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1、機(jī)器人技術(shù)概論 Introduction to Robotic Technology,01機(jī)器人的動(dòng)力源 02機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng) 03機(jī)器人的電動(dòng)力系統(tǒng) 04機(jī)器人的供電方式 05機(jī)器人與電池 06機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)的功率放大器,第三章 機(jī)器人的動(dòng)力與驅(qū)動(dòng) (Power and Drive of Robots),動(dòng)力，是驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的源泉，是機(jī)器人的能量流動(dòng)和信息流動(dòng)的源泉，是機(jī)器人活性的源泉。,01 機(jī)器人的動(dòng)力源,1.1 不同類型的機(jī)器人可以有不同的動(dòng)力源,01 機(jī)器人的動(dòng)力源,1.2 機(jī)器人的常規(guī)動(dòng)力源,電動(dòng)力系統(tǒng)：或電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（Electric Actuator），是以電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力系統(tǒng)

2、，如：步進(jìn)電機(jī)，直流電機(jī)，交流電機(jī)。,油動(dòng)力系統(tǒng)：如：汽油機(jī)，柴油機(jī)，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(dòng)力系統(tǒng)，飛行機(jī)器人也往往采用油動(dòng)力系統(tǒng)。,液動(dòng)力系統(tǒng)：或液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（Hydraulic Actuator），特點(diǎn)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(dòng)式機(jī)器人。,氣動(dòng)力系統(tǒng)：或氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（Pneumatic Actuator），動(dòng)力源于壓縮空氣，可實(shí)現(xiàn)位置控制，力控制，如：真空吸盤可充當(dāng)機(jī)器人的手。,01 機(jī)器人的動(dòng)力源,1.3 機(jī)器人的特殊動(dòng)力源,超聲波電機(jī)：用超聲波激勵(lì)彈性體定子，使其表面形成橢圓運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子因而在摩擦力的作用下獲得推力。

3、,除常規(guī)動(dòng)力源之外，還存在諸多特殊的動(dòng)力源，可用作機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力，其中一些可能預(yù)示著自主移動(dòng)式機(jī)器人動(dòng)力源今后的發(fā)展方向，如：,橡膠驅(qū)動(dòng)器：利用橡膠等彈性結(jié)構(gòu)體的形變產(chǎn)生動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)：柔性微驅(qū)動(dòng)器，人工肌肉，人工手指等。,靜電驅(qū)動(dòng)器：利用帶電體之間的靜電力實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，如：靜電擺動(dòng)電機(jī)，步進(jìn)直線驅(qū)動(dòng)器，薄膜靜電驅(qū)動(dòng)器等。,磁流體驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，可產(chǎn)生動(dòng)力。,02 機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng),2.1 機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)一般性構(gòu)成,Pp：主動(dòng)力源，可以是電動(dòng)力的，液動(dòng)力的，或氣動(dòng)力的。,Pc：控制信號，通常是電動(dòng)力的。,Pa：控制動(dòng)力，是對 Pc 的放大，可以是電動(dòng)

4、力的，液動(dòng)力的，或氣動(dòng)力的。,Pm：發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力。,Pu：驅(qū)動(dòng)肢體的動(dòng)力，經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)將Pm轉(zhuǎn)換成了機(jī)械動(dòng)力。,Pd：消耗的動(dòng)力。,02 機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng),2.2 機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)例,兩輪機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)的構(gòu)成,Pp：主動(dòng)力源，采用鋰電池。,Pc：控制信號，由DSP發(fā)送的PWM電信號。,Pa：控制動(dòng)力，是對 Pc 放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓量。,Pm：直流電機(jī)輸出的動(dòng)力。,Pu：經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)（減速器）將Pm轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)輪系的機(jī)械動(dòng)力。,兩輪機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)如下圖所示，采用直流伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的輪系。,03 機(jī)器人的電動(dòng)力系統(tǒng),3.1 機(jī)器人電動(dòng)力系統(tǒng)的類型,電動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力，自然，來自電動(dòng)機(jī)，或稱電

