机器人伺服控制系统及应用技术第2章 机器人本体

机器人伺服控制第二章机器人本体机器人本体属于设备集成的范畴机器人是典型的机电一体化产品，从控制的角度来看，机器人系统由执行机构、驱动装置、感知系统和控制系统组成执行机构是机体结构和机械传动系统，也是机器人的支承基础和执行机构驱动装置负责驱动执行机构，将控制系统下达的命令转换成执行机构需要的信号感知系统完成信号的输入与反馈，包括内部传感系统和外部传感系统控制系统实现任务及信息的处理，输出控制命令信号第二章机器人本体第二章机器人本体第二章机器人本体第二章机器人本体主要内容contents2.1机器人的执行机构2.2机器人的硬件2.3机器人的电源系统第二章机器人本体2.1机器人的执行机构机器人本体拟人化考虑，将本体部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（移动机器人）机器人机构：传动部件和机械构件仿照生物形态分为臂、腕、手、足、翅膀、鳍、躯干等臂、腕、手：用于操作环境中的对象足、翅膀、鳍：使机器人移动躯干：连接各个器官的基础结构，同时参与操作和移动等运动功能2.1机器人的执行机构机器人本体日本安川机器人挥刀削豌豆2.1机器人的执行机构臂、腕、和手臂：杆件及关节组成，机器人的主要执行部件支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动包括臂杆以及与其伸缩、屈伸或自转等运动有关的构件，如传动机构、驱动装置、导向定位装置、支撑联接和位置检测元件等此外，还有与腕部或手臂的运动和联接支撑等有关的构件、配管配线等2.1机器人的执行机构臂、腕、和手腕部结构：联接手臂和手部的结构部件确定手部的作业方向具有独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态。确定手部作业方向，需三个自由度，三个回转方向：单一的翻转功能：手腕的关节轴线与手臂的纵轴线共线，常回转角度不受结构限制，可以回转360°以上。该运动用翻转关节（R关节）实现单一的俯仰功能：手腕关节轴线与手臂及手的轴线相互垂直，转角度受结构限制，通常小于360°。该运动用折曲关节（B关节）实现单一的偏转功能：手腕关节轴线与手臂及手的轴线在另一个方向上相互垂直；转角度受结构限制，通常小于360°。该运动用折曲关节（B关节）实现2.1机器人的执行机构臂、腕、和手腕部结构：联接手臂和手部的结构部件腕部结构的设计要满足传动灵活、结构紧凑轻巧、避免干涉机器人多数将腕部结构的驱动部分安排在小臂上首先设法使几个电动机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上去，运动传入腕部后再分别实现各个动作腕部坐标系手腕的臂转手腕的腕摆手腕的回转2.1机器人的执行机构臂、腕、和手手部结构：独立部件直接关系着夹持工件时的定位精度、夹持力的大小等功能和形态上看，可分为工业机器人的手部和仿人机器人的手部常用的手部按其握持原理可以分为夹持类和吸附类两大类吸附类夹钳式（１）柔性手（２）多指灵活手工业机器人的手部2.1机器人的执行机构移动机构（下肢）机器人可分成固定式和行走式两种。一般工业机器人为固定式的。随着社会的发展，具有智能的可移动机器人、能够自行的柔性机器人是今后机器人的发展方向之一移动机构行走机器人的重要执行部件驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成一方面支承机器人的机身、臂部和手部，另一方面还根据工作任务的要求，带动机器人实现在更广阔的空间内运动2.1机器人的执行机构移动机构（下肢）行走机器人的行走机构主要有：车轮式行走机构履带式行走机构足式行走机构2.1机器人的执行机构车轮式行走机构车轮的形式充气球轮半球形轮传统车轮无缘轮(用于沙丘地形)（用于火星表面移动）（用于平坦的坚硬路面）(用来爬越阶梯及水田中)2.1机器人的执行机构插秧机器人Marshod火星漫游车智能轮式机器人垃圾桶车轮式行走机构2.1机器人的执行机构车轮的配置和转向机构两后轮独立驱动前轮驱动和转向后轮差动前轮转向后轮分散驱动四轮同步转向机构3轮车轮的配置4轮车轮的配置车轮式行走机构2.1机器人的执行机构越障轮式机构车轮式行走机构2.1机器人的执行机构车轮式行走机构越障轮式机构2.1机器人的执行机构履带式行走机构履带式行走机构轮式行走机构的拓展，履带本身起着给车轮连续铺路的作用履带机器人常规结构2.1机器人的执行机构履带式行走机构履带式行走机构形状可变履带行走机构2.1机器人的执行机构履带式行走机构履带式行走机构位置可变履带行走机构2.1机器人的执行机构足式行走机构

