第2章 机器人技术介绍(电源、电机、驱动、传感器等)

1、 机器人技术介绍机器人技术介绍( (电源、电机、驱动、传感器等电源、电机、驱动、传感器等) )2022年3月7日智能与控制工程研究所21. 机械平台 硬件基础 一个机器人包括两个主要部分：机器人的身体和某种形式的人工智能（artificial intelligence，AI）系统。很多不同的身体部分都可以叫做机器人。关节手臂被用于焊接和上漆；起重机和传送带系统在工厂中运送零件；巨型机器人机器搬运矿井深处的泥土。一般说来，机器人最有趣的一个方面是它们的行为，这需要一种形式的智能。机器人最简单的行为是移动。典型 地，轮子被作为让机器人从一点移动到下一点的基本机械装置。还需要某种力（如电力）让轮子在

2、命令时转动。 2022年3月7日智能与控制工程研究所32. 电动机 很多种电动机向机器人提供能源，让它们用不同的编程动作搬运材料、零件、工具或专用设备。电动机的效率等级表明多少消耗的电量转化成机械能。让我们看看现代机器人技术中目前被使用的一些机械设备。 直流电机： 永久磁铁，直流（Permanent-magnet，direct-current，PMDC）电机只需要两根导线，使用固定磁铁、电磁铁（定子和转子）和开关。这些组成一个换向器来通过旋转的磁场产生运动。 交流电机： 交流电机在输入导线循环能源，连续地运动磁场。直流电机和交流电机在收到一个信号时会全速运转。 2022年3月7日智能与控制工程

3、研究所4步进电机： 步进电机就像没有电刷的直流或交流电机。它通过按顺序（步进地）向电动机中不同的磁铁提供能源使其运转。步进电机设计的目的是更好的控制。伺服电动机： 伺服电动机是闭合线圈设备。在收到信号时，它可以自我调整直到与该信号匹配。伺服电动机用于无线电控制的飞机和汽车。它是有传动装置和反馈控制系统的简单的直流电动机。 2022年3月7日53.驱动机制 齿轮和链条： 齿轮和链条是机械平台，它提供了一种向另一个地方传送转动动作的强大而精确的途径（可能在传送的时候改变了动作）。两个齿轮之间速度的改变取决于每个齿轮上齿的数目。当加电的齿轮旋转一周时，它根据齿轮上的齿数来拉动链条。 滑轮和皮带： 滑

4、轮和皮带是机器人所使用的两种另外的机械平台，工作的方式与齿轮和链条一样。滑轮是轮缘有凹槽的轮子，皮带是可以放进这个凹槽的橡皮圈。 变速箱： 变速箱运转的原理与齿轮和链条一样，不过没有链条。变速箱需要更精密的公差配合，因为不是使用一条又大又松的链条来传送力量，也不用调整错位，齿轮之间直接和对方啮合。变速箱的示例可以在汽车的传动装置、落地大座钟的定时机制和打印机的送纸装置中找到。 2022年3月7日64.电源 电源一般通过两种电池提供。一次电池使用过一次就被丢弃；二次电池以一种（通常是）可逆的化学反应工作，可以多次充电。一次电池有较高的容量和较低的自放电率。二次（可充电）电池比一次电池电量小，但可

5、以重复充电，按化学反应和环境的不同可以多达一千次。一般可充电电池 第一次使用可以为电器或机器人提供 4 小时连续工作的能源。 理论上机器人可以使用几百种不同类型和形式的电池。电池按化学反应和规格分类，按电压和电量分级。电池的电压由电池的化学反应决定，容量由化学反应和规格两者共同决定。 机器人平台靠两组独立的电池运行，它们共享一根地线。这样，电动机可以用一组电池，而电子设备可以用另一组电池。电子设备和电动机还可以在不同的电压下工作。 2022年3月7日7电子控制 机器人中有两个主要的硬件平台。非调节电压、电力和反电动势峰的机械平台以及干净电源和 5 伏信号的电子平台。这两个平台需要顺序桥接，目的

