煤矿救生机器人设计-四连杆履带式搜救机器人【8张CAD图纸和文档资料终稿】
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8张CAD图纸和文档资料终稿
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万方科技学院机械与动力工程系毕业实习报告指导教师：邓乐老师姓 名：鲍占林班 级：08机设-2学 号：0828070078打开Google搜索引擎，输入“矿难”两个字，1,740,000例相关网页，耗时0.23秒，而输入“平安”两个字，1,130,000例相关网页，耗时0.22秒。矿难频发，篇篇报道皆触目惊心。往年的统计数据显示，矿难中死去的矿工多达万人，就是在去年，也有7000人死于矿难！许多事实表明，大部分矿难其实是可以避免的，就拿常见的瓦斯爆炸来说，按我国目前的防治能力和技术水平，只要把防范措施落实到位，瓦斯爆炸事故应该有能力避免。实际经验表明,超过48 小时后被困在废墟中的幸存者存活的概率变得越来越低1 。由于灾难现场情况复杂,在救援人员自身安全得不到保证的情况下是很难进入现场开展救援工作的,此外,废墟中形成的狭小空间使搜救人员甚至搜救犬也无法进入。灾难搜救机器人可以很好地解决上述问题。机器人可以在灾难发生后第一时间进入灾难现场寻找幸存者,对被困人员提供基本的医疗救助服务,进入救援人员无法进入的现场搜集有关信息并反馈给救援指挥中心等。近年来,为了满足救援工作的需要,国内外很多研究机构开展了大量的研究工作,可在灾难现场废墟中狭小空间内搜寻的各类机器人如可变形多态机器人、蛇形机器人等相继被开发出来。本文在介绍国内外灾难搜救机器人最新研究成果及近年来灾难现场的实际使用情况的基础上,根据现场使用的经验教训提出了灾难救援机器人需要解决的一些关键技术问题指出了灾难救援机器人的发展趋势。国内外研究现状近十年来,尤其是“911”事件之后,美国、日本等西方发达国家在地震、火灾等救援机器人的研究方面做了大量的工作,研究出了各种可用于灾难现场救援的机器人。以牵引和运动方式的不同搜救机器人主要可分为以下几类:2. 1 履带式搜救机器人履带式机器人是为了满足军事侦察、拆除危险物等作业的需要,在传统的轮式移动机器人的基础上发展起来的。图1 给出了目前国际上几家著名机器人公司的典型产品,他们主要是为了满足军事需要而开发的,体积普遍偏大,不太适合在倒塌的建筑物废墟中狭小空间内搜寻幸存者2. 2 可变形(多态) 搜救机器人为了能进入狭小空间展开搜救工作,要求机器人的体积要尽可能小,但体积小了搜索视野就会受到限制,为了解决这一矛盾,近年来在传统牵引式搜救机器人平台基础上,研制出了形态可变的履带式多态搜救机器人。图2 为美国iRobot 公司生产的PackBot 系列机器人, PackBot 机器人有一对鳍形前肢,这对鳍形前肢可以帮助在崎岖的地面上导航,也可以升高感知平台以便更好地观察。图3 为加拿大Inuktun 公司MicroVGTV 多态搜救机器人,他可以根据搜索通道的大小及搜寻范围的远近灵活地调整形状和尺寸。图1 履带式搜救机器人图2 美国iRobot 公司PackBot 多态搜救机器人图3 加拿大Inuktun 公司MicroVGTV 多态搜救机器人2. 3 仿生搜救机器人虽然履带式可变形多态机器人可根据搜索空间的大小改变其形状和尺寸,但受驱动方式的限制,其体积不可能做得很小。为了满足对更狭小空间搜索的需要,人们根据生态学原理研制出了各种体积更小的仿生机器人,其中蛇形机器人就是其中很重要的一类。图4 (a) 为CMU 研制的安装在移动平台上的蛇形机器人,图4 (b) 为日本大阪大学研制的蛇形机器人。我国中国科学院沈阳自动化研究所,国防科技大学,北京航空航天大学等单位也都相继研制出了类似的蛇形机器人系统。图4 (c) 为美国加州大学伯克利分校研制的身高不足3 cm 的苍蝇搜救机器人。随着技术的不断成熟,相信蛇形、蝇形等仿生机器人会在灾难搜救工作中发挥越来越大的不可替代的特殊作用。3. 1 搜救机器人在“911”事件救援中的应用2001 年“911”事件发生后,美国国内主要机器人生产公司和研究机构都组织参加了纽约世贸大厦现场的搜救工作,他们是南佛罗里达大学机器人辅助搜寻与救援研究中心,MIT 的iRobot 公司,美国海军的SPAWAR 研究中心,以及具有五十多年历史的Foster - Miller 公司等。据时代周刊报道3 :在最初的十天当中,救援机器人在搜救犬、人工无法抵达的狭小或危险区域找到十余具遇难者的遗体,与现场搜救工作人员找到的数量基本相同,但所花的时间却不到现场救援人员花费时间的一半。这次救援行动被称为美国历史上救援机器人的第一次实战演练,使用了当时已经商业化但主要是为军事侦察、危险物拆除而设计的履带式移动机器人。虽然取得了一定的成绩,但灾难现场实际使用情况表明,目前所研制的搜救机器人仍然存在不少需要解决的关键技术问题。主要表现在机器人的移动性、通讯问题、智能图像处理软件以及人机交互能力等方面。机器人体积偏大,无法进入狭小空间进行搜救;废墟上的高温使机器人履带软化而无法正常行进2 ;统计表明,无线通讯方式的机器人有大约25 %左右的时间由于通讯问题而无法正常工作;图像智能识别能力不足,救援人员绝大部分时间(超过80 %) 都在用于对机器人发回图像的分析、辨别上4 ;人机交互能力差,机器人操纵困难等。3. 2 搜救机器人在西弗吉尼亚矿难救援中的应用2006 年年初,美国西弗吉尼亚Sago 煤矿发生矿难,造成12 名矿工死亡。事故发生后,救援人员使用GPS 测定被困矿工的方位,然后从地面上钻了3 个深孔,以便给井下输送氧气,同时期望对井下的状况进行检测。救援人员分别放入空气探测仪和摄像头,但均无功而返。为了从水平方向对井下情况进行探测,美国劳工部矿业安全与卫生局通过深孔向井下派出了一个救援机器人,但最终因机器人中途行进过程中陷入泥潭而受阻。搜救机器人关键技术问题及发展趋势灾难搜救机器人是一个新兴的研究领域,其使用环境的特殊性对机器人硬件和软件两方面都提出了更高的要求,目前在该领域仍存在很多需要不断探索的技术难题。4. 1 硬件4. 1. 