单足跳跃机器人双足机器人三足机器人四足机器人六足机器人2.1机器人的执行机构足式行走机构

正向对称分布前后向对称分布足的主平面的安排2.1机器人的执行机构足式行走机构足的几何构型哺乳动物形爬行动物昆虫形2.1机器人的执行机构足式行走机构

足的相对方位内侧相对弯曲外侧相对弯曲同侧弯曲2.1机器人的执行机构移动机构（下肢）行走机器人的行走机构除了车轮式行走机构、履带式行走机构和足式行走机构之外，还有步进式行走机构、蠕动式行走机构、混合式行走机构和蛇行式行走机构等，以适合于各种特别的场合2.1机器人的执行机构移动机构（下肢）2.1机器人的执行机构躯干-机身直接联接、支承和传动手臂及行走机构的部件由臂部运动(升降、平移、回转和俯仰)机构及有关的导向装置、支撑件等组成由于机器人的运动型式、使用条件、负载能力各不相同，所采用的驱动装置、传动机构、导向装置也不同，致使机身结构有很大差异常用的机身结构：升降回转型机身结构俯仰型机身结构直移型机身结构类人机器人机身结构2.1机器人的执行机构躯干-机身一般情况下，实现臂部的升降、回转或或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上臂部的运动愈多，机身的结构和受力愈复杂。机身既可以是固定式的，也可以是行走式的，即在它的下部装有能行走的机构，可沿地面或架空轨道运行2.1机器人的执行机构关节-传动机构用来连接驱动部分与执行部分，将驱动部分的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需的运动形式、运动及动力参数。如把旋转运动变换为直线运动；高转速变为低转速；小转矩变为大转矩。常用的传动部件有齿轮、齿条、滚珠丝杠、连杆、链、涡轮、同步带和谐波齿轮等2.1机器人的执行机构关节-传动机构齿轮传动齿轮传动装置是由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构。不但可以传递运动角位移和角速度，还可以传递力和力矩优点基于杠杆原理可以获得大的变速比和大的力矩比缺点齿轮的引入会增加系统的等效转动惯量，从而使驱动电机的响应时间变长齿轮间隙误差累积会导致机器人手臂定位误差增加2.1机器人的执行机构关节-传动机构带传动同步皮带上有许多型齿，和同样具有型齿的同步皮带轮齿相啮合工作时，相当于柔软齿轮优点柔性好、传动平稳比齿轮链价格低得多，加工也容易得多同步皮带还被用于输入轴和输出轴方向不一致的情况。这时，只要同步皮带足够长，使皮带的扭角误差不太大，同步皮带仍能够正常工作，因而降低了对加工和安装精度的要求2.1机器人的执行机构关节-传动机构带传动缺点传动力矩没齿轮链大适用如果输出轴的位置采用码盘测量，输入传动的同步皮带可以放在伺服环外面，对系统的定位精度和重复性不会有影响，重复精度可以达到1微米以内2.1机器人的执行机构关节-传动机构谐波齿轮传动由刚性齿轮、谐波发生器和柔性齿轮三个主要零件组成刚性齿轮固定安装，柔性齿轮沿刚性齿轮的内齿转动。柔性齿轮比刚性齿轮少两个齿，所以柔性齿轮沿刚性齿轮每转一圈就反方向转过两个齿的相应转角2.1机器人的执行机构关节-传动机构谐波齿轮传动谐波发生器具有椭圆形轮廓，装在谐波发生器上的滚珠用于支承柔性齿轮，谐波发生器驱动柔性齿轮旋转并使之发生塑性变形转动时，柔性齿轮的椭圆形端部只有少数齿与刚性齿轮啮合，只有这样，柔性齿轮才能相对于刚性齿轮自由地转过一定的角度2.1机器人的执行机构关节-传动机构连杆传动利用连杆机构传动动力的机械传动方式，在所有的传动方式中连杆传动功能最多，可以将旋转运动转化为直线运动，往返运动，指定轨迹运动，甚至还可以指定经过轨迹上某点时的速度2.1机器人的执行机构关节-传动机构链传动由两个具有特殊齿形的链轮和一条挠性的闭合链条所组成，依靠链和链轮轮齿的啮合而传动特点是可以在传动大扭矩避免打滑，但传递大于额定扭矩时，如果链条卡住可能损坏电机链传动主要用于传动速比准确或者两轴相距较远的场合2.1机器人的执行机构关节-传动机构齿轮齿条装置（旋转平移）拖板是由导杆或导轨支撑的。通常，齿条是固定不动的；当齿轮转动时，带动齿轮轴连同拖板沿齿条方向作直线运动。这样，齿轮的旋转运动就转换成为拖板的直线运动该装置的回差较大2.1机器人的执行机构关节-传动机构丝杠传动（旋转平移）普通丝杠传动由一个旋转的精密丝杠驱动一个螺母沿丝杠轴向移动滑动摩擦力大、低速时易产生爬行现象、且回差大通过在丝杠螺母的螺旋槽里放置了许多滚珠，演变成滚珠丝杠。