機器人傳感技術(shù)與控制

機器人傳感技術(shù)與控制第1頁/共74頁第一代機器人：不具有感知和反饋，示教再現(xiàn)型第二代機器人：對外界環(huán)境有一定感知能力，具有視覺、觸覺、聽覺等功能。第三代機器人：智能機器人，具有感覺能力，有記憶、推理和決策的能力，有與外部世界——對象、環(huán)境和人相適應(yīng)、相協(xié)調(diào)的工作機能。為了檢測作業(yè)對象、環(huán)境或機器人與它們的關(guān)系，在機器人上安裝了觸覺、視覺、力覺、接近覺、超聲波等傳感器，進(jìn)行定位和控制，實現(xiàn)類似人類感知作用。

機器人傳感器是指機器人對內(nèi)外部環(huán)境感知的物理量變換為電量輸出的裝置。第2頁/共74頁機器人傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。機器人的內(nèi)部傳感器是安裝在機器人自身中,用來感知它自己的狀態(tài)，以調(diào)整并控制機器人的行動。它通常由位置、加速度、速度及壓力傳感器組成。機器人的外部傳感器是檢測環(huán)境、目標(biāo)的狀態(tài)特征，使機器人--環(huán)境發(fā)生交互作用，從而使機器人對環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力。類型：包括觸覺傳感器、視覺傳感器、接近覺傳感器、聽覺傳感器等。第3頁/共74頁控制器內(nèi)部傳感外部傳感機器人位置傳感器速度傳感器加速度傳感器力和壓力傳感器微動開關(guān)紅外傳感器接觸和視覺傳感器接近覺傳感器超聲波傳感器視覺傳感器語音合成器內(nèi)傳感器用于測量機器人自身狀態(tài)測量與機器人作業(yè)有關(guān)的外部環(huán)境第4頁/共74頁多指協(xié)調(diào)控制抓取規(guī)劃多指多關(guān)節(jié)靈巧機械手三個手指3個關(guān)節(jié)電機角度傳感器復(fù)合觸覺傳感器通過從結(jié)構(gòu)與功能上模仿人手，實現(xiàn)對各種形狀物體的靈巧操作，精確的力控制與運動控制第5頁/共74頁傳感器在機器人身上分布第6頁/共74頁5.1機器人內(nèi)部傳感器機器人內(nèi)傳感器包括位移（位置）傳感器、速度、加速度傳感器等。一、位置傳感器1.電位器式位移傳感器直線電位器和圓形電位器，用作直線位移和角位移傳感器。電位器式位移傳感器結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠，精度高，較方便地選擇其輸出信號范圍。第7頁/共74頁電位器式位移傳感器的可動電刷與被測物體相連。物體的位移引起電位器移動端的電阻變化。阻值的變化量反映了位移的量值，阻值的增加還是減小則表明了位移的方向。

電位器式位移傳感器位移和電壓關(guān)系：E：輸入電壓

L：觸頭最大移動距離

X：向左端移動的距離

e：電阻右側(cè)的輸出電壓第8頁/共74頁旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器直線型電位器式位移傳感器第9頁/共74頁2.旋轉(zhuǎn)光電編碼器旋轉(zhuǎn)光電編碼器是角度、角速度檢測裝置，具有體積小，精度高，工作可靠等優(yōu)點，應(yīng)用廣泛。一般裝在機器人各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸上，用來測量各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度或角速度。

第10頁/共74頁編碼器在機器人中的應(yīng)用伺服電機伺服電機編碼器伺服電機伺服電機編碼器編碼器編碼器第11頁/共74頁1、絕對式光電編碼器絕對式編碼器按照角度直接進(jìn)行編碼，直接用數(shù)字代碼表示。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式有接觸式、光電式等。絕對式光電編碼器的編碼盤由透明及不透明區(qū)組成。第12頁/共74頁（1）接觸式絕對碼盤4個電刷

