1、 機(jī)器人技術(shù)介紹機(jī)器人技術(shù)介紹( (電源、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)、傳感器等電源、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)、傳感器等) )2022年3月7日智能與控制工程研究所21. 機(jī)械平臺(tái) 硬件基礎(chǔ) 一個(gè)機(jī)器人包括兩個(gè)主要部分：機(jī)器人的身體和某種形式的人工智能（artificial intelligence，AI）系統(tǒng)。很多不同的身體部分都可以叫做機(jī)器人。關(guān)節(jié)手臂被用于焊接和上漆；起重機(jī)和傳送帶系統(tǒng)在工廠中運(yùn)送零件；巨型機(jī)器人機(jī)器搬運(yùn)礦井深處的泥土。一般說(shuō)來(lái)，機(jī)器人最有趣的一個(gè)方面是它們的行為，這需要一種形式的智能。機(jī)器人最簡(jiǎn)單的行為是移動(dòng)。典型 地，輪子被作為讓機(jī)器人從一點(diǎn)移動(dòng)到下一點(diǎn)的基本機(jī)械裝置。還需要某種力（如電力）讓輪子在

2、命令時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。 2022年3月7日智能與控制工程研究所32. 電動(dòng)機(jī) 很多種電動(dòng)機(jī)向機(jī)器人提供能源，讓它們用不同的編程動(dòng)作搬運(yùn)材料、零件、工具或?qū)Ｓ迷O(shè)備。電動(dòng)機(jī)的效率等級(jí)表明多少消耗的電量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。讓我們看看現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)中目前被使用的一些機(jī)械設(shè)備。 直流電機(jī)： 永久磁鐵，直流（Permanent-magnet，direct-current，PMDC）電機(jī)只需要兩根導(dǎo)線，使用固定磁鐵、電磁鐵（定子和轉(zhuǎn)子）和開(kāi)關(guān)。這些組成一個(gè)換向器來(lái)通過(guò)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。 交流電機(jī)： 交流電機(jī)在輸入導(dǎo)線循環(huán)能源，連續(xù)地運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)。直流電機(jī)和交流電機(jī)在收到一個(gè)信號(hào)時(shí)會(huì)全速運(yùn)轉(zhuǎn)。 2022年3月7日智能與控制工程

3、研究所4步進(jìn)電機(jī)： 步進(jìn)電機(jī)就像沒(méi)有電刷的直流或交流電機(jī)。它通過(guò)按順序（步進(jìn)地）向電動(dòng)機(jī)中不同的磁鐵提供能源使其運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)的目的是更好的控制。伺服電動(dòng)機(jī)： 伺服電動(dòng)機(jī)是閉合線圈設(shè)備。在收到信號(hào)時(shí)，它可以自我調(diào)整直到與該信號(hào)匹配。伺服電動(dòng)機(jī)用于無(wú)線電控制的飛機(jī)和汽車(chē)。它是有傳動(dòng)裝置和反饋控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)單的直流電動(dòng)機(jī)。 2022年3月7日53.驅(qū)動(dòng)機(jī)制 齒輪和鏈條： 齒輪和鏈條是機(jī)械平臺(tái)，它提供了一種向另一個(gè)地方傳送轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作的強(qiáng)大而精確的途徑（可能在傳送的時(shí)候改變了動(dòng)作）。兩個(gè)齒輪之間速度的改變?nèi)Q于每個(gè)齒輪上齒的數(shù)目。當(dāng)加電的齒輪旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，它根據(jù)齒輪上的齒數(shù)來(lái)拉動(dòng)鏈條。 滑輪和皮帶： 滑