滚动摩擦小、运动平稳、双螺母预紧去回差2.1机器人的执行机构机器人机械构造除了每个关节构成和传动装置外，还有一些特殊的机械部件完成相应的功能，如联轴器、制动器、离合器、减速器等联轴器用来连接不同机构中两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械部件许多机械臂需要在各关节处安装制动器，其作用是：在机器人停止工作时，保持机械臂的位置不变减速器是一种由封闭在刚性壳体内的齿轮传动、蜗杆传动或齿轮-蜗杆传动所组成的独立部件，常用在工作机和动力机之间作为减速的传动装置离合器是一种在机器运转过程中，可使两轴随时接合或分离的装置，主要是用来操纵机器人传动系统的断续，以便进行变速和换向2.2机器人的硬件感知系统：设备上或周围的传感器，可以感知周围环境并向设备提供有用的反馈，相当于人的“五官”控制系统：根据设备当前的情况处理传感器输入，并按照情况指示系统执行相应动作的系统，相当于人的“大脑”驱动控制机构，可以通过控制器的控制信号来控制使其驱动机械机构执行相应的动作行为，相当于人的“四肢”各种感知系统CPU（操作系统、算法、数据处理、运行控制）驱动控制执行机构2.2.1感知系统传感器是一个控制系统的“电五官”，它感测到外界的信息，然后反馈给系统的处理器即“电脑”进行加工处理2.2.1感知系统2.2.1感知系统机器人的传感器，广义上可分为内部传感器和外部传感器两类内部传感器速度、角速度传感器加速度传感器位置、角度传感器力/力矩传感器其他光电开关霍尔传感器电位计光电码盘磁栅传感器旋转变压器加速度计其他增量编码器脉冲发电机测速发电机角加速度计其他弹性梁应变片其他姿态传感器惯性传感器其他限位开关2.2.1感知系统外部传感器用于感知外部环境信息，如环境的温度、湿度、物体的颜色和纹理、与机器人的距离等，机器人---环境发生交互作用使机器人对环境有自校正和自适应能力外部传感器视觉传感器触觉传感器听觉传感器嗅觉传感器其它接近与距离觉传感器2.2.2控制系统机器人的神经中枢，机器人的“大脑”“大脑”是机器人区别于简单的自动化机器的主要标志后者在重复指令下完成一系列重复操作。机器人大脑能够处理外界的环境参数如距离信号，然后根据编程或者接线的要求去决定合适的系列反应2.2.2控制系统以工业机器人为例工业机器人控制系统硬件组成2.2.2控制系统在机器人中最常见的大脑是一种或者多种处理器比如微处理器、微控制器、DSP、FPGA、SOC等和外接的相应外围电路构成微处理器微控制器DSPFPGASOC微处理器(MicroprocessorUnit，MPU)在同一电路板上包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，由嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路主板上构成一个通常所说的单板机系统微处理器的功能结构主要包括:运算器、控制器、寄存器三部分运算器的主要功能就是进行算术运算和逻辑运算控制器是整个微机系统的指挥中心，其主要作用是控制程序的执行。包括对指令进行译码、寄存，并按指令要求完成所规定的操作，即指令控制、时序控制和操作控制寄存器用来存放操作数、中间数据及结果数据2.2.2控制系统微处理器(MicroprocessorUnit，MPU)MPU目前主要有x86、PowerPC、Motorola68000、MIPS、ARM系列等和工业控制计算机相比优点：嵌入式微处理器组成系统体积小、重量轻、成本低、可靠性高缺点：在其同一电路板包括所有处理器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差2.2.2控制系统微控制器(MicrocontrollerUnit，MCU)又称单片机，将整个计算机系统集成到一块芯片中一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型应用，在芯片内部集成了ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能部件和外设最具代表性的有8051/8052、MCS-96/196、PIC、M16C（三菱）、XA（Philips）、AVR（Atmel）等系列和嵌入式微处理器相比，微控制器的单片化使应用系统的体积大大减小，从而使功耗和成本大幅度下降、可靠性提高微控制器是嵌入式系统应用的主流2.2.2控制系统DSP(DigitalSignaIProcessor，EDSP)一种独特的微处理器，有自己的完整指令系统，是以数字信号来处理大量信息的器件一个数字信号处理器在一块不大的芯片内包括有控制单元、运算单元、各种寄存器以及一定数量的存储单元等等，在其外围还可以连接若干存储器，并可以与一定数量的外

