(fā)送命令和讀取下位機信息。A接口板插在上位機的QBus總線上，B接口板插在下位機的JBus總線上，A、B接口板之間通過扁平信號電纜通信。B接口板上有一個A/D轉換器，用于讀取B接口板傳遞的各關節(jié)電位器信息，電位器用于各關節(jié)絕對位置的定位。機器人技術面面觀---機器人控制技術左圖是PUMA-562下位機控制系統(tǒng)框圖。下位計算機系統(tǒng)由6塊以6503CPU為核心的單板機組成，每塊板負責一個關節(jié)的驅動，構成6個獨立的數字伺服控制回路。下位機及B接口板、手臂信號板插在專門設計的JBus總線上。下位機的每塊單板機上都有一個D/A轉換器，其輸出分別接到6塊功率放大器板的輸入端。功率放大器輸出與6臺直流伺服電動機相接，用于檢測位置的光電碼盤與電動機同軸旋轉，6路碼盤反饋信號經手臂信號板濾波處理后，由JBus通道送往各數字伺服板。用于檢測各關節(jié)絕對位置的電位器滑動臂裝在齒輪軸上。電位器信號經由手臂信號板JBus通道，被送往B接口板。PUAM-562下位機控制系統(tǒng)框圖機器人技術面面觀---機器人控制技術2）PUMA562控制系統(tǒng)軟件PUMA562控制系統(tǒng)軟件分為上位機軟件和下位機軟件兩部分。上位機軟件為系統(tǒng)編程軟件，下位機軟件為伺服軟件。系統(tǒng)軟件提供軟件系統(tǒng)的各種系統(tǒng)定義、命令、語言及其編譯系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件針對各種運動形式的軌跡規(guī)劃、坐標變換，完成以28ms時間間隔的軌跡插補點的計算、與下位機的信息交換、執(zhí)行用戶編寫的VAL語言、機器人作業(yè)控制程序、示教盒信息處理、機器人標定、故障檢測及異常保護等。PUMA562控制系統(tǒng)下位機軟件駐留在下位單片機的EPROM中。從圖中中可以看出，下位機的關節(jié)控制器是各自獨立的，即各單片機之間沒有信息交換。上位機每隔28ms向6塊單板機發(fā)送軌跡設定點信息，6503微處理器計算關節(jié)誤差，以0.875ms的周期伺服控制各關節(jié)的運動。和一般工業(yè)機器人一樣，PUMA機器人采用了獨立關節(jié)的PID伺服控制。由于機器人的非線性特點，即慣性力、關節(jié)間的耦連及重力均與機器人的位姿（或位姿和速度）有關，都是變化的，但伺服系統(tǒng)的反饋系數是確定不變的。因此，這種控制方法難以保證在高速、變速或變載荷情況下的精度。機器人技術面面觀---機器人控制技術4.1.4機器人單關節(jié)位置伺服控制大部分機器人的控制系統(tǒng)像PUMA機器人一樣，分為上位機和下位機。從運動控制的角度看，上位機做運動規(guī)劃，并將手部的運動轉化成各關節(jié)的運動，按控制周期傳給下位機；下位機進行運動的插補運算及對關節(jié)進行伺服控制，所以常用多軸運動控制器作為機器人的關節(jié)控制器。多軸運動控制器的各軸伺服控制也是獨立的，每個軸對應一個關節(jié)。這種控制方法并沒有考慮實際機器人各關節(jié)的耦合作用，因此對于高速運動、變載荷控制的伺服性能也不會太好。實際上，可以對單關節(jié)型機器人做控制設計，對于多關節(jié)、高速變載荷的情況，可以在單關節(jié)控制的基礎上做補償?？刂破髟O計的目的是使控制系統(tǒng)具有良好的伺服性能。機器人伺服系統(tǒng)主要由驅動器、減速器及傳動機構、力傳感器、角度（位置）傳感器、角速度（速度）傳感器和計算機組成。其中，傳感器可以提供機器人各個臂的位置、運動速度或力的大小信息，將它們與給定的位置、速度或力相比較，則可以得出誤差信息。計算機及其接口電路用于采集數據和提供控制量，各種控制算法是由軟件完成的。驅動器是系統(tǒng)的控制對象，傳動機構及機器人的手臂則是驅動器的負載。目前應用最多的是直流電動機驅動和交流電動機驅動。機器人技術面面觀---機器人控制技術1.工業(yè)機器人對關節(jié)驅動電動機的要求（1）快速性。電動機從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時間應短。響應指令信號的時間越短，電伺服系統(tǒng)的靈敏性越高，快速響應性能越好。一般是以伺服電動機的機電時間常數的大小來說明伺服電動機快速響應的性能的好壞。（2）起動轉矩慣量比大。在驅動負載的情況下，要求機器人的伺服電動機的起動轉矩大、轉動慣量小。（3）控制特性的連續(xù)性和直線性。隨著控制信號的變化，電動機的轉速能連續(xù)變化，有時還需轉速與控制信號成正比或近似成正比。（4）調速范圍寬。能使用于1∶1000～1∶10000的調速范圍。（5）體積小、重量小、軸向尺寸短。（6）能經受得起苛刻的運行條件，可進行十分頻繁的正、反向和加、減速運行，并能在短時間內承受過載。機器人技術面面觀---機器人控制技術2.工業(yè)機器人驅動所采用的電動機機器人關節(jié)驅動電動機的功率范圍一般為0.1～10kW。工業(yè)機器人驅動系統(tǒng)中所采用的電動機可細分為以下幾種：（1）交流伺服電動機。交流伺服電動機包括同步型交流伺服電動機等。（2）直流伺服電動機。直流伺服電動機包括小慣量永磁直流伺服電動機、印制繞組直流伺服電動機、大慣量永磁直流伺服電動機、空心杯電樞直流伺服電動機。（3）步進電動機。步進電動機包括永磁感應步進電動機。機器人驅動系統(tǒng)要求傳動系統(tǒng)間隙小、剛度大、輸出轉矩高及減速比大，常用的減速機構有RV減速機構、諧波減速機構、擺線針輪減速機構、行星齒輪減速機構、無側隙減速機構、蝸輪減速機構、滾珠絲杠機構、金屬帶/齒形減速機構、球減速機構。機器人技術面面觀---機器人控制技術4.1.5機器人的力控制機器人在執(zhí)行任務時一般受到兩種約束：一種是自然約束，它是指機器人手爪（或工具）與環(huán)境接觸時，環(huán)境的幾何特性構成對作業(yè)的約束；另一種是人為約束，它是人為給定的約束，用來描述機器人預期的運動或施加的力。人為約束與自然約束一起規(guī)定出希望的運動或作用力，每當指定一個需要的位置軌跡或力時，就要定義一組人為約束條件。人為約束也定義在廣義曲面的法線和切線方向上，但人為力約束在法線方向上，人為位置約束在切線方向上，以保證與自然約束相容。機器人技術面面觀---機器人控制技術下圖表示出了旋轉曲柄和擰螺絲兩種作業(yè)的自然約束和人為約束。兩種作業(yè)的自然約束和人為約束機器人技術面面觀---機器人控制技術下圖為將一根插銷插入孔中的裝配過程。首先把插銷放在孔的左側平面上，然后在平面上平移滑動，直到掉入孔中，再將插銷向下插入孔底。上述每個動作定義為一個子任務，然后分別給出自然約束和人為約束，根據檢測出的自然約束條件變化的信息，調用人為約束條件。將一根插銷插入孔中的裝配過程機器人技術面面觀---機器人控制技術

