機器人概論第三章 機器人的動力與驅(qū)動[知識發(fā)現(xiàn)]

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1、機器人技術(shù)概論機器人技術(shù)概論Introduction to Robotic Technology1學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地01 機器人的動力源機器人的動力源02 機器人的動力系統(tǒng)機器人的動力系統(tǒng)03 機器人的電動力系統(tǒng)機器人的電動力系統(tǒng)04 機器人的供電方式機器人的供電方式05 機器人與電池機器人與電池06 機器人動力系統(tǒng)的功率放大器機器人動力系統(tǒng)的功率放大器第三章第三章 機器人的動力與驅(qū)動機器人的動力與驅(qū)動(Power and Drive of Robots)2學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地動力，是驅(qū)動機器人的源泉，是機器人的動力，是驅(qū)動機器人的源泉，是機器人的能量流動和信息流動的源泉，是機器人活能量流動和信息流

2、動的源泉，是機器人活性的源泉。性的源泉。3學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地01 機器人的動力源機器人類型運動空間動力系統(tǒng)動力源機械臂車間內(nèi)電機 液壓電源電纜搬運機器人車間內(nèi)電機電源電纜建筑機器人室外液壓發(fā)動機救助機器人室內(nèi) 室外電機 氣動電池 氣罐液壓發(fā)動機小型移動式室內(nèi) 室外電機 氣動電池 氣罐機器人微型機器人特定區(qū)域特殊驅(qū)動器微波仿人機器人室內(nèi) 室外電機電池1.1 不同類型的機器人可以有不同的動力源不同類型的機器人可以有不同的動力源4學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地01 機器人的動力源1.2 機器人的常規(guī)動力源機器人的常規(guī)動力源電動力系統(tǒng)：或電驅(qū)動系統(tǒng)（Electric Actuator），是以電動機為驅(qū)動器的動力系統(tǒng)，

3、如：步進電機，直流電機，交流電機。油動力系統(tǒng)：如：汽油機，柴油機，可滿足大功率和高旋轉(zhuǎn)速度的要求，美國的 BigDog 就采用了油動力系統(tǒng)，飛行機器人也往往采用油動力系統(tǒng)。液動力系統(tǒng)：或液壓驅(qū)動系統(tǒng)（Hydraulic Actuator），特點是轉(zhuǎn)矩重量比大，即單位重量的輸出功率高，適用于重載移動式機器人。氣動力系統(tǒng)：或氣動驅(qū)動系統(tǒng)（Pneumatic Actuator），動力源于壓縮空氣，可實現(xiàn)位置控制，力控制，如：真空吸盤可充當(dāng)機器人的手。5學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地01 機器人的動力源1.3 機器人的特殊動力源機器人的特殊動力源超聲波電機：用超聲波激勵彈性體定子，使其表面形成橢圓運動，轉(zhuǎn)子因而在摩

4、擦力的作用下獲得推力。除常規(guī)動力源之外，還存在諸多特殊的動力源，可用作機器人的驅(qū)動力，其中一些可能預(yù)示著自主移動式機器人動力源今后的發(fā)展方向，如：橡膠驅(qū)動器：利用橡膠等彈性結(jié)構(gòu)體的形變產(chǎn)生動力，可實現(xiàn)：柔性微驅(qū)動器，人工肌肉，人工手指等。靜電驅(qū)動器：利用帶電體之間的靜電力實現(xiàn)驅(qū)動，如：靜電擺動電機，步進直線驅(qū)動器，薄膜靜電驅(qū)動器等。磁流體驅(qū)動器：磁流體是能與磁鐵產(chǎn)生反應(yīng)的流體，利用磁流體中非磁體的運動，可產(chǎn)生動力。6學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地機器人的動力系統(tǒng)，又稱驅(qū)動系統(tǒng)（Actuator），是機器人的肌肉，包含：動力源：a power supply動力放大器：a power amplifier伺服發(fā)動

5、機：a servomotor傳送系統(tǒng)：a transmission system機器人動力系統(tǒng)的構(gòu)成：02 機器人的動力系統(tǒng)2.1 機器人動力系統(tǒng)一般性構(gòu)成機器人動力系統(tǒng)一般性構(gòu)成Pp：主動力源，可以是電動力的，液動力的，或氣動力的。Pc：控制信號，通常是電動力的。Pa：控制動力，是對 Pc 的放大，可以是電動力的，液動力的，或氣動力的。Pm：發(fā)動機輸出的動力。Pu：驅(qū)動肢體的動力，經(jīng)傳動系統(tǒng)將Pm轉(zhuǎn)換成了機械動力。Pd：消耗的動力。7學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地02 機器人的動力系統(tǒng)2.2 機器人動力系統(tǒng)實例機器人動力系統(tǒng)實例兩輪機器人動力系統(tǒng)的構(gòu)成Pp：主動力源，采用鋰電池。Pc：控制信號，由DSP發(fā)