部设备互相通信，有软、硬件的全面功能，本身就是一个微型计算机DSP采用的是数据总线和地址总线分开，使程序和数据分别存储在两个分开的空间，允许取指令和执行指令完全重叠2.2.2控制系统运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序强大数据处理能力和高运行速度是其两大特色现场可编程门阵列（Field

Programmable

Gate

Array，FPGA）在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是专用集成电路（ASIC）中集成度最高的一种FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic

Cell

Array），内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable

Logic

Block）、输出输入模块IOB

（Input

Output

Block）和内部连线（Interconnect）三部分FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等2.2.2控制系统现场可编程门阵列（Field

Programmable

Gate

Array，FPGA）作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路，FPGA既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点，上至高性能CPU，下至简单的74电路，都可以用FPGA来实现2.2.2控制系统嵌入式片上系统(SystemOnChip，SOC)在一块硅片上实现一个更为复杂的系统，这就产生了SOC技术各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和其他许多嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL、VerIog等硬件语言描述，存储在器件库中用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品目前有Siemens的TriCore，Motorola的MCore，英国的ARM核及产品化C8051F（美国Cygnal公司）等2.2.2控制系统除某些无法集成的器件以外，整个系统大部分均可集成到一块或几块芯片中常用的控制系统结构单CPU结构、集中控制方式二级CPU结构、主从式控制方式多CPU结构、分布式控制方式开发机器人控制专用VLSI利用有并行处理能力的芯片式计算机（Transputer，DSP）构成并行处理网络2.2.2控制系统常用的控制系统结构单CPU结构、集中控制方式2.2.2控制系统常用的控制系统结构二级CPU结构、主从式控制方式2.2.2控制系统常用的控制系统结构多CPU结构、分布式控制方式2.2.2控制系统2.2.3驱动系统驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作输入的是电信号，输出的是线、角位移量机器人驱动器（robotactuator）用来使机器人发出动作的动力机构。机器人驱动器可将电能、液压能和气压能转化为机器人的动力2.2.3驱动系统机器人的驱动方式主要分为直接驱动和间接驱动两种无论何种方式，都是对机器人关节的驱动直接驱动方式：驱动器的输出轴和机器人手臂的关节轴直接相连直接驱动机器人也叫作DD机器人(Directdriverobot)，简称DDR直接驱动方式的驱动器和关节之间的机械系统较少，因而能够减少摩擦等非线性因素的影响，控制性能比较好间接驱动方式：驱动器经过减速器或钢丝绳、皮带、平行连杆等装置后与关节轴相连目前大部分机器人的关节是间接驱动间接驱动带来了机械传动中不可避免的误差，引起冲击振动，影响机器人系统的可靠性，并且增加关节重量和尺寸2.2.3驱动系统按利用的能源来分类，主要可分为电驱动装置、液压驱动装置和气压驱动装置2.2.3驱动系统电驱动装置机器人的能源是由电动机提供的，通过电动机的转动达到完成机器人如移动，抓取，搬运等一系列操作电动机的效率等级表明多少消耗的电量转化成机械能按原理和用途来分可分为步进电机、伺服电机和直接驱动电机57步进电机套装伺服电机套装直接驱动电机2.2.3驱动系统步进电机一种将电脉冲转化为角位移的执行机构当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