机器人概论第三章机器人的动力与驱动.

机器人技术概论IntroductiontoRoboticTechnology01机器人的动力源02机器人的动力系统03机器人的电动力系统04机器人的供电方式05机器人与电池06机器人动力系统的功率放大器第三章机器人的动力与驱动(PowerandDriveofRobots)动力，是驱动机器人的源泉，是机器人的能量流动和信息流动的源泉，是机器人活性的源泉。01机器人的动力源机器人类型运动空间动力系统动力源机械臂车间内电机液压电源电缆搬运机器人车间内电机电源电缆建筑机器人室外液压发动机救助机器人室内室外电机气动电池气罐液压发动机小型移动式室内室外电机气动电池气罐机器人微型机器人特定区域特殊驱动器微波仿人机器人室内室外电机电池1.1不同类型的机器人可以有不同的动力源01机器人的动力源1.2机器人的常规动力源电动力系统：或电驱动系统（ElectricActuator），是以电动机为驱动器的动力系统，如：步进电机，直流电机，交流电机。油动力系统：如：汽油机，柴油机，可满足大功率和高旋转速度的要求，美国的BigDog就采用了油动力系统，飞行机器人也往往采用油动力系统。液动力系统：或液压驱动系统（HydraulicActuator），特点是转矩重量比大，即单位重量的输出功率高，适用于重载移动式机器人。气动力系统：或气动驱动系统（PneumaticActuator），动力源于压缩空气，可实现位置控制，力控制，如：真空吸盘可充当机器人的手。01机器人的动力源1.3机器人的特殊动力源超声波电机：用超声波激励弹性体定子，使其表面形成椭圆运动，转子因而在摩擦力的作用下获得推力。除常规动力源之外，还存在诸多特殊的动力源，可用作机器人的驱动力，其中一些可能预示着自主移动式机器人动力源今后的发展方向，如：橡胶驱动器：利用橡胶等弹性结构体的形变产生动力，可实现：柔性微驱动器，人工肌肉，人工手指等。静电驱动器：利用带电体之间的静电力实现驱动，如：静电摆动电机，步进直线驱动器，薄膜静电驱动器等。磁流体驱动器：磁流体是能与磁铁产生反应的流体，利用磁流体中非磁体的运动，可产生动力。机器人的动力系统，又称驱动系统（Actuator），是机器人的肌肉，包含：动力源：apowersupply动力放大器：apoweramplifier伺服发动机：aservomotor传送系统：atransmissionsystem机器人动力系统的构成：02机器人的动力系统2.1机器人动力系统一般性构成Pp：主动力源，可以是电动力的，液动力的，或气动力的。Pc：控制信号，通常是电动力的。Pa：控制动力，是对Pc的放大，可以是电动力的，液动力的，或气动力的。Pm：发动机输出的动力。Pu：驱动肢体的动力，经传动系统将Pm转换成了机械动力。Pd：消耗的动力。02机器人的动力系统2.2机器人动力系统实例两轮机器人动力系统的构成Pp：主动力源，采用锂电池。Pc：控制信号，由DSP发送的PWM电信号。Pa：控制动力，是对Pc放大后驱动电机的电压量。Pm：直流电机输出的动力。Pu：经传动系统（减速器）将Pm转换成驱动轮系的机械动力。两轮机器人的动力系统如下图所示，采用直流伺服电机，驱动机器人的轮系。03机器人的电动力系统3.1机器人电动力系统的类型电动力系统的动力，自然，来自电动机，或称电动马达（ElectricMotor），主要有4种类型：步进电机（SteppingMotor）：控制性能好，定位精度高，负载能力稍差；变频技术的应用，使交流伺服电机变成了无刷直流电机。无刷直流电机广泛应用于自主移动式机器人。直流伺服电机（DirectCurrentMotor）：易于控制，有一定负载能力，电刷和整流子易引起摩擦损耗；交流伺服电机（AlternateCurentMotor）：性能和效率与DC电机相似，无需整流子和电刷，需交流推动；直接驱动电机（DirectDriveMotor）：没研究过。