6、是让数字逻辑控制机械系统。经典的组件是桥式继电器。一个控制信号在继电器的线圈产生磁场，物理地闭合开关。例如 MOSFET，它是高效率的硅开关，有很多种规格，象晶体管一样可以作为固态继电器控制机械系统。 另一方面，更大的机器人可能需要 PMDC 电动机，这样 MOSFET 的“接通”电阻 Rd（on）会导致芯片热量的极大散发，从而显著地降低芯片的发热温度。MOSFET 中结点的温度、MOSFET 封装和散热片的传导系数是 PMDC 电动机的其它重要的特征。 晶体管广义地分为两种：双极结晶体管（bipolar junction transistors，BJT）和场效应晶体管（field-effec

7、t transistors，FET）。在 BJT 器件中，基极小的电流调节发射极和接收极之间大得多的电流。在 FET 器件中，栅极电场的存在会调节源极和漏极之间的电流 2022年3月7日85.传感器 机器人根据瞬间测量作出反应，这需要不同种类的传感器。 多数系统中对时间的感知是通过电路和编程中内建的。要想在实际中让这个具有生产性，机器人必须有感知硬件和软件，还要能快速地更新。不管传感器硬件或软件如何，感知和传感器可以被当作与外部事件交互（换句话说就是外部世界）。传感器测量世界的某个属性。变换器（transducer）一词经常与传感器一词交替使用。交换器是传感器的机制或元素，它将测量到的能源转换

8、成另一种形式的能源。传感器接收能源并传送一个信号到显示器或计算机。传感器使用变换器将输入的信号（声音、光线、压力、温度等）改变成机器人可以使用的模拟或数字形式。 2022年3月7日9逻辑传感器： 传感器的一个强大的抽象是逻辑传感器，它是提供一个对象的传感单元或模块。它包括物理传感器的信号处理和提取感知所需的软件处理。本体感受传感器： 本体感受是航位推测法，机器人可以测量来自本身的信号。 接近传感器： 接近传感器测量环境中传感器和对象之间相对的距离。 红外线（IR）传感器： 另一种活动的接近传感器是红外线传感器。它发出接近红外线的能量并测量有没有相当多的红外线返回。 碰撞和触角传感器： 另一类常

9、见的机器人感知是触觉的，或基于触摸的，用碰撞和触角来完成。触角和触须由牢固的电线构成。碰撞传感器通常是机器人上一个突出的环，包括两层。 2022年3月7日10微控制器系统 微控制器（Microcontrollers，MCU）是机器人内部使用的智能电子设备。它提供的功能类似于个人电脑内部的微处理器（中央处理单元或 CPU）所执行的功能。MCU 速度较慢，使用的内存比 CPU 少，设计目的是现实世界的控制问题。CPU 和 MCU 之间的一个主要区别是运行所需的外部组件的数目。MCU 经常可以不需要外部部件就能运行，一般只需要一个外部晶体或振荡器。2022年3月7日11微控制器有四个基本方面：速度、

10、容量、存储器和其它。速度以时钟周期指定，通常以每秒百万个周期（兆赫兹（Megahertz，MHz）计量。周期的使用根据不同的MCU 而不同，这影响到处理器的可用速度。容量指定 MCU 可以一步处理的信息的字节数 它自然的信息簇。MCU 有 4 位、8 位、16 位和 32 位的，8 位的 MCU 是最常见的容量。MCU 在大多数 ROM 中的计数单位是千字节（KB），在 RAM 中是字节。很多 MCU 使用 Harvard 体系，程序保存在内存的一段中（通常是内部的或外部的SRAM）。然后这就能够让处理器更有效地访问独立的内存。 微控制器的第四个方面就作为“其它”来讲了，它包括诸如专用的输入设备的特性，该设备经常（但不总是）有一个小的 LED 或 LCD 显示作为输出。微控制器还从设备获取输入并通过向设备中不同组件发送信号对其控制。程序计数器也通过微控制器掌握要执行哪