6、送的PWM電信號。Pa：控制動力，是對 Pc 放大后驅(qū)動電機的電壓量。Pm：直流電機輸出的動力。Pu：經(jīng)傳動系統(tǒng)（減速器）將Pm轉(zhuǎn)換成驅(qū)動輪系的機械動力。兩輪機器人的動力系統(tǒng)如下圖所示，采用直流伺服電機，驅(qū)動機器人的輪系。8學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地03 機器人的電動力系統(tǒng)3.1 機器人電動力系統(tǒng)的類型機器人電動力系統(tǒng)的類型電動力系統(tǒng)的動力，自然，來自電動機，或稱電動馬達（Electric Motor），主要有 4 種類型：步進電機（Stepping Motor）：控制性能好，定位精度高，負載能力稍差；變頻技術(shù)的應(yīng)用，使交流伺服電機變成了無刷直流電機。無刷直流電機廣泛應(yīng)用于自主移動式機器人。直流伺服電機

7、（Direct Current Motor）：易于控制，有一定負載能力，電刷和整流子易引起摩擦損耗；交流伺服電機（Alternate Curent Motor）：性能和效率與DC電機相似，無需整流子和電刷，需交流推動；直接驅(qū)動電機（Direct Drive Motor）：沒研究過。機器人可以有各種各樣的動力源和動力系統(tǒng)，然而，電動力系統(tǒng)是機器人，特別是自主移動式機器人，最常用的驅(qū)動系統(tǒng)。9學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地03 機器人的電動力系統(tǒng)3.2 機器人與步進電機機器人與步進電機步進電機能將數(shù)字脈沖信號變換為角位移信號，每當(dāng)接收到一個脈沖信號，步進驅(qū)動器就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個微小的角度。如果給步進電機輸入

8、一個脈沖，電機轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一定的角度，稱之為“一個步長的轉(zhuǎn)動”，其轉(zhuǎn)過的角度被稱為：步距角（Step Angle）；因此，步進電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與脈沖的頻率成正比；步進電機的特征是：步進電機轉(zhuǎn)子在最后的脈沖位置停止，產(chǎn)生相對于外力的一個很強的反抗力。10學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地03 機器人的電動力系統(tǒng)3.2 機器人與步進電機機器人與步進電機因此，步進電機實現(xiàn)機器人機械臂和機械腿等機械肢體的精確控制。通過控制脈沖個數(shù)就能控制步進電機的角位移量，從而準(zhǔn)確定位；通過控制脈沖頻率就能控制步進電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度。雙極步進電機的驅(qū)動與控制11學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地以電磁式直流電動機為例，主要由永久磁體和電樞構(gòu)成。電樞

9、又稱轉(zhuǎn)子，包括轉(zhuǎn)軸、鐵芯和纏繞在鐵芯上的線圈。當(dāng)電流 i 流經(jīng)線圈 abcd 時，鐵芯周圍便形成磁場，導(dǎo)線 ab 和 cd 受到電磁力 F 的作用，形成轉(zhuǎn)動力矩，驅(qū)使電樞轉(zhuǎn)動。電磁式直流電動機的結(jié)構(gòu)和原理03 機器人的電動力系統(tǒng)3.3 機器人與直流電機機器人與直流電機一般移動式機器人通常采用中小型的直流電動機驅(qū)動。12學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地直流電機具有良好的控制特性：03 機器人的電動力系統(tǒng)3.3 機器人與直流電機機器人與直流電機( )( )TT tK i t轉(zhuǎn)矩T(t)與流經(jīng)電樞線圈的電流i(t)基本成正比，即：其中，KT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，這意味著，控制流經(jīng)電樞線圈的電流i (t)，就能控制電機的輸出轉(zhuǎn)

