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1、第第5 5章章 机器人传感技术与控制机器人传感技术与控制第一代机器人：不具有感知和反馈，示教再现型 第二代机器人：对外界环境有一定感知能力，具有视觉、触觉、听觉等功能。第三代机器人：智能机器人，具有感觉能力，有记忆、推理和决策的能力，有与外部世界对象、环境和人相适应、相协调的工作机能。为了检测作业对象、环境或机器人与它们的关系，在机器人上安装了触觉、视觉、力觉、接近觉、超声波等传感器，进行定位和控制，实现类似人类感知作用。机器人传感器是指机器人对内外部环境感知的物理量变换为电量输出的装置。机器人传感器分为内部传感器和外部传感器。机器人的内部传感器是安装在机器人自身中,用来感知它自己的状态，以调
2、整并控制机器人的行动。它通常由位置、加速度、速度及压力传感器组成。机器人的外部传感器是检测环境、目标的状态特征，使机器人-环境发生交互作用，从而使机器人对环境有自校正和自适应能力。类型：包括触觉传感器、视觉传感器、接近觉传感器、听觉传感器等。控制器控制器控制器控制器内部传感内部传感内部传感内部传感外部传感外部传感外部传感外部传感机器人机器人位置传感器位置传感器位置传感器位置传感器速度传感器速度传感器速度传感器速度传感器加速度传感器加速度传感器加速度传感器加速度传感器力和压力传感器力和压力传感器力和压力传感器力和压力传感器微动开关微动开关微动开关微动开关红外传感器红外传感器红外传感器红外传感器接
3、触和视觉传感器接触和视觉传感器接触和视觉传感器接触和视觉传感器接近觉传感器接近觉传感器接近觉传感器接近觉传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器视觉传感器视觉传感器视觉传感器视觉传感器语音合成器语音合成器语音合成器语音合成器内传感器用于测量机器人自身状态测量与机器人作业有关的外部环境多指协调控制多指协调控制抓取规划抓取规划 多指多关节多指多关节灵巧机械手灵巧机械手三个手指三个手指3个关节个关节电电 机机角度传感器角度传感器复合触觉传感器复合触觉传感器通过从结构与功能上模仿人手，实现对各种形状物体的灵巧操作，精确的力控制与运动控制传感器在机器人身上分布传感器在机器人身上分布 5.1
4、 5.1 机器人内部传感器机器人内部传感器机器人内传感器包括位移（位置）传感器、速度、加速度传感器等。一、位置传感器1.电位器式位移传感器直线电位器和圆形电位器，用作直线位移和角位移传感器。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。电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。 电位器式位移传感器位移和电压关系： E：输入电压 L：触头最大移动距离 X：向左端移动的距离 e：电阻右侧的输出电压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. 旋转光电编
5、码器旋转光电编码器是角度、角速度检测装置，具有体积小，精度高，工作可靠等优点，应用广泛。一般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或角速度。 编码器在机器人中的应用伺服伺服电机电机伺服伺服电机电机编码器编码器伺服伺服电机电机伺服伺服电机电机编码器编码器编码器编码器编码器编码器1、绝对式光电编码器、绝对式光电编码器绝对式编码器按照角度直接进行编码，直接用数字代码表示。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等。绝对式光电编码器的编码盘由透明及不透明区组成。 （1 1）接触式绝对码盘）接触式绝对码盘4个电刷个电刷 4 4位二进制码盘位二进制码盘 最小分辨角最小分辨角 3602n 当当