，其旋转是以固定的角度一步一步运行的可通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的可通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度2.2.3驱动系统步进电机控制简单，开环控制控制方法给脉冲，对应一个步距改变频率，控制速度改变脉冲顺序，改变转动方向工作原理步进电机驱动结构图2.2.3驱动系统伺服电机：包括直流和交流伺服电机可控制速度，位置精度非常准确，可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，便宜主要特点：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2.2.3驱动系统直流伺服电机包括定子、转子铁芯、电动机转轴、伺服电动机绕组换向器、伺服电动机绕组、测速电动机绕组通过换向器将直流转换成电枢绕组中的交流，从而使电枢产生一个恒定方向的电磁转矩转矩与电流成比例无负载速度与电压基本成比例左手定则T=BILr换向器电刷2.2.3驱动系统直流伺服电机运转方式线性驱动脉宽调制（PulseWidthModulation，PWM）驱动控制方法：闭环控制电压控制：向电机施加与速度偏差成比例的电压电流控制：向电机供给与速度偏差成比例的电流优缺点优点：调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好（启动转矩大，启动电流小），运行平稳，转矩和转速容易控制缺点：换相器需经常维护，电刷极易磨损，必须经常更换，噪音比交流电机大2.2.3驱动系统交流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精度决定于编码器的精度（线数）包括交流同步伺服电动机和交流异步伺服电动机同步电机：定子是永磁体，所谓同步是指转子速度与定子磁场速度相同异步电机：转子和定子上都有绕组，所谓异步是指转子磁场和定子间存在速度差（不是角度差）2.2.3驱动系统交流伺服电机特点：无电刷和换向器，无产生火花的危险；比直流电机的驱动电路复杂、价格高同步电机的特点：体积小。用途：要求响应速度快的中等速度以下的工业机器人；机床领域异步电机的特点：转子惯量很小，响应速度很快。用途：中等功率以上的伺服系统2.2.3驱动系统交流伺服电机控制方法幅值控制：通过改变控制电压Uc的幅值来控制电动机的转速相位控制：通过改变控制电压Uc的相位，从而改变控制电流Ic与励磁电流If之间的相位角来控制电动机的转速幅相控制是指通过同时改变控制电压Uc的幅值及Ic与If之间的相位角来控制电动机的转速虽然幅相控制的机械特性和调节特性最差，但由于这种方法所采用的控制设备简单，不用移相装置，应用最为广泛2.2.3驱动系统直接驱动电机DD马达（直接驱动电机）是伺服技术发展的产物延续了伺服电机的特性，低速大扭矩、高精度定位、高响应速度、结构简单，减小机械损耗、低噪声、少维护不用连接减速机，直接与负载相连。省掉了减速机等机械结构，提高了系统的精度。同时消除了由于使用减速机而产生的效率损失，充份利用能源基于电磁铁原理的可变磁阻（VR）电机和基于永久磁铁的HB电机VR电机磁路具有非线性，控制性能比较差HB电机存在转速波动大的缺点2.2.3驱动系统液压驱动装置利用液体的抗挤压力来实现力的传递，由液压动力机构和反馈机构组成的闭环控制系统分为机械液压伺服系统和电气液压伺服系统两类2.2.3驱动系统液压驱动装置适用于生产线固定式大功率机器人优点具有比较大的扭矩和功率，功率/重量比大减小执行装置的体积、刚度高实现高速、高精度的位置控制、通过流量控制可以实现无级变速缺点稳定性较差、有因漏油而发生火灾的危险压油源和进油、回油管路等附属设备占空间较大2.2.3驱动系统气压驱动装置由气源、气动执行元件、气动控制阀和气动辅件组成。气源一般由压缩机提供气动执行元件把压缩气体的压力能转换为机械能，用来驱动工作部件气动控制阀用来调节气流方向、压力和流量，相应地分为方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀优点：结构简单，价格低，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。