10、矩。( )( )/Etu tK無負載轉(zhuǎn)速(t)與加載到電樞線圈的電壓u(t)基本成正比，即：其中，KE為反電動勢常數(shù)，這意味著，控制加載到電樞線圈的電壓u(t) ，就能控制電機的旋轉(zhuǎn)速度。13學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地03 機器人的電動力系統(tǒng)3.4 機器人與交流電機機器人與交流電機交流電機主要有三種形式：鼠籠式感應(yīng)型電機交流整流子型電機同步電機在機器人系統(tǒng)中，一般采用永久磁鐵轉(zhuǎn)子的同步電機，這就是交流伺服電機。這種交流伺服電機，具備直流伺服電機的基本性質(zhì)，即：。轉(zhuǎn)矩T(t)與線圈電流i(t) 成正比：T(t)= KTi(t)無負載轉(zhuǎn)速(t)與線圈電壓u(t)成正比：(t)= u(t)/KE可理解為：DC

11、電機的電刷和整流子換成了半導(dǎo)體元件組成的逆變器，因而，又稱：無刷直流電機無刷直流電機。14學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地03 機器人的電動力系統(tǒng)3.4 機器人與交流電機機器人與交流電機在無刷DC電機中，逆變器將直流電（DC）變換為交流電（AC），然后，施加給交流同步電機。無刷無刷DC電機電機=逆變器逆變器+AC同步電機同步電機AC 伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)電路原理圖15學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地04 機器人的供電方式4.1 電池供電方式電池供電方式電池是自治移動式機器人最常用的動力源。采用電池供電方式，意味著：動力源可以直接安放在自治移動式機器人本體上，隨機器人本體一起遷徙或移動。自治移動式機器人所使用的電池，一般為可反復(fù)充

12、電的蓄電池，如：鉛酸電池，鎳鎘電池，鋰離子電池等。鋰電池在自治移動式機器人系統(tǒng)中，由于電壓電流的不同，噪聲和電源的波動，以及控制芯片的穩(wěn)定性等問題，最好把控制用電池和電機用電池分開。16學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地04 機器人的供電方式4.2 電纜供電方式電纜供電方式電纜供電方式，主要用于功率較大的機器人。對于大功率機器人系統(tǒng)，其電纜的直徑一般較粗，電源線的數(shù)量也較多，同時，控制信號線的數(shù)量也比較多。自治移動式機器人，在較小的或限定的范圍內(nèi)移動，或在實驗室內(nèi)試驗時，也可由電纜提供電動力，實現(xiàn)驅(qū)動。美國的 BigDog 在實驗室內(nèi)試驗時，就采用了電纜供電。17學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地04 機器人的供電方式4.3 發(fā)

13、電機供電方式發(fā)電機供電方式發(fā)動機，如：汽油機和柴油機，一方面，可直接地作為動力源，驅(qū)動機器人運動；另一方面，又可以帶動發(fā)電機發(fā)電，為機器人提供電能。在一般環(huán)境中移動的機器人，可采用汽油機或柴油機驅(qū)動發(fā)電機，再通過電纜為電動機器人提供動力。例如：在消防系統(tǒng)中，由發(fā)動機帶動發(fā)電機的專用電源車，既為照明系統(tǒng)提供電源，又為滅火機器人和搜救機器人提供電動力。這時，機器人隨電源車一起移動，電源車的電源通過電纜向機器人輸送電動力。18學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地04 機器人的供電方式4.4 微波供電方式微波供電方式微波供電方式，也即電磁能供電方式。電池供電方式的缺點在于：電池的電能與體積和重量成正比，因此，自治移動式機

14、器人對電池小型化和輕型化的要求，與其對電池長時間供電的要求，是矛盾的。電纜供電方式的缺點在于：它妨礙機器人的自主移動。微波供電方式，是一種無線能量供給方式，它效仿太陽向地球輸送能量的方式，利用GHz帶寬的微波向機器人提供能量，特別適用于小型或微型機器人，如：能進入人體的手術(shù)機器人。目前，這種所謂的宇宙能傳送方式還未進入實用階段，然而，有關(guān)微型飛行機器人的能量傳送試驗已取得進展。19學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地05 機器人與電池5.1 關(guān)于移動式機器人的電池關(guān)于移動式機器人的電池在自治移動式機器人系統(tǒng)中，最常見的是電動力機器人。在電動力自治移動式機器人各種供電方式中，電池供電時最常見的供電方式。電池，作為自

15、治移動式機器人動力源使用時，一般希望滿足：體積小，重量輕，能量密度大，等要求。電池一般可分為三類：化學(xué)電池：1）一次電池，2）二次電池（蓄電池），3）燃料電池；物理電池：1）太陽能電池，2）熱電動勢電池；生物電池：1）氧化電池，2）微生物電池。20學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地05 機器人與電池5.2 Robot 與光電池與光電池使用光蓄電池或太陽能蓄電池作為自主移動式機器人的攝能和儲能器官是機器生命自主攝能的一種途徑。例如，Walter的機器龜Elmer和Elsie的攝能和儲能器官就選用了光電池，Elmer和Elsie因而能在能量不足的時候自主地尋找光源，給自己充電。光蓄電池利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)特性，正極