6、n4， 3602422.5 导电为导电为“1”，非导电为，非导电为“0”绝对式光电编码器原理动画演示绝对式光电编码器原理动画演示（2 2）绝对式光电码盘）绝对式光电码盘LED光敏光敏元件元件光电编码器位置测量动画演示光电编码器位置测量动画演示2.2.增量式光电编码器的结构增量式光电编码器的结构码盘码盘光栏板光栏板LED零位标志零位标志（一转脉冲）（一转脉冲）光敏元件光敏元件 360条纹数条纹数 36010240.352 透光条纹透光条纹90 ABAB辨向：辨向：光敏元件所产生的信号A、B彼此相差90相位。当码盘正转时，A信号超前B信号90；当码盘反转时，B信号超前A信号90。零位标记槽LED光
7、源光源编码盘透光槽均匀分布零位读出光电元件“一转信号”或零标志脉冲，测量的起始基准增量式编码器原理动画演示绝对式编码器输出二进制编码，增量式编码器输出脉冲。二、速度传感器速度传感器：测量机器人关节速度。 测速发电机、增量光电编码器。测速发电机：把机械转速变换成电压信号，输出电压与输入的转速成正比。 u = K*n K是常数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整流子测速发电机转子与机器人关节伺服驱动电动机相连，就能测出机器人运动过程中关节转动速度。测速发电机在机器人控制系统中有广泛的应用。 直流测速发电机 交流测速发电机交流测速发电机 光电编码器转速测量光电编码器转速测量动
8、画演示动画演示5.2 5.2 机器人外部传感器机器人外部传感器外部传感器用来检测机器人所处环境及目标状况，从而使得机器人能够与环境发生交互作用并对环境具有自我校正和适应能力。如：是什么物体，离物体的距离有多远，抓取的物体是否滑落等。广义来看，机器人外部传感器就是具有人类五官的感知能力的传感器。外力沿压电材料特定晶向作用使晶体产生形变，在相应的晶面上将产生电荷，去掉外力后压电材料又重回不带电状态，这种由外力作用产生电极化的现象叫正压电效应。逆压电效应：压电效应是可逆的。在压电材料特定晶向施加电场时，不仅有极化现象发生，还特产生机械形变。去掉电场，应力和形变也随之消失，这种现象称作逆压电效应。半导
9、体材料受到外力作用时电阻率会发生变化。原因是外力作用使原子点阵排列发生变化，晶格间距的改变使禁带宽度变化，导致载流子迁移率及浓度变化，即电阻率发生变化。压阻效应压阻效应压电效应压电效应物质在光照作用下释放电子的现象称为光电效应，释放的电子叫光电子，光电子在外电场作用下形成的电流叫光电流。由实验发现的光电效应的规律是光电流大小与入射光频率有关，当入射光频率低于某一极限频率时，将不产生光电效应。只有当入射光频率高于极限额串时，光电流的大小才与入射光强度成正比。在既无外电场也无外力作用时，电石、水品等晶体材料受温度变化的影响，其品格的原子排列发生变化，也能产生自发极化。这是由于当环境温度变化时，晶体
10、的热膨胀和热振动状态发生变化，在晶面上将产生电荷，表现出自发极化现象，称作热释电效应。热释电效应热释电效应光电效应光电效应一、力觉传感器一、力觉传感器力觉是指对机器人的指、肢和关节等运动中所受力的感知。主要包括腕力、关节力、指力和支座力传感器，是机器人重要的传感器之一。 关节力传感器:测量驱动器本身的输出力和力矩，用于控制中的力反馈。腕力传感器：测量作用在末端执行器上的各向力和力矩。指力传感器：测量夹持物体手指的受力情况。力觉传感器主要使用的元件是电阻应变片。六维腕力传感器具有八个窄长的弹性梁，每个梁只传递力。梁的另一头贴有应变片。图中从Px+到Qy-代表了8根应变梁的变形信号的输出。日本大和