4、輪和皮帶是機(jī)器人所使用的兩種另外的機(jī)械平臺(tái)，工作的方式與齒輪和鏈條一樣?；喪禽喚売邪疾鄣妮喿?，皮帶是可以放進(jìn)這個(gè)凹槽的橡皮圈。 變速箱： 變速箱運(yùn)轉(zhuǎn)的原理與齒輪和鏈條一樣，不過(guò)沒(méi)有鏈條。變速箱需要更精密的公差配合，因?yàn)椴皇鞘褂靡粭l又大又松的鏈條來(lái)傳送力量，也不用調(diào)整錯(cuò)位，齒輪之間直接和對(duì)方嚙合。變速箱的示例可以在汽車(chē)的傳動(dòng)裝置、落地大座鐘的定時(shí)機(jī)制和打印機(jī)的送紙裝置中找到。 2022年3月7日64.電源 電源一般通過(guò)兩種電池提供。一次電池使用過(guò)一次就被丟棄；二次電池以一種（通常是）可逆的化學(xué)反應(yīng)工作，可以多次充電。一次電池有較高的容量和較低的自放電率。二次（可充電）電池比一次電池電量小，但可

5、以重復(fù)充電，按化學(xué)反應(yīng)和環(huán)境的不同可以多達(dá)一千次。一般可充電電池 第一次使用可以為電器或機(jī)器人提供 4 小時(shí)連續(xù)工作的能源。 理論上機(jī)器人可以使用幾百種不同類(lèi)型和形式的電池。電池按化學(xué)反應(yīng)和規(guī)格分類(lèi)，按電壓和電量分級(jí)。電池的電壓由電池的化學(xué)反應(yīng)決定，容量由化學(xué)反應(yīng)和規(guī)格兩者共同決定。 機(jī)器人平臺(tái)靠?jī)山M獨(dú)立的電池運(yùn)行，它們共享一根地線。這樣，電動(dòng)機(jī)可以用一組電池，而電子設(shè)備可以用另一組電池。電子設(shè)備和電動(dòng)機(jī)還可以在不同的電壓下工作。 2022年3月7日7電子控制 機(jī)器人中有兩個(gè)主要的硬件平臺(tái)。非調(diào)節(jié)電壓、電力和反電動(dòng)勢(shì)峰的機(jī)械平臺(tái)以及干凈電源和 5 伏信號(hào)的電子平臺(tái)。這兩個(gè)平臺(tái)需要順序橋接，目的

6、是讓數(shù)字邏輯控制機(jī)械系統(tǒng)。經(jīng)典的組件是橋式繼電器。一個(gè)控制信號(hào)在繼電器的線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，物理地閉合開(kāi)關(guān)。例如 MOSFET，它是高效率的硅開(kāi)關(guān)，有很多種規(guī)格，象晶體管一樣可以作為固態(tài)繼電器控制機(jī)械系統(tǒng)。 另一方面，更大的機(jī)器人可能需要 PMDC 電動(dòng)機(jī)，這樣 MOSFET 的“接通”電阻 Rd（on）會(huì)導(dǎo)致芯片熱量的極大散發(fā)，從而顯著地降低芯片的發(fā)熱溫度。MOSFET 中結(jié)點(diǎn)的溫度、MOSFET 封裝和散熱片的傳導(dǎo)系數(shù)是 PMDC 電動(dòng)機(jī)的其它重要的特征。 晶體管廣義地分為兩種：雙極結(jié)晶體管（bipolar junction transistors，BJT）和場(chǎng)效應(yīng)晶體管（field-effec

7、t transistors，F(xiàn)ET）。在 BJT 器件中，基極小的電流調(diào)節(jié)發(fā)射極和接收極之間大得多的電流。在 FET 器件中，柵極電場(chǎng)的存在會(huì)調(diào)節(jié)源極和漏極之間的電流 2022年3月7日85.傳感器 機(jī)器人根據(jù)瞬間測(cè)量作出反應(yīng)，這需要不同種類(lèi)的傳感器。 多數(shù)系統(tǒng)中對(duì)時(shí)間的感知是通過(guò)電路和編程中內(nèi)建的。要想在實(shí)際中讓這個(gè)具有生產(chǎn)性，機(jī)器人必須有感知硬件和軟件，還要能快速地更新。不管傳感器硬件或軟件如何，感知和傳感器可以被當(dāng)作與外部事件交互（換句話說(shuō)就是外部世界）。傳感器測(cè)量世界的某個(gè)屬性。變換器（transducer）一詞經(jīng)常與傳感器一詞交替使用。交換器是傳感器的機(jī)制或元素，它將測(cè)量到的能源轉(zhuǎn)換

