机器人技术概论机器人技术概论Introduction to Robotic Technology01 机器人的动力源02 机器人的动力系统03 机器人的电动力系统04 机器人的供电方式05 机器人与电池06 机器人动力系统的功率放大器第三章第三章 机器人的动力与驱动机器人的动力与驱动(Power and Drive of Robots)动动力，是力，是驱动驱动机器人的源泉，是机器人的机器人的源泉，是机器人的能量流能量流动动和信息流和信息流动动的源泉，是机器人活的源泉，是机器人活性的源泉。性的源泉。01 机器人的动力源机器人类型运动空间动力系统动力源机械臂车间内电机 液压电源电缆搬运机器人车间内电机电源电缆建筑机器人室外液压发动机救助机器人室内 室外电机 气动电池 气罐液压发动机小型移动式室内 室外电机 气动电池 气罐机器人微型机器人特定区域特殊驱动器微波仿人机器人室内 室外电机电池1.1 不同类型的机器人可以有不同的动力源不同类型的机器人可以有不同的动力源01 机器人的动力源1.2 机器人的常规动力源机器人的常规动力源电动力系统：或电驱动系统（ Electric Actuator），是以电动机为驱动器的动力系统，如：步进电机，直流电机，交流电机。油动力系统： 如：汽油机，柴油机，可满足大功率和高旋转速度的要求，美国的BigDog 就采用了油动力系统，飞行机器人也往往采用油动力系统。液动力系统： 或液压驱动系统（ Hydraulic Actuator），特点是转矩重量比大，即单位重量的输出功率高，适用于重载移动式机器人。气动力系统： 或气动驱动系统（ Pneumatic Actuator），动力源于压缩空气，可实现位置控制，力控制，如：真空吸盘可充当机器人的手。01 机器人的动力源1.3 机器人的特殊动力源机器人的特殊动力源超声波电机：用超声波激励弹性体定子，使其表面形成椭圆运动，转子因而在摩擦力的作用下获得推力。除常规动力源之外，还存在诸多特殊的动力源，可用作机器人的驱动力，其中一些可能预示着自主移动式机器人动力源今后的发展方向，如：橡胶驱动器：利用橡胶等弹性结构体的形变产生动力，可实现：柔性微驱动器，人工肌肉，人工手指等。静电驱动器：利用带电体之间的静电力实现驱动，如：静电摆动电机，步进直线驱动器，薄膜静电驱动器等。磁流体驱动器：磁流体是能与磁铁产生反应的流体，利用磁流体中非磁体的运动，可产生动力。机器人的动力系统，又称驱动系统（Actuator），是机器人的肌肉，包含：动力源：a power supply动力放大器：a power amplifier伺服发动机：a servomotor传送系统：a transmission system机器人动力系统的构成：02 机器人的动力系统2.1 机器人动力系统一般性构成机器人动力系统一般性构成Pp：主动力源，可以是电动力的，液动力的，或气动力的。Pc：控制信号，通常是电动力的。Pa：控制动力，是对 Pc的放大，可以是电动力的，液动力的，或气动力的。Pm：发动机输出的动力。Pu：驱动肢体的动力，经传动系统将Pm转换成了机械动力。Pd：消耗的动力。02 机器人的动力系统2.2 机器人动力系统实例机器人动力系统实例两轮机器人动力系统的构成Pp：主动力源，采用锂电池。Pc：控制信号，由DSP发送的PWM电信号。Pa：控制动力，是对 Pc放大后驱动电机的电压量。Pm：直流电机输出的动力。Pu：经传动系统（减速器）将Pm转换成驱动轮系的机械动力。两轮机器人的动力系统如下图所示，采用直流伺服电机，驱动机器人的轮系。03 机器人的电动力系统3.1 机器人电动力系统的类型机器人电动力系统的类型电动力系统的动力，自然，来自电动机，或称电动马达（Electric Motor），主要有 4 种类型：步进电机（ Stepping Motor）：控制性能好，定位精度高，负载能力稍差；变频技术的应用，使交流伺服电机变成了无刷直流电机。无刷直流电机广泛应用于自主移动式机器人。