机器人学导论第6章1

第6章驱动控制机器人的子系统主要包括：1处理子系统工作环境、人、将执行的任务环境、其它机器人及工作运动单元；2规划子系统概念的形成、传感信息处理及集成、世界模型的建立、任务模型建立及规划、轨迹规划、避碰、夹持规划等。3控制子系统力学模型、处理模型、坐标传递、开闭环控制等。4电气子系统电机、计算机、接口、传感器、动力源等；5机械子系统机械臂、手爪、腕、移动车、驱动器、连杆、关节、齿轮、齿条、链条等；6传感子系统内部的：位置、速度、加速度、力、力矩等；外部的：视觉、接触觉、声觉、化学等。机器人各子系统主要功能为：1处理子系统将机器人执行的任务细化成一系列机器人所能够执行的步骤。2规划子系统包含建模、理解处理和规划智能处理过程。在建模阶段，来自传感器的数据用该任务的数学模型融合并形成一个参考模型。使用这个参考模型，理解处理阶段选择策略以执行该任务。规划阶段将这些策略转换成机器人控制程序。3控制子系统执行上述转换的程序。4电气子系统对于电动驱动器，将来自控制子系统的驱动器数据输入给电气子系统。而一般的液压和气动驱动器一般是由电动控制阀控制，也可以用电动驱动器控制方法实现。这个子系统也包含计算机、接口和动力源。5机械子系统这些驱动器驱动机械子系统中的机构以使该机器人在一定环境下工作并完成给定的任务。6传感子系统机器人和环境参数由传感子系统监测。传感器信息被用于控制回路的反馈控制，探测危险环境、确定任务是否被正确执行等。§6.1机器人机械系统及构成（一）机器人操作臂模仿人类手臂运动的操作器叫做关节臂。关节臂中所有的关节都是转动关节。如图所示的PUMA机器人就是一种最为普通的关节臂。（二）腕部结构机器人手臂具有3个自由度以到达空间任意位置，为了描述完整的空间姿态，要求手腕也要有3个自由度以实现空间任意姿态。典型的3自由度旋转式机器人手腕类似于人的手，通常用航海术语描述：ROLL(滚动)；PITCH(俯仰)；YAW(偏转)。手腕中很少采用滑动关节。由于手腕设计的复杂性，许多低价值的机器人手腕只有两个自由度。典型两个自由度的手腕由圆锥差动齿轮组成，它可以完成ROLL(滚动)、PITCH(俯仰)两个动作。Mini-Mover5机器人臂的2自由度腕HobertMotoman机器人腕CincinnatiMilacron机器人腕T3由于手腕设计的复杂性，许多低价值的机器人手腕只有两个自由度。典型两个自由度的手腕由圆锥差动齿轮组成，它可以完成ROLL(滚动)、PITCH(俯仰)两个动作。Mini-Mover5机器人臂的2自由度腕HobertMotoman机器人腕CincinnatiMilacron机器人腕T3IBM7665机器人腕结构Puma机器人腕CincinnatiMilacron机器人腕（三）末端执行器工业机器人的夹持器（末端执行器）可以粗略地比作人的手，最简单的夹持器是一个带有绕一个公共轴转动的两个手爪的钳子，当这样两个手爪相距较近且当（1）所夹持的物体要求一定压力以保持物体不致掉落下来；（2）对于多指手爪，每一个与物体接触的关节与物体间都要产生一个作用力，所有作用于夹持物体上的合力等于零—多指手爪夹持物体的基本判断准则。末端执行器关键部件：（1）末端工具；（2）手爪快速更换装置；（3）控制功能部分。齿轮齿条平行手爪夹持器柔性工具连接器§6.2驱动器1驱动器的概念如果连杆及关节相当于人的骨骼，那么驱动器相当于人体肌肉，它通过移动或转动连杆来改变机器人的构型。2驱动器的特征足够的功率、轻便、经济、精确、灵敏、可靠且便于维护。3常用驱动器电动机、伺服电机、步进电机、直接驱动电动机、液压驱动器、气动驱动器、形状记忆金属驱动器、磁致伸缩驱动器。6.2.1驱动系统的性能（一）重量、功率-重量比和工作压强驱动系统的重量及功率-重量比至关重要，我们可以利用功率/重量来评价一个驱动系统。