4位二進(jìn)制碼盤

最小分辨角＝360°／2n

當(dāng)n＝4，＝360°／24＝22.5°導(dǎo)電為“1”，非導(dǎo)電為“0”第13頁/共74頁絕對式光電編碼器原理動畫演示（2）絕對式光電碼盤LED光敏元件第14頁/共74頁光電編碼器位置測量動畫演示第15頁/共74頁2.增量式光電編碼器的結(jié)構(gòu)碼盤光欄板LED零位標(biāo)志（一轉(zhuǎn)脈沖）光敏元件＝360°／條紋數(shù)＝360°／1024＝0.352°透光條紋第16頁/共74頁90ABAB辨向：光敏元件所產(chǎn)生的信號A、B彼此相差90相位。當(dāng)碼盤正轉(zhuǎn)時，A信號超前B信號90；當(dāng)碼盤反轉(zhuǎn)時，B信號超前A信號90。零位標(biāo)記槽LED光源編碼盤透光槽均勻分布零位讀出光電元件“一轉(zhuǎn)信號”或零標(biāo)志脈沖，測量的起始基準(zhǔn)第17頁/共74頁增量式編碼器原理動畫演示絕對式編碼器輸出二進(jìn)制編碼，增量式編碼器輸出脈沖。第18頁/共74頁二、速度傳感器速度傳感器：測量機器人關(guān)節(jié)速度。測速發(fā)電機、增量光電編碼器。測速發(fā)電機：把機械轉(zhuǎn)速變換成電壓信號，輸出電壓與輸入的轉(zhuǎn)速成正比。

u=K*nK是常數(shù)直流測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)原理1—永久磁鐵；2—轉(zhuǎn)子線圈；3—電刷；4—整流子第19頁/共74頁測速發(fā)電機轉(zhuǎn)子與機器人關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動電動機相連，就能測出機器人運動過程中關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動速度。測速發(fā)電機在機器人控制系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。

直流測速發(fā)電機

交流測速發(fā)電機

第20頁/共74頁光電編碼器轉(zhuǎn)速測量

動畫演示第21頁/共74頁5.2機器人外部傳感器外部傳感器用來檢測機器人所處環(huán)境及目標(biāo)狀況，從而使得機器人能夠與環(huán)境發(fā)生交互作用并對環(huán)境具有自我校正和適應(yīng)能力。如：是什么物體，離物體的距離有多遠(yuǎn)，抓取的物體是否滑落等。廣義來看，機器人外部傳感器就是具有人類五官的感知能力的傳感器。第22頁/共74頁外力沿壓電材料特定晶向作用使晶體產(chǎn)生形變，在相應(yīng)的晶面上將產(chǎn)生電荷，去掉外力后壓電材料又重回不帶電狀態(tài)，這種由外力作用產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象叫正壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)：壓電效應(yīng)是可逆的。在壓電材料特定晶向施加電場時，不僅有極化現(xiàn)象發(fā)生，還特產(chǎn)生機械形變。去掉電場，應(yīng)力和形變也隨之消失，這種現(xiàn)象稱作逆壓電效應(yīng)。半導(dǎo)體材料受到外力作用時電阻率會發(fā)生變化。原因是外力作用使原子點陣排列發(fā)生變化，晶格間距的改變使禁帶寬度變化，導(dǎo)致載流子遷移率及濃度變化，即電阻率發(fā)生變化。壓阻效應(yīng)壓電效應(yīng)第23頁/共74頁物質(zhì)在光照作用下釋放電子的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)，釋放的電子叫光電子，光電子在外電場作用下形成的電流叫光電流。由實驗發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)的規(guī)律是光電流大小與入射光頻率有關(guān)，當(dāng)入射光頻率低于某一極限頻率時，將不產(chǎn)生光電效應(yīng)。只有當(dāng)入射光頻率高于極限額串時，光電流的大小才與入射光強度成正比。在既無外電場也無外力作用時，電石、水品等晶體材料受溫度變化的影響，其品格的原子排列發(fā)生變化，也能產(chǎn)生自發(fā)極化。這是由于當(dāng)環(huán)境溫度變化時，晶體的熱膨脹和熱振動狀態(tài)發(fā)生變化，在晶面上將產(chǎn)生電荷，表現(xiàn)出自發(fā)極化現(xiàn)象，稱作熱釋電效應(yīng)。熱釋電效應(yīng)光電效應(yīng)第24頁/共74頁一、力覺傳感器力覺是指對機器人的指、肢和關(guān)節(jié)等運動中所受力的感知。主要包括腕力、關(guān)節(jié)力、指力和支座力傳感器，是機器人重要的傳感器之一。