8、成另一種形式的能源。傳感器接收能源并傳送一個(gè)信號(hào)到顯示器或計(jì)算機(jī)。傳感器使用變換器將輸入的信號(hào)（聲音、光線、壓力、溫度等）改變成機(jī)器人可以使用的模擬或數(shù)字形式。 2022年3月7日9邏輯傳感器： 傳感器的一個(gè)強(qiáng)大的抽象是邏輯傳感器，它是提供一個(gè)對(duì)象的傳感單元或模塊。它包括物理傳感器的信號(hào)處理和提取感知所需的軟件處理。本體感受傳感器： 本體感受是航位推測(cè)法，機(jī)器人可以測(cè)量來(lái)自本身的信號(hào)。 接近傳感器： 接近傳感器測(cè)量環(huán)境中傳感器和對(duì)象之間相對(duì)的距離。 紅外線（IR）傳感器： 另一種活動(dòng)的接近傳感器是紅外線傳感器。它發(fā)出接近紅外線的能量并測(cè)量有沒(méi)有相當(dāng)多的紅外線返回。 碰撞和觸角傳感器： 另一類(lèi)常

9、見(jiàn)的機(jī)器人感知是觸覺(jué)的，或基于觸摸的，用碰撞和觸角來(lái)完成。觸角和觸須由牢固的電線構(gòu)成。碰撞傳感器通常是機(jī)器人上一個(gè)突出的環(huán)，包括兩層。 2022年3月7日10微控制器系統(tǒng) 微控制器（Microcontrollers，MCU）是機(jī)器人內(nèi)部使用的智能電子設(shè)備。它提供的功能類(lèi)似于個(gè)人電腦內(nèi)部的微處理器（中央處理單元或 CPU）所執(zhí)行的功能。MCU 速度較慢，使用的內(nèi)存比 CPU 少，設(shè)計(jì)目的是現(xiàn)實(shí)世界的控制問(wèn)題。CPU 和 MCU 之間的一個(gè)主要區(qū)別是運(yùn)行所需的外部組件的數(shù)目。MCU 經(jīng)常可以不需要外部部件就能運(yùn)行，一般只需要一個(gè)外部晶體或振蕩器。2022年3月7日11微控制器有四個(gè)基本方面：速度、

10、容量、存儲(chǔ)器和其它。速度以時(shí)鐘周期指定，通常以每秒百萬(wàn)個(gè)周期（兆赫茲（Megahertz，MHz）計(jì)量。周期的使用根據(jù)不同的MCU 而不同，這影響到處理器的可用速度。容量指定 MCU 可以一步處理的信息的字節(jié)數(shù) 它自然的信息簇。MCU 有 4 位、8 位、16 位和 32 位的，8 位的 MCU 是最常見(jiàn)的容量。MCU 在大多數(shù) ROM 中的計(jì)數(shù)單位是千字節(jié)（KB），在 RAM 中是字節(jié)。很多 MCU 使用 Harvard 體系，程序保存在內(nèi)存的一段中（通常是內(nèi)部的或外部的SRAM）。然后這就能夠讓處理器更有效地訪問(wèn)獨(dú)立的內(nèi)存。 微控制器的第四個(gè)方面就作為“其它”來(lái)講了，它包括諸如專(zhuān)用的輸入設(shè)備的特性，該設(shè)備經(jīng)常（但不總是）有一個(gè)小的 LED 或 LCD 顯示作為輸出。微控制器還從設(shè)備獲取輸入并通過(guò)向設(shè)備中不同組件發(fā)送信號(hào)對(duì)其控制。程序計(jì)數(shù)器也通過(guò)微控制器掌握要執(zhí)行哪