直流伺服电机（ Direct Current Motor）：易于控制，有一定负载能力，电刷和整流子易引起摩擦损耗；交流伺服电机（ Alternate Curent Motor）：性能和效率与DC电机相似，无需整流子和电刷，需交流推动；直接驱动电机（ Direct Drive Motor）：没研究过。机器人可以有各种各样的动力源和动力系统，然而，电动力系统是机器人，特别是自主移动式机器人，最常用的驱动系统。03 机器人的电动力系统3.2 机器人与步进电机机器人与步进电机步进电机能将数字脉冲信号变换为角位移信号，每当接收到一个脉冲信号，步进驱动器就按设定的方向转动一个微小的角度。如果给步进电机输入一个脉冲，电机转子就转过一定的角度，称之为“一个步长的转动”，其转过的角度被称为：步距角（Step Angle）；因此，步进电机转子的旋转速度与脉冲的频率成正比；步进电机的特征是：步进电机转子在最后的脉冲位置停止，产生相对于外力的一个很强的反抗力。03 机器人的电动力系统3.2 机器人与步进电机机器人与步进电机因此?步进电机实现机器人机械臂和机械腿等机械肢体的精确控制?通过控制脉冲个数就能控制步进电机的角位移量，从而准确定位；通过控制脉冲频率就能控制步进电机转动的速度和加速度。双极步进电机的驱动与控制以电磁式直流电动机为例，主要由永久磁体和电枢构成。电枢又称转子，包括转轴、铁芯和缠绕在铁芯上的线圈。当电流 i 流经线圈 abcd 时，铁芯周围便形成磁场，导线ab 和 cd 受到电磁力 F 的作用，形成转动力矩，驱使电枢转动。电磁式直流电动机的结构和原理03 机器人的电动力系统3.3 机器人与直流电机机器人与直流电机一般移动式机器人通常采用中小型的直流电动机驱动。直流电机具有良好的控制特性：03 机器人的电动力系统3.3 机器人与直流电机机器人与直流电机( )( )TT tKit?转矩T(t)与流经电枢线圈的电流 i(t)基本成正比，即：其中，KT为转矩常数，这意味着，控制流经电枢线圈的电流i (t)，就能控制电机的输出转矩。()() /Etu tK?无负载转速?(t)与加载到电枢线圈的电压 u(t)基本成正比，即：其中，KE为反电动势常数，这意味着，控制加载到电枢线圈的电压u(t) ，就能控制电机的旋转速度。03 机器人的电动力系统3.4 机器人与交流电机机器人与交流电机交流电机主要有三种形式：鼠笼式感应型电机交流整流子型电机同步电机在机器人系统中，一般采用永久磁铁转子的同步电机，这就是交流伺服电机。这种交流伺服电机，具备直流伺服电机的基本性质，即：。转矩T(t)与线圈电流i(t) 成正比：T(t)= KTi(t)无负载转速?(t)与线圈电压u(t)成正比：?(t)= u(t)/KE可理解为： DC电机的电刷和整流子换成了半导体元件组成的逆变器，因而，又称： 无刷直流电机。03 机器人的电动力系统3.4 机器人与交流电机机器人与交流电机在无刷DC电机中，逆变器将直流电（ DC）变换为交流电（AC），然后，施加给交流同步电机。无刷DC电机=逆变器+AC同步电机AC伺服电机驱动系统电路原理图04 机器人的供电方式4.1 电池供电方式电池供电方式电池是自治移动式机器人最常用的动力源。采用电池供电方式，意味着：动力源可以直接安放在自治移动式机器人本体上，随机器人本体一起迁徙或移动。自治移动式机器人所使用的电池，一般为可反复充电的蓄电池，如：铅酸电池，镍镉电池，锂离子电池等。锂电池在自治移动式机器人系统中，由于电压电流的不同，噪声和电源的波动，以及控制芯片的稳定性等问题，最好把控制用电池和电机用电池分开。04 机器人的供电方式4.2 电缆供电方式电缆供电方式电缆供电方式，主要用于功率较大的机器人。对于大功率机器人系统，其电缆的直径一般较粗，电源线的数量也较多，同时，控制信号线的数量也比较多。自治移动式机器人，在较小的或限定的范围内移动，或在实验室内试验时，也可由电缆提供电动力，实现驱动。美国的BigDog 在实验室内试验时，就采用了电缆供电。04 机器人的供电方式4.3 发电机供电方式发电机供电方式发动机，如：汽油机和柴油机，一方面，可直接地作为动力源，驱动机器人运动；另一方面，又可以带动发电机发电，为机器人提供电能。在一般环境中移动的机器人，可采用汽油机或柴油机驱动发电机，再通过电缆为电动机器人提供动力。