内部传感器在工业机器人控制中的关键作用

在内部传感器中，位置传感器和速度传感器是工业机器人控制系统必不可少的，并辅助有倾斜角传感器、方位角传感器及振动传感器等。

1.位置传感器

位置感觉是机器人最起码的感觉要求，没有它们，机器人将不能正常工作。它们可以通过多种传感器来实现。位置传感器包括位置和角度检测传感器。常用的机器人位置传感器有电位器式、电容式、电感式、光电式、霍尔元件式、磁栅式以及机械式位置传感器等。机器人各关节和连杆的运动定位精度要求、重复精度要求以及运动范围要求，是选择机器人位置传感器的基本依据。

（1）电位器式位置传感器 电位器式位置传感器由1个线绕电阻（或薄膜电阻）和1个滑动触点组成。其中，滑动触点通过机械装置受被检测量的控制。当被检测的位置量发生变化时，滑动触点也发生位移。改变了滑动触点与电位器各端之间的电阻值和输出电压值，根据这种输出电压值的变化，可以检测出机器人各关节的位置和位移量。

按照电位器式位置传感器的结构，可以把它分成两大类：一类是直线型电位器（见图4-19），另一类是旋转型电位器（见图4-20）。直线型电位器主要用于检测直线位移，其电阻器采用直线型螺线管或直线型碳膜电阻，滑动触点也只能沿电阻的轴线方向做直线运动。直线型电位器的工作范围和分辨率受电阻器长度的限制。绕线电阻、电阻丝本身的不均匀性会造成电位器式传感器的输入/输出关系的非线性。

图4-19 直线型电位器

图4-20 旋转型电位器

图4-21是一个位置传感器的实例，在载有物体的工作台下面有与电阻接触的触头。当工作台左、右移动时，触头也随之运动，从而改变了与电阻接触的位置，检测的是以电阻中心为基准位置的移动距离。假设输入电压为E，最大移动距离（从电阻中心到一端的长度）为L，滑动触头从中心向左端移动了x，电路输出电压为

因此，可得移动距离为

图4-21 位置传感器的实例

旋转型电位器的电阻元件是呈圆弧状的，滑动触点也只能在电阻元件上做圆周运动。旋转型电位器有单圈电位器和多圈电位器两种。由于滑动触点等的限制，单圈电位器的工作范围只能小于360°，分辨率也有一定的限制。对于大多数应用情况来说，这并不会妨碍它的使用。假如需要更高的分辨率和更大的工作范围，可以选用多圈电位器。

电位器式位置传感器具有很多优点，如输入/输出特性可以是线性的，输出信号选择范围大，不会因为失电而破坏其已感觉到的信息；当电源因故断开时，电位器的滑动触点将保持原来的位置不变；另外还具有性能稳定、结构简单、尺寸小、重量轻、精度高等优点。电位器式位置传感器的主要缺点是容易磨损，由于滑动触点和电阻器表面的磨损，使电位器的可靠性和寿命受到一定的影响。因此，电位器式位置传感器在机器人上的应用受到了极大的限制，近年来随着光电编码器价格的降低而逐渐被淘汰。

（2）光电编码器 光电编码器是一种应用广泛的位置传感器，其分辨率完全能满足机器人的技术要求。这种非接触型位置传感器可分为绝对型光电编码器和相对型光电编码器。前者只要电源加到用这种传感器的机电系统中，光电编码器就能给出实际的线性或旋转位置。因此，用绝对型光电编码器装备的机器人的关节不要求校准，只要一通电，控制器就知道实际的关节位置；相对型光电编码器只能提供某基准点对应的位置信息。所以，用相对型光电编码器的机器人在获得真实位置信息以前，必须首先完成校准程序。

1）绝对型光电编码器。绝对型光电编码器通常由3个主要元件构成：多路（或通道）光源（如发光二极管）、光敏元件和光电码盘。

N个LED组成的线性阵列发射的光与盘成直角，并有盘反面对应的光敏晶体管构成的线性阵列接收，如图4-22所示。光电码盘分为周界通道和径向扇形面（见图4-23），利用几种可能的编码形式之一获得绝对角度信息。这种码盘上按一定的编码方式刻有透明的和不透明的区域，光线透过码盘的透明区域，使光敏元件导通，产生低电平信号，代表二进制的“0”；不透明的区域代表二进制的“1”。因此，当某一个径向扇形面处于光源和光传感器的位置时，光敏元件即接收到相应的光信号，相应的得出码盘所处的角度位置。4周界通道16个扇形面的纯二进制码盘如图4-24b所示。