3.柔順控制柔順是指機器人對外界環(huán)境變化適應的能力。機器人與外界環(huán)境接觸時，即使外界環(huán)境發(fā)生了變化（如零件位置或尺寸的變化），機器人仍然能夠與環(huán)境保持預定的接觸力，這就是機器人的柔順能力。為了使機器人具有一定的柔順能力，需要對機器人進行柔順控制。柔順控制的本質是力和位置的混合控制。實現柔順控制的方法有兩類：一類是力和位置混合控制，另一類是阻抗控制。所謂力和位置混合控制，是指機器人末端執(zhí)行器在某個方向受到約束時，同時進行不受約束方向的位置控制和受約束方向的力控制的控制方法。其特點是力和位置是獨立控制的，控制規(guī)律是以關節(jié)坐標給出的。阻抗控制，顧名思義，就是控制力和位移之間的動力學關系，使機器人末端呈現需要的剛性和阻尼。阻抗控制不是直接控制期望的力和位置，而是通過控制力和位置之間的動態(tài)關系來實現柔順控制。這種動態(tài)關系類似于電路中阻抗的概念，因而稱為阻抗控制。任一自由度上的機械阻抗是該自由度上的動態(tài)力增量與由它引起的動態(tài)位移增量之比。機械阻抗是個非線性動態(tài)系數，表示機械動力學系統(tǒng)在任一自由度上的動剛度。機器人技術面面觀---機器人控制技術4.1.6機器人智能控制1.機器人智能控制系統(tǒng)概述新出現的各種智能機器人主要有以下幾類。1）網絡機器人網絡技術的發(fā)展拓寬了智能機器人的應用范圍。利用網絡和通信技術可以對機器人進行遠程控制和操作，代替人在遙遠的地方工作。利用網絡機器人，外科專家可以在異地為患者實施疑難手術。2000年，身在美國紐約的外科醫(yī)生雅克·馬雷斯科成功地用機器人為躺在法國東北部城市的一位女患者做了膽囊摘除手術，這就是一個網絡機器人成功應用的范例。在國內，北京航空航天大學、清華大學和海軍總醫(yī)院共同開發(fā)的通控操作遠程醫(yī)用機器人系統(tǒng)，可以在異地為患者實施開顱手術。機器人技術面面觀---機器人控制技術2）微型機器人日本東京工業(yè)大學的一名教授對微型和超微型機構的尺寸做了一個基本的定義：機構尺寸為1～100mm的為小型機構，10μm～1mm的為微型機構，10μm以下的為超微型機構。微型機器人的發(fā)展依賴于微加工工藝、微傳感器、微驅動器和微結構四個支柱。現已研制出直徑20μm、長150μm的鉸鏈連桿和200μm×200μm的滑塊結構以及微型的齒輪、曲柄、彈簧等。貝爾實驗室已開發(fā)出一種直徑為400μm的齒輪。美國IBM公司瑞士蘇黎世實驗室與瑞士巴塞爾大學的科學家正在研究利用DNA（脫氧核糖核酸）的結構特性為微型機器人提供動力的新方法。利用這一方法，科學家可能制造出不用電池的新一代微型機器人。機器人技術面面觀---機器人控制技術3）高智能機器人美國著名的科普作家阿西莫夫曾設想機器人具有這樣的數學天賦：“能像小學生背乘法口訣一樣來心算三重積分，做張量分析題如同吃點心一樣輕巧?！?997年，IBM公司開發(fā)的名為“深藍”的RS/6000sP超級計算機打敗了國際象棋之王卡斯帕羅夫，顯示了大型計算機的威力?！吧钏{”重達1.4t，有32個節(jié)點，每個節(jié)點有8塊專門為進行國際象棋對弈設計的處理器，平均運算速度為每秒200萬步。機器人需要處理和存儲的信息量大，要求計算機的實時處理速度快。如果將“深藍”這樣的計算機體積縮小到相當小，就可以直接放入機器人的腦袋里。有了硬件支持及人工智能的突破，更高智能的機器人一定會出現。機器人技術面面觀---機器人控制技術3）高智能機器人美國著名的科普作家阿西莫夫曾設想機器人具有這樣的數學天賦：“能像小學生背乘法口訣一樣來心算三重積分，做張量分析題如同吃點心一樣輕巧。”1997年，IBM公司開發(fā)的名為“深藍”的RS/6000sP超級計算機打敗了國際象棋之王卡斯帕羅夫，顯示了大型計算機的威力。“深藍”重達1.4t，有32個節(jié)點，每個節(jié)點有8塊專門為進行國際象棋對弈設計的處理器，平均運算速度為每秒200萬步。機器人需要處理和存儲的信息量大，要求計算機的實時處理速度快。如果將“深藍”這樣的計算機體積縮小到相當小，就可以直接放入機器人的腦袋里。有了硬件支持及人工智能的突破，更高智能的機器人一定會出現。4）變結構機器人能機器人的工作環(huán)境千變萬化，科學家夢想著機器人能像人和動物一樣運動，如像蛇一樣爬行，像人一樣用兩條腿行走。日本在仿人形機器人上取得了很大的進步，但是機器人的行走速度慢，對地面的要求很高，真正達到像人一樣行走的水平，道路仍然漫長。機器人技術面面觀---機器人控制技術美國G.N.薩里迪斯提出了智能控制系統(tǒng)的分層遞階的智能控制結構如下圖該分層遞階的智能控制系統(tǒng)具有兩個明顯的特點：（1）對控制來講，自上而下控制的精度越來越高。（2）對識別來講，自下而上的信息回饋越來越粗略，相應的智能程度越來越高。這種分層遞階的結構形式已成功地應用于機器人的智能控制。智能控制系統(tǒng)的典型結構機器人技術面面觀---機器人控制技術3.機器人智能控制理論概述1）神經網絡控制基于人工神經網絡的控制稱為神經網絡控制。神經網絡控制采用仿生學的觀點與方法來研究人腦和智能系統(tǒng)的高級信息處理。神經網絡控制器模仿人的形象思維，將輸入和輸出映射成控制信號。一旦模型建立后，在輸入狀態(tài)信息不完備的情況下，也能快速做出響應，進行模式識別。神經網絡控制不需要數學建模，這對于智能機器人的控制來說，是十分理想的。但神經網絡控制存在自學習的問題，即當環(huán)境發(fā)生變化，原來的映射關系不再適用時，需要重新訓練網絡。機器人技術面面觀---機器人控制技術2）模糊控制1965年，美國著名控制論學者扎德（L.A.Zadeh）首次提出一種完全不同于傳統(tǒng)數學與控制理論的模糊集合理論，把信息科學推進到人工智能的新方向?；谀：壿嬂碚摰目刂品椒ǚQ為模糊控制。1986年，世界上第一塊基于模糊邏輯的人工智能芯片在著名的貝爾實驗室研制成功。事實表明，模糊理論具有強大的生命力和廣闊的應用前景。模糊控制單元由模糊規(guī)則庫、模糊產生器、模糊推理機和模糊消除器4個功能模塊組成。模糊控制單元的基本功能結構機器人技術面面觀---機器人控制技術神經網絡的輸入輸出映射關系表現為一種權值矩陣，不容易被理解。模糊系統(tǒng)具有自然語言的表達能力。模糊神經控制系統(tǒng)是神經網絡技術與模糊邏輯控制技術相結合的產物，是基于神經網絡的模糊控制方法。