5、動(dòng)馬達(dá)（Electric Motor），主要有 4 種類型：,步進(jìn)電機(jī)（Stepping Motor）：控制性能好，定位精度高，負(fù)載能力稍差；,變頻技術(shù)的應(yīng)用，使交流伺服電機(jī)變成了無刷直流電機(jī)。無刷直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于自主移動(dòng)式機(jī)器人。,直流伺服電機(jī)（Direct Current Motor）：易于控制，有一定負(fù)載能力，電刷和整流子易引起摩擦損耗；,交流伺服電機(jī)（Alternate Curent Motor）：性能和效率與DC電機(jī)相似，無需整流子和電刷，需交流推動(dòng)；,直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)（Direct Drive Motor）：沒研究過。,機(jī)器人可以有各種各樣的動(dòng)力源和動(dòng)力系統(tǒng)，然而，電動(dòng)力系統(tǒng)是機(jī)器人

6、，特別是自主移動(dòng)式機(jī)器人，最常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。,03 機(jī)器人的電動(dòng)力系統(tǒng),3.2 機(jī)器人與步進(jìn)電機(jī),步進(jìn)電機(jī)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(gè)脈沖信號，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)微小的角度。,如果給步進(jìn)電機(jī)輸入一個(gè)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一定的角度，稱之為“一個(gè)步長的轉(zhuǎn)動(dòng)”，其轉(zhuǎn)過的角度被稱為：步距角（Step Angle）；,因此，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與脈沖的頻率成正比；,步進(jìn)電機(jī)的特征是：,步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子在最后的脈沖位置停止，產(chǎn)生相對于外力的一個(gè)很強(qiáng)的反抗力。,03 機(jī)器人的電動(dòng)力系統(tǒng),3.2 機(jī)器人與步進(jìn)電機(jī),因此，步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人機(jī)械臂和機(jī)械腿等機(jī)械肢體的精確控制。,0

7、3 機(jī)器人的電動(dòng)力系統(tǒng),3.3 機(jī)器人與直流電機(jī),一般移動(dòng)式機(jī)器人通常采用中小型的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。,直流電機(jī)具有良好的控制特性：,03 機(jī)器人的電動(dòng)力系統(tǒng),3.3 機(jī)器人與直流電機(jī),03 機(jī)器人的電動(dòng)力系統(tǒng),3.4 機(jī)器人與交流電機(jī),在機(jī)器人系統(tǒng)中，一般采用永久磁鐵轉(zhuǎn)子的同步電機(jī)，這就是交流伺服電機(jī)。,03 機(jī)器人的電動(dòng)力系統(tǒng),3.4 機(jī)器人與交流電機(jī),在無刷DC電機(jī)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(jī)。,無刷DC電機(jī)=逆變器+AC同步電機(jī),AC 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路原理圖,04 機(jī)器人的供電方式,4.1 電池供電方式,電池是自治移動(dòng)式機(jī)器人最常用的動(dòng)力源。

8、,采用電池供電方式，意味著：動(dòng)力源可以直接安放在自治移動(dòng)式機(jī)器人本體上，隨機(jī)器人本體一起遷徙或移動(dòng)。,在自治移動(dòng)式機(jī)器人系統(tǒng)中，由于電壓電流的不同，噪聲和電源的波動(dòng)，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(jī)用電池分開。,04 機(jī)器人的供電方式,4.2 電纜供電方式,電纜供電方式，主要用于功率較大的機(jī)器人。對于大功率機(jī)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(shí)，控制信號線的數(shù)量也比較多。,自治移動(dòng)式機(jī)器人，在較小的或限定的范圍內(nèi)移動(dòng)，或在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，也可由電纜提供電動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。,美國的 BigDog 在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，就采用了電纜供電。,04 機(jī)器人的供電方式,4