1 移动性/ 机械机构移动性是搜救机器人完成搜救工作的决定因素,“911”事件后纽约世贸大厦现场的搜救工作以及西弗吉尼亚Sago 煤矿的矿难救援工作都很好地证明了这一点。机器人移动平台应该能够在恶劣废墟环境中灵活地穿梭于狭小的空间之中,能够翻越障碍,爬楼梯,穿越泥泞的道路等,且机器人的移动不应对周围不稳定结构产生影响,以免发生二次坍塌或爆炸等。此外,机器人还应该具备适应恶劣环境的能力,具有防水、耐高温等能力。早期为军用目的而设计的轮履式机器人由于体积偏大而不太适合搜救工作。目前,各种履带式多态可变形小型机器人已经研制出来, 并已商业化。近年来, 特别是2000 年以来,以蛇形机器人为代表的仿生机器人正在成为新的研究热点,且已经取得不少突破性研究成果。4. 1. 2 传感检测装置搜救机器人的主要工作就是通过传感器实现自身的导航、环境信息的获取以及幸存人员的搜寻。由于灾难现场环境的复杂性及不确定性,传统在室内结构化环境中已较成熟的导航算法无法满足救援工作的要求,传统的声纳、激光测距仪等在充满烟雾和灰尘的环境中也很难取得理想的效果。目前搜救机器人主要采用人工控制方式来实现机器人的导航。灾难现场环境信息是确定最佳救援方案,确保救援人员自身安全的关键,常见的环境参数主要有有害气体含量、空气质量、是否有火灾发生等。被困人员的搜寻是搜救机器人的最主要任务。目前通常通过对视频图像的监测来识别是否有被困人员,但由于被困人员身上被灰尘所覆盖,使其被隐藏于周围的环境中,传统的彩色图像分割和区域检测方法通常会失效。移动对象检测及纹理识别等也是常用的检测方法。近来热成像照相技术在幸存者检测方面取得了不错的研究成果。发现被困人员后需要迅速判断其是否还活着,生命体征检测装置的研制近年来成为了研究的热点。南佛罗里达大学Murphy 教授领导的机器人团队已开发出了多个非介入式生命体征检测传感器10 ,用于判断被困人员的生存状况。4. 1. 3 人机通讯方式目前机器人与操作者之间常用的通信方式有无线和电缆两种方式。电缆方式可以通过线缆方便地为机器人提供能量,稳定可靠地实现机器人和操作者之间的信息传送,且当机器人遇阻时通过拖拽使机器人重新投入工作。但电缆方式也存在一定的问题,随着机器人搜寻范围的深入,线缆很容易发生缠绕而影响机器人的移动性。研制收放灵活的电缆卷绕装置是解决目前有线通信方式机器人通讯问题的关键。无线通讯方式的稳定性较难保证,即使在穿透性能最佳的频段,也会由于带宽及各种干扰的影响使得通讯无法正常进行。“911”事件的救援工作证明,无线方式的机器人大约有25 %以上的时间无法正常通讯。稳定可靠的通讯方式是当前救援机器人领域需要很好解决的关键问题之一。4. 2 软件4. 2. 1 人机交互和用户界面在灾难现场,搜救机器人的操作者精神高度紧张且需要长时间连续高负荷工作,因此良好的人机交互系统是提高搜救效率、减轻救援人员工作强度的保证。人机交互是通过良好的用户接口来实现的,因此,该接口必须为操作者提供丰富的信息,从而使操作者能够做出最佳判断来对机器人进行控制,通过该人机接口,操作者能很容易地判断机器人的位置、状态等,能够灵活地对机器人本身以及其所携带的有关装置如摄像头、照明装置等进行控制。为了设计出友好的人机交互接口,设计人员必须对搜救过程中救援人员对机器人的使用情况进行充分的了解。南佛罗里达大学Murphy 教授领导的机器人团队在此方面已做了大量的调研工作。4. 2. 2 传感器融合由于救援现场环境的复杂性,对传统的室内结构化环境下传感器数据的处理算法不能满足搜救工作的需要。如通过视频图像对幸存者的检测,由于灰尘、烟雾等的影响使得识别变得非常困难,通过检测到声音的方向辨别幸存者的方位,也由于现场噪音的影响而变得很困难。因此,为了完成搜索并发现幸存者,必须通过多种传感器数据的融合,研究更加有效的识别算法。4. 2. 3 机器人搜救队由于灾难现场环境的复杂性,需要各种不同的搜救机器人参与救援工作,如MCU 研制的通过具有较强越障能力的轮式机器人携带蛇行机器人来完成救援工作的机器人。为了缩减搜索遍历时间,组建机器人搜救队是行之有效的办法,各机器人之间相互协调来快速完成搜索工作。目前有不少研究机构在开展多机器人未知环境探索算法的研究工作,并已经有基于结构化未知环境搜索的系统问世12 ,但要真正用于实际救援环境还有很多工作要做。4. 2. 4 传统移动机器人技术的局限性移动机器人在室内结构化环境下的导航、定位、路径规划、地图建立以及未知环境探索等技术经过长期的研究已经基本成熟,但要用于灾难现场的非结构化复杂未知环境的探索还需要进行更深入的研究。目前搜救机器人的控制方式主要以手工操作为主,不追求机器人的完全自治。但为了提高救援水平,缩短搜索时间,完全自主的搜救机器人,尤其是自主机器人搜救队将是发展的方向。随着现代科学技术的发展，特别是电子信息技术的突飞猛进，机器人作为人类的新型生产工具，在减轻劳动强度，提高生产率，改变人的生产模式，把人从危险、恶劣、繁重的工作环境中解放出来等方面，显示出了极大的优越性。机器人在地面的移动方式有多种：车轮式、履带式、轮履结合式和步行式等。步行移动方式模仿人类或动物的行走机理，用腿脚走路，对环境的适应性好，智能程度相对也较高。但是步行移动方式的结构和控制比较复杂，相对于比赛用机器人来说速度慢，所以一般不选用。下面对车轮式、履带式和轮履结合式三种移动方式做一些说明。1 轮式结构的分析利用车轮移动是最常见的一种地面行进方式。轮式驱动机构移动方式的优点是：速稳定，能量利用率高，机构和控制简单，而且现有技术比较成熟。它的缺点是：对路面要求较高，适用于平整的硬质道路，不能很好的适应场地。轮式移动机构可以达到较高的运动速度，在相对平坦的地面上，轮式移动具有相当的优势，控制也相对简单。轮式移动机构由于应用广泛，是目前研究最为透彻的移动机构之一。传统的轮式移动机构有三轮、四轮、六轮的结构形式，日本还曾研究出五轮移动机构。但轮式移动机构的缺点也是很明显的。由于与地面接触面积小，在爬坡时容易出现打滑现象。要想解决打滑需要加装减速箱或用动力制动的方法实现动态调整过程。但其通过性和越障能力受到限制，在攀爬楼梯时一般要求前轮半径要大于楼梯高度，底盘最低点距地面高度限制了地面通过性。