移动机器人学 课件第三章 移动机器人硬件机构

华南理工大学自动化科学与工程学院《移动机器人学》

华南理工大学自动化科学与工程学院第三章

移动机器人硬件机构

3.移动机器人硬件机构移动机器人控制系统的整体架构主要可以分为机械硬件部分和算法软件部分。本章着重介绍移动机器人的硬件部分，主要包括驱动方式、传感器类型、电机类型以及激光雷达。移动机器人的驱动机构主要分为液压驱动、气压驱动和电驱动三种。传感器包括电动机转速传感器、测距传感器和视觉传感器三种。电机分为直流电机和交流电机两大类。直流电机包括电磁式、永磁式以及无刷电机。激光雷达根据不同的标准可以分为多种形式。履带式轮式四足式双足式移动机器人行驶机构3.移动机器人硬件机构不同行驶机构特点履带式：牵引力大、不易打滑，具有优越的越野性能。可以很好地适应复杂多变的野外环境，执行各种任务。它的转弯半径更小，更加灵活。轮式：移动速度快、结构简单、控制方便，特别适用于平坦路面和室内环境。然而，轮式移动机器人的地形适应性相对较差，遇到崎岖不平的地形或障碍物时容易受限，越障能力有限。足式：具有明显的非连续支撑特点，能够跨越崎岖复杂的地形，兼顾灵活性、越障、多地形自适应等特点因此具备在非结构化环境中的应用潜力。3.移动机器人硬件机构3.1驱动方式驱动部分是机器人系统的重要组成部分，机器人常用的驱动形式主要有液压驱动、气压驱动和电驱动三种基本类型。3.1.1液压驱动液压驱动技术的特点液压驱动是以高压油作为介质，具有体积小、功率质量比大、驱动平稳、系统固有效率高和快速性好的优点。液压驱动调速简单，能够实现无级调速。然而，由于高压系统存在漏油的风险，影响工作稳定性、定位精度并污染环境，因此需要良好的维护来保证系统的可靠性。3.1.1液压驱动液压驱动技术的工作原理液压驱动在机器人系统中的应用基于帕斯卡定律，即液体能够在密闭系统中等值传递压强。在机器人系统中，液压驱动装置通常由液压泵、液压缸、控制阀和管路等组成。液压泵加压后，将液体输送到液压缸，推动内部活塞运动，从而实现机器人动作的精准控制。3.1.1液压驱动液压驱动在机器人系统中的优势高功率密度：在较小体积内产生较大驱动力，适合重负载任务。缓冲性能好：有效减小冲击与振动，提升运动平稳性与精度。环境适应性强：可在高温、低温、潮湿等恶劣环境下稳定工作。3.1.1液压驱动液压驱动技术面临的挑战液体泄漏：可能导致环境污染和性能下降。温度敏感性：极端温度条件下可能影响系统稳定性。液压驱动技术未来发展方向为克服这些问题，研究者们正在开发新型密封材料和温控技术，以提高液压系统的可靠性和稳定性。同时，随着科技的进步，液压泵、液压缸和控制阀等部件不断优化升级，为机器人系统提供更高效的动力支持。此外，智能化和自适应控制技术的应用也使液压驱动机器人更好地适应复杂环境和任务需求。3.1.1液压驱动3.1.2气压驱动气压驱动技术概述气压驱动是所有驱动方式中最简单的一种，使用的压强通常在0.4∼0.6MPa，最高可达1MPa。虽然气压伺服实现高精度较为困难，但在满足精度要求的情况下，气压驱动是最小质量、最低成本的驱动方式。气压驱动技术的工作原理3.1.2气压驱动基于气体在密闭空间内传递压强和能量的特性，通过压缩气体在管道中的流动产生驱动力，驱动机器人执行相应动作。机器人系统中常包含气压缸，气体通过管道进入气压缸，推动活塞运动，进而实现机器人动作。通过精确调控气体的流量和压力，可以实现对机器人运动速度、力量和方向的精准控制。气压驱动在机器人系统中的优势响应速度快：在需要快速响应的场合，表现出色。结构简单、维护方便：降低了系统使用成本。安全性高：气体传播速度较快，一旦发生故障可以迅速切断气源，避免继续执行危险动作。3.1.2气压驱动气压驱动技术面临的挑战功率质量比小，装置体积大。精度较低，稳定性差：气体的可压缩性使得气压驱动的机器人在进行精确定位时存在困难。受环境因素影响：气体压力易受到温度等因素的影响，需要精确调控和补偿。