移动机器人PPT第2章 移动机器人硬件机构

移动机器人

第二章硬件机构目录2.1控制器2.2驱动器2.3其他硬件装置移动机器人22.1控制器移动机器人3目前移动机器人中常用的控制器有：单片机嵌入式控制器工控机2.1控制器—单片机移动机器人4单片机（Microcontrollers）是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术，在一块硅片上集成中央处理器、随机存储器、只读存储器、定时器、各种I/O结构和中断系统、定时器/计数器等，相当于一个微型计算机系统。单片机的优点：体积比较小重量轻价格低有良好的可靠性和抗干扰性2.1控制器—嵌入式控制器移动机器人5嵌入式控制器（EmbeddedController）是用于执行指定独立控制功能并具有复杂方式处理数据能力的控制系统。它是由嵌入式微电子技术芯片（包括微处理器芯片、定时器、序列发生器或控制器等一系列微电子器件）来控制的电子设备或装置，用于控制、监视或者辅助操作。嵌入式控制器优点：具有开放性和可伸缩性的体系结构，可裁剪性好、实时性强、操作简单方便、稳定性强2.1控制器—嵌入式控制器移动机器人6常用的嵌入式控制器有ARM（AdvancedRISCMachine）、DSP（digitalsignalprocessor）、FPGA（FieldProgrammableGateArray）等。下图是树莓派RaspberryPi4控制器。图2-1树莓派RaspberryPi4控制器2.1控制器—嵌入式控制器移动机器人7广义上讲，单片机应用属于嵌入式系统的一个分支，嵌入式系统是一个大类，而单片机是其中一个重要的子类。单片机与嵌入式之间的区别如下表：单片机嵌入式系统单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。单片机是包含微控制电路和通用输入输出接口器件的集成电路芯片。单片机自身为主体，是通用的电子器件。嵌入式系统由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统、特定的应用程序组成。嵌入式系统可用单片机实现，也可用其他可编程的电子器件实现。嵌入式被安装在目标应用系统内，但主导控制关系，是控制目标应用系统运行的逻辑处理系统。是一个专用系统。表2-1单片机与嵌入式系统区别2.1控制器—工控机移动机器人8工控机（IndustrialPersonalComputer，IPC）全称为工业控制计算机，是一种采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称。工控机具有重要的计算机属性和特征，如具有计算机主板、CPU、硬盘、内存、外设及接口，并有操作系统、控制网络和协议、计算能力以及友好的人机界面。图2-2工控机2.1控制器—工控机移动机器人9工控机主要类别如下：基于PC总线工业计算机IPC（IndustrialPersonalComputer）可编程控制系统PLC（ProgramableLogicController）分布式控制系统DCS（DistributedControlSystem）现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）数控系统CNC（NumericalControlSystem）2.1控制器—工控机移动机器人10基于PC总线工业计算机IPC（IndustrialPersonalComputer）IPC是加固的增强型个人计算机，主要由工业机箱、无源底板及可扩充的各种板卡组成，可实现对工业生产过程实时在线检测与控制，保证系统的正常运行；具有很强的扩充性，能与工业现场的各种外设、板卡相连以完成各种任务；具有很好的兼容性，能同时利用ISA与PCI及PICMG资源，并支持各种操作系统，多种语言汇编，多任务操作系统。2.1控制器—工控机移动机器人11可编程控制系统PLC（ProgramableLogicController）PLC是在工业环境中应用的一种数字运算操作电子系统。