關(guān)節(jié)力傳感器:測量驅(qū)動器本身的輸出力和力矩，用于控制中的力反饋。腕力傳感器：測量作用在末端執(zhí)行器上的各向力和力矩。指力傳感器：測量夾持物體手指的受力情況。力覺傳感器主要使用的元件是電阻應(yīng)變片。第25頁/共74頁六維腕力傳感器具有八個窄長的彈性梁，每個梁只傳遞力。梁的另一頭貼有應(yīng)變片。圖中從Px+到Qy-代表了8根應(yīng)變梁的變形信號的輸出。第26頁/共74頁日本大和制衡株式會社林純一研制的腕力傳感器。整體輪輻式結(jié)構(gòu)，傳感器在十字梁與輪緣聯(lián)結(jié)處有一個柔性環(huán)節(jié)，在四根交叉梁上共貼有32個應(yīng)變片（圖中小方塊），組成8路全橋輸出。十字梁腕力傳感器第27頁/共74頁二、接近覺傳感器接近覺傳感器：感知傳感器與物體之間接近程度。主要有兩個用途：避障和防止沖擊。移動機器人繞開障礙物機械手抓取物體時柔性接觸探測的距離一般在幾毫米到十幾厘米之間。一般采用非接觸型測量元件。常用有電渦流式、光纖式、超聲波式及紅外線式等類型。第28頁/共74頁1.電渦流式傳感器變化的磁場將在金屬體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電渦流。渦流的大小隨金屬體表面與線圈的距離大小而變化。當(dāng)電感線圈內(nèi)通以高頻電流時，金屬體表面的渦流電流反作用于線圈L，改變L內(nèi)的電感大小。通過檢測電感便可獲得線圈與金屬體表面的距離信息。第29頁/共74頁2.光纖式傳感器光纖在遠(yuǎn)距離通信和遙測方面應(yīng)用廣泛。光纖接近覺傳感器可以檢測較遠(yuǎn)距離的目標(biāo)。具有抗電磁干擾能力強，靈敏度高，響應(yīng)快的特點。第30頁/共74頁只能檢測出不透明物體可檢測透光和不透光材料可檢測透光或半透光物體反射光第31頁/共74頁3.超聲波接近覺傳感器檢測物體的存在和測量距離，不能用于測量小于30至50cm的距離。利用超聲波檢測迅速、簡單方便、對材料的依賴性小、易于實時控制，測量精度高，應(yīng)用廣泛。在移動式機器人上，檢驗前進(jìn)道路上的障礙物，避免碰撞。超聲波傳感器對于水下機器人的作業(yè)非常重要。水下機器人安裝超聲波傳感器后能使其定位精度達(dá)到微米級。第32頁/共74頁時間與超聲波的傳播速度和距離成正比測量出超聲波從物體發(fā)射經(jīng)反射回到該物體（被接收）的時間壓電效應(yīng)第33頁/共74頁

超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播途中碰到障礙物即返回，超聲波接收器收到反射波立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2-------時間差測距法。超聲波測距誤差：一是計時誤差。當(dāng)要求測距誤差小于1mm時，若超聲波速度C=344m/s(20℃室溫)，忽略聲速的傳播誤差，時間誤差△t<(0.001/344)≈0.000002907s，即2.907毫秒。采用MHz級的高精度石英晶振一般可以達(dá)到微秒量級誤差。另一個是傳播速度誤差。超聲波傳播速度受空氣密度影響，空氣密度越高則超聲波傳播速度就越快，而空氣密度又與溫度有關(guān)。當(dāng)溫度0℃時超聲波速度是332m/s,30℃時是350m/s，超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30℃的環(huán)境下以0℃的聲速測量100m距離，測量誤差達(dá)到5m，測量1m誤差將達(dá)到5mm。小科普：超聲波測距原理第34頁/共74頁4.紅外線接近覺傳感器任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對零度），都能輻射紅外線。非接觸式測量，紅外發(fā)光管發(fā)射經(jīng)調(diào)制的信號，經(jīng)目標(biāo)物反射，紅外光敏管接收到紅外光強的調(diào)制信號。具有靈敏度高，響應(yīng)快等優(yōu)點。發(fā)送器和接收器都很小，能夠裝在機器人夾手上。易于檢測出工作空間內(nèi)是否存在某個物體。第35頁/共74頁三、觸覺傳感器觸覺是僅次于視覺的一種重要感知形式。觸覺能保證機器人可靠地抓握各種物體，也能使機器人獲取環(huán)境信息，識別物體形狀和表面紋理，確定物體空間位置和姿態(tài)參數(shù)。機器人觸覺與視覺一樣，基本上是模擬人的感覺。廣義上包括接觸覺、壓覺、力覺、滑覺等與接觸有關(guān)的感覺。狹義上它是機械手與對象接觸面上的力感覺。第36頁/共74頁觸覺傳感器：測量自身敏感面和外界物體相互作用。觸覺傳感器的作用：(1)感知操作手指的作用力，使手指動作適當(dāng)。(2)識別操作物的大小、形狀、質(zhì)量及硬度等。(3)躲避危險，以防碰撞障礙物。抓住雞蛋第37頁/共74頁觸覺開關(guān)傳感器最早的觸覺傳感器為開關(guān)式傳感器，只有0和1兩個信號，用于表示接觸與不接觸。光電開關(guān)由發(fā)射器、接收器和檢測電路三部分組成。發(fā)射器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，在光束被中斷時產(chǎn)生一個開關(guān)信號變化