常規(guī)的模糊神經控制方法是指用一個神經網絡實現常規(guī)模糊控制器的功能，根據神經網絡實現的模糊邏輯控制功能范圍，大致可分為兩種：一種是由神經網絡實現模糊控制規(guī)則及模糊推理，另一種是由神經網絡實現全部模糊邏輯控制的功能。前者是一種局部網絡化的結構，后者是一種全網絡化的結構。機器人技術面面觀---機器人控制技術下圖為局部網絡化結構的常規(guī)模糊神經控制器神經網絡實現了常規(guī)模糊神經控制器的模糊規(guī)則庫及其推理功能，而模糊化、解模糊等功能仍由常規(guī)的模糊處理來實現。局部網絡化結構的常規(guī)模糊神經控制器機器人技術面面觀---機器人控制技術4.2機器人的傳感器傳感器是一種以一定精度將被測量（如位移、力、加速度、溫度等）轉換為有確定對應關系、易于精確處理和測量的某種物理量（如電量）的測量部件或裝置。機器人技術面面觀---機器人控制技術4.2.1機器人傳感器的種類與要求1.機器人傳感器的種類工業(yè)機器人傳感器的分類機器人技術面面觀---機器人控制技術2.機器人傳感器的要求機器人對傳感器的一般性要求如下：（1）精度高、重復性好。機器人是否能夠準確無誤地正常工作，往往取決于其所用傳感器的測量精度。（2）穩(wěn)定性和可靠性好。保證機器人能夠長期、穩(wěn)定、可靠地工作，盡可能避免在工作中出現故障。（3）抗干擾能力強。工業(yè)機器人的工作環(huán)境往往比較惡劣，其所用傳感器應能承受一定的電磁干擾、振動，并能在高溫、高壓、高污染環(huán)境中正常工作。（4）質量輕、體積小、安裝方便。（5）價格低。機器人技術面面觀---機器人控制技術4.2.2內部傳感器1.位置傳感器位置感覺是機器人最起碼的感覺要求，沒有它們，機器人將不能正常工作。它們可以通過多種傳感器來實現。位置傳感器包括位置和角度檢測傳感器。