9、.3 發(fā)電機(jī)供電方式,發(fā)動(dòng)機(jī)，如：汽油機(jī)和柴油機(jī)，一方面，可直接地作為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；另一方面，又可以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，為機(jī)器人提供電能。,在一般環(huán)境中移動(dòng)的機(jī)器人，可采用汽油機(jī)或柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，再通過電纜為電動(dòng)機(jī)器人提供動(dòng)力。,例如：在消防系統(tǒng)中，由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的專用電源車，既為照明系統(tǒng)提供電源，又為滅火機(jī)器人和搜救機(jī)器人提供電動(dòng)力。,這時(shí)，機(jī)器人隨電源車一起移動(dòng)，電源車的電源通過電纜向機(jī)器人輸送電動(dòng)力。,04 機(jī)器人的供電方式,4.4 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(diǎn)在于：電池的電能與體積和重量成正比，因此，自治移動(dòng)式機(jī)器人對電池小型化和輕型

10、化的要求，與其對電池長時(shí)間供電的要求，是矛盾的。,電纜供電方式的缺點(diǎn)在于：它妨礙機(jī)器人的自主移動(dòng)。,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(jī)器人提供能量，特別適用于小型或微型機(jī)器人，如：能進(jìn)入人體的手術(shù)機(jī)器人。,目前，這種所謂的宇宙能傳送方式還未進(jìn)入實(shí)用階段，然而，有關(guān)微型飛行機(jī)器人的能量傳送試驗(yàn)已取得進(jìn)展。,05 機(jī)器人與電池,5.1 關(guān)于移動(dòng)式機(jī)器人的電池,在自治移動(dòng)式機(jī)器人系統(tǒng)中，最常見的是電動(dòng)力機(jī)器人。,在電動(dòng)力自治移動(dòng)式機(jī)器人各種供電方式中，電池供電時(shí)最常見的供電方式。,電池，作為自治移動(dòng)式機(jī)器人動(dòng)力源使用時(shí)，一般希望滿足：體積小

11、，重量輕，能量密度大，等要求。,05 機(jī)器人與電池,5.2 Robot 與光電池,使用光蓄電池或太陽能蓄電池作為自主移動(dòng)式機(jī)器人的攝能和儲能器官是機(jī)器生命自主攝能的一種途徑。,例如，Walter的機(jī)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(shí)候自主地尋找光源，給自己充電。,05 機(jī)器人與電池,5.2 Robot 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(shí)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(shí)，受光照射，電子向 n 型半導(dǎo)體擴(kuò)散進(jìn)入空穴，猶如低處的水注入蓄水池積蓄了勢

12、能。,放電時(shí)，電路接通猶如蓄水池的閘門開啟，電子向 p 型半導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)，從而形成由負(fù)極流向正極的電流。,05 動(dòng)力系統(tǒng)功率放大器,5.1 關(guān)于機(jī)器人動(dòng)力的放大,自治移動(dòng)式機(jī)器人，與我們普通的家電不同，不能簡單地接上 220v 電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。,自治移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)力需要實(shí)時(shí)地調(diào)整，即：機(jī)器人需要依據(jù)來自感官（傳感器）信息，不斷地向動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)送實(shí)時(shí)的控制信號，這就是所謂的實(shí)時(shí)控制。,05 動(dòng)力系統(tǒng)功率放大器,5.1 關(guān)于機(jī)器人動(dòng)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(dòng)動(dòng)力裝置。,其實(shí)，在電氣電子系統(tǒng)（如：收音機(jī)，電視機(jī)，電風(fēng)扇等）中，功率放大電路是常見的，并且

13、，形式多樣。,為了驅(qū)動(dòng)動(dòng)力裝置，需要對控制信號 Pc 進(jìn)行放大，這就是功率放大器存在的價(jià)值和必要性。,05 動(dòng)力系統(tǒng)功率放大器,5.2 功率運(yùn)算放大器,運(yùn)算放大器（Operational Amplifier，OP）是我們大家熟悉的，它在機(jī)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(yùn)算放大器在功率放大器中扮演著重要角色。,理想的運(yùn)算放大器，其輸出阻抗為零，這意味著：運(yùn)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3-10A 的電流