缺点：需要增设气压源，且与液压驱动装置相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不易控制2.2.3驱动系统驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件，以价格高低、技术水平为评价标准负荷为100kg以下的，可优先考虑电动驱动器只须点位控制且功率较小者，可采用气动驱动器负荷较大或机器人周围已有液压源的场合，可采用液压驱动器对于驱动器来说，最重要的是要求起动力矩大，调速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好的、与之配套的数字控制系统2.2.3驱动系统随着机器人技术的发展，出现了利用新工作原理制造的新型的驱动器，如磁致伸缩驱动器、压电驱动器、静电驱动器、形状记忆合金驱动器、超声波驱动器、人工肌肉、光驱动器等磁致伸缩驱动器：主要用于微小驱动场合压电驱动器：驱动亚微米级的精度静电驱动器：利用电荷间的吸力和排斥力互相作用顺序驱动电极而产生平移或旋转的运动形状记忆合金驱动器：已知的形状记忆合金有Au-Cd、In-Tl、Ni-Ti，Cu-Al-Ni、Cu-Zn-Al等几十种超声波驱动器：无铁芯和线圈，结构简单、体积小、重量轻、响应快、力矩大，不需配合减速装置就可低速运行，因此，很适合用于机器人、照相机和摄像机等驱动2.3机器人的电源系统机器人的能源子系统是为机器人上所有的控制子系统、驱动及执行子系统提供能源的部分小型机器人由于体积、尺寸、重量的限制，对其采用的电源有各种严格要求移动机器人通常不能采取线缆供电的方式（除一些管道机器人、水下机器人外），必须采用电池或内燃机供电；相对于汽车等应用，要求电池体积小、重量轻、能量密度大；并且要求在各种震动、冲击条件下接近或者达到汽车电池的安全性、可靠性2.3机器人的电源系统由于电池技术发展的限制，当前任何电池和电机系统都很难达到内燃机的能量密度及续航时间。因此对机器人系统的电源管理技术也提出了更高的要求通常，一台长宽高尺寸在0.5米左右、重30-50kg的移动机器人总功耗约为50-200W（用于室外复杂地形的机器人可达到200-400W），而200Wh（瓦特小时）的电池重量可达3-5kg。因此，在没有任何电源管理技术的情况下要维持机器人连续3-5小时运行，就需要600-1000Wh的电池，重达10-25kg在化学电池中，根据能否用充电方式恢复电池存储电能的特性，可以分为一次电池（也称原电池）和二次电池（又名蓄电池，俗称可充电电池，可以多次重复使用）两大类由于需要重复使用，机器人上通常采用二次电池干电池铅酸蓄电池镍镉、镍氢电池锂离子、锂聚合物电池电池二次电池一次电池2.3.1电池铅酸蓄电池最大的特点是价格较低，支持20C以上的大电流放电（即10Ah的电池可以达到10*20=200A的放电电流），对过充电的耐受强，技术成熟，可靠性相对较高，没有记忆效应，充放电控制容易寿命较低（充放电循环通常不超过500次），质量大，维护较困难组成：1、阳极板(过氧化铅.PbO2)--->活性物质2、阴极板(海绵状铅.Pb)--->活性物质3、电解液(稀硫酸)--->硫酸.H2SO4+水.H2O4、隔离板、电池外壳等附件2.3.1电池镍镉、镍氢电池最早应用于手机、笔记本电脑等设备的电池种类，具有良好的大电流放电特性、耐过充放电能力强、维护简单等优势最致命的缺点是，在充放电过程中如果处理不当，会出现严重的“记忆效应”，使得电池容量和使用寿命大大缩短镍氢电池是早期的镍镉电池的替代产品，不再使用有毒的镉，可以消除重金属元素对环境带来的污染问题。使用氧化镍作为阳极，以及吸收了氢的金属合金作为阴极，由于此合金可吸收高达本身体积100倍的氢，储存能力极强2.3.1电池锂离子、锂聚合物电池非常低的自放电率、低维护性和相对短的充电时间常见的锂离子电池主要是锂-亚硫酸氯电池聚合物锂离子电池所用的正负极材料工作原理和工作原理与液态锂离子是相同的。区别在于电解质的不同，锂离子电池使用的是液体电解质，而聚合物锂离子电池则以聚合物电解质来代替，该聚合物可以是“干态”的，也可以是“胶态”的，目前大部分采用聚合物胶体电解质2.3.1电池为了得到稳定的直流电压，必须采用稳压电路来实现稳压，常把稳压电源分成两类：线性稳压电源和开关稳压电源线性稳压电源输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；效率较低(现在经常看的LDO就是为了解决效率问题而出现的)；发热量大（尤其是大功率电源），间接地给系统增加热噪声“线性稳压电源”主要是针对开关电源来说的，指的是使用在其线性区域内运行的晶体管或FET来进行稳压的电源。从输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压2.3.2直流稳压电源线性稳压电源工作原理可变电阻RW跟负载电阻RL组成一个分压电路，输出电压为2.3.2直流稳压电源通过调节RW的大小，即可改变输出电压的大小。