常用的機器人位置傳感器有電位器式、光電式、電感式、電容式、霍爾元件式、磁柵式及機械式位置傳感器等。1）電位器式位置傳感器按照電位器式位置傳感器的結構，可以把它分成兩大類：一類是直線型電位器和旋轉型電位器直線型電位器旋轉型電位器機器人技術面面觀---機器人控制技術2）光電編碼器光電編碼器是一種應用廣泛的位置傳感器，其分辨率完全能滿足機器人的技術要求。這種非接觸型位置傳感器可分為絕對型光電編碼器和相對型光電編碼器。前者只要電源加到用這種傳感器的機電系統(tǒng)中，光電編碼器就能給出實際的線性或旋轉位置。因此，用絕對型光電編碼器裝備的機器人的關節(jié)不要求校準，只要一通電，控制器就知道實際的關節(jié)位置。相對型光電編碼器只能提供某基準點對應的位置信息。所以，用相對型光電編碼器的機器人在獲得真實位置信息以前，必須首先完成校準程序。機器人技術面面觀---機器人控制技術（1）絕對型光電編碼器。絕對型光電編碼器通常由3個主要元件構成：多路（或通道）光源（如發(fā)光二極管）、光敏元件和光電碼盤。電動機上的絕對型光電編碼器絕對型光電編碼器碼盤機器人技術面面觀---機器人控制技術4通道16個扇形面的二進制絕對碼盤如圖（a）。采用二進制碼盤，在兩個碼段交替過程中，有可能由于電刷位置安裝不準，一些電刷越過分界線，而另一些尚未越過，會產生非單值性誤差。為減小這種誤差，改進的方法是采用格雷碼碼盤，如圖（b）所示。絕對碼盤機器人技術面面觀---機器人控制技術（2）相對型光電編碼器。與絕對型光電編碼器一樣，相對型光電編碼器也是由前述3個主要元件構成的，所不同的是后者的光源只有一路或兩路，光電碼盤一般只刻有一圈或兩圈透明區(qū)域和不透明區(qū)域。當光透過碼盤時，光敏元件導通，產生低電平信號，代表二進制的“0”；不透明的區(qū)域代表二進制的“1”。因此，這種編碼器只能通過計算脈沖個數來得到輸入軸所轉過的相對角度。由于相對型光電編碼器的碼盤加工相對容易，因此其成本比絕對型編碼器低，而分辨率比絕對型編碼器高。然而，只有使機器人首先完成校準操作以后，才能獲得絕對位置信息。通常，這不是很大的缺點，因為這樣的操作一般只有在加上電源后才能完成。若在操作過程中電源意外地消失，則由于相對型編碼器沒有“記憶”功能，故必須再次完成校準。機器人技術面面觀---機器人控制技術