3.1.2气压驱动气压驱动技术未来发展方向为了应对这些挑战，研究者正在致力于提升气压驱动系统的精度、稳定性，并开发更先进的气体控制技术。随着材料科学和制造工艺的进步，新型气动元件和密封材料不断涌现，气压驱动机器人在未来将展现更强的智能化、自主性和适应性，能够在更多复杂环境和任务中发挥重要作用。3.1.2气压驱动3.1.3电驱动电驱动技术概述电驱动是目前机器人中使用最广泛的一种驱动方式。通过调节电动机的电流、电压和频率等参数，可以实现对机器人运动速度、加速度和方向的精准调节。电驱动技术的工作原理电驱动的工作原理主要依赖于电动机的旋转运动。电动机通过电磁场相互作用，将电能转化为旋转的机械能。机器人系统中的电动机通常与传动机构（如减速器、联轴器等）连接，用以实现对机器人关节或执行器的精确控制。3.1.3电驱动气压驱动在机器人系统中的优势高响应速度与精度：电驱动可以实现高精度的控制，特别适用于需要快速响应和高精度任务的场景。结构紧凑、效率高：电驱动系统结构紧凑，效率高，能够提升机器人的整体性能。良好的兼容性与集成性：电驱动能够与各种传感器、控制器和执行器无缝集成，推动机器人系统的智能化与自动化。3.1.3电驱动电驱动技术面临的挑战散热问题：电动机在高速运转时会产生大量热量，必须有效散发以保证稳定性和寿命。电源稳定性要求高：电驱动系统对电源的稳定性要求较高，必须采取措施应对电压波动和电磁干扰。3.1.3电驱动电驱动技术未来发展方向为解决这些问题，研究者们正在开发新型散热技术、优化电源管理策略并提高系统的抗干扰能力。随着新材料、新工艺的应用，以及智能化算法和人工智能技术的引入，电驱动机器人将在速度、力量、精度等方面取得显著进步，具备更强的自主学习和决策能力。未来，电驱动机器人将更加智能化、自主化，与人类紧密合作，适应更复杂的工作环境和需求。3.1.3电驱动移动机器人传感器简介传感器的分类：简单值测量：如温度、电动机转速等。环境感知：获取环境信息或全局位置。传感器功能轴分类：本体感受的/外感受的。被动/主动。重要性：提取环境特征对机器人适应未预料的环境至关重要。3.2移动机器人传感器本体感受传感器与光学编码器本体感受传感器：测量内部值：电动机速度、关节角度、电池电压等。光学增量编码器：基本原理：光振子产生正弦波，转换成方波测量角速度与位置。分辨率：CPR（周期数），工业级高达10000CPR。优点：高分辨率、高精度，适应内部环境。3.2.1本体感受传感器与光学编码器本体感受传感器与光学编码器3.2.1本体感受传感器与光学编码器光学增量编码器电机角度传感器外感受传感器及超声测距外感受传感器：从环境中获取信息（如距离、亮度、声音等）。超声传感器：原理：声波飞行时间计算物体距离。特点：有效距离：12cm～5m。准确度：98%～99.1%，分辨率近2cm。局限性：锥形传播带来的孔径角限制（20°～40°）。3.2.2外感受传感器及超声传感器外感受传感器及超声测距3.2.2外感受传感器及超声传感器测距传感器亮度传感器视觉传感器的基本原理与功能主要功能：物体识别、定位、跟踪、场景理解。组成部分：光学成像系统：目标聚焦。图像传感器：光信号→电信号。图像处理单元：提取形状、颜色、位置等信息。性能提升：高分辨率、更快处理速度、环境适应性。AI和深度学习增强图像识别和目标检测。3.2.3视觉传感器简介视觉传感器3.2.3视觉传感器简介视觉传感器定义及工作原理:通过换向器和电刷使感应电动势变为直流电动势。利用电磁感应和电磁力驱动转子连续旋转。核心结构:包括定子、转子、换向器和电刷。优势:转速和转矩可调，适用于精密控制。结构简单，维护方便。运行稳定，噪声低。不足:电刷和换向器易磨损，产生电火花，限制了效率和寿命。改进:新材料和工艺提高了性能及应用领域。3.3.1直流式电动机直流电机结构组成:包括定子磁极（由铁心和励磁绕组构成）、转子、电刷、换向器等。励磁方式分类:串励直流电动机:转矩与电流平方成正比，起动转矩大，但空载转速高。并励直流电动机:转速变化小，适合恒功率调速。他励直流电动机:

转速变化率小，可通过削弱磁场提升速度。复励直流电动机:起动转矩高，适用于较大负载需求场合。换向器及电刷材料:采用高强度材料和金属石墨电刷，增强耐用性。3.3.2电磁式直流电动机结构特点:定子由永磁体（如钕铁硼）提供磁场，无需外部电力维持。工作原理:通过换向器改变电流方向，使动态电磁场与静态磁场相互作用，驱动转子旋转。优势:结构紧凑、效率高、运行可靠。噪声低、振动小，适合便携设备和精密场合。不足:磁场强度固定，灵活性受限。高温环境下可能退磁，影响性能和寿命。改进方向:新材料和智能化控制技术提高了性能和可靠性。3.3.3永磁式直流电动机永磁式直流电动机结构与工作原理:定子多极绕组与转子永磁体配合，通过电子换向器控制定子电流。采用位置传感器（如霍尔元件）实现电子换流，避免电刷和换向器的磨损。优势:高效率、高可靠性、低噪声。无电火花问题，适合长期运行。不足及挑战:控制系统复杂，制造成本较高。3.3.4无刷直流电动机无刷直流电动机

3.3.5交流异步电动机交流异步电动机激光雷达的构成与工作原理:组成：激光发射器、光学接收器、GPS、IMU。工作原理：激光脉冲发射并反射→测量传播时间，计算距离。结合高度、扫描角度和位置数据，生成三维点云图。激光雷达的优缺点优点：分辨率高：可精确识别角度、距离和速度差异。隐蔽性强：抗干扰能力出色，方向性好。体积小、重量轻：便于部署和维护。缺点：天气敏感：雨雾等恶劣条件下性能衰减。目标搜索范围有限：波束窄，截获效率低。3.4激光雷达2D激光雷达移动机器人任务:激光雷达建图自动规划导航轨迹跟踪控制硬件系统结构底盘：差分轮式机器人，运动稳定灵活传感器：激光雷达、IMU主控：工控机人机交互：扩展接口和拓展设备支持3.5.1硬件平台设计与选型示例硬件结构框图机器人底盘：机械结构：椭圆柱体，三层设计（驱动层、感知层、承重层）驱动方式：2个驱动轮+2个万向轮动力系统：RoboMaster3508直流无刷电机主控工控机：型号：研凌工控主机（i5-7200U，16GB内存，256GBSSD）功能：感知处理、决策控制，支持多串口通信底层控制板：型号：RoboMaster开发板B型功能：电机PID控制与串口通信3.5.2关键硬件模块选型机器人底盘结构图主控工控机底层控制板激光雷达