为适应复杂地形甚至于爬楼梯的要求，必须加大轮子直径，导致底盘结构体积庞大，重量增加。从理论上讲，三点决定一个平面，因此车轮式移动载体的平稳运动最少需要3个轮子支撑。现在大多数机器人用的是3轮或4轮移动方式，在某些特殊情况下也有用5轮以上的，但这种情况下机器人的结构和控制会更加的复杂，这对我们技术有限的大学生机器人队伍来数是不太适用的。因此我们会选择3轮或4轮的移动方式，下面对此进行讨论。（1）3轮移动配置和操舵方式典型3轮移动机器人通常采用1个中心前轮和2个后轮的车轮布置。3个车轮配置与功能的不同组合有可以将3轮机器人分为如图1所示的若干类型图1（a）所示的组合是前轮1为万向脚轮或球形轮，后轮2和后轮3为独立驱动轮，利用它们的转速差实现转向。这种组合的特点是机构组合容易，而且当两个驱动轮以相同速度、相反方向转动时车体能绕两个驱动轮连线的中点自转，但自传中心与车体中心不一致。图1（b）所示的组合是操纵舵机机构和驱动机构集中在前轮1上，两个后轮之起支撑从动作用。与图1（c）相比，该机构也能绕两后轮连线的中点自转，但其前轮驱动集中，结构比较复杂。图1（c）所示的组合是前轮1为操舵轮，后轮2和后轮3中的一个为驱动轮，另一个为从动轮。这种车轮机构的特点是结构简单，组成容易，但单边驱动的驱动性差，稳定性不好，不能自传。图1（d）的车轮组合将图1（c）的单轮驱动该为双后轮差动驱动，提高了驱动性，但加了一个差动齿轮装置，结构更加复杂，也增加了质量。（2） 4轮移动配置和操舵方式3轮式机器人车体配置虽然结构简单，但稳定性差，遇到冲撞或地面不平时容易倾倒。与3轮机构相比4轮移动方式的稳定性更好。4轮移动机构的典型配置形式如图2所示。图2（a）的组合是前后轮为万向脚轮或球形轮，左右两轮为独立驱动轮。与图1（a）的3轮车体相比，其自转中心与车体中心重合，当两个驱动轮以相反速度方向转动时，车体能绕自身的中心自转，所以便于在狭窄场所改变方向。这种车轮布置方式在灵活性和稳定性上都是比较好的，在比赛中也有采用这种方式的。但它的缺点是前后辅助脚轮有时不能同时着地支撑，在高速启动和刹车时车体会产生俯仰和前冲，为了克服启动和刹车时的俯仰和前冲，应当尽量将车体的中心配置在两个驱动轮连线的近旁，减少惯性的影响。图2（b）是常见的所谓汽车车轮配置方式。它与图1（d）所示的3轮车驱动方式类似，只是将前面一个操舵轮改为两个轮，提高力车体的稳定性。两个操舵轮需要同一个操舵机构来协调转向，此外为了减少后轮的摩擦损耗，配备了差动齿轮装置，增加了机构的复杂性。综上所述，为了既要满足车体稳定性，又要使得车体具有较灵活的机动性能，同时还要使得车体结构尽量简单而且还有比较容易控制，我们采用图3所示的车轮配置方式，这种车轮的布局方式也是在借鉴了2009年机器人车轮的分布形式再结合今年的实际情而最终确定的，前面两个万向轮起到了以下三个作用：1）支撑作用；2）导向作用；3）自动调整机器人的平稳。采用四个车轮可以更好的保持机器人的稳定性，为了保证机器人能够四个轮能够同时着地，我们给两个导向轮增加了一个弹簧装置，这样机器人在遇到路面不平的时候能够很好的依靠弹簧的弹力进行自我调整。2 履带式结构的分析履带式结构实际上是一种自己为自己铺路的轮式结构。它是将环状的循环轨道履带卷绕在若干滚轮外，是车轮不直接与地面接触。最常见的履带移动车是在车体的两侧各设有一对履带驱动装置的双履带结构。也有为了适应复杂的路况而采用多履带的。在比赛中由于路面不是很复杂，所以制作起来比较简单，就是将履带卷绕在两个以上的车轮上，其中一个车轮用来做驱动轮，其余的车轮作张紧轮或导向轮。驱动轮通常靠自身的齿与履带内侧的齿形啮合来驱动。典型的履带移动机构由驱动轮、导向轮、托带轮、履带、履带架等部分组成。履带移动机构适合在复杂路面上行驶，它是轮式移动机构的拓展，履带本身起着给车轮连续铺路的作用。履带的优点是着地面积比车轮式大，所以着地压强小；另外与地面粘着力较强，能吸收较小的凹凸不平，攀爬能力强，适用于有突变的地面，能够原地旋转，重心低，稳定。因此，履带式适合于各种场地。履带车辆和轮式车辆的特性有所不同。主要的不同在转向特性上。履带车辆的转向通过两侧履带的差速进行转向。履带式转弯不如车轮式灵活。在要改变方向时，须要将某一侧的履带驱动系统减速或制动来实现转弯，或者反向驱动车体的原地自传。这都会使履带与地面产生相对横向滑动，加大了机器人电机的能耗。在负重大的情况下可使电机温度迅速升高影响电机的使用和寿命。履带车的受力比较复杂，作用力可能是静态的也有可能是动态的。车辆以常速运动时，静态力作用。加速运动时，受动态力作用。车辆转弯时，将产生离心力，推动车辆横向移动，动态力总是作用在车辆质心处。3 轮履结合式的分析机器人行走系统是完成移动动作的直接保证，设计的优劣直接影响机器人性能发挥，尤其对机器人运动可靠性有很大要求。为克服普通履带式移动机构的缺点，主要通过改变履带的形状和结构来实现，卡特比勒（Catepillar）式、形状可变履带、位置可变履带、履带式加装前后摆等结构形式相继出现，并应用于各种机器人的移动机构。近年来各种增强的非金属复合材料应用于履带，大大减轻了履带式移动机构笨重的缺点，改善了其整体性能，对复杂环境，履带式移动机构具有较强的地形适应性。本文将介绍一种轮履结合式的结构。出于对重量和经济性的考虑，可选用标准同步带代替履带作为行走系统的主要部件。同步带有梯形齿和弧齿两种齿形，均有标准可选。我们用的是8M圆弧齿同步带轮作为履带。履带旁边的轮比履带高出五毫米，在平地上行走时履带不着地只起到传动的作用，只有轮在着地，所以此时机器人具有轮式的特性，当机器人要越障或过坡时履带也着地，此时机器人又具有履带式的特性。通过实验发现此种结构明显改变了履带与地面的摩擦力，行走同样的距离电机不再发热，减轻了电机的负担，延长了电机的使用寿命，电机工作时间是履带式的一半。轮履复合式移动平台克服单一移动平台的缺陷，具有以上两种移动平台的优点。其缺点是结构设计复杂，控制及运动规划要求高。4 驱动方式的选择底盘的驱动部分就相当于人的两条腿，机器人的移动都是靠此部分来实现的，所以，这部分是机器人装置中很重要的一部分。