3）旋轉變壓器旋轉變壓器是一種輸出電壓隨轉角變化的檢測裝置，是用來測量角位移的。其基本結構與交流繞線式異步電動機相似，由定子和轉子組成。如圖420所示，定子相當于變壓器的初級，有兩組在空間位置上互相垂直的勵磁繞組；轉子相當于變壓器的次級，僅有一個繞組。當定子繞組通交流電流時，轉子繞組中便有感應電動勢產生。感應電動勢的大小等于兩定子繞組單獨作用時所產生的感應電動勢矢量和。旋轉變壓器的原理機器人技術面面觀---機器人控制技術

4）激光干涉式編碼器中國科學院長春光學精密機械與物理研究所利用光學衍射光干涉技術取代傳統(tǒng)幾何光提取位移信息技術，研制出國內最高水平的高密度光柵盤，刻線密度達到380線/mm。光學干涉系統(tǒng)被集成于45mm×10mm空間內，并以光學對徑相加工技術消除碼盤偏心。1994年研制成的58mm帶有光學倍頻的編碼器，無電細分的原始角分辨率達到每圈162000脈沖，即優(yōu)于2n。高速電處理技術的應用，使響應頻率提高到1000kHz。絕對零位信息提取的創(chuàng)新技術使定位精度大大提高，全周最大累積誤差7.8″。該編碼器可用于高精度DD機器人，使我國機器人位置傳感器的制造技術步入世界先進水平行列。機器人技術面面觀---機器人控制技術