第38頁/共74頁指端應(yīng)變式觸覺傳感器柔順指端結(jié)構(gòu)第39頁/共74頁柔順人工指端用金屬彈性薄板4作彈性元件，應(yīng)變片3作敏感元件，兩個金屬彈性薄板4安裝在支撐座1上。當(dāng)人工手指抓握物體時，觸頭7向左滑動，由壓頭5作用在彈性元件4上。凸緣到蓋板的距離為最大量程。當(dāng)被抓物體重量超過最大量程時，凸緣與蓋板接觸，將力傳到底座2上。觸頭7右側(cè)為封裝電變流體部分，兩層導(dǎo)電橡膠11之間用海綿隔開，海綿層填充電變流體。電流變流體作為人工手指的皮下組織介質(zhì)，沒有通電時．電流變流體層作保護(hù)層用；通電時，變成塑性體，借助電流變流體的柔順可控性穩(wěn)定抓握，防止被抓物體滑落。第40頁/共74頁電流變流體是一種極具工程應(yīng)用價值的新型智能材料。電流變流體是一種加入非導(dǎo)電介質(zhì)微粒和高分子表面活性劑混合而成的液體，因其獨特的電流變效應(yīng)成為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。電流變效應(yīng)指液體在電場作用下,電流變流體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化甚至相變固化。這種變化是可逆的、連續(xù)無級的和可控制的。電流變效應(yīng)的這種特性使電流變流體具有廣闊的工程應(yīng)用前景。小科普：電流變流體第41頁/共74頁壓阻陣列觸覺傳感器基本結(jié)構(gòu)：壓阻材料上面排列平行的列電極，下面排列平行的行電極，壓阻材料放在中間，行列電極的交叉點構(gòu)成陣列觸覺觸元。壓阻陣列觸覺傳感器指標(biāo)：陣列數(shù)、陣列密度、靈敏度、柔順性和強固性。柔軟的壓阻敏感材料第42頁/共74頁壓阻材料：導(dǎo)電橡膠、碳?xì)?CSA)和碳纖維等。導(dǎo)電橡膠導(dǎo)電橡膠是在橡膠類材料中添加金屬微粒而構(gòu)成的聚合高分子導(dǎo)電材料，具有柔順性，電阻隨壓力的變化而變化。導(dǎo)電橡膠作為壓阻材料，工作溫度范圍寬，可塑性好，可澆鑄成復(fù)雜(指尖)形狀復(fù)合曲面，其輸出電壓信號強，頻率響應(yīng)可達(dá)至100Hz，但易疲勞、蠕變大、滯后大。第43頁/共74頁導(dǎo)電橡膠受壓時接觸面積增加，電阻下降D型截面導(dǎo)電橡膠作行連接導(dǎo)線和列導(dǎo)電帶構(gòu)成行列尋址陣列。正向壓力通過改變D型截面橡膠的變形程度來改變行與列間的接觸電阻第44頁/共74頁碳?xì)?CSA)碳?xì)质且环N滲碳纖維材料，靈敏度高，有較強的耐過載能力，缺點是遲滯大，線性差。在金屬電板間夾入碳?xì)?，在?fù)載(壓力)作用下，導(dǎo)電接觸面積增加，纖維電阻值下降?？芍瞥扇斯ぶ讣?。第45頁/共74頁滑覺傳感器滑覺傳感器檢測垂直于加壓方向的力和位移。修正受力值、防止滑動、進(jìn)行多層次作業(yè)及測量物體重量和表面特性等的目的。