图4-22 电动机上的绝对型编码器图

图4-23 绝对型编码器码盘

图4-24 绝对码盘结构

a）基于格雷码的绝对码盘 b）基于二进制码的绝对码盘

采用二进制码盘，在两个码段交替过程中，有可能由于电刷位置安装不准，一些电刷越过分界线，而另一些尚未越过，这些会产生非单值性误差。为减小这种误差，改进的方法是采用格雷码码盘，如图4-24a所示。其特点是相邻两数的代码中只有一位数发生改变，故把误差控制在一个数码以内，即误差最多不超过1（见表4-1）。

编码器的分辨率通常由圆弧道数（比特数）n来确定。分辨率为360°/2ⁿ，例如12bit编码器的分辨率为360°/2¹²，格雷码盘的圆弧道数一般为8～12，高精度的达到14。

表4-1 对应于十进制0～15的格雷码和二进制码

2）相对型光电编码器。与绝对型光电编码器一样，相对型光电编码器也是由前述3个主要元件构成，所不同的是后者的光源只有一路或两路，光电码盘一般只刻有一圈或两圈透明和不透明区域。当光透过码盘时，光敏元件导通，产生低电平信号，代表二进制的“0”；不透明的区域代表二进制的“1”。因此，这种编码器只能通过计算脉冲个数来得到输入轴所转过的相对角度。由于相对型光电编码器的码盘加工相对容易，因此其成本比绝对型编码器的低，而分辨率比绝对型编码器的高。然而，只有使机器人首先完成校准操作以后，才能获得绝对位置信息。通常，这不是很大的缺点，因为这样的操作一般只有在加上电源后才能完成。若在操作过程中电源意外地消失，由于相对型编码器没有“记忆”功能，故必须再次完成校准。

与之相对的，绝对型编码器产生供每种轴用的独立的和单值的码字。它不像相对型编码器，每个读数都与前面的读数无关。当系统电源中断时，绝对型编码器记录发生中断的地点，当电源恢复时把记录情况通知系统。采用绝对型编码器的机器人，即使电源中断导致旋转部件的位置移动，校准仍保持。

（3）旋转变压器 旋转变压器是一种输出电压随转角变化的检测装置，是用来测量角位移的。其基本结构与交流绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成。如图4-25所示，定子相当于变压器的初级，有两组在空间位置上互相垂直的励磁绕组；转子相当于变压器的次级，仅有一个绕组。当定子绕组通交流电流时，转子绕组中便有感应电动势产生。感应电动势的大小等于两定子绕组单独作用时所产生的感应电动势矢量和。(www.xing528.com)

图4-25 旋转变压器原理图

假设分别在两个定子绕组中加频率ω相同、幅值V_m相等、面相位相差90°的交流励磁电压V₁=V_mcosωt和V₂=V_msinωt时，可以证明，转子输出感应电动势V_o仅与转子的转角θ有关，即

旋转变压器是一种交流励磁型的角度检测器，检测精度较高。在使用时，可以把旋转变压器转子与工业机器人的关节轴连接，用鉴相器测出转子感应电动势V_o的相位，从而就可以确定关节轴旋转的角度。

（4）激光干涉式编码器 中国科学院长春光学精密机械研究所利用光学衍射光干涉技术取代传统几何光提取位移信息技术，研制出国内最高水平的高密度光栅盘，刻线密度达到380线/mm。光学干涉系统被集成于ϕ45mm×ϕ10mm空间内，并以光学对径相加工技术消除码盘偏心。1994年研制成的ϕ58mm带有光学倍频的编码器，无电细分的原始角分辨率达到162000P/R，即优于2ⁿ。高速电处理技术的应用，使响应频率提高到1000kHz。绝对零位信息提取的创新技术使定位精度大大提高，全周最大累积误差7.8″。该编码器可用于高精度DD机器人，将我国机器人位置传感器的制造技术进入世界先进水平行列。