2.速度傳感器速度傳感器是機器人內部傳感器之一，用來測量關節(jié)的運動速度，常用的有模擬式和數字式兩類。1）模擬式速度傳感器測速發(fā)電機是常用的一種模擬式速度傳感器，它是一種小型永磁式直流發(fā)電機。其工作原理是：當勵磁磁通恒定時，其輸出電壓和轉子轉速成正比。測速發(fā)電機機器人技術面面觀---機器人控制技術2）數字式速度傳感器在機器人控制系統(tǒng)中，增量式碼盤既可用作位置傳感器，又可用作速度傳感器。當把增量式碼盤用作速度傳感器時，既可用模擬式方法，也可用數字式方法。當用模擬式方法時，采用頻/壓轉換器把碼盤的脈沖頻率轉換成與轉速成正比的模擬電壓。當用數字式方法時，由于碼盤可理解成一個數字式元件，它的脈沖個數代表了位置，而一單位時間內的脈沖個數表示這段時間里的平均速度。當時間段足夠小時，便可代表某個時間點的瞬時速度。機器人技術面面觀---機器人控制技術3.加速度傳感器1）應變片加速度傳感器Ni-Cu或Ni-Cr等金屬電阻應變片加速度傳感器是一個由板簧支撐重錘所構成的振動系統(tǒng)。2）伺服加速度傳感器伺服加速度傳感器檢測出與上述振動系統(tǒng)重錘位移成比例的電流，把電流反饋到恒定磁場中的線圈上，使重錘返回到原來的零位移狀態(tài)。應變片加速度傳感器機器人技術面面觀---機器人控制技術4.傾斜角傳感器傾斜角傳感器測量重力的方向，應用于機械手末端執(zhí)行器或移動機器人的姿態(tài)控制中。根據測量原理的不同，傾斜角傳感器分為液體式傾斜角傳感器、垂直振子式傾斜角傳感器和陀螺式傾斜角傳感器。1）液體式傾斜角傳感器液體式傾斜角傳感器分為氣泡位移式傾斜角傳感器、電解液式傾斜角傳感器、電容式傾斜角傳感器和磁流體式傾斜角傳感器等。下面僅介紹其中的氣泡位移式傾斜角傳感器。氣泡位移式傾斜角傳感器的結構及測量原理機器人技術面面觀---機器人控制技術2）垂直振子式傾斜角傳感器振子由撓性薄片懸起，傳感器傾斜時，振子為了保持鉛直方向而離開平衡位置。根據振子是否偏離平衡位置及偏移角函數（通常是正弦函數）檢測出傾斜角度。但是，由于容器限制，測量范圍只能在振子自由擺動的允許范圍內，不能檢測過大的傾斜角度。垂直陣子式傾斜角傳感器的原理機器人技術面面觀---機器人控制技術4.2.3外部傳感器1.接近覺傳感器接近覺是一種粗略的距離感覺。接近覺傳感器的主要作用是在接觸對象之前獲得必要的信息，用來探測在一定距離范圍內是否有物體接近。接近覺傳感器可以在近距離范圍內獲取執(zhí)行器和對象物體間的空間相對關系信息。它的作用包括確保安全、防止物體的接近或碰撞；確認物體的存在；檢測物體的姿態(tài)和位置；測量物體的狀態(tài)，進而制定操作規(guī)劃和行動規(guī)劃。機器人技術面面觀---機器人控制技術接近覺傳感器分為接觸式接近覺傳感器和非接觸式接近覺傳感器。1）接觸式接近覺傳感器2）非接觸式接近覺傳感器（1）電容式接近覺傳感器。（2）感應式接近覺傳感器。（3）氣壓式接近覺傳感器。（4）超聲波式接近覺傳感器。接近覺氣流傳感器的結構原理典型的超聲波式接近覺傳感器的結構機器人技術面面觀---機器人控制技術2.觸覺傳感器觸覺傳感器是機器人與環(huán)境直接作用的檢測和感知。簡單地說，觸覺就是機械手與對象接觸面上的力感覺，是檢測沖擊、壓迫等機械刺激的綜合感覺，一般包括接觸覺、壓覺、滑覺及力覺等感覺。接觸傳感器可以用來進行機械手抓取，可以感知物體的形狀，軟硬。1）接觸覺傳感器接觸覺傳感器是指裝于機器人手爪上的、以判斷是否接觸物體為基本特征的測量傳感器。根據接觸覺傳感器的輸出，機器人可以感受和搜索對象物，感受手爪與對象物之間的相對位置和姿態(tài)，并修正手爪的操作狀態(tài)。采用分布密度比較高的接觸覺傳感器，還可以判斷對象物的大致幾何形狀。機器人技術面面觀---機器人控制技術（1）機械式接觸覺傳感器。利用觸點的接通、斷開獲取信息，通常采用微動開關來識別，但由于結構關系，無法高密度列陣。機械式接觸覺傳感器的輸出是開關方式的二值量信息，因而，微動開關、光電開關等器件可作為最簡單的接觸覺傳感器，用以感受對象物的存在與否。機械式接觸覺傳感器機器人技術面面觀---機器人控制技術（2）彈性式接觸覺傳感器。

為了減輕重量、縮小體積，并檢測輕微的碰撞，還設計了各種彈性式接觸覺傳感器。這類傳感器都由彈性元件、導電觸點和絕緣體構成。圖（a）所示的彈性式接觸覺傳感器由導電性石墨化碳纖維、氨基甲酸乙酯泡沫、印刷電路板和金屬觸點構成。碳纖維被壓縮后與金屬觸點接觸，觸點由斷開變成接通，由此得到信息。如圖（b）所示，導電橡膠受壓后，彈性體海綿變形，導電橡膠和金屬觸點接觸，開關接通。圖（c）中的一對接點由金屬和覆蓋它的導電橡膠構成，兩者間有縫隙。導電橡膠受壓變形后，與金屬接觸，接點閉合。彈性式接觸覺傳感器機器人技術面面觀---機器人控制技術（3）光纖式接觸覺傳感器。