例如：機器人的手指夾住物體，為了不發(fā)生滑動，最小把持力：F=G/μ0利用滑覺傳感器判斷是否握住物體，以及應(yīng)該使用多大的力等。第46頁/共74頁檢測滑動方法：1)將滑動轉(zhuǎn)換成滾球和滾柱的旋轉(zhuǎn)。2)用壓敏元件和觸針，檢測滑動時的微小振動。3)檢測出即將發(fā)生滑動時，手爪部分的變形和壓力。南斯拉夫貝爾格菜德大學(xué)研制滑覺傳感器第47頁/共74頁滾球式滑覺傳感器鋼球表面有導(dǎo)體和絕緣體配置成的網(wǎng)眼。當(dāng)工件滑動時，金屬球隨之轉(zhuǎn)動，在觸針上輸出脈沖信號。脈沖信號的頻率反映了滑移速度，個數(shù)對應(yīng)滑移的距離，能檢測全方位的滑動。滾軸式滑覺傳感器當(dāng)手爪中的物體滑動時，使?jié)L軸旋轉(zhuǎn)，滾軸帶動光電傳感器和縫隙圓板而產(chǎn)生脈沖信號。這些信號通過計數(shù)電路和D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，通過反饋系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)控制?？赏ㄟ^不斷修正握力，達(dá)到消除滑動的目的。第48頁/共74頁基于振動的機器人滑覺傳感器鋼球指針與被抓物體接觸。若工件滑動，則指針振動，線圈輸出信號，通過檢測滑動時的微小振動來檢測滑動。使用橡膠和油兩種阻尼器可降低傳感器對機械手本身振動的敏感。第49頁/共74頁機器人視覺視覺傳感器是智能機器人最重要的傳感器之一。機器人視覺通過視覺傳感器獲取環(huán)境的二維圖像，并通過視覺處理器進(jìn)行分析和解釋，轉(zhuǎn)換為符號，讓機器人能夠辨識物體，并確定其位置。又稱為計算機視覺。在捕獲圖像之后，視覺傳感器將其與內(nèi)存中存儲的基準(zhǔn)圖像進(jìn)行比較，以做出分析。第50頁/共74頁歐姆龍視覺傳感器FZ3通過攝像頭捕捉圖像信息，檢測拍攝對象的數(shù)量、位置關(guān)系、形狀等特點，用于判斷產(chǎn)品是否合格或?qū)z驗數(shù)據(jù)傳送給機器人等其它生產(chǎn)設(shè)備。FZ3從微妙的色差乃至光澤物體的表面?zhèn)鄱寄芮逦R別機器視覺系統(tǒng)稱現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的“機器眼睛”。第51頁/共74頁機器人視覺傳感器的工作過程可分為四個步驟：檢測、分析、繪制和識別1.視覺檢測視覺信息一般通過光電檢測轉(zhuǎn)化成電信號。光電檢測器有攝像管和固態(tài)圖像傳感器。獲得距離信息的方法有光投影法、立體視法。光投影法：向被測物體投射特殊形狀的光束并檢測其反射光，即可獲得位置信息。激光掃描法。立體視法：同一物體的兩張具有輕微角度差別的照片放在一起觀看，產(chǎn)生一種深度的常規(guī)立體視覺的方法。立體攝影：從左右兩個具有輕微角度差異的觀察點拍攝同一個物體，左右攝像機分別采集左視覺和右視覺的照片，通過計算機的合成處理，獲得有立體深度的立體畫面。第52頁/共74頁視覺圖像分析成像圖像中的像素含有雜波，必須進(jìn)行（預(yù)）處理。