例如：在消防系统中，由发动机带动发电机的专用电源车，既为照明系统提供电源，又为灭火机器人和搜救机器人提供电动力。这时，机器人随电源车一起移动，电源车的电源通过电缆向机器人输送电动力。04 机器人的供电方式4.4 微波供电方式微波供电方式微波供电方式，也即电磁能供电方式。电池供电方式的缺点在于：电池的电能与体积和重量成正比，因此，自治移动式机器人对电池小型化和轻型化的要求，与其对电池长时间供电的要求，是矛盾的。电缆供电方式的缺点在于：它妨碍机器人的自主移动。微波供电方式，是一种无线能量供给方式，它效仿太阳向地球输送能量的方式，利用 GHz带宽的微波向机器人提供能量，特别适用于小型或微型机器人，如：能进入人体的手术机器人。目前，这种所谓的宇宙能传送方式还未进入实用阶段，然而，有关微型飞行机器人的能量传送试验已取得进展。05 机器人与电池5.1 关于移动式机器人的电池关于移动式机器人的电池在自治移动式机器人系统中，最常见的是电动力机器人。在电动力自治移动式机器人各种供电方式中，电池供电时最常见的供电方式。电池，作为自治移动式机器人动力源使用时，一般希望满足：体积小，重量轻，能量密度大，等要求。电池一般可分为三类：化学电池： 1）一次电池， 2）二次电池（蓄电池）， 3）燃料电池；物理电池：1）太阳能电池， 2）热电动势电池；生物电池：1）氧化电池，2）微生物电池。05 机器人与电池5.2 Robot 与光电池与光电池使用光蓄电池或太阳能蓄电池作为自主移动式机器人的摄能和储能器官是机器生命自主摄能的一种途径。例如，Walter的机器龟Elmer和Elsie的摄能和储能器官就选用了光电池，Elmer和Elsie因而能在能量不足的时候自主地寻找光源，给自己充电。光蓄电池利用半导体的光电效应特性，正极由 p 型半导体构成，而负极是 n 型半导体，连接处形成一个 pn 结。光电池工作原理05 机器人与电池5.2 Robot 与光电池与光电池p 型半导体中的电子如同水， n 型半导体中正电子占据的空间如同蓄水池。实际上，所谓正电子，就是失去电子而带正电的空穴。光电池工作原理充电时，受光照射，电子向 n 型半导体扩散进入空穴，犹如低处的水注入蓄水池积蓄了势能。放电时，电路接通犹如蓄水池的闸门开启，电子向p 型半导体运动，从而形成由负极流向正极的电流。05 动力系统功率放大器5.1 关于机器人动力的放大关于机器人动力的放大自治移动式机器人，与我们普通的家电不同，不能简单地接上 220v 电源进行驱动。自治移动式机器人的动力需要实时地调整，即：机器人需要依据来自感官（传感器）信息，不断地向动力系统发送实时的控制信号，这就是所谓的实时控制。自治移动时机器人的实时控制信号Pc一般由数字计算器件，如：CPU，DSP，单片微机等，通过运算确定，然后，通过 D/A 口或 PWM 口馈送至动力系统。05 动力系统功率放大器5.1 关于机器人动力的放大关于机器人动力的放大然而，D/A 口和 PWM 口传送的控制信号是微弱的，一般不能直接推动动力装置。其实，在电气电子系统（如：收音机，电视机，电风扇等）中，功率放大电路是常见的，并且，形式多样。为了驱动动力装置，需要对控制信号Pc进行放大，这就是功率放大器存在的价值和必要性。05 动力系统功率放大器5.2 功率运算放大器功率运算放大器运算放大器（ Operational Amplifier，OP）是我们大家熟悉的，它在机器人技术，传感技术，和控制系统中，是十分重要的元件。特别地，运算放大器在功率放大器中扮演着重要角色。理想的运算放大器，其输出阻抗为零，这意味着：运算放大器的输出电流可以任意大。功率 OP 放大器与一般的 OP 放大器几乎没有什么区别。不同之处仅仅在于输出电流的电路部分。市场上的功率 OP 放大器一般可输出 1A 左右的电流，特殊的可输出3-10A 的电流。功率 OP 放大器充当功率放大器的优点在于：功率OP 放大器本身兼有控制器，易于设计和安装。05 动力系统功率放大器5.3 线性功率运算放大器线性功率运算放大器图中的功率放大器，其基本思想在于：用晶体管与负载对电源电压进行分压，进而调节负载两端的电压。