机器人概论第三章-机器人的动力与驱动PPT参考课件.ppt

机器人技术概论,Introduction to Robotic Technology,1,01,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 机器人的动力与驱动,(Power,and Drive of,Robots),2,动力，是驱动机器人的源泉，是机器人的能量流动和信息流动的源泉，是机器人活性的源泉。,3,01,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,4,01,机器人的动力源,1.,2,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。,5,01,机器人的动力源,1.,3,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。,6,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,P,p,：主动力源，可以是电动力的，液动力的，或气动力的。,P,c,：控制信号，通常是电动力的。,P,a,：控制动力，是对,P,c,的放大，可以是电动力的，液动力的，或气动力的。,P,m,：发动机输出的动力。,P,u,：驱动肢体的动力，经传动系统将,P,m,转换成了机械动力。,P,d,：消耗的动力。,7,02,机器人的动力系统,2,.,2,机器人动力系统实例,两轮机器人动力系统的构成,P,p,：主动力源，采用锂电池。,P,c,：控制信号，由,DSP,发送的,PWM,电信号。,P,a,：控制动力，是对,P,c,放大后驱动电机的电压量。,P,m,：直流电机输出的动力。,P,u,：经传动系统（减速器）将,P,m,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。,8,03,机器人的电动力系统,3,.,1,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。,9,03,机器人的电动力系统,3,.,2,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。,10,03,机器人的电动力系统,3,.,2,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,11,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,一般移动式机器人,通常,采用,中小型的直流电动机,驱动,。,12,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,转矩,T,(,t,),与流经电枢线圈的电流,i,(,t,),基本成正比，即：,其中，,K,T,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。,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，,K,E,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。,13,03,机器人的电动力系统,3,.,4,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,)=,K,T,i,(,t,),无负载转速,(,t,),与线圈电压,u,(,t,),成正比：,(,t,)=,u,(,t,)/,K,E,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,。,14,03,机器人的电动力系统,3,.,4,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,15,04,机器人的供电方式,4,.,1,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。,16,04,机器人的供电方式,4,.,2,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。,17,04,机器人的供电方式,4,.,3,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。,18,04,机器人的供电方式,4,.,4,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。,19,05,机器人与电池,5,.,1,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。,20,05,机器人与电池,5,.,2,Robot,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,21,05,机器人与电池,5,.,2,Robot,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。,22,05,动力系统功率放大器,5,.,1,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,P,c,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。,23,05,动力系统功率放大器,5,.,1,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,P,c,进行放大，这就是功率放大器存在的价值和必要性。,24,05,动力系统功率放大器,5,.,2,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。,25,05,动力系统功率放大器,5,.,3,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,u,m,与输入信号,u,c,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。,26,05,动力系统功率放大器,5,.,3,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,u,c,的符号方向流动。,27,05,动力系统功率放大器,5,.,4,PWM,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。,28,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,T,0,，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,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,T,0,的时间之比。,29,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,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,：,R,pwm,-0,1,0,意味着最小控制量,1,意味着最大控制量,30,05,动力系统功率放大器,5,.,4,PWM,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,A,PWM,Off,Off,Off,输入,B,Off,On,On,Off,输入,C,Off,PWM,Off,Off,输入,D,On,Off,On,Off,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。,31,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？,32,或许，人工肌肉，将是自治移动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。,33,