機器人與自動化技術

北京自動化系統成套工程公司前總工程師 卞正崗

機器人與自動化技術

北京自動化系統成套工程公司前總工程師 卞正崗

1 概況

機器人技術融合了機械、電子、計算機、材料、仿生學、自動化技術、通信技術等各種技術，它是機、電、儀一體化的產物，在協助和取代人從事生產和社會實踐方面已經取得了可觀的成績。這種模仿人類和動物行為的機器，具有身體、大腦、動作三大特征，一般機器人應有如下五部分組成，即一套可移動的身體結構和肌肉系統或稱類似于馬達的裝置，做到移動或完成某個動作，一套感官系統或稱傳感器系統，大腦系統或稱計算機系統，能源系統或稱電源。

機器人系統如圖1所示，一般由執行器（機械手等）、控制器、環境、任務四部分組成。一般工業機器人的重要技術指標有自由度、動作形態、作業空間、承載能力、運動速度、位置精度等。

圖1 機器人系統的基本結構圖

國際上沒有制定統一的機器人分類標準。一般分為工業機器人和服務機器人兩大類。國內經常分為工業機器人和特種機器人（后者包括水下機器人等）兩大類。也有因為技術進步和市場需求而形成的分類：一般機器人和移動機器人兩類，一般機器人和擬人機器人兩類，一般機器人和智能機器人兩類等。智能機器人是一種具有感覺和識別能力，并能夠控制自身行為的自動化機器，具體智能能力有感知能力、規劃能力、動作能力和協同能力等。

目前大部分機器人為工業機器人，多用于抓取、搬運、分揀、上下料、包裝、碼垛、擺放、裝配機焊接、噴涂、打磨、拋光、切割等方面，雖然它在機械加工的柔性制造系統或自動化生產線或其他行業的離散生產線中，不像數控機床或加工中心處于主工藝設備的地位，但它是不可或缺的。目前由于通用機器人能力的加強和性價比的提高，經?？稍谄淠┒私由线m當的操作器或輔助設備，在控制器內寫入易編程的程序或控制方案，就可以完成上述各種功能，所以原來細分的搬運機器人、碼垛機器人、焊接機器人等分類，也在逐漸淡化。這一趨勢，退一步說是諸發展趨勢之一種，當然這是集成商或工程公司樂于促成的。

無論從機器人所采用的器件或控制方式等方面來分析，更新換代是大勢所趨。從工業機器人動作形態上來看，選用關節型機器人（多關節機器人、電動機驅動的機器人）較多，并聯型機器人的新產品也在增加。

本文在下兩章將先講控制系統，綜述傳感器，以上對自動化技術與機器人的關系作一下交代。

2 控制系統

這里所指控制系統是指如圖1的全部，或者說是指控制器和執行器，或者說包括了機器人本體執行器（機械手等）內的伺服系統和置于本體內、外的控制器相關各部分?；蛘哒f控制系統包括了除去機械部件外的各種電氣部件的硬件和軟件。

2.1交流伺服系統

機械手等實現了人的胳膊和手的功能，手臂決定了機器人所能達到的位置（position），而手腕則決定了機器人的姿態（pose），所以一個機器人（機械手）最起碼具有6個自由度（3個位置自由度、3個姿態自由度）才能正常工作，也就是說起碼要有6個交流伺服電動機驅動，才能完成手臂和手腕的運動控制。

由于伺服電動機的轉速很高，必然經過減速器（諧波減速器與RV減速器）才與機械結構相聯，故經常把伺服電動機與減速器組合成伺服機構。由于交流永磁電動機的大量使用，才推動了機器人產業的大發展。我國乃永磁體原料稀土金屬的生產大國，我想眾多的電機專業人士，定會在這方面有所作為。

目前的交流伺服系統俗稱三環系統，即位置環——速度環——電流環三環閉環系統，三環均為PI比例積分調節，即實現無差調節。如圖2所示。

關于永磁電動機，現在主要形勢為直流無刷電動機和交流同步電動機，詳見國防工業出版社2013年1月出版的由孫漢卿、吳海波編著的《多關節機器人原理與維修》一書的P94～P141。

電動機電流與轉矩的關系為M=CMΦI，其中Φ是電動機中的磁場，是個常量，CM是電動機的轉矩常數，所以電動機電樞電流I與電動機的電動轉矩M成正比。這個反饋能保證停車的可控性。

