機器人與自動化技術(shù)

北京自動化系統(tǒng)成套工程公司前總工程師 卞正崗

機器人與自動化技術(shù)

北京自動化系統(tǒng)成套工程公司前總工程師 卞正崗

1 概況

機器人技術(shù)融合了機械、電子、計算機、材料、仿生學(xué)、自動化技術(shù)、通信技術(shù)等各種技術(shù)，它是機、電、儀一體化的產(chǎn)物，在協(xié)助和取代人從事生產(chǎn)和社會實踐方面已經(jīng)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(yīng)有如下五部分組成，即一套可移動的身體結(jié)構(gòu)和肌肉系統(tǒng)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(tǒng)或稱傳感器系統(tǒng)，大腦系統(tǒng)或稱計算機系統(tǒng)，能源系統(tǒng)或稱電源。

機器人系統(tǒng)如圖1所示，一般由執(zhí)行器（機械手等）、控制器、環(huán)境、任務(wù)四部分組成。一般工業(yè)機器人的重要技術(shù)指標有自由度、動作形態(tài)、作業(yè)空間、承載能力、運動速度、位置精度等。

圖1 機器人系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖

國際上沒有制定統(tǒng)一的機器人分類標準。一般分為工業(yè)機器人和服務(wù)機器人兩大類。國內(nèi)經(jīng)常分為工業(yè)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(shù)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(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力等。

目前大部分機器人為工業(yè)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(tǒng)或自動化生產(chǎn)線或其他行業(yè)的離散生產(chǎn)線中，不像數(shù)控機床或加工中心處于主工藝設(shè)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(jīng)?？稍谄淠┒私由线m當(dāng)?shù)牟僮髌骰蜉o助設(shè)備，在控制器內(nèi)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(fā)展趨勢之一種，當(dāng)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?lián)Q代是大勢所趨。從工業(yè)機器人動作形態(tài)上來看，選用關(guān)節(jié)型機器人（多關(guān)節(jié)機器人、電動機驅(qū)動的機器人）較多，并聯(lián)型機器人的新產(chǎn)品也在增加。

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

2 控制系統(tǒng)

這里所指控制系統(tǒng)是指如圖1的全部，或者說是指控制器和執(zhí)行器，或者說包括了機器人本體執(zhí)行器（機械手等）內(nèi)的伺服系統(tǒng)和置于本體內(nèi)、外的控制器相關(guān)各部分。或者說控制系統(tǒng)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(tǒng)

機械手等實現(xiàn)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(tài)（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(tài)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(qū)動，才能完成手臂和手腕的運動控制。

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

目前的交流伺服系統(tǒng)俗稱三環(huán)系統(tǒng)，即位置環(huán)——速度環(huán)——電流環(huán)三環(huán)閉環(huán)系統(tǒng)，三環(huán)均為PI比例積分調(diào)節(jié)，即實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。如圖2所示。

關(guān)于永磁電動機，現(xiàn)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(yè)出版社2013年1月出版的由孫漢卿、吳海波編著的《多關(guān)節(jié)機器人原理與維修》一書的P94～P141。

電動機電流與轉(zhuǎn)矩的關(guān)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(zhuǎn)矩常數(shù)，所以電動機電樞電流I與電動機的電動轉(zhuǎn)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(tǒng)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(nèi)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(yè)控制的PLC系統(tǒng)很相似了，實際是各公司產(chǎn)品各不相同，近十多年以來已經(jīng)由各廠家專用的控制箱內(nèi)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(dāng)然，近十年以來，由于總線數(shù)據(jù)通信技術(shù)和軟件平臺技術(shù)的發(fā)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(guān)于編程軟件，安川XRC為示教再現(xiàn)編程，通過仿真機離線編程和一些指令系統(tǒng)，而現(xiàn)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(tǒng)級或稱一般自動化級，再向上是依靠動態(tài)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(yīng)用的一個好典范，因為它有這個需求，經(jīng)典反饋控制和現(xiàn)代控制在應(yīng)用中遇到不少難題，或者說高級控制在機器人領(lǐng)域有用武之地。這里指的是比較先進的機器人中用到變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制和智能控制。

變結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)控制、軌跡跟蹤滑膜變結(jié)構(gòu)控制等。

自適應(yīng)控制具體分二類：即模型參數(shù)自適應(yīng)控制、自校正自適應(yīng)控制、線性攝動自適應(yīng)控制。

以上可屬于現(xiàn)代控制技術(shù)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(jīng)控制、專家控制、學(xué)習(xí)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(lǐng)域成長起來的新學(xué)科。實際在機器人領(lǐng)域有實際應(yīng)用的有如下幾種：機器人自適應(yīng)模糊控制、多指靈巧手的神經(jīng)控制等。