16、由 p 型半導(dǎo)體構(gòu)成，而負極是 n 型半導(dǎo)體，連接處形成一個 pn 結(jié)。光電池工作原理21學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地05 機器人與電池5.2 Robot 與光電池與光電池p 型半導(dǎo)體中的電子如同水，n 型半導(dǎo)體中正電子占據(jù)的空間如同蓄水池。實際上，所謂正電子，就是失去電子而帶正電的空穴。光電池工作原理充電時，受光照射，電子向 n 型半導(dǎo)體擴散進入空穴，猶如低處的水注入蓄水池積蓄了勢能。放電時，電路接通猶如蓄水池的閘門開啟，電子向 p 型半導(dǎo)體運動，從而形成由負極流向正極的電流。22學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地05 動力系統(tǒng)功率放大器5.1 關(guān)于機器人動力的放大關(guān)于機器人動力的放大自治移動式機器人，與我們普通的家電不

17、同，不能簡單地接上 220v 電源進行驅(qū)動。自治移動式機器人的動力需要實時地調(diào)整，即：機器人需要依據(jù)來自感官（傳感器）信息，不斷地向動力系統(tǒng)發(fā)送實時的控制信號，這就是所謂的實時控制。自治移動時機器人的實時控制信號 Pc 一般由數(shù)字計算器件，如：CPU，DSP，單片微機等，通過運算確定，然后，通過 D/A 口或 PWM 口饋送至動力系統(tǒng)。23學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地05 動力系統(tǒng)功率放大器5.1 關(guān)于機器人動力的放大關(guān)于機器人動力的放大然而，D/A 口和 PWM 口傳送的控制信號是微弱的，一般不能直接推動動力裝置。其實，在電氣電子系統(tǒng)（如：收音機，電視機，電風(fēng)扇等）中，功率放大電路是常見的，并且，形式多

18、樣。為了驅(qū)動動力裝置，需要對控制信號 Pc 進行放大，這就是功率放大器存在的價值和必要性。24學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地05 動力系統(tǒng)功率放大器5.2 功率運算放大器功率運算放大器運算放大器（Operational Amplifier，OP）是我們大家熟悉的，它在機器人技術(shù)，傳感技術(shù)，和控制系統(tǒng)中，是十分重要的元件。特別地，運算放大器在功率放大器中扮演著重要角色。理想的運算放大器，其輸出阻抗為零，這意味著：運算放大器的輸出電流可以任意大。功率 OP 放大器與一般的 OP 放大器幾乎沒有什么區(qū)別。不同之處僅僅在于輸出電流的電路部分。市場上的功率 OP 放大器一般可輸出 1A 左右的電流，特殊的可輸出3-1

19、0A 的電流。功率 OP 放大器充當(dāng)功率放大器的優(yōu)點在于：功率 OP 放大器本身兼有控制器，易于設(shè)計和安裝。25學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地05 動力系統(tǒng)功率放大器5.3 線性功率運算放大器線性功率運算放大器圖中的功率放大器，其基本思想在于：用晶體管與負載對電源電壓進行分壓，進而調(diào)節(jié)負載兩端的電壓。由電流放大晶體管（功率晶體管）組成的功率放大器，具有較大的適應(yīng)范圍，市場上有大量產(chǎn)品，便于設(shè)計滿足各種要求的功率放大器，其基本電路如右圖。 線性功率放大器基本電路理想情況下，負載兩端的電壓um與輸入信號uc 成正比。然而，實際的晶體管線性性能并不是理想的。同時，基本電路中的電流只能沿一個方向流動。26學(xué)習(xí)園地學(xué)

20、習(xí)園地05 動力系統(tǒng)功率放大器5.3 線性功率運算放大器線性功率運算放大器在自治移動式機器人系統(tǒng)中，功率放大器驅(qū)動的對象一般為電動機，他們需要雙向驅(qū)動，以實現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。利用運算放大器，將反饋信號施加于負載，以消除晶體管參數(shù)變化的影響。利用功率 OP 放大器，很容易實現(xiàn)機器人電機的雙向線性驅(qū)動。雙向線性功率放大器基本電路通過使用復(fù)合晶體管對，以及兩個電源，負載電流可以按照輸入信號uc的符號方向流動。27學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地05 動力系統(tǒng)功率放大器5.4 PWM 功率放大器功率放大器PWM 是 Pulse Width Modulation（脈沖寬度調(diào)制或脈寬調(diào)制）的縮寫?；谶@一原理，給晶體管反復(fù)地