气动系统的功率-重量比最低电子系统的功率-重量比属中等水平同样功率情况下，步进电机通常比伺服电机重，具有较低的功率-重量比（电机压力越高，功率-重量比也越高）。液压系统具有最高的注意：对液压系统，重量由液压驱动器和液压功率源两部分（驱动器起到驱动机器人关节的作用，而后者起到提供能量的作用）组成。同时对于液压系统来说，工作压强越高，功率越大，维护越困难，越易产生危险。（二）刚度和柔性定义刚度是材料对抗变形的阻抗，柔度正好与之相对。刚度越大，使它变形所需的负载越大，柔性越大，在负载作用下越容易变形。影响刚度和柔度的因素弹性模量越大，刚度越大。如液压系统弹性模量大，刚性好；气动系统很容易压缩，柔性好。对系统的影响刚性系统对变化负载和压力响应快，精度高，在负载作用下弯曲或变形小，对位置保持精度高。但刚性系统易损坏。我们必须在这两个矛盾的性能之间进行平衡。（三）减速齿轮的使用液压活塞只做很小的移动便可输出全部的力。因此没有必要用减速齿轮链来增大力矩并使操作速度降低。因此，将驱动装置直接安装在机器人连赶上，就能简化设计、降低系统重量和成本、降低关节的转动惯量和间隙、提高系统的可靠性和降低噪声。电机通常以很高速度旋转，显然人们不希望机器臂的速度也这么高，因此必须设置减速齿轮。同时也增加了成本和零件数，以及间隙和旋转体的转动惯量。而且因为连杆可以转动很小的角度，因此使用齿轮也增加了系统的分辨率。我们假设通过一组减速比为N的减速齿轮将惯量为的负载连在惯量（包括减速齿轮的惯量)的电机上，如下图所示：lImI电机及负载上的力矩及速度比为：mlmlmlNNNTT11以及列出系统的力矩平衡方程，可得：mlmlmmmmlllmmmmlmmmmmbINbIbINbITNbITl21)(11式中和分别为电机和负载的粘性摩擦系数。从方程可以看出，负载在电机轴上的有效转动惯量与减速比的平方成反比，即：mblbmllIINIINI2211总有效以及因此，电机仅“感觉到”负载实际惯量的一部分。例如，假设关节使用了减速比为10的减速器，那么折合到电机轴上的转动惯量仅为实际转动惯量1/100，因此电机可以快速加速。在直接驱动系统中，无论是电气驱动还是液压驱动，电机都必须承受全部惯性负载。当减速比很大时，可以忽略机器人控制系统中负载转动惯量的影响。例如下图所示，一电机连接到一质量均匀分布的机械臂上，在机械臂末端有一集中质量块，该电机的转子转动惯量为，最大力矩为。忽略系统中减速齿轮对的惯量和粘性摩擦，分别对减速比为：(a)3,(b)30两种情况，计算折算到电机轴上的总惯量和可能达到的最大角速度。2015.0mkgmN8解：该例非常类似于机器人臂和伺服电机驱动器，该手臂和集中质量块在旋转中心上的总转动惯量为：22222222222/530/5060158.08)(/82098.08)(0158.0015.0)75.0(9001)(098.0015.0)75.0(911)(75.0)5.0)(2(5.033131sradsradITbsradITamkgbmkgIINIamkglmlmIIImmmmml最大角加速度为总总总质量臂质量臂负载总§6.3液压驱动器特点：功率-重量比高，低速时出力大，适合微处理器及电子控制，常用于极端恶劣的外部环境。存在泄漏问题，功率单元非常笨重昂贵。相关计算：直线液压缸能输出巨大的力，其大小为F=P×A磅，式中A代表活塞的有效面积，P为工作压强。例如，工作压强为1000psi，也就是液压缸每平方英寸产生1000磅的力。对于旋转液压缸，其原理是相同的，只是输出的是力矩：)(212122212121rrptdrrptdrtrpdArpTdrtdArrrrrr式中p是液体压强，t是旋转液压缸的厚度或宽度，r1和r2分别是旋转液压缸的内径和外径。液压系统中的所需液体的流速和容量为：xddtdxddtVoldQdxdVold44)(4222式中dx表示期望的位移，是期望的活塞速度。