驱动方面是各个高校都正在执着钻研的一个问题，驱动的合理与否直接关系到机器人在场地上能否从启动区准确到达目的地，这种决定性的作用在机器人运行过程中体现的最为明显，每年都有许多所学校的机器人在场地上跑离白线，这不仅仅是控制技术方面的问题，在机械方面往往由于轮子安装精度达不到要求带来许多控制上无法克服的约束。良好的机械产品能有效地保护电机，延长电机的使用寿命，这从经济的角度来讲是完全有必要的，而且能使电机的功率发挥到极致，传动效率高。同是也避免了给操作员带来不必要的麻烦。可见驱动方面的设计安装在机器人总的设计制作过程中占有相当重要的地位。为了便于确定这部分的驱动系统，首先先介绍一下2007年某校机器人驱动部分的传动系统。07年参赛机器人的传动系统有以下部分组成；直流电机、电机座、轴承、轴承座、联轴器、轴和车轮。电机通过联轴器并且在轴承的辅助作用下来带动车轮的旋转运动。这套传动系统从总体上来说还是不错的，但是在制作与安装过程中遇到许多的问题，最主要的就是同轴度问题，它包括电机轴、轴承、轴承座、联轴器、轴及车轮的同轴度问题，还包括两个车轮同轴度的问题。若前者同轴度较低就会造成联轴器的扭断，因为联轴器是一种弹性联轴器，当扭矩较大时就会扭断，当然这也是对电机的一种保护。在实际中联轴器的扭断给机械上的维护带来很大的麻烦。后者同轴度较低则会使得机器人在行走直线时发生走偏的现象。所以在参照了2007年机器人驱动系统的基础上，我们决定改变这种传动方式。而齿轮传动不仅能够获得较大的传动比，提高机器人的速度，而且还使得机器人的结构更加的紧凑。一级齿轮传动的效率可以达到99%，这对电能的利用率很高。齿轮传动将同轴度的问题解决的很好，首先大齿轮安装在电机轴上，小齿轮、轴承、轴承座和车轮安装在同一根轴上，然后大齿轮和小齿轮进行啮合，由于安装在同一根轴上，所以同轴度很高，这样单边的同轴度问题得到了解决。再来看两个车轮是如何保证同轴度的，为了更好的保证两轮的同轴度，我们将两轮安装在通一根梁上，这样两轮就能够很好的保证同轴度，而且还能够使得这个驱动系统模块化。如图8所示，两个电机交错排列既保证了电机的安装又使得结构更加紧凑，而且质量分布也比较均匀，在机械维护方面也更加的方便。除了前面提到的传动方式，还可以采用同步带传动。两车轮通过一根轴相联接，在电机和车轮上分别装有同步带轮，两同步带轮靠同步带联接，同步带中心距不变，同步带的张紧是靠张紧轮来实现的，同步带传动中设置有张紧轮，采用同步带传动时必须提供预紧，否则，会出现跳齿现象，不利于实现机构的同步运动。这种传动方式也解决了同轴度问题，而且由于同步带有弹性，对电机有很好的保护。采用同步带传动的好处在于：1)、机器人的启动为软启动，冲击小、噪声小、运行平稳，电机损耗小；2)、安装精度要求低，容易调试。随着计算机技术和控制技术发展的，运动规划技术的日渐成熟，复合式移动平台因其优越的越障性能和运动速度，将会越来越受到各院校同学的高度重视，各种新颖的移动平台将层出不穷。步足式仿生机器人是机器人研究领域最先研究的对象之一, 近十几年, 随着计算机等硬件设备的发展和设计领域的创新, 各国对足式机器人的研究明显增多。文献1 对腿式机器人的发展状况作了较为全面的概述, 美、日、德等国先后有许多典型的足式试验机器人先后问世, 比较著名的是日本东京工业大学的泰坦VIII 型, 德国的四足机器人BISAM, 上海交通大学的四足机器人JTUWM- III 等。地面移动机器人按照行走方式的不同可以分为轮/ 履式腿式和蠕动式。其中蠕动式机器人主要在细微管道中应用, 在其它领域则广泛应用轮/ 履式机器人和腿式机器人。轮/ 履式机器人由于其结构简单、容易控制, 并且轮/ 履驱动方式技术成熟, 一直是机器人研究的主要方向。但随着人们的需求和技术的发展, 轮/ 履式机器人的局限性日益体现了出来:应付地形勘测、灾害救援等复杂地形上的任务轮式机器人已力不从心, 腿式机器人就成为新的研究重点。与轮/ 履式机器人相比, 腿式机器人有着很大的优势:腿式机器人的行进轨迹是离散的点, 这使它在执行任务时有着很强的通过力和机动性; 腿式机器人的腿部结构使它可以有效的自主隔振, 从而保护其身上的元器件和重要仪器不受损坏; 轮/ 履式机器人的前进所需的牵引力受重力影响, 从而使它不可能完成在垂直于地面的平面上工作, 而腿式机器人只要稍加改进, 例如安装吸附装置就可以做到铅锤方向的移动。四腿机器人的运动规划3.1 单腿运动的分解机器人的每条腿都安装了两部伺服马达, 上方的马达与机身铰接, 通过马达的转动实现腿部相对机身的前/ 后扭转; 下方的马达则与腿部连杆机构铰接, 马达的往复摆动带动连杆机构, 实现步足的上/ 下起落。3.2 四腿复合运动规划四腿机器人的运动方式分为两种, 即静态步行方式(三腿支撑一腿行进)和动态步行方式(步行过程任意时刻均少于三条腿同时处于支撑状态的步行方式)。本文研究的机器人为了满足不同的性能要求而采用了不同的步行方式:当要求保证机器人在行进中保持静态稳定, 或要求行走在崎岖不平的路面, 此时采用静态步行法。在运动的任一时刻至少有三条腿与地面接触支撑机体, 且机体的中心必须落在三足支撑点构成的三角形区域内。然后按1342 的顺序抬起和落地,实现行走。虽然静态步行法较稳定, 但需要四条腿轮流摆动一次才能完成一个运动周期, 因此步行速度缓慢。如若要求快速行进则采用动态步行方式, 即处于对角线上的两条腿动作完全一致。行进过程中对角线上的两条摆动腿1、3 抬起向前摆动, 此时由于1、3 腿的前摆, 使机体重心前移不在支撑腿对角线上, 支撑腿2、4 同时向后摆动, 使机体前移, 重心恢复到1、3 腿的对角线中点上, 然后落下1、3 腿, 从而使机体保持平稳状态。四条腿在一周期的循环过程中, 机体始终相对地面作匀速运动(假设只考虑匀速运动)。腿部的运动分两个过程:1.支撑腿在支撑过程中, 机体向前移动, 足尖相对机体向后运动; 2.在抬跨过程中, 足尖的运动是由随机体的向前运动和足尖相对机体向前抬跨运动的合成,在抬腿过程中为了减小地面对腿的冲击, 使机体能够稳定行进, 足尖的加速度曲线应该是比较平滑的, 故应采用正弦运动曲线。机器人控制芯片为Microchip 公司生产的PIC16C57C 单片机, 本文采用PBASIC 程序开发机器人控制算法, 程序顺序解释执行, 无法实现多线程, 从而将机器人腿部的复合运动分解为多个短时间段内的摆动、起落运动的顺序组合。