11、制衡株式会社林纯一研制的腕力传感器。整体轮辐式结构，传感器在十字梁与轮缘联结处有一个柔性环节，在四根交叉梁上共贴有32个应变片（图中小方块），组成8路全桥输出 。十字梁腕力传感器十字梁腕力传感器二、接近觉传感器接近觉传感器：感知传感器与物体之间接近程度。主要有两个用途：避障和防止冲击。 移动机器人绕开障碍物 机械手抓取物体时柔性接触探测的距离一般在几毫米到十几厘米之间。一般采用非接触型测量元件。常用有电涡流式、光纤式、超声波式及红外线式等类型。1.电涡流式传感器变化的磁场将在金属体内产生感应电涡流。涡流的大小随金属体表面与线圈的距离大小而变化。当电感线圈内通以高频电流时，金属体表面的涡流电流反
12、作用于线圈L，改变L内的电感大小。通过检测电感便可获得线圈与金属体表面的距离信息。2.光纤式传感器光纤在远距离通信和遥测方面应用广泛。光纤接近觉传感器可以检测较远距离的目标。具有抗电磁干扰能力强，灵敏度高，响应快的特点。 只能检测出不透明物体只能检测出不透明物体可检测透光和不透光材料可检测透光和不透光材料可检测透光或半透光物体可检测透光或半透光物体反射光反射光反射光反射光3. 超声波接近觉传感器检测物体的存在和测量距离，不能用于测量小于30至50cm的距离。利用超声波检测迅速、简单方便、对材料的依赖性小、易于实时控制，测量精度高，应用广泛。在移动式机器人上，检验前进道路上的障碍物，避免碰撞。超
13、声波传感器对于水下机器人的作业非常重要。水下机器人安装超声波传感器后能使其定位精度达到微米级。时间与超声波的传播速度和距离成正比测量出超声波从物体发射经反射回到该物体（被接收）的时间压电效应压电效应 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播途中碰到障碍物即返回，超声波接收器收到反射波立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2 -时间差测距法。 超声波测距误差：一是计时误差。当要求测距误差小于1mm时，若超声波速度C=344m/s (20室温)，忽略声速的传播误差，时间误
14、差t(0.001/344) 0.000002907s ，即2.907毫秒。采用MHz级的高精度石英晶振一般可以达到微秒量级误差。 另一个是传播速度误差。超声波传播速度受空气密度影响，空气密度越高则超声波传播速度就越快，而空气密度又与温度有关。当温度0时超声波速度是332m/s, 30时是350m/s，超声波速度变化为18m/s。若超声波在30的环境下以0的声速测量100m距离，测量误差达到5m，测量1m误差将达到5mm。小科普：超声波测距原理小科普：超声波测距原理4. 红外线接近觉传感器任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。非接触式测量，红外发光管发射经调制的信号
15、，经目标物反射，红外光敏管接收到红外光强的调制信号。具有灵敏度高，响应快等优点。发送器和接收器都很小，能够装在机器人夹手上。易于检测出工作空间内是否存在某个物体。三、触觉传感器触觉是仅次于视觉的一种重要感知形式。触觉能保证机器人可靠地抓握各种物体，也能使机器人获取环境信息，识别物体形状和表面纹理，确定物体空间位置和姿态参数。机器人触觉与视觉一样，基本上是模拟人的感觉。广义上包括接触觉、压觉、力觉、滑觉等与接触有关的感觉。狭义上它是机械手与对象接触面上的力感觉。 触觉传感器：测量自身敏感面和外界物体相互作用。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