显然，通过控制流入液压缸的液体容量，就可以控制总位移。通过控制液体流入的流速，就可控制活塞的速度。伺服阀可用来控制液体的容量和速度。x液压系统的组成部分：直线或旋转液压缸和活塞——产生驱动关节的力和力矩高压液压泵——提供高压液体电机——驱动液压泵冷却系统——系统散热储液箱——储存系统所用的液体伺服阀——控制流向活塞的液量和流速安全阀——系统的安全保障连接管路——将高压液输送至活塞或流回储液箱传感器——控制控制液压缸的运动液压系统及它的组成部件示意图下图是平衡阀，也就是说两边的压强相等，于是即使它两边压强很高，也只需要很小的力就可以使滑柱运动。滑柱上下运动，就打开了注液口和回液口，根据阀门开度大小可对注入液体的流速进行控制，根据阀门开度大小可对注入液体的流速进行控制，同时也就控制了活塞速度。依据阀门打开的时间，可以控制注入液压缸的总液量，即活塞的总行程。q=Cx以及q(dt)=d(vol)=A(dy)式中q是流速，C为常数，x代表滑柱的位移，A为活塞的面积，y为活塞的位移，我们将两式联立，并设d/dt为D,则有：Cx(dt)=A(dy)和xADCy上式表明液压伺服电机是一个积分器。柱阀由伺服电机控制，伺服电机的控制指令来自于控制器，控制器通过控制伺服电机的电流大小以及电流的持续时间以达到控制滑柱位置的目的。于是，对机器人来说，当控制器计算出关节的移动量和移动速度时，控制器就设定伺服电机的控制电流和电流的持续时间，它们用来控制柱阀的位置和运动速度，也就控制了液体流动及注入液压缸的流速，进而由液压缸来驱动关节。传感器向控制器提供反馈信息以实现精确性和连续性的控制。柱阀在打开位置的示意图活塞运动方向取决于所打开的回流/柱入口下图给出了当柱阀向上或向下移动时液体的流向，可以看出，只要柱阀简单移动一下就可控制活塞的运动。如果我们在阀上增加电子或机械反馈，就可给伺服阀提供反馈。具有比例反馈液压系统方块图液压驱动的其他设计方案：1）以IBM7565机器人制造系统为例，机器人的三个线性关节分别由直线液压电机驱动。每个直线电机由一组共四个小液压活塞组成，它们沿波浪式表面按一定次序缩进或伸出。IBM7565机器人的直线液压电机2）另外一种驱动器模仿了生物肌肉，当球胆中的压力增大时，球胆变圆，使抗剪护套膨胀并变短。原理：使用压缩空气做气源驱动直线或旋转气缸，并用人工或电磁阀进行控制。特点：1）惯性负载低（压缩空气和运动的驱动器分离）2）功率-重量低（气动装置的工作压强低）主要问题：气动装置通常仅用于插入操作，驱动器要么完全向前要么完全退后，此外，气动装置也可以用在全开或全关的半自由度关节，但是要控制气缸的精确位置非常困难。§6.4气动装置原理：带电的导线放入磁场时将会产生力，力的方向垂直于由磁场和电流方向所成的平面。若导线有一旋转中心点，那么产生的转矩将使导线绕该旋转中心旋转。改变磁场或电流的方向可使它绕旋转中心连续旋转。§6.5电动机电动机类型：●直流电动机●可逆交流电动机●无刷直流电动机●步进电动机按磁场的产生分类：●永磁电机●励磁电机常见电机介绍一直流电机原理：用固定永磁体产生静止磁场，通过连续改变转子中的电流方向使转子持续旋转。反之，如果转子在磁场中旋转，则产生直流电，成为发电机。力矩计算公式：缺点：惯量高，尺寸大。为克服上述缺点，常用盘式或空心杯电机。右图所示为盘式电机rotortMIkT二交流电机原理：在直流电机的基础上将转子改为永磁体，定子内设置绕组，取消所有换向器。特点：额定转速(转子极数和电源频率的函数)、电源频率(60Hz)固定。由于其更容易散热，所以功率可以很大。三无刷直流电机交流电机和直流电机的混合体，使用开关直流波形，但不一定是60Hz。可以工作在任意速度，需要一个反馈来决定何时改变电流方向。由控制电路控制运行，若直接接在直流电源上则不会运转。四直接驱动电机在无刷直流电机或步进电机的