PLC的主机由CPU、存储器（EPROM、RAM）、输入/输出单元、外设I/O接口、通信接口及电源组成。采用可编程的存储器，通过数字式或模拟式的输入输出可对各种机械设备或生产过程完成开关量的逻辑控制、模拟量控制、定时和计数控制、顺序控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信及联网等功能，具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用及维护方便等一系列的优点。2.1控制器—工控机移动机器人12分布式控制系统DCS（DistributedControlSystem）DCS是一个由控制级与操作级组成的以通信网络为纽带的计算机控制系统，控制级（控制站）负责完成数据采集控制，并通过通信网络传送到上位机监控系统，对采集的数据进行集中操作与管理；操作级（操作站）通过通信网络与控制控制级连接负责收集生产数据、传达操作指令。DCS是一种采用分散控制、集中管理方式的控制系统，能实现数据采集、连续控制、间隙控制、顺序控制、逻辑运算、先进过程控制等控制功能以及集中显示、操作和管理。DCS的优点在于可方便的改变或扩充系统的功能，并且分散控制、集中管理的特点保证了系统的可靠安全。2.1控制器—工控机移动机器人13现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）FCS是指利用现场总线将现场各个控制器和仪表及仪表设备互联构成的控制系统。其中，现场总线以数字通信替代了传统模拟信号及普通开关量信号的传输，是支持双向、多节点、总线式的全数字通信网络。FCS它具有完全的开放性，系统内测量和控制设备可相互连接、监测和控制，具有可靠性高、可互操作性强、维护简易、开放式的互连结构等优点，是一种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式控制系统。2.1控制器—工控机移动机器人14数控系统CNC（NumericalControlSystem）CNC是数字控制系统，简称数控系统，一般应用于数控机床，数控切割机等机电设备中，主要完成机械加工方面设备的系统控制。它主要通过内部存储器中存储的控制程序来执行相关功能，控制程序中可利用数字、文字和符号组成的指令来实现一台或多台机械设备的位置、角度、速度等机械量和开关量的控制，CNC可以实现灵活编程，操作加工可视化。2.2驱动器移动机器人15在移动机器人系统中，驱动器（actuator）是用来使机器人发出动作的动力机构，它可将电能、液压能和气压能转化为动能。对于机器人来说，主要有三种不同类型的驱动系统：机器人驱动系统电机驱动液压驱动气动驱动2.2.1常用驱动器移动机器人16驱动方式主要特点主要优点不足之处电机驱动可以由直流伺服电机或直流步进电机来完成。适合旋转关节和线性关节，是小型机器人和精密应用的完美选择。具有更高的准确性和重复性，控制调节简单、稳定性较好。力矩小、刚度低，常常需要配合减速器使用。液压驱动重量轻、尺寸小、动作平稳，动力大、力与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动。适用于大型机器人。提供高功率，快速响应。易漏油，液压系统的液体泄漏会对环境产生污染，维护困难；不确定性和非线性因素多，工作噪声也比较高。气动驱动使用可压缩流体，通常是压缩空气。可以在任务完成时释放大量可用的、易于访问的电源介质。相比于液压传动，气动驱动的压力使得系统非常安全。与所有液体不同的是，空气具有良好的动态性能，无粘度，低刚度(高柔度)。气源获得方便、成本低、动作快输出功率小，体积大，工作噪声较大，控制精度较差，难以实现伺服控制。2.2.1常用驱动器移动机器人17电机驱动典型机器人大疆机甲大师RoboMasterS1RoboMasterS1配备四个麦克纳姆全向移动轮，轮组由4个各含12个辊子的麦克纳姆轮构成，可实现全向平移及任意旋转，配合前桥悬挂，全向移动实现自由走位。