16、、形状、质量及硬度等。(3) 躲避危险，以防碰撞障碍物。 抓住鸡蛋触觉开关传感器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。光电开关由发射器、接收器和检测电路三部分组成。发射器对准目标发射光束，在光束被中断时产生一个开关信号变化 指端应变式触觉传感器指端应变式触觉传感器柔顺指端结构柔顺指端结构柔顺人工指端用金属弹性薄板4作弹性元件，应变片3作敏感元件，两个金属弹性薄板4安装在支撑座1上。当人工手指抓握物体时，触头7向左滑动，由压头5作用在弹性元件4上。凸缘到盖板的距离为最大量程。当被抓物体重量超过最大量程时，凸缘与盖板接触，将力传到底座2上。触头7右侧为封装电变流
17、体部分，两层导电橡胶11之间用海绵隔开，海绵层填充电变流体。电流变流体作为人工手指的皮下组织介质，没有通电时电流变流体层作保护层用；通电时，变成塑性体，借助电流变流体的柔顺可控性稳定抓握，防止被抓物体滑落。电流变流体是一种极具工程应用价值的新型智能材料。电流变流体是一种加入非导电介质微粒和高分子表面活性剂混合而成的液体，因其独特的电流变效应成为材料科学领域的研究热点。电流变效应指液体在电场作用下,电流变流体的力学性质发生变化甚至相变固化。这种变化是可逆的、连续无级的和可控制的。电流变效应的这种特性使电流变流体具有广阔的工程应用前景。小科普：电流变流体小科普：电流变流体压阻阵列触觉传感器压阻阵列
18、触觉传感器压阻阵列触觉传感器压阻阵列触觉传感器基本结构：压阻材料上面排列平行的列电极，下面基本结构：压阻材料上面排列平行的列电极，下面排列平行的行电极，压阻材料放在中间，行列电极排列平行的行电极，压阻材料放在中间，行列电极的交叉点构成阵列触觉触元。的交叉点构成阵列触觉触元。压阻阵列触觉传感器压阻阵列触觉传感器压阻阵列触觉传感器压阻阵列触觉传感器指标：阵列数、阵列密度、灵指标：阵列数、阵列密度、灵敏度、柔顺性和强固性。敏度、柔顺性和强固性。柔软的压阻敏感材料柔软的压阻敏感材料柔软的压阻敏感材料柔软的压阻敏感材料压阻材料：导电橡胶、碳毡压阻材料：导电橡胶、碳毡(CSA)(CSA)和碳纤维等。和碳纤
19、维等。导电橡胶导电橡胶导电橡胶导电橡胶导电橡胶是在橡胶类材料中添加金属微粒而构导电橡胶是在橡胶类材料中添加金属微粒而构成的聚合高分子导电材料，具有柔顺性，电阻成的聚合高分子导电材料，具有柔顺性，电阻随压力的变化而变化。随压力的变化而变化。导电橡胶作为压阻材料，工作温度范围宽，可导电橡胶作为压阻材料，工作温度范围宽，可塑性好，可浇铸成复杂塑性好，可浇铸成复杂( (指尖指尖) )形状复合曲面，形状复合曲面，其输出电压信号强，频率响应可达至其输出电压信号强，频率响应可达至100 Hz100 Hz，但，但易疲劳、蠕变大、滞后大。易疲劳、蠕变大、滞后大。导电橡胶受压时接触面积增加，电阻下降导电橡胶受压时
20、接触面积增加，电阻下降D型截面导电橡胶作行连接导线行连接导线和列导电带列导电带构成行列寻址阵列。正向压力通过改变D型截面橡胶的变形程度来改变行与列间的接触电阻碳毡碳毡(CSA)(CSA)碳毡是一种渗碳纤维材料，灵敏度高，有较强的碳毡是一种渗碳纤维材料，灵敏度高，有较强的耐过载能力，缺点是迟滞大，线性差。耐过载能力，缺点是迟滞大，线性差。在金属电板间夹入碳毡，在负载在金属电板间夹入碳毡，在负载( (压力压力) )作用下，作用下，导电接触面积增加，纤维电阻值下降。导电接触面积增加，纤维电阻值下降。可制成人工指尖。可制成人工指尖。滑觉传感器滑觉传感器滑觉传感器检测垂直于加压方向的力和位移。修正受力值
21、、防止滑动、进行多层次作业及测量物体重量和表面特性等的目的。例如：机器人的手指夹住物体，为了不发生滑动，最小把持力：F=G/0利用滑觉传感器判断是否握住物体，以及应该使用多大的力等。检测滑动方法：1)将滑动转换成滚球和滚柱的旋转。2)用压敏元件和触针，检测滑动时的微小振动。3)检测出即将发生滑动时，手爪部分的变形和压力。南斯拉夫贝尔格菜德大学研制滑觉传感器南斯拉夫贝尔格菜德大学研制滑觉传感器南斯拉夫贝尔格菜德大学研制滑觉传感器南斯拉夫贝尔格菜德大学研制滑觉传感器滚球式滑觉传感器滚球式滑觉传感器钢球表面有导体和绝缘体配置成的网眼。当工件滑动时，金属球随之转动，在触针上输出脉冲信号。脉冲信号的频率