2.速度传感器

速度传感器是机器人的内部传感器之一，用来确定关节的运动速度，常用的有模拟式和数字式两类。

（1）测速发电机 测速发电机是常用的一种模拟式速度传感器，它是一种小型永磁式直流发电机（见图4-26）。其工作原理是：当励磁磁通恒定时，其输出电压和转子转速成正比，即

图4-26 测速发电机

1—永久磁铁 2—转子线圈 3—线圈 4—整流子

当有负载时，电枢绕组流过电流，由于电枢反应而使输出电压降低；若负载较大，或测量过程中负载变化，则破坏了线性特性而产生误差，故在使用中应使负载尽可能小而且性质不变。当测速发电机与驱动电动机同轴连接时，便可得出驱动电动机的瞬时速度。

（2）增量式码盘 增量式码盘既可用做位置传感器，也可用做速度传感器。当把增量式码盘用做速度传感器时，既可用模拟式方法，也可用数字式方法。

当用模拟式方法时，采用频/压转换器，把码盘的脉冲频率转换成与转速成正比的模拟电压。当用数字式方法时，由于码盘可理解成一个数字式元件，它的脉冲个数代表了位置，而一单位时间内的脉冲个数表示这段时间里的平均速度。当时间段足够小时，便可代表某个时间点的瞬时速度。

3.加速度传感器

随着机器人的高速化和高精度化，由机械运动部分刚性不足所引起的振动问题需要限制。从测量振动的目的出发，加速度传感器日趋受到重视。可在机器人的各杆件上安装加速度传感器来测量振动加速度，并把它反馈到杆件底部的驱动器上；也可把加速度传感器安装在机器人手爪上，将测得的加速度进行数值积分，并加到反馈环节中，以改善机器人的性能。下面简单介绍两种加速度传感器。

（1）应变片加速度传感器Ni-Cu或Ni-Cr等金属电阻应变片加速度传感器是一个由板簧支撑重锤所构成的振动系统，如图4-27所示。板簧上、下两面分别贴两个应变片。应变片受振动产生应变，其电阻值的变化通过电桥电路的输出电压被检测出来。除了金属电阻外，Si或Ge半导体压阻元件也可用于加速度传感器。半导体应变片的应变系数比金属电阻应变片的高50～100倍，灵敏度很高，但温度特性差，需要加补偿电阻。

（2）伺服加速度传感器 伺服加速度传感器检测出与振动系统重锤位移成正比的电流，把电流反馈到恒定磁场中的线圈，使重锤返回到原来的零位移状态。根据右手定则，得

F=ma=Ki（4-24）

式中K——比例系数，可以根据检测的电流i求出加速度。

4.倾斜角传感器

倾斜角传感器测量重力的方向，应用于机械手末端执行器或移动机器人的姿态控制中。根据测量原理，倾斜角传感器分为液体式、垂直振子式和陀螺式，下面只介绍常见的两种方式。

（1）液体式倾斜角传感器 液体式倾斜角传感器分为气泡位移式、电解液式、电容式和磁流体式等，下面仅介绍其中的气泡位移式倾斜角传感器。图4-28表示气泡位移式倾斜角传感器的结构及测量原理。半球状容器内封入含有气泡的液体，对准LED发出的光。容器下面分成4部分，分别安装4个光电二极管，用以接受投射光。液体和气泡的透光率不同。液体在光电二极管上投影的位置，随传感器倾斜角度而变化。因此，通过计算对角的光电二极管感光量的差值，可测量出二维倾斜角。该传感器测量范围为20°左右，分辨率可达0.001°。

图4-27 应变片加速度传感器

a）结构图 b）电路图 1、2、3、4—应变片

图4-28 气泡位移式倾斜角传感器的结构及测量原理

a）结构 b）测量原理

（2）垂直振子式倾斜角传感器 如图4-29所示是垂直振子式倾斜角传感器的原理图。振子由挠性薄片悬起，传感器倾斜时，振子为了保持铅直方向而离开平衡位置。根据振子是否偏离平衡位置及位移角函数（通常是正弦函数）检测出倾斜角度，但是由于容器限制，测量范围只能在振子自由摆动的允许范围内，不能检测过大的倾斜角度。