機(jī)器人技術(shù)介紹(電源、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)、傳減器等)

1. 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。一般說來，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)讓輪子在命令時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2. 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)和開關(guān)。這些組成一個(gè)換向器來通過旋轉(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)。

步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)就像沒有電刷的直流或交流電機(jī)。它通過按順序(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，它不會(huì)只在命令時(shí)旋轉(zhuǎn)，還能夠以任意的“步/每秒”(最高到它的最大速度)的速度旋轉(zhuǎn)。

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)用于無線電控制的飛機(jī)和汽車。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)。

3.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)來拉動(dòng)鏈條。

滑輪和皮帶： 滑輪和皮帶是機(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。滑輪是輪緣有凹槽的輪子，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，不過沒有鏈條。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。

4.電源

電源一般通過兩種電池提供。一次電池使用過一次就被丟棄;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型和形式的電池。電池按化學(xué)反應(yīng)和規(guī)格分類，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。請(qǐng)參閱表 1 了解電池規(guī)格。

機(jī)器人平臺(tái)靠兩組獨(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。

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)，物理地閉合開關(guān)。例如

MOSFET，它是高效率的硅開關(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-effect 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。

5.傳感器

機(jī)器人根據(jù)瞬間測(cè)量作出反應(yīng)，這需要不同種類的傳感器。

多數(shù)系統(tǒng)中對(duì)時(shí)間的感知是通過電路和編程中內(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。

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)量有沒有相當(dāng)多的紅外線返回。

碰撞和觸角傳感器： 另一類常見的機(jī)器人感知是觸覺的，或基于觸摸的，用碰撞和觸角來完成。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。

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)?？梢圆恍枰獠坎考湍苓\(yùn)行，一般只需要一個(gè)外部晶體或振蕩器。

微控制器有四個(gè)基本方面：速度、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獨(dú)立的內(nèi)存。

微控制器的第四個(gè)方面就作為“其它”來講了，它包括諸如專用的輸入設(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)器也通過微控制器掌握要執(zhí)行哪條命令。

R/C 伺服電動(dòng)機(jī)：

用于無線電控制模型(汽車、飛機(jī)等)的伺服電動(dòng)機(jī)在很多種較小的機(jī)器人中很有用，因?yàn)樗o湊而且相當(dāng)便宜。伺服電動(dòng)機(jī)本身有內(nèi)建的電動(dòng)機(jī)、變速箱、位置反饋機(jī)制和控制電路。標(biāo)準(zhǔn)的無線電控制伺服電動(dòng)機(jī)在航模、車模、船模中使用，可用來制作手臂、腿和其它來回移動(dòng)而不是轉(zhuǎn) 圈的機(jī)械附屬肢體。