22、反映了滑移速度，个数对应滑移的距离，能检测全方位的滑动。滚轴式滑觉传感器滚轴式滑觉传感器 当手爪中的物体滑动时，使滚轴旋转，滚轴带动光电传感器和缝隙圆板而产生脉冲信号。这些信号通过计数电路和D/A转换器转换成模拟电压信号，通过反馈系统构成闭环控制。可通过不断修正握力，达到消除滑动的目的。基于振动的机器人滑觉传感器基于振动的机器人滑觉传感器钢球指针与被抓物体接触。若工件滑动，则指针振动，线圈输出信号，通过检测滑动时的微小振动来检测滑动。使用橡胶和油两种阻尼器可降低传感器对机械手本身振动的敏感。机器人视觉视觉传感器是智能机器人最重要的传感器之一。机器人视觉通过视觉传感器获取环境的二维图像，并通过视
23、觉处理器进行分析和解释，转换为符号，让机器人能够辨识物体，并确定其位置。又称为计算机视觉。在捕获图像之后，视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较，以做出分析。欧姆龙视觉传感器FZ3通过摄像头捕捉图像信息，检测拍摄对象的数量、位置关系、形状等特点，用于判断产品是否合格或将检验数据传送给机器人等其它生产设备。FZ3从微妙的色差乃至光泽物体的表面伤痕都能清晰识别机器视觉系统称现代工业生产的“机器眼睛机器眼睛”。机器人视觉传感器的工作过程可分为四个步骤：检测、分析、绘制和识别1.视觉检测 视觉信息一般通过光电检测转化成电信号。 光电检测器有摄像管和固态图像传感器。获得距离信息的方法有光投影法、立
24、体视法。光投影法：向被测物体投射特殊形状的光束并检测其反射光，即可获得位置信息。激光扫描法。立体视法：同一物体的两张具有轻微角度差别的照片放在一起观看，产生一种深度的常规立体视觉的方法。立体摄影：从左右两个具有轻微角度差异的观察点拍摄同一个物体，左右摄像机分别采集左视觉和右视觉的照片，通过计算机的合成处理，获得有立体深度的立体画面。视觉图像分析成像图像中的像素含有杂波，必须进行（预）处理。通过处理消除杂波，把全部像素重新按线段或区域排列成有效像素集合。视觉图像绘制指以识别的目的而从物体图像中提取特征。理论上这些特征应该与物体的位置和取向无关，并包含足够的绘制信息，以便能唯一的把一个物体从其他物
25、体中鉴别出来。图像识别技术将事先物体的特征信息存储起来，然后将此信息与所看到的物体信息进行比对。人类眼睛是一套功能完整的摄影系统，具有变焦镜头、可变光圈以及能将光信号转变成大脑可以识别的电信号。 在二维图像中，利用物体提供的有关尺寸和重叠等视觉线索，可以“判断出”位于背景前这些物体的前后排列次序，但是却无法知道它们之间究竟距离多远。人类两只眼睛观察物体时，由于两只眼睛所处的角度有略微不同，看到的图像是有略微差别的。大脑将这两幅画面综合在一起，形成一种有深度的视觉画面。处理过程十分迅速，而一只眼睛看到的画面是没有前后深度的。更为重要的是，大脑能够根据接受到的两幅图像中同一物体之间位差的大小判断出
26、此物体的深度和远近，距离眼睛越远，位差就越小，反之就越大。小科普：人类视觉原理小科普：人类视觉原理固态图像传感器固态图像传感器CCDCCD电荷藕合图像传感器CCDCCD采用光电转换原理，将被测物体的光像转换为电子图像信号输出的一种大规模集成电路光电元件。CCD由许多感光单元组成，感光单元形成若干像素点。光学系统将被测物体成像在CCD的受光面上，当CCD表面受到光线照射时，这些像素点将投射到它的光强转换成电荷信号，将反映光像的电荷信号读取并顺序输出，完成从光图像到电信号的转换过程。机器人的听觉听觉也是机器人的重要感觉器官之一。现在已经部分实现用机器代替人耳,能通过语音处理及辨识技术识别讲话人，还