即在摆动运动中按正弦运动方式运动到预期位置后停止不动, 然后再执行步足的起/ 落运动, 二者交替执行。由于每个动作的执行过程被逐段细分, 从宏观上仍然保持了复合运动的连续性, 这样既能实现机体的稳定行进也保证了机器人运动的效率。总体结构设计多足步行机器人的机械系统要涉及到几个方面的内容：腿模块、腿-机体-腿模块的结构形式，各关节的合理布置、关节转角、腿节长度、腿在躯体上的安装型式以及腿数目等。2.1 腿模块结构腿机构对于提高机器人各传动系统的传动精度、提高各腿的运动灵活性、简化整机的结构设计、降低成本和提高步行机的行走能力有重要影响。（1）自由度选择：腿机构的可控自由度越多，它的灵活性越好，但每一个可控自由度要配备一套驱动系统和一套传动机构，所以每增加一个自由度其重量相应要增加许多。因此，步行机器人腿机构的自由度在满足运动条件前提下，越少越好，这里选定每条腿有三个空间自由度。（2）腿机构形式：目前典型的腿机构形式有：缩放式腿机构；关节式腿机构；缓冲型腿机构；基于气动人工肌肉的腿机构等。考虑到关节式腿机构结构简单，紧凑且运动灵活，这里采用关节式连杆机构作为机器人的腿机构形式，且采用液压缸作为驱动，确定步行机器人单腿模块的机构原理图，如图1 所示。图1 步行机器人单腿模块机构原理图2.2 腿数目确定目前研制的多足步行机器人，不但要求能够稳定行走，而且腿机构还可作为机械臂执行操作任务。当执行装置执行操作任务时，就要求步行机器人机体还应是执行装置刚性好、静态稳定的基础。要保证步行机器人机体静态稳定，则步行机器人应具有三条或三条以上的腿。从实现静态稳定步态的可能性出发，步行机器人必须有四条或四条以上的腿。静态稳定步态的稳定裕量随着腿数的增加而增加，不过当腿数增加到七条以上时，稳定裕量的变化反而趋于平坦。步行机器人采用液压驱动，每条腿上每个自由度由一个液压缸/马达驱动，这样每条腿上就有三套驱动系统，而腿的数目越多，驱动系统就越多，则整机的自重就会增大，相应地步行机的承载能力就会下降。为减少驱动系统的数量，增大步行机构的承载能力，因此，选用四足步行机器人作为研制对象。2.3 腿安装型式确定步行机器人腿模块在机体上的安装型式主要有两类：把腿安装在机体侧面的仿昆虫类（或仿爬行动物类，如海蟹等）；另一种是把腿安装在机体底部的仿哺乳动物类（如虎等）。研制的四足步行机器人腿机构不仅具有行走功能，而且还要求能够作为液压操作臂，完成操作作业，在结构上更容易实现仿爬行动物类腿机构，其布置型式优点就显现了出来。2.4 总体结构确定机器人的总体结构是由机体（躯体）、腿部件两部分组成。机体的作用是将多个腿部件和控制部件有机地连接在一起，并且承受一定的负载。腿部件的作用是支撑整个机体，并完成机器人步行运动。采用液压驱动的关节式腿机构，且各腿模块采用仿昆虫类方式进行布置，机器人整体机构模型，如图2 所示。图2 液压驱动四足步行机器人机构模型图3 机械结构参数设计3.1 腿节长度优化如图1 所示。L1、L2、L3单腿的髋关节腿节，大、小腿节长度，髋关节转角，大腿关节转角，小腿关节转角。四足步行机器人腿节较多（包括髋关节、大腿关节和小腿关节），使得步行机器人在运动时具有较好的灵活性。各腿节之间的长度关系对腿部的灵活性以及机器人的整体性能有较大影响，因此，如何在单腿总长一定的情况下实现各腿节长度的优化分配是非常重要的。3.1.1 各腿节长度对步行机器人运动速度的影响当腿机构运动到某一位置时，足端点C 的运动轨迹方程：（1）其中： （2） （3）由式（1）（3）得到： （4）yc即为足行程或腿跨距R。上式分别对Li （ i=1，2，3）求导可得： （5）由式（5）可见，步行机器人的腿跨距R 对杆长L1最敏感，进而对步行机器人的运动速度影响最大，因此，在单腿总长L 一定的情况下，希望L1 取值越大越好，此时在步行机器人步调（单位时间内腿摆动的次数）一定的情况下，速度越快。3.1.2 各腿节长度对步行机器人越障能力的影响H0图3 步行机器人越障示意图如图3 所示，步行机器人的最大越障高度为：H0=L2+L3-h （6）可见，在单腿总长L 一定的情况下，L2+L3 越大，则机器人越障高度越大，即越障能力越强，此时L1最小。3.1.3 腿节长度对步行机器人足端运动空间的影响对腿部三连杆机构足端的平面运动空间进行分析，如图4 所示。图4 四足步行机器人足端运动空间设髋关节连杆L1OiA 长度，大腿杆L2AB0长；小腿杆L3B0C0长；1，2大、小腿关节处的转角范围，如图4 所示。可得如下几何关系：S扇形B0C0D0=S扇形B1C1D1，S扇形B0D0G0=S扇形B1D1G1，S扇形B0C0E0=S扇形B1C1E1，S扇形B0G0F0=S扇形B1G1F1，如图4 所示，中阴影部分即为四足步行机器人腿机构足端在平面内的运动区域，该区域面积越大，则足端的可选立足点越多，即腿运动越灵活。令，则，代入上式，SE0E1F1F0= （7）令（8）=0 （9）求解可得：（10）即当时，足端工作空间面积最大。3.1.4 腿节比例对机器人运动灵活性的影响机体的灵活性评价指标可用文献6提出的灵活度概念作为评价指标。机体位姿可用#X，Y，Z， $6个参数表示，其分别为机体坐标系相对于地面坐标系XYZ 三轴直线位移和角位移。由于多链并联机构的限制，步行机器人在某一位姿时机体位姿参数单独变化，将各有一定的变化范围，设令灵活度式中：L 单腿的长度。由于，且一般情况（超出不计），所以FB 是一个%0，1 &之间的无量纲参数。灵活度是结构参数和所处位姿的函数，它反映了多足步行机的整体灵活性。综上所述，在对步行机器人运动速度、越障能力、运动空间以及腿部和机体灵活性进行分析后，并参照仿生机械蟹的比例，并考虑到舵机、连接铰链的安装，确定腿部各关节比例为：K1:K2:K3=0.15:0.425:0.425（12）单腿总长为L = 400mm， 各腿节长度为：L1 = 60mm，L2= 170mm，L3= 170mm3.2 机器人机体设计对四足步行机器人机体进行有效的优化设计，在保证机体刚度和强度的条件下使得机体质量最轻，对于提高步行机器人的载重能力以及运动效率具有重要意义。3.2.1 角度规划与机体结构之间的关系 角度即为腿部髋关节的摆动角度。