機(jī)器人的傳感器的誤差對(duì)控制精度的影響

劉煉 王鑫 姜峰 裴福玉

摘要：在使用機(jī)器人的傳感器的過程中，通常情況下敏感元器件的控制值是比較微弱的，需要對(duì)其進(jìn)行放大處理，在此過程中，不可避免會(huì)帶來誤差，并影響到測(cè)量精度。本文列舉了壓力機(jī)器人的傳感器的誤差分析以及機(jī)器人的傳感器引入誤差的原因，并進(jìn)行了一些分析。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人的傳感器；誤差；控制；精度；影響

機(jī)器人的傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息控制，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。機(jī)器人的傳感器的特點(diǎn)包括：微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。機(jī)器人的傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來。通常根據(jù)其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。

1.機(jī)器人的傳感器誤差

機(jī)器人的傳感器指的是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，有的半導(dǎo)體敏感元器件可以直接控制電信號(hào)，本身就構(gòu)成機(jī)器人的傳感器。

在使用機(jī)器人的傳感器時(shí)，會(huì)有不同的誤差，如系統(tǒng)本身的誤差：是設(shè)備本身固有的，這種誤差包括DC 漂移值；在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，如阻尼比太??；制造工藝上，貼片不準(zhǔn)，功能材料上，如熱脹冷縮，遲滯，非線性等。同時(shí)外界環(huán)境影響如：溫度、壓力和濕度等。

系統(tǒng)誤差：由特定原因引起、具有一定因果關(guān)系并按確定規(guī)律產(chǎn)生，系統(tǒng)誤差具有再現(xiàn)性，偏差。我們一般分析的測(cè)量誤差談的就是系統(tǒng)誤差。

隨機(jī)誤差：因許多不確定性因素而隨機(jī)發(fā)生，隨機(jī)誤差具有偶然性和無規(guī)律性，要消除隨機(jī)誤差只能考慮用統(tǒng)計(jì)的方法，要消除隨機(jī)誤差一般需要借助軟件的方法，一般不在我們硬件電路考慮的范圍之內(nèi)。

粗大誤差：檢測(cè)系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)發(fā)生異常和故障等引起，也稱為異常誤差，容易被混為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。粗大誤差發(fā)生的原因主要是干擾形成的，比如在AD端口上有數(shù)字信號(hào)耦合的干擾脈沖，這種就是典型的粗大誤差，粗大誤差需要軟件去濾除。

2.機(jī)器人的傳感器精度

在正常的使用條件下，儀表測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確程度叫儀表的準(zhǔn)確度.引用誤差越小，儀表的準(zhǔn)確度越高，而引用誤差與儀表的量程范圍有關(guān)，所以在使用同一準(zhǔn)確度的儀表時(shí)，往往采取壓縮量程范圍，以減小測(cè)量誤差.在工業(yè)測(cè)量中，為了便于表示儀表的質(zhì)量，通常用準(zhǔn)確度等級(jí)來表示儀表的準(zhǔn)確程度.準(zhǔn)確度等級(jí)就是最大引用誤差去掉正，負(fù)號(hào)及百分號(hào).準(zhǔn)確度等級(jí)是衡量?jī)x表質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)之一.我國(guó)工業(yè)儀表等級(jí)分為.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0七個(gè)等級(jí)，并標(biāo)志在儀表刻度標(biāo)尺或銘牌上。儀表準(zhǔn)確度習(xí)慣上稱為精度，準(zhǔn)確度等級(jí)習(xí)慣上稱為精度等級(jí)。評(píng)價(jià)系統(tǒng)檢測(cè)精度的三個(gè)指標(biāo)：正確度，精密度，準(zhǔn)確度。

正確度：表征測(cè)量結(jié)果接近真值的程度，系統(tǒng)誤差大小的反映。精密度：反映測(cè)量結(jié)果的分散程度（針對(duì)重復(fù)測(cè)量而言），表示隨機(jī)誤差的大小。準(zhǔn)確度：表征測(cè)量結(jié)果與真值之間的一致程度，系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的綜合反映。

3.機(jī)器人的傳感器誤差分析

在選擇壓力機(jī)器人的傳感器時(shí)要考慮他的綜合精度，而壓力機(jī)器人的傳感器的精度受哪些方面的影響？壓力機(jī)器人的傳感器的四個(gè)無法避免的誤差，這是機(jī)器人的傳感器的初始誤差。

偏移量誤差：由于壓力機(jī)器人的傳感器在整個(gè)壓力范圍內(nèi)垂直偏移保持恒定，因此變換器擴(kuò)散和激光調(diào)節(jié)修正的變化將產(chǎn)生偏移量誤差。

靈敏度誤差：產(chǎn)生誤差大小與壓力成正比。如果設(shè)備的靈敏度高于典型值，靈敏度誤差將是壓力的遞增函數(shù)。如果靈敏度低于典型值，那么靈敏度誤差將是壓力的遞減函數(shù)。該誤差的產(chǎn)生原因在于擴(kuò)散過程的變化。