RoboMasterS1上装配的M3508I无刷电机电机，内置集成式FOC电调，输出转矩高达250mN·m，动力强悍。电机控制上采用线性霍尔传感器配合速度闭环控制算法，能够实现精细操控。无刷电机上有过压保护、过热保护、缓启动保护以及短路保护等重保护机制，以增强控制的稳定性。2.2.1常用驱动器移动机器人18液压驱动典型机器人波士顿动力公司BigDog大狗整体具有16个自由度，可横纵在两个方向上自由移动，由汽油发动机提供动力，发动机驱动液压系统，以液压系统作为驱动输出动力进而控制每段肢体的动作，实现了躯体的灵活运动。大狗虽然能够及时应对平衡干扰因素，保持重心稳定使得机器人平稳前行，但是也有液压驱动通有的缺点，运行过程中噪声大。2.2.1常用驱动器移动机器人19气动驱动典型机器人气动驱动机器人“小章鱼”相比于液压驱动，气动驱动更加适合于小型移动机器人中。“小章鱼”依靠体内的化学反应功能，将过氧化氢转变成大量气体，气流流入机器人手臂给机器人手臂充气，从而驱动机器人运动。“小章鱼”机器人的整个微流体网络都是“自我反馈”，通过控制化学反应的时机实现自我驱动。2.2.1常用驱动器移动机器人20除了上述三种常用的驱动方式以为，还有些特殊的驱动方式，比如光化学反应材料、化学反应材料、形状记忆合金等智能材料的驱动。智能材料会对外界给与的刺激做出反应，这些刺激包括光、力、电场、磁场、温度等。通常这些反应的规模都很小，因此这种类型的驱动器主要是用在体积小、微型规模的机器人上。软体机器人“尺蠖”运动分解图2.2.2直流电机移动机器人21直流电机（DirectCurrentMotor，简称DCMotor），又称直流电动机，是一种以直流电驱动运行的电动机，能将直流电能转换成机械能，广泛应用在工业风扇、鼓风机和泵、机床、家用电器、电动工具、磁盘驱动器等等。根据是否配置有常用的电刷换向器，可以将直流电动机分为有刷直流电机和无刷直流电机。直流有刷电机结构2.2.3伺服电机移动机器人22伺服电机（ServoMotor），是移动机器人中常见的一种电机，可以直接或间接地驱动机器人本体来获得机器人的各种运动，也是自动控制系统中广泛应用的一种执行元件。伺服（Servo）是指使物体的位置、方位、状态等输出能够跟随输入量（或给定值）的任意变化而变化。伺服电机，由直流电机、变速箱、位置传感器和控制电路组成，通过自带的位置传感器把电机轴旋转的角度（位置）进行反馈构成闭环控制，从而确保输入和输出一致。舵机（SteeringGear）是移动机器人中最常用的伺服电机系统，主要用于转向或转舵的驱动与控制。按照舵机的转动角度分为180度舵机和360度舵机。180度舵机只能在0度到180度之间运动，超过这个范围，轻则齿轮打坏，重则烧坏舵机电路或舵机中的电机。360度舵机转动的方式和普通的直流电机类似，可以连续转动。按照舵机的信号处理分为模拟舵机和数字舵机。由于价格低廉、结构紧凑，能够满足很多低端需求，移动机器人常采用舵机来实现转向的驱动。2.2.4步进电机移动机器人23作为一种开环控制电机，步进电机因其旋转以固定角度一步一步进行的，所以称为步进电机。它把电脉冲信号转变成为角位移或者线位移，在荷定范围内，它的转速和转角由脉冲信号的频率和脉冲数决定，而不受负载影响。当接收到一个脉冲信号，就会驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步进角”。可以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。步进电机只有周期性误差而无累积误差。它必须使用专门的步进电机驱动器才能工作，不能直接接到交流或者直流电源上。由于是开环控制，步进电机的结构简单，但可靠性不高。速度正比于脉冲频率，有比较宽的转速范围。但是控制不当时容易产生共振，且难以运转到较高的转速，也难以获得较大的转矩，能源利用率低。但步进电机点位控制性能好，没有累积误差，易于实现开环控制，能够在负载力矩适当的情况下，以较小的成本与复杂度实现电机的同步控制。2.2.5电机的控制移动机器人241.