1.1  课题研究背景

    长期以来，国际机器人市场都是一些为制造业设计的重型、昂贵且笨拙的机器人[3]。但在实践应用中，并非所有的工业流程环节都需要依靠大型机器人来提取较重的负载。于是，更加灵活的机械臂成为一种更具可行性的方案。轻便、敏捷的机械臂越来越多地承担了组装和提取的工作[4]。小型、低噪音、低功耗的机器人是应对工业企业自动化和合理化需求最简单、最合理的解决方案。在此背景下，轻型协助机器人孕育而生。这种新型机器人能够实现交互方式下的人机协助，并与人类一同作业，进一步提高人机系统的智能水平，解决人类较难以达成的精确度或让人类远离危险的环境和工作[5]。由于绝大部分的中小企业难以负担昂贵且笨重的机器人，轻便、灵活的轻型协助机器人越来越多地受到了众多中小企业的青睐，具有广泛的应用前景。

目前，国内外各相关企业均把目光投向了轻型协助机器人领域。2008年，丹麦优傲机器人公司（Universal Robots）发布了其首款轻型协助机器人UR1。2014年，德国库卡机器人公司（KUKA）也推出其首款七轴轻型协助机器人LBR iiwa。国内企业遨博智能科技也联合盾安人工环境公司于2015年底发布新一代的轻型协助机器人遨博i5。典型的轻型协助机器人如下图1.1所示。

轻型协助机器人的本体是模仿人的手臂而设计，根据装配需求，可设计为3至7个关节，每个关节表示一个自由度（也可称之为轴）。常见的六轴轻型协助机器人的机械结构如图1.2所示。轻型协助机器人的各关节主要由电机、减速器等组成。基于机器人的运动学方程，根据各关节电机轴的旋转角度值，可解出机器人腕部的末端位置值，得出机器人末端的运动轨迹，进而可对机器人的总体运动轨迹进行设计。

综上所述，关节是轻型协助机器人的重要组成部分。它要求在狭小的空间内，实现对机器人关节转角的精确测量。同时，关节作为协助交互的依据之一，是机器人的核心传动部件，故对其转角测量技术的研究是十分必要的。

图1.1  典型的轻型协助机器人

图1.2  六轴轻型协助机器人的机械结构

1.2  课题研究现状

1.2.1 测角传感器的研究现状

目前，针对实时测量转动物体角位移主要使用的传感器有旋转变压器以及光电编码器。旋转变压器[6]是一种输出电压随转角变化的元件，能够精密地获取物体的角度，具有灵敏度高、抗干扰能力强等突出优点，常被广泛用于工业伺服控制系统中。但由于其体积较大，检测精度较低，已无法适应轻型协助机器人小型化的发展趋势，只在大、重型工业机器人领域有所应用。

    光电编码器按工作性质可划分成两大类：增量式编码器和绝对值编码器[7]。增量式编码器的工作原理[8]是基于旋转码盘将角位移转换成矩形的脉冲信号，角位移的大小将与转换出的脉冲信号个数成正比。通过对脉冲信号的计数，则可获得转动物体的角位移。但当设备因故障突然断电时，如果机器人的关节发生轻微的移动，那么当再次上电时，增量式编码器的记忆零点就会偏移，造成测量结果的不精确。故使用此类型编码器时，设备每次上电后都必须先驱动关节找到参考零点，此时机器人关节的运动将可能引起应用中的一些安全问题，带来操作的不便[9]。

由于增量式编码器无掉电记忆的特性，故在轻型协助机器人领域，绝对值编码器得到了更广泛地应用。绝对值编码器[10]是一种能够直接输出数字量的传感器。绝对值编码器的码盘上刻有许多光通刻线，如图1.3所示。每个角度位置对应惟一的数字编码，通过绝对值编码器输出的数值编码即可获得此时的绝对角度。绝对值编码器的优点是定位精度高，操作性好[11]。此外，由于绝对值编码器还具有可靠性高、抗干扰能力强等特点，得到了产业界更多的青睐。 LabVIEW轻型协助机器人关节转角测量技术研究(2):http://www.chuibin.com/jixie/lunwen_205780.html