線性誤差：這是一個(gè)對(duì)壓力機(jī)器人的傳感器初始誤差影響較小的因素，該誤差的產(chǎn)生原因在于硅片的物理非線性，但對(duì)于帶放大器的機(jī)器人的傳感器，還應(yīng)包括放大器的非線性。線性誤差曲線可以是凹形曲線，也可以是凸形曲線稱重機(jī)器人的傳感器。

滯后誤差：在大多數(shù)情形中，壓力機(jī)器人的傳感器的滯后誤差完全可以忽略不計(jì)，因?yàn)楣杵哂泻芨叩臋C(jī)械剛度。一般只需在壓力變化很大的情形中考慮滯后誤差。

壓力機(jī)器人的傳感器的這個(gè)四個(gè)誤差是無法避免的，我們只能選擇高精度的生產(chǎn)設(shè)備，利用高新技術(shù)來降低這些誤差，還可以在出廠的時(shí)候進(jìn)行一點(diǎn)的誤差校準(zhǔn)，盡最大的可能來降低誤差。

4.誤差對(duì)控制精度的影響

動(dòng)態(tài)誤差：許多機(jī)器人的傳感器的特性和校準(zhǔn)都是適用靜態(tài)條件下的，這意味著使用的輸入?yún)?shù)是靜態(tài)或類似于靜態(tài)的。許多機(jī)器人的傳感器具有較強(qiáng)阻尼，因此它們不會(huì)對(duì)輸入?yún)?shù)的改變進(jìn)行快速響應(yīng)。如，熱敏電阻需要數(shù)秒才能響應(yīng)溫度的階躍改變。所以，熱敏電阻不會(huì)立即跳躍至新的阻抗，或產(chǎn)生突變。相反，它是慢慢地改變?yōu)樾碌闹?。從而控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，如果具有延遲特性的機(jī)器人的傳感器對(duì)溫度的快速改變進(jìn)行響應(yīng)，輸出的波形將失真，因?yàn)槠溟g包含了動(dòng)態(tài)誤差。產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差的因素有響應(yīng)時(shí)間、振幅失真和相位失真。

特性誤差：定義為，設(shè)備本身固有的，它是設(shè)備理想的、公認(rèn)的轉(zhuǎn)移功能特性和真實(shí)特性之間的差。這種誤差包括DC漂移值（如，錯(cuò)誤的壓力水頭）、斜面的不正確或斜面的非線形。

插入誤差：是當(dāng)系統(tǒng)中插入一個(gè)機(jī)器人的傳感器時(shí)，由于改變了測(cè)量參數(shù)而產(chǎn)生的誤差。一般是在進(jìn)行電子測(cè)量時(shí)會(huì)出現(xiàn)這樣的問題，但是在其他方式的測(cè)量中也會(huì)出現(xiàn)類似問題。例如，一個(gè)伏特計(jì)在回路中測(cè)量電壓，它必定會(huì)有一個(gè)固有阻抗，比回路阻抗要大很多，或者出現(xiàn)回路負(fù)荷，這時(shí)，讀數(shù)就會(huì)有很大的誤差。這種類型的誤差產(chǎn)生的原因是使用了一個(gè)對(duì)系統(tǒng)（如，壓力系統(tǒng)）而言過于大的變送器；或者是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性過于遲緩，或者是系統(tǒng)中自加熱加載了過多的熱能。

應(yīng)用誤差：是操作人員產(chǎn)生的，這也意味著產(chǎn)生的原因很多。例如，溫度測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的誤差，包括探針放置錯(cuò)誤或探針與測(cè)量地點(diǎn)之間不正確的絕緣。另外一些應(yīng)用誤差包括空氣或其他氣體的凈化過程中產(chǎn)生的錯(cuò)誤。應(yīng)用誤差也涉及變送器的錯(cuò)誤放置，因而正或負(fù)的壓力將對(duì)正確的讀數(shù)造成影響。

5.結(jié)束語

機(jī)器人的傳感器的發(fā)展日新月異，特別是80年代人類由高度工業(yè)化進(jìn)入信息時(shí)代以來，機(jī)器人的傳感器技術(shù)向更新、更高的技術(shù)發(fā)展。美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的機(jī)器人的傳感器技術(shù)發(fā)展 最快，我國(guó)由于基礎(chǔ)薄弱，機(jī)器人的傳感器技術(shù)與這些發(fā)達(dá)國(guó)家相比有較大的差距。因此，我們應(yīng)該加大對(duì)機(jī)器人的傳感器技術(shù)研究、開發(fā)的投入，使我國(guó)機(jī)器人的傳感器技術(shù)與外國(guó)差距縮短，促進(jìn)我國(guó)儀器儀表工業(yè)和自化化技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目《多環(huán)境智能探測(cè)機(jī)器人》（項(xiàng)目編號(hào)：201713301004）階段性成果。

作者簡(jiǎn)介：劉煉（1995—），男，湖南婁底人，哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院本科在讀，研究方向：機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)。

（作者單位：哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院）