27、能理解一些简单的语句。机器人听觉系统中的听觉传感器技术已经非常成熟。关键问题是语音识别技术。它与图像识别同属于模式识别领域，而模式识别技术就是最终实现人工智能的主要手段。机器人中的传感器信息融合机器人中的传感器信息融合机器人系统中使用的传感器种类和数量越来越多，每种传感器都有一定的使用条件和感知范围，并且能给出环境或对象的部分信息。为了有效利用传感器信息，需要进行信息传感融合处理。传感器信息融合又称数据融合，从多信息的视角进行处理及综合，得到各种信息的内在联系和规律，剔除无用的和错误的信息，保留正确的和有用的成分，最终实现信息的优化。控制和信控制和信息融合计息融合计算机算机自主移动装配机器人自
28、主移动装配机器人装配机械手装配机械手力觉传感器力觉传感器触觉传感器触觉传感器视觉传感器视觉传感器超声波传感器超声波传感器激光测距传感器激光测距传感器 多传感器信息融合自主移动装配机器人多传感器信息融合自主移动装配机器人双足步行双足步行在理想状态下，对机器人给定步行模式即可实现双足步行。实际上，地面的不平整就易使机器人倒下。因此，需要利用姿态传感器（陀螺仪）、加速度传感器、力传感器和其它装置的信息来修正步行模式。这就是步行稳定控制器(stabilizer,简称稳定器)。 5.3 5.3 机器人控制综述机器人控制综述 机器人控制的基本目的： 告诉机器人要做什么; 机器人接受命令，并形成作业的控制策
29、略; 保证正确完成作业; 通报作业完成情况。 机器人控制系统的特点1)机器人有若干个关节，典型工业业机器人有5至6个关节。每个关节由一个伺服系统控制，多个关节的运动要求各个伺服系统协同工作。2)机器人的工作任务是要求操作机的末端执行器进行空间点位运动或轨迹运动。对机器人运动的控制，需要进行复杂的坐标变换运算，以及矩阵函数的逆运算。3)机器人的数学模型是一个多变量、非线性和变参数的复杂模型，各变量之间还存在着耦合，因此机器人的控制中经常使用前馈、补偿、解耦、自适应等复杂控制技术。4)较高级的机器人要求对环境条件、控制指令进行测定和分析，采用计算机建立庞大的信息库，用人工智能的方法进行控制、决策、
30、管理和操作，按照给定的要求自动选择最佳控制规律。机器人控制方法的分类根据不同的分类方法，机器人控制方式可以有不同的分类。下图是一种常用的分类方法。从总体上，机器人的控制方式可以分为动作控制方式和示教控制方式。按照被控对象来分，可以分为位置控制、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。无论是位置控制或速度控制，从伺服反馈信号的形式来看，又可以分为基于关节空间的伺服控制和基于作业空间(手部坐标)的伺服控制。机器人控制系统的一般构成对于具有高度智能的机器人，控制包含了“任务规划”、“动作规划”、“轨迹规划”和“伺服控制”等多个层次。机器人首先要通过人机接口获取操作者的指令，指令
31、的形式可以是人的自然语言，也可以是通过示教工具输入的示教指令(如一般的示教控制机器人)，或者键盘输人的机器人指令语言以及计算机程序指令(加大部分工业机器人)，。机器人对控制命令进行解释理解，把操作者的命令分解为机器人可以实现的“任务”，这是任务规划。机器人针对各个任务进行动作分解，这是动作规划。为了实现机器人的一系列动作，应该对机器人每个关节的运动进行设计，这是机器人的轨迹规划。最底层是关节运动的伺服控制。机器人控制系统的功能 记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动速度等信息。 示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。 在线示教包括示教盒和导引示教两种。 与外设交互功能：输入输出接口、通信接口