這種傳感器包括由一束光纖構成的光纜和一個可變形的反射表面，光通過光纖束投射到可變形的反射材料上，反射光按相反方向通過光纖束返回。如果反射表面是平的，則通過每條光束所返回的光的強度是相同的；如果反射表面因與物體接觸受力而變形，則反射的光強度不同。用高速光掃描技術進行處理，即可得到反射表面的受力情況。機器人技術面面觀---機器人控制技術2）壓覺傳感器壓覺傳感器檢測傳感器表面上受到的作用力。壓覺傳感器由彈性體及檢測彈性體位移的敏感元件或感壓電阻構成。通常，用彈簧、海綿等材料制作彈性體，用電位器、光電元件、霍爾元件制作位移檢測機構。

在這個傳感器中，用彈簧支撐的平板作為機械手的物體夾持面。在平板上加負載時，平板發(fā)生位移，該位移量由電位器檢測。如果已知彈簧的剛性系數，則可根據位移的輸出求出力的大小。用彈簧和電位器制成的彈簧式壓覺傳感器。機器人技術面面觀---機器人控制技術下圖是采用導電橡膠的壓覺傳感器，在硅中摻入鋁粉或碳粉等導電粉末，硬化后就制成硅橡膠。根據摻入粉末比例的不同，硅橡膠會成為低電阻的導體，或者成為電阻隨外力變化的感應電阻件。前者一般稱為導電橡膠，后者稱為感壓導電橡膠。導電橡膠用作接觸覺傳感器，而電阻變化的橡膠在壓覺傳感器中使用。分布式傳感器同時使用這兩種特性的硅橡膠。采用導電橡膠的壓覺傳感器機器人技術面面觀---機器人控制技術

3）滑覺傳感器機器人在抓取不知屬性的物體時，其自身應能確定最佳夾持力的給定值。夾持力不夠，物體會從手爪中滑脫；夾持力過大，有可能引起被夾持物體的損壞。在不損壞物體的前提下，實現可靠夾持功能的傳感器稱為滑覺傳感器。

滑覺傳感器有滾輪式滑覺傳感器、球式滑覺傳感器和振動式滑覺傳感器三種。滾輪式滑覺傳感器的典型結構機器人技術面面觀---機器人控制技術下圖為球式滑覺傳感器的典型結構。傳感器的球面有黑白相間的圖形，黑色為導電部分，白色為絕緣部分，兩個電極和球面接觸，根據電極間導通狀態(tài)的變化，可以檢測出球的轉動，即檢測滑覺。傳感器表面伸出的觸針能與物體接觸，當物體滑動時，觸針與物體接觸，在觸針上輸出脈沖信號。脈沖信號的頻率反映了滑動速度，脈沖信號的個數對應滑動距離?；X傳感器還有一種通過振動檢測滑覺的傳感器，稱為振動式滑覺傳感器。球式滑覺傳感器的典型結構機器人技術面面觀---機器人控制技術4）力覺傳感器力覺是指機器人的指、腕、肢和關節(jié)等在運動中所受力的感覺。根據被測對象的負載，比較常用的力覺傳感器有單軸力傳感器、單軸力矩傳感器、手指傳感器（檢測機器人手指作用力的超小型單軸力傳感器）、六軸力覺傳感器。其中，單軸力傳感器、單軸力矩傳感器、手指傳感器只能測量單軸力，而且必須在沒有其他負載分量作用的條件下。因此，除了手指傳感器外，其他幾種都不適用于機器人。但有人通過巧妙地安裝軸承，僅在機器人驅動電機力矩起作用的部位安裝力矩傳感器來測量力矩，對機器人進行控制。機器人技術面面觀---機器人控制技術機器人的力控制主要控制作用于機器人手爪的任意方向上的負載分量，因此需要六軸力覺傳感器。在機器人研制中，常常在結構不同的部位貼上應變片，校準其輸出和負載的關系后，把它當作多軸力傳感器使用，但是往往忽視了其他負載分量的影響。力控制本來就比位置和速度難控制，由于上述測量方面的原因，實現力控制就更困難了。為了使負載測量結果準確可信，使用六軸力覺傳感器較好。典型的手腕力覺傳感器的結構原理機器人技術面面觀---機器人控制技術