一方面，如果 过小，则会影响步行机器人的行走步长（指在一个完整腿循环中机体移动的水平距离），从而影响步行机器人的行走速度；另一方面，如果摆动角度 过大，有可能在摆动过程中前后两腿发生干涉。为了不发生干涉，则需要将机体加长，如果加上所承载重物以及液压油源的振动，极有可能会激发机构的某种模态，产生共振，进而影响机构的稳定性。为了使机体能够承受一定的负载且不发生变形及稳定性等原因需要进一步将机体的厚度增大，而此时又进一步的增大了机体的重量即支撑腿的负载，则又需增大液压缸/马达的输出力矩，进一步增大了整个结构的尺寸，与结构设计的紧凑性相矛盾，可见， 角度大小对机体的结构设计具有重要影响。3.2.2 步行机构稳定性与机体结构之间的关系机体设计的合理与否对步行机器人整体运动稳定性有着重要影响，当机体长宽比例设计不合理时，重心发生偏移，会导致机体发生倾翻现象。根据经验值，初步确定机体长宽比例为：0.75。移动机器人包括轮式（如4 轮式、2 轮式、全方向式、履带式）、足式（如6 足、4 足、2 足）、混合式（轮子和足）、特殊式（如吸附式、轨道式、蛇式）等类型。其中轮式移动机器人由于自重轻、承载能力强、运动控制相对简单、移动灵活、速度快等优点，广泛应用于工业、医疗、反恐防暴、家庭服务以及空间探测等领域。轮式机器人要求其移动机构能够灵活运动，以适应环境要求。全方位移动机器人在平面上能作任意方向移动， 运动灵活。常见的全方位轮有Mecanum 轮、Swedish 轮以及由其他普通车轮的组合。该机器人的底盘由2 组驱动轮和4 个随动轮组成，如图2 所示，机器人本体通过6 块安装板和底盘联结。每组驱动轮固联，2 个伺服电机分别实现直线驱动和转向功能。随动轮为万向偏心轮（见图4），当矿井发生爆炸和坍塌、地震灾害降临、房屋倒塌时，救援人员往往无法及时深入到废墟内对受困人员进行搜索和施救。考古挖掘工作中也经常出现因洞穴狭小，工作人员对其中的情况一无所知，因此不敢贸然进入。针对这些情况设计一种能完成多种复杂地形的探测、能够代替工作人员执行搜救任务的新型机器人，在灾难救援中将起着越来越重要的作用。把机器人技术引入到这些领域是一个新的挑战。机器人能通过狭小的空间，在复杂的地形中可运动自如，传送数据准确，控制方便，综合这些方面的考虑，是研究此类机器人的首要方向。! 探索机器人的结构设计为进行探索工作，探索机器人必须具有在废墟下的狭小缝隙内前进、后退、转弯和越障运动的能力，它属于移动机器人。移动机器人有轮式、履带式和足式等结构方式，其中轮式机器人对路面平整度要求较高，不适合在废墟上运动；足式机器人越障能力较强，但机械结构和控制系统都很复杂；履带式机器人在废墟上有一定的越障能力，但现有履带式机器人体积大，不适宜在狭小空间内运动。采用毛毛虫形爬行机器人具有稳定性好、横截面小、柔性大等特点，更适合在废墟的缝隙间穿行。本文设计的探索机器人由头部、身部和转弯部#部分构成，总体结构如图*。为便于前进和后退，头尾采用相同结构。中间身体由多个可自由拆装的独立单元连接而成。转弯处采用柔性结构能完成任意角度的转弯动作。其结构设计包括头部结构设计、身部单元结构设计、转弯部设计和连接部设计。*0 * 头部结构设计头部位于机器人的最前端，摄像头和照明灯必须安装在头部。由于毛毛虫形机器人不具备手爪，头部须具有清理通道的功能。因此，头部前端设计成可张合的分瓣式头锥，摄像头和照明灯安装在头锥内。闭合的头锥（见图%）便于穿越狭小空间，还可保护摄像头；头锥张开时可扩张通道、增大摄像头视野，同时还起聚光的作用；头锥张合动作还可以用于抓放物体，相当于动物的嘴巴。头锥的张合由曲柄摇杆机构、滑块机构来完成（见图#）。当电机转动! 角时，电机带动摇杆转动，连杆推动滑块移动，从而使头锥张开（虚线为完成动作时的运动轨迹）。电机反转! 角，则头锥完成闭合动作。%& 身部单元结构设计身部单元结构主要是完成机器人的移动，身部有一个控制单元和若干个运送单元，每个身体单元均有自己的能源和驱动器，在程序控制下，各单元间通过协调动作完成前进、后退。机器人采用四面履带爬行运动方式。机器人体积狭小需要采用一个电机完成四面履带的运动。经过分析采用了蜗轮蜗杆传动（见图），由电机带动蜗杆转动，蜗杆带动个蜗轮运动，蜗轮带动齿轮运动，从而把一个转动力传到个方向转动，带动履带运动。& ( 转弯部结构设计转弯部分体现探索机器人的灵活性，是连接头部与身部、身部与身部的关节。主要完成上下左右个方向个自由度的转弯动作，采用了类似柔性结构，当转弯时遇到较大的阻力时，柔性结构可以起缓解作用，同时也起了保护电机作用。控制由个电机带动，电机的旋转带动弹簧上的绳索再带动弹簧完成伸缩运动从而实现个方向的转弯。根弹簧中的两侧弹簧收缩量不同时，机器人作转弯运动；上下弹簧收缩量不同时，机器人作抬头或低头运动。%& 单元连接结构设计头部、身部和转弯部各单元间采用阴阳快插接头连接；各单元中电路电极、传输传感器信号和控制信号线采用公头、母头插座连接。该结构便于现场各单元的组合与拆装。! 探索机器人控制设计探索机器人的各个机构能完成相应的动作，主要动力来源是电机，对电机的种类进行分析后，决定身部采用直流减速电机，它是完成前进、后退的动力原件。头部和转弯部采用舵机，其体积小，输出转矩可以满足探索机器人的动力，完成头部开合控制、转弯控制。舵机是一种将电脉冲信号转换成角位移) 或线位移* 的机电元件。舵机有其独特的优点，归纳起来主要有：%）转角不受各种干扰因素的影响；）位移与输入脉宽信号相对应，转角误差不长期积累；(）可以用数字信号直接进行开环控制，整个结构简单、廉价；）控制性能好机器人的控制系统总体结构分(级，如图$所示：遥控器为第一级，主单片机为第二级，从单片机为第三级。遥控系统包括探索机器人控制界面和串行通信程序两部分，通过遥控器中单片机+,-./$串口利用无线通信模块将各种控制命令和数据发送给主单片机。主单片机012%3-通过!# 通信与从单片机012%3-协同工作。控制系统软件包括遥控器应用程序、主单片机应用程序和从单片机应用程序(部分。无线通信是遥控器与主单片机之间的桥梁。遥控器控制系统的软件设计包括：利用无线模块与主单片机的通信程序，液晶屏的显示程序。主单片机控制系统的主要功能是完成与从单片机!