机器人可以有各种各样的动力源和动力系统，然而，电动力系统是机器人，特别是自主移动式机器人，最常用的驱动系统。03机器人的电动力系统3.2机器人与步进电机步进电机能将数字脉冲信号变换为角位移信号，每当接收到一个脉冲信号，步进驱动器就按设定的方向转动一个微小的角度。如果给步进电机输入一个脉冲，电机转子就转过一定的角度，称之为“一个步长的转动”，其转过的角度被称为：步距角（StepAngle）；因此，步进电机转子的旋转速度与脉冲的频率成正比；步进电机的特征是：步进电机转子在最后的脉冲位置停止，产生相对于外力的一个很强的反抗力。03机器人的电动力系统3.2机器人与步进电机因此，步进电机实现机器人机械臂和机械腿等机械肢体的精确控制。通过控制脉冲个数就能控制步进电机的角位移量，从而准确定位；通过控制脉冲频率就能控制步进电机转动的速度和加速度。双极步进电机的驱动与控制以电磁式直流电动机为例，主要由永久磁体和电枢构成。电枢又称转子，包括转轴、铁芯和缠绕在铁芯上的线圈。当电流i流经线圈abcd时，铁芯周围便形成磁场，导线ab和cd受到电磁力F的作用，形成转动力矩，驱使电枢转动。电磁式直流电动机的结构和原理03机器人的电动力系统3.3机器人与直流电机一般移动式机器人通常采用中小型的直流电动机驱动。直流电机具有良好的控制特性：03机器人的电动力系统3.3机器人与直流电机()()TTtKit转矩T(t)与流经电枢线圈的电流i(t)基本成正比，即：其中，KT为转矩常数，这意味着，控制流经电枢线圈的电流i(t)，就能控制电机的输出转矩。()()/EtutK无负载转速(t)与加载到电枢线圈的电压u(t)基本成正比，即：其中，KE为反电动势常数，这意味着，控制加载到电枢线圈的电压u(t)，就能控制电机的旋转速度。03机器人的电动力系统3.4机器人与交流电机交流电机主要有三种形式：鼠笼式感应型电机交流整流子型电机同步电机在机器人系统中，一般采用永久磁铁转子的同步电机，这就是交流伺服电机。这种交流伺服电机，具备直流伺服电机的基本性质，即：。转矩T(t)与线圈电流i(t)成正比：T(t)=KTi(t)无负载转速(t)与线圈电压u(t)成正比：(t)=u(t)/KE可理解为：DC电机的电刷和整流子换成了半导体元件组成的逆变器，因而，又称：无刷直流电机。03机器人的电动力系统3.4机器人与交流电机在无刷DC电机中，逆变器将直流电（DC）变换为交流电（AC），然后，施加给交流同步电机。无刷DC电机=逆变器+AC同步电机AC伺服电机驱动系统电路原理图04机器人的供电方式4.1电池供电方式电池是自治移动式机器人最常用的动力源。采用电池供电方式，意味着：动力源可以直接安放在自治移动式机器人本体上，随机器人本体一起迁徙或移动。自治移动式机器人所使用的电池，一般为可反复充电的蓄电池，如：铅酸电池，镍镉电池，锂离子电池等。锂电池在自治移动式机器人系统中，由于电压电流的不同，噪声和电源的波动，以及控制芯片的稳定性等问题，最好把控制用电池和电机用电池分开。04机器人的供电方式4.2电缆供电方式电缆供电方式，主要用于功率较大的机器人。对于大功率机器人系统，其电缆的直径一般较粗，电源线的数量也较多，同时，控制信号线的数量也比较多。自治移动式机器人，在较小的或限定的范围内移动，或在实验室内试验时，也可由电缆提供电动力，实现驱动。美国的BigDog在实验室内试验时，就采用了电缆供电。04机器人的供电方式4.3发电机供电方式发动机，如：汽油机和柴油机，一方面，可直接地作为动力源，驱动机器人运动；另一方面，又可以带动发电机发电，为机器人提供电能。在一般环境中移动的机器人，可采用汽油机或柴油机驱动发电机，再通过电缆为电动机器人提供动力。例如：在消防系统中，由发动机带动发电机的专用电源车，既为照明系统提供电源，又为灭火机器人和搜救机器人提供电动力。这时，机器人随电源车一起移动，电源车的电源通过电缆向机器人输送电动力。04机器人的供电方式4.4微波供电方式微波供电方式，也即电磁能供电方式。