20世紀70年代中期，美國斯坦福大學利用應變計研制出了一種機器人用的六維力和傳感器。下圖，它由一段直徑為75mm的鋁管巧妙地加工而成，具有8個窄長的彈性梁，每個梁的頸部開有小槽，以使頸部只傳遞力，轉矩作用很小，梁的另一頭兩側貼有應變片（一片用于溫度補償）。圖中從Px+到Qy-代表了8根應變梁的變形信號的輸出。該傳感器為直接輸出型力傳感器，不需要再做運算，并能進行溫度自動補償。其主要缺點是維間存在耦合，傳感器彈性梁的加工難度大、剛性較差。一種機器人用的六維力傳感器機器人技術面面觀---機器人控制技術3.聽覺傳感器及語音識別人用語言指揮工業(yè)機器人比用鍵盤指揮工業(yè)機器人更方便，因此需要聽覺傳感器對人發(fā)出的各種聲音進行檢測，然后通過語言識別系統(tǒng)識別出命令、執(zhí)行命令。要實現該想法，需要聽覺傳感器及語音識別系統(tǒng)。1）聽覺傳感器聽覺傳感器的功能是將聲信號轉換為電信號，通常也稱為傳聲器。常用的聽覺傳感器有動圈式傳感器和電容式傳感器。機器人技術面面觀---機器人控制技術（1）動圈式傳感器。傳聲器的振膜非常輕、薄，可隨聲音振動。動圈同振膜粘在一起，可隨振膜的振動而運動。動圈浮在磁隙的磁場中，當動圈在磁場中運動時，動圈中可產生感應電動勢。此電動勢與振膜振動的振幅和頻率相對應，因而動圈輸出的電信號與聲音的強弱、頻率的高低相對應。這樣傳聲器就將聲音轉換成了音頻電信號輸出。動圈式傳聲器的結構原理機器人技術面面觀---機器人控制技術（2）電容式傳感器下圖為電容式傳感器的結構原理。由固定電極和振膜構成一個電容，UP經過電阻RL將一個極化電壓加到電容的固定電極上。當聲音傳入時，振膜可隨時間發(fā)生振動，此時振膜與固定電極間電容量也隨著聲音的變化而發(fā)生變化，此電容的阻抗也隨之變化；與其串聯的負載電阻RL的阻值是固定的，電容的阻抗變化就表現為a點電位的變化。經過耦合電容C將a點電阻變化的信號輸入前置放大器A，經放大后輸出音頻信號。電容式傳感器的結構原理機器人技術面面觀---機器人控制技術2）語音識別系統(tǒng)語音識別技術就是讓機器把傳感器采集的語音信號通過識別和理解過程，轉變?yōu)橄鄳奈谋净蛎畹母呒壖夹g。計算機語音識別過程與人對語音識別處理過程基本上是一致的。目前，主流的語音識別技術是基于統(tǒng)計模式識別的基本理論，一個完整的語音識別系統(tǒng)可大致分為以下三個部分：（1）語音特征提取。

其目的是從語音波形中提取隨時間變化的語音特征序列。聲學特征的提取與選擇是語音識別的一個重要環(huán)節(jié)。聲學特征的提取是一個信息大幅度壓縮的過程，目的是使模式劃分器能更好地劃分。由于語音信號的時變特性，特征提取必須在一小段語音信號上進行，也即進行短時分析。機器人技術面面觀---機器人控制技術（2）識別算法。

聲學模型是識別系統(tǒng)的底層模型，并且是語音識別系統(tǒng)中最關鍵的一部分。聲學模型通常由獲取的語音特征通過訓練產生，目的是為每個發(fā)音建立發(fā)音模板。在識別時，將未知的語音特征同聲學模型（模式）進行匹配與比較，計算未知語音的特征矢量序列和每個發(fā)音模板之間的距離。聲學模型的設計和語言發(fā)音的特點密切相關。聲學模型單元大小（字發(fā)音模型、半音節(jié)模型或音素模型）對語音訓練數據量的大小、系統(tǒng)識別率及靈活性有較大影響。（3）語義理解。

計算機對識別結果進行語法、語義分析。明白語言的意義，以便做出相應的反應，通常是通過語言模型來實現的。機器人技術面面觀---機器人控制技術4.視覺傳感器人從外界獲得的信息大多數是由眼睛得到的。人類視覺細胞的數量是聽覺細胞的3000多倍，是皮膚感覺細胞的100多倍。如果要賦予機器人較高級的智能，機器人必須通過視覺系統(tǒng)更多地獲取周圍世界的信息。焊接機器人用視覺系統(tǒng)進行作業(yè)