# 通信、控制传感器和直流电机。从单片机控制系统的软件实现舵机的转角控制。伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。工作原理1、伺服系统（servomechanism）是使物体的位置、方位、 伺服电机（图1）1状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。 无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。 2、交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。 3、伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。 交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上的区别：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。 发展历史自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会 交流伺服电机（图二）上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行，分别称为摪胧只瘮或抟旌鲜綌、撊只瘮的永磁交流伺服系统。 到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。 日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器，其中D系列适用于数控机床（最高转速为1000r/min，力矩为0.252.8N.m），R系列适用于机器人（最高转速为3000r/min，力矩为0.0160.16N.m）。之后又推出M、F、S、H、C、G 六个系列。20世纪90年代先后推出了新的D系列和R系列。由旧系列矩形波驱动、8051单片机控制改为正弦波驱动、80C、154CPU和门阵列芯片控制，力矩波动由24%降低到7%，并提高了可靠性。这样，只用了几年时间形成了八个系列（功率范围为0.056kW）较完整的体系，满足了工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等的不同需要。 以生产机床数控装置而著名的日本法那克（Fanuc）公司，在20世纪80年代中期也推出了S系列（13个规格）和L系列（5个规格）的永磁交流伺服电动机。L系列有较小的转动惯量和机械时间常数，适用于要求特别快速响应的位置伺服系统。 日本其他厂商，例如：三菱电动机（HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、HC-RFS和HC-UFS系列）、东芝精机（SM系列）、大隈铁工所(BL系列）、三洋电气（BL系列）、立石电机（S系列）等众多厂商也进入了永磁交流伺服系统的竞争行列。 德国力士乐公司（Rexroth）的Indramat分部的MAC系列交流伺服电动机共有7个机座号92个规格。 德国西门子（Siemens）公司的IFT5系列三相永磁交流伺服电动机分为标准型和短型两大类，共8个机座号98种规格。据称该系列交流伺服电动机与相同输出力矩的直流伺服电动机IHU系列相比，重量只有后者的1/2，配套的晶体管脉宽调制驱动器6SC61系列，最多的可供6个轴的电动机控制。 德国博世（BOSCH）公司生产铁氧体永磁的SD系列（17个规格）和稀土永磁的SE系列（8个规格）交流伺服电动机和Servodyn SM系列的驱动控制器。 美国著名的伺服装置生产公司Gettys曾一度作为Gould 电子公司一个分部（Motion Control Division），生产M600系列的交流伺服电动机和A600 系列的伺服驱动器。后合并到AEG，恢复了Gettys名称，推出A700全数字化的交流伺服系统。 美国A-B（ALLEN-BRADLEY）公司驱动分部生产1326型铁氧体永磁交流伺服电动机和1391型交流PWM伺服控制器。电动机包括3个机座号共30个规格。 I.D.（Industrial Drives）是美国著名的科尔摩根（Kollmorgen）的工业驱动分部，曾生产BR-210、BR-310、BR-510 三个系列共41个规格的无刷伺服电动机和BDS3型伺服驱动器。自1989年起推出了全新系列设计的掺鹣盗袛（Goldline）永磁交流伺服电动机，包括B（小惯量）、M（中惯量）和EB（防爆型）三大类，有10、20、40、60、80五种机座号，每大类有42个规格，全部采用钕铁硼永磁材料，力矩范围为0.84111.2N.m，功率范围为0.5415.7kW。配套的驱动器有BDS4（模拟型）、BDS5（数字型、含位置控制）和Smart Drive（数字型）三个系列，最大连续电流55A。Goldline系列代表了当代永磁交流伺服技术最新水平。 爱尔兰的Inland原为Kollmorgen在国外的一个分部，现合并到AEG，以生产直流伺服电动机、直流力矩电动机和伺服放大器而闻名。生产BHT1100、2200、3300三种机座号共17种规格的SmCo永磁交流伺服电动机和八种控制器。 法国Alsthom集团在巴黎的Parvex工厂生产LC系列（长型）和GC系列（短型）交流伺服电动机共14个规格，并生产AXODYN系列驱动器。 原苏联为数控机床和机器人伺服控制开发了两个系列的交流伺服电动机。其中By系列采用铁氧体永磁，有两个机座号，每个机座号有3种铁心长度，各有两种绕组数据，共12个规格，连续力矩范围为735N.m。2By系列采用稀土永磁，6个机座号17个规格，力矩范围为0.1170N.m，配套的是3型控制器。 近年日本松下公司推出的全数字型MINAS系列交流伺服系统，其中永磁交流伺服电动机有MSMA系列小惯量型，功率从0.035kW，共18种规格；中惯量型有MDMA、MGMA、MFMA三个系列，功率从0.754.5kW，共23种规格,MHMA系列大惯量电动机的功率范围从0.55kW，有7种规格。 