14、。,功率 OP 放大器充當(dāng)功率放大器的優(yōu)點(diǎn)在于：功率 OP 放大器本身兼有控制器，易于設(shè)計(jì)和安裝。,05 動(dòng)力系統(tǒng)功率放大器,5.3 線性功率運(yùn)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(fù)載對電源電壓進(jìn)行分壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)負(fù)載兩端的電壓。,理想情況下，負(fù)載兩端的電壓um與輸入信號uc 成正比。,然而，實(shí)際的晶體管線性性能并不是理想的。同時(shí)，基本電路中的電流只能沿一個(gè)方向流動(dòng)。,05 動(dòng)力系統(tǒng)功率放大器,5.3 線性功率運(yùn)算放大器,在自治移動(dòng)式機(jī)器人系統(tǒng)中，功率放大器驅(qū)動(dòng)的對象一般為電動(dòng)機(jī)，他們需要雙向驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。,利用運(yùn)算放大器，將反饋信號施加于負(fù)載，以消除晶體管參數(shù)變化的

15、影響。,通過使用復(fù)合晶體管對，以及兩個(gè)電源，負(fù)載電流可以按照輸入信號uc的符號方向流動(dòng)。,05 動(dòng)力系統(tǒng)功率放大器,5.4 PWM 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。,基于這一原理，給晶體管反復(fù)地施加 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(dòng)方式就是 PWM 驅(qū)動(dòng)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(shí)，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?yàn)椋?on 時(shí)施加給

16、晶體管電壓為零，全 off 時(shí)流經(jīng)晶體管的電流為零。,全開（on），意味著電機(jī)將全速運(yùn)轉(zhuǎn)；而全關(guān)（off），則意味著電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。,在 PWM 驅(qū)動(dòng)方式中，為了不引起電機(jī)震蕩（時(shí)快時(shí)慢），要求信號的脈沖周期設(shè)定值T0，小于電機(jī)電氣時(shí)間常數(shù)，一般為數(shù)毫秒的量級，或者，更小。,05 動(dòng)力系統(tǒng)功率放大器,5.4 PWM 功率放大器,那么，PWM 功率放大器是怎樣實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的呢？或者說， PWM 功率放大器是怎樣控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的呢？,這個(gè)問題涉及一個(gè)重要的概念：“占空比”。,“占”，意味著全開（on）；“空”，意味著全關(guān)（off）。因此，所謂占空比，就是在一個(gè)脈沖周期中，全開（on）的時(shí)間與全關(guān)（

17、off）或脈沖周期 T0 的時(shí)間之比。,PWM 功率放大器的輸入量就是“占空比”值。,05 動(dòng)力系統(tǒng)功率放大器,5.4 PWM 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(shí)間的比例來實(shí)現(xiàn)，即通過調(diào)整占空比值來控制電機(jī)的速度。,如果向電機(jī)下達(dá)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(gè)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,05 動(dòng)力系統(tǒng)功率放大器,5.4 PWM 功率放大器,思考與練

18、習(xí),1機(jī)器人有哪些不同的常規(guī)動(dòng)力源？,2描述機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)的一般性構(gòu)成。,5PWM 的含義是什么？什么是電機(jī)的 PWM 驅(qū)動(dòng)方式？PWM 驅(qū)動(dòng)方式的原理是什么？ 為什么要采取 PWM 驅(qū)動(dòng)方式？,6什么是 PWM 波的“占空比”？PWM 功率放大器是怎樣實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的？（控制占空比就能控制電機(jī)速度）,7PWM 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(dòng)力驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人有那些不同的供電方式？描述機(jī)器人動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的微波供電方式？,4機(jī)器人電動(dòng)力系統(tǒng)的類型有哪些？,或許，人工肌肉，將是自治移動(dòng)式機(jī)器人未來的動(dòng)力源，其動(dòng)力學(xué)原理類似動(dòng)物的肌肉系統(tǒng)。,