直流电机的控制电动机在一定负载的条件下，根据需要人为地改变电动机的转速，称之为调速。直流电机调速性能好，它可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。直流电机可以通过改变电枢电阻、电枢电压和改变磁通进行调速，其中电枢电压调速是最为常见的。下图显示了电机可以根据负载大小运行的扭矩-转速值范围。额定电压时扭矩和转速的关系2.2.5电机的控制移动机器人251.直流电机的控制最左边为失速状态，表示当负载太重或满载时电机将尝试施加所需的力而失败导致速度为零。失速时，电动机会被推到极限，从而导致该特定电源电压消耗最大可能的电流量，该值称为“失速电流”。由于失速时电机消耗的是最大可能的电力，它也会输出最大可能的机械功率（失速转矩）。电机会因增加的电流而很快过热并最终烧坏。在最右边，电机轴自由旋转，除了旋转轴所需的力外没有其它负荷，即空载状态。电机将继续旋转，直到电机运动产生的反电动势减小电流并将速度限制为最大值为止。由于扭矩和转速是线性相关的，因此这两种极端情况表示的点会形成一条直线，电动机可以沿着该直线运行。减少负载（以及因此所需的扭矩）可以提高速度，反之亦然。2.2.5电机的控制移动机器人26直流电机的控制若使用一个电机控制器，该控制器能够在三个电压之间切换：8V，10V和12V。请注意，提供低于额定电压的电压是可以接受的，但不能超过额定电压的电压。在此示例中，假设电动机的额定电压为12V。如右图，当更改电压时扭矩和转速之间的关系也会改变。较低的电压会具有较低的失速转矩和空载转速。在恒定负载下，降低电压意味着降低速度，如绿线上的三个黑点所示：三种电压时扭矩和转速的关系关系2.2.5电机的控制移动机器人272.伺服电机的控制伺服电机一般有三个闭环负反馈PID调节系统，分别为电流环、速度环、位置环。电流环：电流环是最内环，是控制的根本。此环完全在伺服驱动器内部进行，利用霍尔装置检测驱动器负

责电机各相的电流输出，PID调节使得输出电流尽量接近与设定电流相等，此刻控制模式下运算最小，动态响应最快。速度环：速度环是次外环，利用检测电机编码器的信号实现负反馈PID调节。速度环控制过程中包含了速度环和电流环，它的环内PID输出直接作为电流环的设定。位置环：位置环是最外环，构建于外部控制器、电机编码器或驱动器、电机编码器之间，其反馈信号既可取自电机编码器，也可取自最终负载，需根据实际情况确定。位置控制环内部包含了所有三个环的运算，因此系统运算量最大，动态响应速度最慢。2.2.5电机的控制移动机器人282.伺服电机的控制伺服电机的三个闭环负反馈PID调节系统分别对应伺服电机的三种控制模式：转矩控制、速度控制、位置控制。其中，速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的，位置控制是通过发脉冲来控制的。转矩控制模式：由电流环实现，可以通过即时的改变外部模拟量（即目标转矩值）的设定或通讯方式改变对应地址的数值来设定电机轴对外的输出转矩的大小。当电机在电流闭环控制下，负载力矩大，电流不能超过给定值，电机的频率、电压会自动上升，增大负载速度和负载力矩。反之则相反。速度控制模式：由速度环实现，利用电机编码器信号监测实现负反馈PID的调节,速度回路则将输出速度与指令速度比较，生成控制量，位置环断开。使输出速度与输入速度信号保持一致。位置控制模式：由位置环实现，即将输出位置与指令位置比较生成控制量，使输出位置与输入位置保持一致。一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，有些伺服系统也可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。2.2.5电机的控制移动机器人292.伺服电机的控制以舵机为例来阐述伺服电机位置控制方法。舵机内部有一个基准电路，通过比较信号线的PWM信号与基准信号，内部的电机控制板得出一个电压差值，将这个差值加到电机上控制舵机转动。舵机角度根据制造商的不同而有所不同。