21、施加 on 和 off 的脈沖信號（PWM 信號），就能降低功率放大器的能量損耗，這種驅(qū)動方式就是 PWM 驅(qū)動方式。在線性功率放大器中，位于輸出極的晶體管，極易發(fā)熱，需通過散熱片向外排出熱量，同時，產(chǎn)生功率消耗，造成能量損失。然而，如果晶體管處于全開（on）或全關(guān)（off）的狀態(tài)，晶體管并不造成能量損失。因為，全 on 時施加給晶體管電壓為零，全 off 時流經(jīng)晶體管的電流為零。28學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地全開（on），意味著電機將全速運轉(zhuǎn)；而全關(guān)（off），則意味著電機停止運轉(zhuǎn)。在 PWM 驅(qū)動方式中，為了不引起電機震蕩（時快時慢），要求信號的脈沖周期設(shè)定值T0，小于電機電氣時間常數(shù)，一般為數(shù)毫秒

22、的量級，或者，更小。05 動力系統(tǒng)功率放大器5.4 PWM 功率放大器功率放大器那么，PWM 功率放大器是怎樣實現(xiàn)電機調(diào)速的呢？或者說， PWM 功率放大器是怎樣控制電機運轉(zhuǎn)速度的呢？這個問題涉及一個重要的概念：“占空比”?！罢肌保馕吨_（on）；“空”，意味著全關(guān)（off）。因此，所謂占空比，就是在一個脈沖周期中，全開（on）的時間與全關(guān)（off）或脈沖周期 T0 的時間之比。29學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地PWM 功率放大器的輸入量就是“占空比”值。05 動力系統(tǒng)功率放大器5.4 PWM 功率放大器功率放大器PWM 功率放大器對轉(zhuǎn)速的控制，就是通過調(diào)整全開與全關(guān)（on/off）時間的比例來實現(xiàn)，即

23、通過調(diào)整占空比值來控制電機的速度。如果向電機下達的指令為模擬電壓，就需要將其轉(zhuǎn)換為：占空比值與模擬電壓值成正比的 PWM 波。通常，準(zhǔn)備某個周期的三角波，將其與模擬電壓信號一起輸入 OP 構(gòu)成的比較器，即可獲取所需的 PWM 波。占空比：Rpwm - 01 0 意味著最小控制量 1 意味著最大控制量30學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地05 動力系統(tǒng)功率放大器5.4 PWM 功率放大器功率放大器電機驅(qū)動器常用的 PWM 驅(qū)動方式，其基本電路是所謂的 H 橋式電路，可實現(xiàn)單電源的電機正反轉(zhuǎn)驅(qū)動。PWM 驅(qū)動方式基本電路H 橋電路的工作模式狀態(tài)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)制動停止輸入APWMOffOffOff輸入BOffOnOnOff

24、輸入COffPWMOffOff輸入DOnOffOnOff目前，單片微機MPU，數(shù)字信號處理器 DSP，一般都嵌入了產(chǎn)生 PWM 波的功能。31學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地思考與練習(xí)思考與練習(xí)1 機器人有哪些不同的常規(guī)動力源？2 描述機器人動力系統(tǒng)的一般性構(gòu)成。5 PWM 的含義是什么？什么是電機的 PWM 驅(qū)動方式？PWM 驅(qū)動方式的原理是什么？ 為什么要采取 PWM 驅(qū)動方式？6 什么是 PWM 波的“占空比”？PWM 功率放大器是怎樣實現(xiàn)電機調(diào)速的？（控制占空比就能控制電機速度）7 PWM 波的脈沖周期應(yīng)該怎樣選定？為什么一般要求 PWM 波的脈沖周期盡可能地??？ PWM 波的脈沖周期過大可能將出現(xiàn)什么現(xiàn)象？3 電動力驅(qū)動的機器人有那些不同的供電方式？描述機器人動力驅(qū)動的微波供電方式？4 機器人電動力系統(tǒng)的類型有哪些？32學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地或許，人工肌肉，將是自治移動式機器人或許，人工肌肉，將是自治移動式機器人未來的動力源，其動力學(xué)原理類似動物的未來的動力源，其動力學(xué)原理類似動物的肌肉系統(tǒng)。肌肉系統(tǒng)。33學(xué)習(xí)園地學(xué)習(xí)園地