圖2 交流伺服系統框圖

2.2控制器

目前控制器一般是一臺工控機IPC，主CPU為32位中央處理機，一般機器人就地部分有內置PLC，而IPC是外置的一個箱體或工作臺，這樣看就和我們一般工業控制的PLC系統很相似了，實際是各公司產品各不相同，近十多年以來已經由各廠家專用的控制箱內專用的印刷電路板（如motoman公司的CPV、伺服接口、伺服單元）外接電動機與編碼器位置傳感器過渡為上述情況。當然，近十年以來，由于總線數據通信技術和軟件平臺技術的發展，又有較大變化，如嵌入式PC、PAC、CAN、ETHERCAT等逐漸使用。

軟件功能以安川XRC功能表為例可分4類：編程盒操作軟件、安全軟件、維護功能軟件、編程功能軟件。關于編程軟件，安川XRC為示教再現編程，通過仿真機離線編程和一些指令系統，而現在更推崇的是可徑向機器人與其它離散控制、運動控制接軌的標準化的IEC61131-3和其《運動控制功能塊》等。

從控制層次來說，以上伺服系統級或稱一般自動化級，再向上是依靠動態模型、幾何模型的控制模式級和依靠策略模型的人工智能級。

2.3機器人高級控制

機器人是控制理論應用的一個好典范，因為它有這個需求，經典反饋控制和現代控制在應用中遇到不少難題，或者說高級控制在機器人領域有用武之地。這里指的是比較先進的機器人中用到變結構控制、自適應控制和智能控制。

變結構控制是非線性控制中簡單有效的一種方法，具體有滑膜變結構控制、軌跡跟蹤滑膜變結構控制等。

自適應控制具體分二類：即模型參數自適應控制、自校正自適應控制、線性攝動自適應控制。

以上可屬于現代控制技術的一部分，而智能控制是比較近期才形成的，主要是指遞階控制、模糊控制、神經控制、專家控制、學習控制、進化控制等，目前為止智能控制可以理解是在人工智能和自動控制交接領域成長起來的新學科。實際在機器人領域有實際應用的有如下幾種：機器人自適應模糊控制、多指靈巧手的神經控制等。

另外還有機器人高層規劃、機器人軌跡規劃等學科，也是發展很快的。

關于智能控制，建議參閱1999年1月《中國工程科學》刊出的《智能控制——超越世紀的目標》宋健所注的論文。

3 機器人傳感器

我們稱一般安裝在機器人如機械手上的傳感器為內傳感器（Inter sensons），稱作為環境一部分的傳感器為外傳感器（External sensons）。

3.1內傳感器

機器人是機電儀一體化的產品，內傳感器和電機、軸等機械部件或機械結構如手臂（arm）、手腕（wrist）等安裝在一起完成位置、速度、力的測量，實現伺服控制。

（1）位置（位移）傳感器

直線移動傳感器有電位計式傳感器和可調變壓器兩種，角位移傳感器有電位計式、可調變壓器、旋轉變壓器及光電編碼器三種，其中光電編碼器有增量式編碼器和絕對式編碼器。增量式編碼器一般用于零位不確定的位置伺服控制，絕對是編碼器能夠得到對應于編碼器初始鎖定位置的驅動軸瞬時角度值，當設備受到壓力時，只要讀出每個關節編碼器的讀數，就能夠對伺服控制的給定值進行調整，以防止機器人啟動時產生過劇烈的運動，還有光柵尺、感應同步尺、磁柵尺及其它變形產品。

（2）速度和加速度傳感器

速度傳感器有測量平移和旋轉運動速度兩種，但大多數情況下，只限于測量旋轉速度。利用位移的導數，特別是光電方法讓光照射旋轉圓盤，檢測出旋轉頻率和脈沖數目，以求出旋轉角度，及利用圓盤制成有縫隙，通過二個光電二極管辨別出角速度，即轉速，這就是光電脈沖式轉速傳感器。

此外還有測速發電機用于測試等。

應變儀即伸縮測量儀，也是一種應力傳感器，用于加速度測量。

加速度傳感器用于測量工業機器人的動態控制信號。一般有由速度測量進行推演、已知質量物體加速度所產生的力，即應用應變儀測量的力進行推演，還有就是下面所說的方法：

與被測加速度有關的力可由一個已知質量產生。這種力可以為電磁力或電動力，最終簡化為對電流的測量，這就是伺服返回傳感器，實際又有多種振動式加速度傳感器。

（3）力覺傳感器

力覺傳感器用于測量兩物體之間作用力的三個分量和力矩的三個分量。機器人中理想的傳感器是粘接在依從部件的半導體應立計。具體有金屬電阻型力覺傳感器、半導體型力覺傳感器、其它磁性、壓電式和利用弦振動原理制作的力覺傳感器。