另外還有機器人高層規(guī)劃、機器人軌跡規(guī)劃等學(xué)科，也是發(fā)展很快的。

關(guān)于智能控制，建議參閱1999年1月《中國工程科學(xué)》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(nèi)傳感器（Inter sensons），稱作為環(huán)境一部分的傳感器為外傳感器（External sensons）。

3.1內(nèi)傳感器

機器人是機電儀一體化的產(chǎn)品，內(nèi)傳感器和電機、軸等機械部件或機械結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(diào)變壓器兩種，角位移傳感器有電位計式、可調(diào)變壓器、旋轉(zhuǎn)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(yīng)于編碼器初始鎖定位置的驅(qū)動軸瞬時角度值，當(dāng)設(shè)備受到壓力時，只要讀出每個關(guān)節(jié)編碼器的讀數(shù)，就能夠?qū)λ欧刂频慕o定值進行調(diào)整，以防止機器人啟動時產(chǎn)生過劇烈的運動，還有光柵尺、感應(yīng)同步尺、磁柵尺及其它變形產(chǎn)品。

（2）速度和加速度傳感器

速度傳感器有測量平移和旋轉(zhuǎn)運動速度兩種，但大多數(shù)情況下，只限于測量旋轉(zhuǎn)速度。利用位移的導(dǎo)數(shù)，特別是光電方法讓光照射旋轉(zhuǎn)圓盤，檢測出旋轉(zhuǎn)頻率和脈沖數(shù)目，以求出旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，這就是光電脈沖式轉(zhuǎn)速傳感器。

此外還有測速發(fā)電機用于測試等。

應(yīng)變儀即伸縮測量儀，也是一種應(yīng)力傳感器，用于加速度測量。

加速度傳感器用于測量工業(yè)機器人的動態(tài)控制信號。一般有由速度測量進行推演、已知質(zhì)量物體加速度所產(chǎn)生的力，即應(yīng)用應(yīng)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(guān)的力可由一個已知質(zhì)量產(chǎn)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(dǎo)體應(yīng)立計。具體有金屬電阻型力覺傳感器、半導(dǎo)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(zhuǎn)矩傳感器（如用光電傳感器測量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩）等。

機器人發(fā)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(tǒng)，對應(yīng)位置、速度等傳感器大量應(yīng)用的是：各種類型的光電編碼器、磁編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器。

3.2外傳感器

以往一般工業(yè)機器人是沒有外部感覺能力的，而新一代機器人，如多關(guān)節(jié)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(yīng)環(huán)境變化的能力，外傳感器就是用于實現(xiàn)這些能力。

（1）觸覺傳感器

微型開關(guān)是接觸傳感器中最常用的型式，另有隔離式雙態(tài)接觸傳感器（即雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)半導(dǎo)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(dǎo)聚合物、光反射觸覺傳感器等）。

（2）應(yīng)力傳感器

如多關(guān)節(jié)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(jié)已指出的應(yīng)變儀，結(jié)合具體應(yīng)力檢測的基本假設(shè)，如求出工作臺面與物體間的作用力，具體有對環(huán)境裝設(shè)傳感器、對機器人腕部裝設(shè)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(nèi)存在位置的先驗信息以及適當(dāng)?shù)能壽E規(guī)劃，所以有必要應(yīng)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(fā)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(dǎo)航系統(tǒng)。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(fù)雜程度可以從簡單的聲波存在檢測到復(fù)雜的聲波效率分析，直到對連續(xù)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(yīng)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(dāng)要求機器人抓住特性未知的物體時，必須確定最適當(dāng)?shù)奈樟χ?，所以要求檢測出握力不夠時所產(chǎn)生的物體滑動信號。

目前有利用光學(xué)系統(tǒng)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(guān)。

（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(fā)展很快。

（8）視覺傳感器

視覺傳感器發(fā)展很快，它與工業(yè)自動化儀表類的“機器視覺”傳感器——如多種工業(yè)相機或工業(yè)攝像機及相應(yīng)的處理軟件，還有各種數(shù)據(jù)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(xué)科。

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

卞正崗（1936-），男，教授級高級工程師，1961 年畢業(yè)于清華大學(xué)電機系，早年從事電機及微型電機研究，后多年從事工業(yè)自動化儀表、集散系統(tǒng)和現(xiàn)場總線的研制和自動化系統(tǒng)集成的工程實踐，享受政府特殊津貼，中國自動化學(xué)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。