对于模拟舵机来说，需要不停的发送PWM信号才能使它保持在规定的位置或保持某个速度转动。数字舵机则只需发送一次PWM信号就能保持在规定的某个位置或某个转速。舵机控制一般需要一个周期为20ms，高电平宽度为1.5ms的基准信号，这个位置其实是舵机转角的中间位置。控制舵机的高电平范围为0.5ms到2.5ms，其中0.5ms为最小角度，2.5ms为最大角度。这个高电平脉冲的宽度将决定电机转动的距离。2.2.5电机的控制移动机器人302.伺服电机的控制180°舵机输出轴转角与输入信号的脉冲宽度关系图180°舵机的中间位置为90°，1.5ms的脉冲会使舵机转向90°位置。如果脉冲宽度小于1.5ms，舵机会朝向0°方向。如果脉冲宽度大于1.5ms，舵机会朝向180°方向。2.2.5电机的控制移动机器人312.伺服电机的控制360度舵机不同于一般控制角度的电机，它只能控制方向和速度，即给一个PWM信号后，360°舵机会以一个特定的速度转动。而且是闭环控制，速度控制稳定。360°舵机输出转速与输入信号的脉冲宽度关系图2.2.6电机的选型移动机器人32伺服电机的控制从机器人驱动的角度，一般来说对于一个电机主要考虑的参数有：转矩：转矩是使物体发生转动的一种特殊的力矩(Nm)，代表了电机改变旋转速度的能力，在机器人领域，转矩一般用于使得机器人移动或者使得机械臂完成各种动作。电流：电机运行时的电流，不同状态下有不同的值，如空载电流、额定电流以及堵转电流等。工作电压：电机工作的额定电压。转速：即电机的旋转速度，一般单位为转每分钟，有时也使用弧度每秒或者角度每秒表示。物理参数：如电机尺寸、电机轴尺寸、截面尺寸以及固定孔的位置等外形尺寸。2.2.5电机的选型移动机器人33

2.2.5电机的选型移动机器人34

2.2.5电机的选型移动机器人35对于电机电压来说，选择电机运行电压时，需要选择一个和机器人电池对应的电机运行电压。大部分机器人电机运行电压为6V，12V，24V。对于一般尺寸在15-30cm的机器人，一般使用镍氢电池，对于大型机器人，一般使用铅酸电池；镍氢电池一般为标准AA，C，D尺寸，电压在3.6-48V不等。对于12V电机，一般使a用7.2V或者9.6V电池供电；对于24V电机，一般使用3×9.6V电池供电。2.2.5电机的选型移动机器人36

2.3其他硬件装置移动机器人372.3.1变速装置变速箱，又称齿轮箱，是一种电动机附件，主要有齿轮和轴组成。变速箱利用齿轮的机械优势来进行变速变矩，以速度为代价增加扭矩或以扭矩为代价增加速度。通常，驱动器中电机速度比移动机器人运动所需的速度快，但缺少所需的转矩。变速箱可以用来吸收多余的速度并将其转换成额外的扭矩。不同变速箱的尺寸和齿数各有不同。为了实现高减速比，在输出齿轮上需要大量齿。由于大多数齿轮箱体积太小，无法容纳带有多个齿的单个齿轮，因此齿轮箱通常会包含多个“级”，每个级都有自己的一组齿轮。每个后续阶段都会进一步降低齿轮比。但是，级数较多通常会导致齿轮箱内的热量和摩擦损失更多的功率。2.3其他硬件装置移动机器人382.3.1变速装置机器人的齿轮装置如下图：（a）两个外齿轮反向运动（b）奇数个外齿轮同向运动（c）齿轮系齿轮的组合配置方式有许多种，两个齿轮之间可以成直角啮合，也可以一个齿轮在另一个齿轮的内部啮合。将多个齿轮布置组合在一起，就构成了齿轮系。可用齿轮系来改变移动机器人旋转运动的方向，增加或降低输出轴的旋转速度。2.3其他硬件装置移动机器人392.3.1变速装置变速箱的额定扭矩是变速​​箱承受的绝对最大扭矩，通常为一定值。当运行扭矩大于额定扭矩时，会大大缩短变速箱的使用寿命。变速箱中的轴主要起到支撑作用。根据方向不同，变速箱承受的压力通常分为轴向载荷和径向载荷。变速箱的轴向载荷是指变速箱在平行于输出轴的方向上可以承受的最大力，超过该值将降低变速箱效率并缩短使用寿命。变速箱的径向载荷是指变速箱在垂直于输出轴的方向上可以承受的最大力，超过该值将降低变速箱效率并缩短使用寿命。2.3其他硬件装置移动机器人402.3.1变速装置（a）轴向载荷（b）径向载荷2.