通過處理消除雜波，把全部像素重新按線段或區(qū)域排列成有效像素集合。視覺圖像繪制指以識別的目的而從物體圖像中提取特征。理論上這些特征應(yīng)該與物體的位置和取向無關(guān)，并包含足夠的繪制信息，以便能唯一的把一個物體從其他物體中鑒別出來。圖像識別技術(shù)將事先物體的特征信息存儲起來，然后將此信息與所看到的物體信息進(jìn)行比對。第53頁/共74頁人類眼睛是一套功能完整的攝影系統(tǒng)，具有變焦鏡頭、可變光圈以及能將光信號轉(zhuǎn)變成大腦可以識別的電信號。在二維圖像中，利用物體提供的有關(guān)尺寸和重疊等視覺線索，可以“判斷出”位于背景前這些物體的前后排列次序，但是卻無法知道它們之間究竟距離多遠(yuǎn)。人類兩只眼睛觀察物體時，由于兩只眼睛所處的角度有略微不同，看到的圖像是有略微差別的。大腦將這兩幅畫面綜合在一起，形成一種有深度的視覺畫面。處理過程十分迅速，而一只眼睛看到的畫面是沒有前后深度的。更為重要的是，大腦能夠根據(jù)接受到的兩幅圖像中同一物體之間位差的大小判斷出此物體的深度和遠(yuǎn)近，距離眼睛越遠(yuǎn)，位差就越小，反之就越大。小科普：人類視覺原理第54頁/共74頁固態(tài)圖像傳感器CCD電荷藕合圖像傳感器CCDCCD采用光電轉(zhuǎn)換原理，將被測物體的光像轉(zhuǎn)換為電子圖像信號輸出的一種大規(guī)模集成電路光電元件。CCD由許多感光單元組成，感光單元形成若干像素點。光學(xué)系統(tǒng)將被測物體成像在CCD的受光面上，當(dāng)CCD表面受到光線照射時，這些像素點將投射到它的光強轉(zhuǎn)換成電荷信號，將反映光像的電荷信號讀取并順序輸出，完成從光圖像到電信號的轉(zhuǎn)換過程。第55頁/共74頁機器人的聽覺聽覺也是機器人的重要感覺器官之一?，F(xiàn)在已經(jīng)部分實現(xiàn)用機器代替人耳,能通過語音處理及辨識技術(shù)識別講話人，還能理解一些簡單的語句。機器人聽覺系統(tǒng)中的聽覺傳感器技術(shù)已經(jīng)非常成熟。關(guān)鍵問題是語音識別技術(shù)。它與圖像識別同屬于模式識別領(lǐng)域，而模式識別技術(shù)就是最終實現(xiàn)人工智能的主要手段。第56頁/共74頁機器人中的傳感器信息融合機器人系統(tǒng)中使用的傳感器種類和數(shù)量越來越多，每種傳感器都有一定的使用條件和感知范圍，并且能給出環(huán)境或?qū)ο蟮牟糠中畔?。為了有效利用傳感器信息，需要進(jìn)行信息傳感融合處理。傳感器信息融合又稱數(shù)據(jù)融合，從多信息的視角進(jìn)行處理及綜合，得到各種信息的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，剔除無用的和錯誤的信息，保留正確的和有用的成分，最終實現(xiàn)信息的優(yōu)化。第57頁/共74頁控制和信息融合計算機自主移動裝配機器人裝配機械手力覺傳感器觸覺傳感器視覺傳感器超聲波傳感器激光測距傳感器