32、、网络接口等。 坐标设置功能：关节、绝对、工具、用户定义四种坐标系。 人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。 传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等 位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。 故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。 机器人控制系统组成 机器人的轨迹控制轨迹规划方法一般是在机器人初始位置和目标位置之间用多项式函数来“内插”或“逼近”给定的路径，并产生一系列“控制设定点”。路径端点一般是在笛卡儿坐标中给出的。如果需要某些位置的关节坐标，则可调用运动学逆问题求解程序，进行必要的转换。在给定的两端点之间，常有多条可能的
33、轨迹。而轨迹控制就是控制机器人手端沿着一定的目标轨迹运动。因此，目标轨迹的给定方法和如何控制机器人手臂使之高精度地跟踪目标轨迹的方法是轨迹控制的两个主要内容。给定目标轨迹的方式有示教再现方式和数控方式（离线编程）两种。示教再现方式示教再现方式是在机器工作之前，让机器人手端沿目标轨迹移动，同时将位置及速度等数据存入机器人控制计算机中。在机器人工作时再现所示教的动作，使手端沿目标轨迹运动。示教时使机器人手臂运动的方法有两种：一种是用示教盒上的控制按钮发出各种运动指令；另一种是操作者直接用手抓住机器人手部，使其手端按目标轨迹运动。轨迹记忆再现的方式有点位控制(PTP)和连续路径控制(CP)。点位控制
34、主要用于点焊作业、更换刀具或其他工具等情况。连续路径控制主要用于弧焊、喷漆等作业数控方式：数控方式与数控机床的控制方式一样，是把目标轨迹用数值数据的形式给出。这些数据是根据工作任务的需要设置的。无论是采用示教再现方式还是用数值方式，都需要生成点与点之间的目标轨迹。此种目标轨迹要根据不同的情况要求生成。但是也要遵循一些共同的原则。例如，生成的目标轨迹应是实际上能实现的平滑的轨迹；要保证位置、速度及加速度的连续性。保证手端轨迹、速度及加速度的连续性，是通过各关节变量的连续性实现的。机器人的力控制一般与位置控制融合在一起形成位置和力的混合控制。例如：步行机器人在行走时，足与地面的接触力在不断变化，对
35、腿的各关节控制是一个典型且严格的位置和力混合控制问题。腿在支撑状态时，由于机体的运动，支撑点与步行机器人重心间的相对位置在不断变化，导致足与地面接触力的不断变化，同时要对各关节的位置进行控制。在这种情况下，位置控制与力控制组成一个有机整体，力控制是在正确的位置控制基础上进一步的控制内容。机器人的力控制机器人手端(常为机器人手臂端部安装的工具)与环境(作业对象)接触时，环境的几何特性构成对作业的约束，这种约束称为自然约束。自然约束是指在某种特定的接触情况下自然发生的约束，而与机器人的希望或打算作的运动无关。例如，当手部与固定刚性表面接触时，不能自由穿过这个表面，称为自然位置约束；若这个表面是光滑的，则不能对手施加沿表面切线方向的力，称为自然力约束。一般可将接触表面定义为一个广义曲面，沿曲面法线方向定义自然位置约束，沿切线方向定义自然力约束。作业约束与力控制位置和力控制系统结构具有力反馈的控制系统如下图：其工作过程为：机器人开始工作时，机器人手端(或安装在手臂端部的工具)按指令要求沿目标轨迹和给定速度运动。当手端与环境接触时，安装在机器人上的接触传感器或力传感器感觉到接触的发生。机器人控制程序按新的自然约束和人工约束来执行新的控制策略，即位置与力的混合控制。