电池供电方式的缺点在于：电池的电能与体积和重量成正比，因此，自治移动式机器人对电池小型化和轻型化的要求，与其对电池长时间供电的要求，是矛盾的。电缆供电方式的缺点在于：它妨碍机器人的自主移动。微波供电方式，是一种无线能量供给方式，它效仿太阳向地球输送能量的方式，利用GHz带宽的微波向机器人提供能量，特别适用于小型或微型机器人，如：能进入人体的手术机器人。目前，这种所谓的宇宙能传送方式还未进入实用阶段，然而，有关微型飞行机器人的能量传送试验已取得进展。05机器人与电池5.1关于移动式机器人的电池在自治移动式机器人系统中，最常见的是电动力机器人。在电动力自治移动式机器人各种供电方式中，电池供电时最常见的供电方式。电池，作为自治移动式机器人动力源使用时，一般希望满足：体积小，重量轻，能量密度大，等要求。电池一般可分为三类：化学电池：1）一次电池，2）二次电池（蓄电池），3）燃料电池；物理电池：1）太阳能电池，2）热电动势电池；生物电池：1）氧化电池，2）微生物电池。05机器人与电池5.2Robot与光电池使用光蓄电池或太阳能蓄电池作为自主移动式机器人的摄能和储能器官是机器生命自主摄能的一种途径。例如，Walter的机器龟Elmer和Elsie的摄能和储能器官就选用了光电池，Elmer和Elsie因而能在能量不足的时候自主地寻找光源，给自己充电。光蓄电池利用半导体的光电效应特性，正极由p型半导体构成，而负极是n型半导体，连接处形成一个pn结。光电池工作原理05机器人与电池5.2Robot与光电池p型半导体中的电子如同水，n型半导体中正电子占据的空间如同蓄水池。实际上，所谓正电子，就是失去电子而带正电的空穴。光电池工作原理充电时，受光照射，电子向n型半导体扩散进入空穴，犹如低处的水注入蓄水池积蓄了势能。放电时，电路接通犹如蓄水池的闸门开启，电子向p型半导体运动，从而形成由负极流向正极的电流。05动力系统功率放大器5.1关于机器人动力的放大自治移动式机器人，与我们普通的家电不同，不能简单地接上220v电源进行驱动。自治移动式机器人的动力需要实时地调整，即：机器人需要依据来自感官（传感器）信息，不断地向动力系统发送实时的控制信号，这就是所谓的实时控制。自治移动时机器人的实时控制信号Pc一般由数字计算器件，如：CPU，DSP，单片微机等，通过运算确定，然后，通过D/A口或PWM口馈送至动力系统。05动力系统功率放大器5.1关于机器人动力的放大然而，D/A口和PWM口传送的控制信号是微弱的，一般不能直接推动动力装置。其实，在电气电子系统（如：收音机，电视机，电风扇等）中，功率放大电路是常见的，并且，形式多样。为了驱动动力装置，需要对控制信号Pc进行放大，这就是功率放大器存在的价值和必要性。05动力系统功率放大器5.2功率运算放大器运算放大器（OperationalAmplifier，OP）是我们大家熟悉的，它在机器人技术，传感技术，和控制系统中，是十分重要的元件。特别地，运算放大器在功率放大器中扮演着重要角色。理想的运算放大器，其输出阻抗为零，这意味着：运算放大器的输出电流可以任意大。功率OP放大器与一般的OP放大器几乎没有什么区别。不同之处仅仅在于输出电流的电路部分。市场上的功率OP放大器一般可输出1A左右的电流，特殊的可输出3-10A的电流。功率OP放大器充当功率放大器的优点在于：功率OP放大器本身兼有控制器，易于设计和安装。05动力系统功率放大器5.3线性功率运算放大器图中的功率放大器，其基本思想在于：用晶体管与负载对电源电压进行分压，进而调节负载两端的电压。由电流放大晶体管（功率晶体管）组成的功率放大器，具有较大的适应范围，市场上有大量产品，便于设计满足各种要求的功率放大器，其基本电路如右图。线性功率放大器基本电路理想情况下，负载两端的电压um与输入信号uc成正比。然而，实际的晶体管线性性能并不是理想的。同时，基本电路中的电流只能沿一个方向流动。05动力系统功率放大器5.3线性功率运算放大器在自治移动式