在这个式子里，如果只看可调电阻RW的值变化，Uo的输出并不是线性的，但如果把RW和RL一起看，则是线性的用一个三极管或者场效应管，来代替图中的可变阻器，并通过检测输出电压的大小，来控制这个“变阻器”阻值大小，使输出电压保持恒定，这样就实现了稳压的目的线性稳压电源由调整管、基准电压、采样电路、比较放大电路等几个基本部分组成。另外还可能包括一些例如保护电路，启动电路等部分取样电阻通过取样输出电压，并与参考电压比较，比较结果由误差放大电路放大后，控制调整管的导通程度，使输出电压保持稳定2.3.2直流稳压电源常见的线性电源主要是三端稳压器件，例如78xx/79xx系列三端稳压器件是最常用的线性降压型DC/DC转换器，目前也有大量先进的DC/DC转换器层出不穷，例如低压差线性稳压器LDO等,（例如，NationalSemiconductor的LM1085、LM1086、LM2940、LM2651、LM5020，MAXIAM的MAX1747等等）UiU0开关电源利用现代电力电子技术控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源2.3.2直流稳压电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成线性电源相比，通常具有允许较高的输入输出压差、效率高（满载效率通常可达到75%以上，甚至可达到95%-97%）、体积小等优势依靠开关晶体管不断导通和关断的原理工作的，因此也带来了电源品质通常不如线性电源、瞬态响应特性不如线性电源、有电磁辐射等缺点开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，已成熟和标准化，但AC/DC的模块化，因其自身特性使得在模块化进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题开关电源工作原理当开关闭合时，电源给负载供电，电感L以及电容C存储电能在开关接通后，电流增大得比较缓慢，电感L的自感使输出不能立刻达到电源电压值2.3.2直流稳压电源稍后，开关断开，电感L的自感作用保持电路中的电流不变，这电流流过负载，从地线返回，流到续流二极管D的正极，经过二极管D，返回电感L的左端，从而形成了一个回路。通过控制开关闭合跟断开的时间（即PWM），就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间，以保持输出电压不变，这就实现了稳压的目的电池充电装置电源部分：直流稳压电源和交流稳压电源充电器部分直流稳压电源输出电压为直流量，交流稳压电源输出为交流量，都是用交流供电2.3.3充电装置由于对电池充电需要的是直流电压，所以电源的输出电压应为直流，因此选用的电源为直流稳压电源。直流稳压电源一般分为整流、滤波、稳压三个电路部分组成整流--将交流电转换成脉动直流电滤波--将脉动直流电转换成平滑直流电稳压--稳定直流电压电池充电装置目前电池充电器多采用专用充电IC：外部电路简单，适合批量生产价格便宜有多种充电保护功能有些充电IC具备编程功能，适合多种电池的充电需要常规的电池充电分为预充电、快速充电、补充充电、涓流充电四个阶段原理进行的2.3.3充电装置初始化电池鉴定预处理阶段快速充电及停止2.4机器人组成实例分析仓储货物自动拣选机器人系统2.4机器人组成实例分析仓储货物自动拣选机器人系统2.4机器人组成实例分析仓储货物自动拣选机器人系统全向底盘运动仿真底盘结构2.4机器人组成实例分析仓储货物自动拣选机器人系统手臂升降机构手臂伸缩机构车身框架2.4机器人组成实例分析仓储货物自动拣选机器人系统相机安装臂2.4机器人组成实例分析仓储货物自动拣选机器人系统吸盘系统2.4机器人组成实例分析仓储货物自动拣选机器人系统接驳车2.4机器人组成实例分析仓储货物自动拣选机器人系统控制系统仓储管理系统机器人总控单元电源管理单元无线通讯单元定位导航单元真空吸附单元运动驱动器手臂升降电机底盘电机手腕旋转电机机械臂伸缩电机电压、电流位置、姿态吸头组合、距离驱动、反馈驱动、反馈驱动、反馈驱动、反馈运动控制单元运动控制里程货垛信息2.4机器人组成实例分析仓储货物自动拣选机器人系统控制系统2.4机器人组成实例分析亚马逊Kiva机器人AGV机器人基于地面的二维码进行定位外观上，Kiva机器人外壳的每一侧都有红外传感阵列，以及气动保险杠，用于检测和缓冲碰撞。外壳上还有充电接口和一系列状态指示灯三个独立的自由度：两个驱动轮，加上一个用于起重的旋转电机。起重电机转动时，两个驱动轮反方向旋转，结果是