韩国三星公司近年开发的全数字永磁交流伺服电动机及驱动系统，其中FAGA交流伺服电动机系列有CSM、CSMG、CSMZ、CSMD、CSMF、CSMS、CSMH、CSMN、CSMX多种型号，功率从15W5kW。 现在常采用（Powerrate）这一综合指标作为伺服电动机的品质因数，衡量对比各种交直流伺服电动机和步进电动机的动态响应性能。功率变化率表示电动机连续（额定）力矩和转子转动惯量之比。 按功率变化率进行计算分析可知，永磁交流伺服电动机技术指标以美国I.D 的Goldline系列为最佳，德国Siemens的IFT5系列次之。 选型比较功能及作用比较交流伺服电动机 交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。 交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。 交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。 永磁交流伺服电动机 20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。 永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有： 无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。 定子绕组散热比较方便。 惯量小，易于提高系统的快速性。 适应于高速大力矩工作状态。 同功率下有较小的体积和重量。 伺服电动机与单相异步电动机比较 交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点： 1、起动转矩大 由于转子电阻大，与普通异步电动机的转矩特性曲线相比，有明显的区别。它可使临界转差率S01，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。 2、运行范围较广 3、无自转现象 正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（T1S1、T2S2曲线）以及合成转矩特性（TS曲线） 交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。当电源频率为50Hz，电压有36V、110V、220、380V；当电源频率为400Hz，电压有20V、26V、36V、115V等多种。 交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以只适用于0.5-100W的小功率控制系统。 性能比较伺服电机与步进电机的性能比较 步进电机作为一种开环控制的系统，和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。 一、控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为 1.8、0.9，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 、0.36。也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。如三洋公司（SANYO DENKI）生产的二相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、0.036，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以三洋全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2000线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360/8000=0.045。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=0.0027466，是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。 二、低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。 三、矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 四、过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以三洋交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的二到三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 五、运行性能不同 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 六、速度响应性能不同 步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以山洋400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。 选型计算一、转速和编码器分辨率的确认。 二、电机轴上负载力矩的折算和加减速力矩的计算。 三、计算负载惯量，惯量的匹配，安川伺服电机为例，部分产品惯量匹配可达50倍，但实际越小越好，这样对精度和响应速度好。 四、再生电阻的计算和选择，对于伺服，一般2kw以上，要外配置。 五、电缆选择，编码器电缆双绞屏蔽的，对于安川伺服等日系产品绝对值编码器是6芯，增量式是4芯。 制动方式用户往往对电磁制动，再生制动，动态制动的作用混淆，选择了错误的配件。 动态制动器由动态制动电阻组成，在故障、急停、电源断电时通过能耗制动缩短伺服电机的机械
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