還有轉矩傳感器（如用光電傳感器測量轉矩）、腕力傳感器（如國際斯坦福研究所的由6個小型差動變壓器組成，能測量作用于腕部X、Y和Z三個方向的力及各軸的轉矩）等。

機器人發展歷史較長，近年來普遍采用的交流永磁電動機為主的交流伺服系統，對應位置、速度等傳感器大量應用的是：各種類型的光電編碼器、磁編碼器和旋轉變壓器。

3.2外傳感器

以往一般工業機器人是沒有外部感覺能力的，而新一代機器人，如多關節機器人，特別是移動機器人、智能機器人，則要求具有自校正能力和反應環境變化的能力，外傳感器就是用于實現這些能力。

（1）觸覺傳感器

微型開關是接觸傳感器中最常用的型式，另有隔離式雙態接觸傳感器（即雙穩態開關半導體電路）、單模擬量傳感器、矩陣傳感器（壓電元件的矩陣傳感器、人工皮膚——變電導聚合物、光反射觸覺傳感器等）。

（2）應力傳感器

如多關節機器人進行動作時需要知道實際存在的接觸、接觸點的位置（定位）、接觸的特性即估計受到的力（表征）這三個條件，所以用上一章節已指出的應變儀，結合具體應力檢測的基本假設，如求出工作臺面與物體間的作用力，具體有對環境裝設傳感器、對機器人腕部裝設測試儀器、用傳動裝置作為傳感器等方法。

（3）接近度傳感器

由于機器人的運動速度提高及對物體裝卸可能引起損壞等原因，需要知道物體在機器人工作場地內存在位置的先驗信息以及適當的軌跡規劃，所以有必要應用測量接近度的遙感方法。接近度使傳感器分為無源傳感器和有源傳感器，所以除自然信號源外，還可能需要人工信號的發送器和接收器。

超聲波接近度傳感器用于檢測物體的存在和測量距離。它不能用于測量小于30～50cm的距離，而測距范圍較大，它可用在移動機器人上，也可用于大型機器人的夾手上。還可做成超聲導航系統。紅外線接近度傳感器，其體積很小，只有幾立方厘米大，因此可以安裝在機器人夾手上。

（4）聲覺傳感器

用于感受和解釋在氣體（非接觸感受）、液體或固體（接觸感受）中的聲波。聲波傳感器復雜程度可以從簡單的聲波存在檢測到復雜的聲波效率分析，直到對連續自然語言中單獨語音和詞匯的辨識。

（5）接觸式或非接觸式溫度傳感器

近年在機器人中應用較廣，除常用的熱電阻（熱敏電阻）、熱電偶等外，在熱電電視攝像機測量感覺溫度圖像方面也取得進展。

（6）滑覺傳感器

用于檢測物體的滑動。當要求機器人抓住特性未知的物體時，必須確定最適當的握力值，所以要求檢測出握力不夠時所產生的物體滑動信號。

目前有利用光學系統的滑覺傳感器和利用晶體接收器的滑覺傳感器，后者的檢測靈敏度與滑動方向無關。

（7）距離傳感器

用于智能移動機器人的距離傳感器有激光測距儀（兼可測角）、聲納傳感器等，近幾年距離傳感器發展很快。

（8）視覺傳感器

視覺傳感器發展很快，它與工業自動化儀表類的“機器視覺”傳感器——如多種工業相機或工業攝像機及相應的處理軟件，還有各種數據通信的接口等，是相通的。機器人視覺（圖像識別、圖像理解）已成了一門專門學科。

縱觀機器人發展歷史，橫觀眾多行業傳感器的發展歷史，特別是分析近年導航技術的發展、在線分析儀表技術的發展和多傳感器融合技術的發展，可以看出機器人傳感器將會有更大的發展空間。

卞正崗（1936-），男，教授級高級工程師，1961 年畢業于清華大學電機系，早年從事電機及微型電機研究，后多年從事工業自動化儀表、集散系統和現場總線的研制和自動化系統集成的工程實踐，享受政府特殊津貼，中國自動化學會科普工作委員會委員，曾獲得有色總公司科技進步一等獎和國家機械總局科技進步三等獎。