由电流放大晶体管（功率晶体管）组成的功率放大器，具有较大的适应范围，市场上有大量产品，便于设计满足各种要求的功率放大器，其基本电路如右图。线性功率放大器基本电路理想情况下，负载两端的电压 um与输入信号uc成正比。然而，实际的晶体管线性性能并不是理想的。同时，基本电路中的电流只能沿一个方向流动。05 动力系统功率放大器5.3 线性功率运算放大器线性功率运算放大器在自治移动式机器人系统中，功率放大器驱动的对象一般为电动机，他们需要双向驱动，以实现正转和反转。利用运算放大器，将反馈信号施加于负载，以消除晶体管参数变化的影响。利用功率 OP 放大器，很容易实现机器人电机的双向线性驱动。双向线性功率放大器基本电路通过使用复合晶体管对，以及两个电源，负载电流可以按照输入信号uc的符号方向流动。05 动力系统功率放大器5.4 PWM 功率放大器功率放大器PWM 是 Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制或脉宽调制）的缩写。基于这一原理，给晶体管反复地施加on 和 off 的脉冲信号（PWM 信号），就能降低功率放大器的能量损耗，这种驱动方式就是 PWM 驱动方式。在线性功率放大器中，位于输出极的晶体管，极易发热，需通过散热片向外排出热量，同时，产生功率消耗，造成能量损失。然而，如果晶体管处于全开（ on）或全关（off）的状态，晶体管并不造成能量损失。因为，全on 时施加给晶体管电压为零，全 off 时流经晶体管的电流为零。全开（on），意味着电机将全速运转；而全关（ off），则意味着电机停止运转。在 PWM 驱动方式中，为了不引起电机震荡（时快时慢），要求信号的脉冲周期设定值 T0，小于电机电气时间常数，一般为数毫秒的量级，或者，更小。05 动力系统功率放大器5.4 PWM 功率放大器功率放大器那么，PWM 功率放大器是怎样实现电机调速的呢？或者说， PWM 功率放大器是怎样控制电机运转速度的呢？这个问题涉及一个重要的概念：“占空比”。“占”，意味着全开（ on）；“空”，意味着全关（ off）。因此，所谓占空比，就是在一个脉冲周期中，全开（on）的时间与全关（off）或脉冲周期 T0的时间之比。PWM 功率放大器的输入量就是“占空比”值。05 动力系统功率放大器5.4 PWM 功率放大器功率放大器PWM 功率放大器对转速的控制，就是通过调整全开与全关（ on/off）时间的比例来实现，即通过调整占空比值来控制电机的速度。如果向电机下达的指令为模拟电压，就需要将其转换为：占空比值与模拟电压值成正比的 PWM 波。通常，准备某个周期的三角波，将其与模拟电压信号一起输入 OP 构成的比较器，即可获取所需的 PWM 波。占空比：Rpwm- 0?10 意味着最小控制量1 意味着最大控制量05 动力系统功率放大器5.4 PWM 功率放大器功率放大器电机驱动器常用的 PWM 驱动方式，其基本电路是所谓的H 桥式电路，可实现单电源的电机正反转驱动。PWM驱动方式基本电路H 桥电路的工作模式状态正转反转制动停止输入APWMOffOffOff输入BOffOnOnOff输入COffPWMOffOff输入DOnOffOnOff目前，单片微机 MPU，数字信号处理器 DSP，一般都嵌入了产生 PWM波的功能。思考与练习思考与练习1 机器人有哪些不同的常规动力源？2 描述机器人动力系统的一般性构成。5 PWM 的含义是什么？什么是电机的 PWM 驱动方式？PWM 驱动方式的原理是什么？ 为什么要采取 PWM驱动方式？6 什么是 PWM 波的“占空比”？PWM 功率放大器是怎样实现电机调速的？（控制占空比就能控制电机速度）7 PWM 波的脉冲周期应该怎样选定？为什么一般要求 PWM 波的脉冲周期尽可能地小？ PWM 波的脉冲周期过大可能将出现什么现象？3电动力驱动的机器人有那些不同的供电方式？描述机器人动力驱动的微波供电方式？4机器人电动力系统的类型有哪些？或或许许，人工肌肉，将是自治移，人工肌肉，将是自治移动动式机器人式机器人未来的动力源，其动力学原理类似动物的肌肉系统。