第2章机器人技术介绍(电源、电机、驱动、传感器等)解决方案.ppt

机器人技术介绍(电源、电机、驱动、传感器等) 2017 年5月 27 日智能与控制工程研究所 -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)让轮子在命令时转动。 2017 年5月 27 日智能与控制工程研究所 ,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- , 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。 2017 年5月 27 日智能与控制工程研究所 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。 2017 年5月 27 日5 : 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。 2017 年5月 27 日6 。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。 2017 年5月 27 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-effect 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 2017 年5月 27 ,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