多傳感器信息融合自主移動裝配機器人第58頁/共74頁雙足步行第59頁/共74頁在理想狀態(tài)下，對機器人給定步行模式即可實現(xiàn)雙足步行。實際上，地面的不平整就易使機器人倒下。因此，需要利用姿態(tài)傳感器（陀螺儀）、加速度傳感器、力傳感器和其它裝置的信息來修正步行模式。這就是步行穩(wěn)定控制器(stabilizer,簡稱穩(wěn)定器)。

第60頁/共74頁5.3機器人控制綜述

機器人控制的基本目的：告訴機器人要做什么;

機器人接受命令，并形成作業(yè)的控制策略;

保證正確完成作業(yè);

通報作業(yè)完成情況。第61頁/共74頁機器人控制系統(tǒng)的特點1)機器人有若干個關(guān)節(jié)，典型工業(yè)業(yè)機器人有5至6個關(guān)節(jié)。每個關(guān)節(jié)由一個伺服系統(tǒng)控制，多個關(guān)節(jié)的運動要求各個伺服系統(tǒng)協(xié)同工作。2)機器人的工作任務(wù)是要求操作機的末端執(zhí)行器進(jìn)行空間點位運動或軌跡運動。對機器人運動的控制，需要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換運算，以及矩陣函數(shù)的逆運算。3)機器人的數(shù)學(xué)模型是一個多變量、非線性和變參數(shù)的復(fù)雜模型，各變量之間還存在著耦合，因此機器人的控制中經(jīng)常使用前饋、補償、解耦、自適應(yīng)等復(fù)雜控制技術(shù)。4)較高級的機器人要求對環(huán)境條件、控制指令進(jìn)行測定和分析，采用計算機建立龐大的信息庫，用人工智能的方法進(jìn)行控制、決策、管理和操作，按照給定的要求自動選擇最佳控制規(guī)律。第62頁/共74頁機器人控制方法的分類根據(jù)不同的分類方法，機器人控制方式可以有不同的分類。下圖是一種常用的分類方法。從總體上，機器人的控制方式可以分為動作控制方式和示教控制方式。按照被控對象來分，可以分為位置控制、速度控制、加速度控制、力控制、力矩控制、力和位置混合控制等等。無論是位置控制或速度控制，從伺服反饋信號的形式來看，又可以分為基于關(guān)節(jié)空間的伺服控制和基于作業(yè)空間(手部坐標(biāo))的伺服控制。第63頁/共74頁機器人控制系統(tǒng)的一般構(gòu)成對于具有高度智能的機器人，控制包含了“任務(wù)規(guī)劃”、“動作規(guī)劃”、“軌跡規(guī)劃”和“伺服控制”等多個層次。機器人首先要通過人機接口獲取操作者的指令，指令的形式可以是人的自然語言，也可以是通過示教工具輸入的示教指令(如一般的示教控制機器人)，或者鍵盤輸人的機器人指令語言以及計算機程序指令(加大部分工業(yè)機器人)，。機器人對控制命令進(jìn)行解釋理解，把操作者的命令分解為機器人可以實現(xiàn)的“任務(wù)”，這是任務(wù)規(guī)劃。機器人針對各個任務(wù)進(jìn)行動作分解，這是動作規(guī)劃。為了實現(xiàn)機器人的一系列動作，應(yīng)該對機器人每個關(guān)節(jié)的運動進(jìn)行設(shè)計，這是機器人的軌跡規(guī)劃。最底層是關(guān)節(jié)運動的伺服控制。第64頁/共74頁第65頁/共74頁機器人控制系統(tǒng)的功能

記憶功能：存儲作業(yè)順序、運動路徑、運動速度等信息。示教功能：離線編程，在線示教，間接示教。在線示教包括示教盒和導(dǎo)引示教兩種。與外設(shè)交互功能：輸入輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡(luò)接口等。坐標(biāo)設(shè)置功能：關(guān)節(jié)、絕對、工具、用戶定義四種坐標(biāo)系。人機接口：示教盒、操作面板、顯示屏。傳感器接口：位置檢測、視覺、觸覺、力覺等位置伺服功能：機器人多軸聯(lián)動、運動控制、速度和加速度控制、動態(tài)補償?shù)?。故障診斷安全保護(hù)功能：運行時系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護(hù)和故障自診斷。第66頁/共74頁

機器人控制系統(tǒng)組成第67頁/共74頁

機器人的軌跡控制軌跡規(guī)劃方法一般是在機器人初始位置和目標(biāo)位置之間用多項式函數(shù)來“內(nèi)插”或“逼近”給定的路徑，并產(chǎn)生一系列“控制設(shè)定點”。路徑端點一般是在笛卡兒坐標(biāo)中給出的。如果需要某些位置的關(guān)節(jié)坐標(biāo)，則可調(diào)用運動學(xué)逆問題求解程序，進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換。在給定的兩端點之間，常有多條可能的軌跡。而軌跡控制就是控制機器人手端沿著一定的目標(biāo)軌跡運動。因此，目標(biāo)軌跡的給定方法和如何控制機器人手臂使之高精度地跟蹤目標(biāo)軌跡的方法是軌跡控制的兩個主要內(nèi)容。給定目標(biāo)軌跡的方式有示教再現(xiàn)方式和數(shù)控方式（離線編程）兩種。第68頁/共74