移動機(jī)器人學(xué) 課件第三章 移動機(jī)器人硬件機(jī)構(gòu)

華南理工大學(xué)自動化科學(xué)與工程學(xué)院《移動機(jī)器人學(xué)》

華南理工大學(xué)自動化科學(xué)與工程學(xué)院第三章

移動機(jī)器人硬件機(jī)構(gòu)

3.移動機(jī)器人硬件機(jī)構(gòu)移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)主要可以分為機(jī)械硬件部分和算法軟件部分。本章著重介紹移動機(jī)器人的硬件部分，主要包括驅(qū)動方式、傳感器類型、電機(jī)類型以及激光雷達(dá)。移動機(jī)器人的驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要分為液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電驅(qū)動三種。傳感器包括電動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、測距傳感器和視覺傳感器三種。電機(jī)分為直流電機(jī)和交流電機(jī)兩大類。直流電機(jī)包括電磁式、永磁式以及無刷電機(jī)。激光雷達(dá)根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)可以分為多種形式。履帶式輪式四足式雙足式移動機(jī)器人行駛機(jī)構(gòu)3.移動機(jī)器人硬件機(jī)構(gòu)不同行駛機(jī)構(gòu)特點履帶式：牽引力大、不易打滑，具有優(yōu)越的越野性能?？梢院芎玫剡m應(yīng)復(fù)雜多變的野外環(huán)境，執(zhí)行各種任務(wù)。它的轉(zhuǎn)彎半徑更小，更加靈活。輪式：移動速度快、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，特別適用于平坦路面和室內(nèi)環(huán)境。然而，輪式移動機(jī)器人的地形適應(yīng)性相對較差，遇到崎嶇不平的地形或障礙物時容易受限，越障能力有限。足式：具有明顯的非連續(xù)支撐特點，能夠跨越崎嶇復(fù)雜的地形，兼顧靈活性、越障、多地形自適應(yīng)等特點因此具備在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的應(yīng)用潛力。3.移動機(jī)器人硬件機(jī)構(gòu)3.1驅(qū)動方式驅(qū)動部分是機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，機(jī)器人常用的驅(qū)動形式主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電驅(qū)動三種基本類型。3.1.1液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動技術(shù)的特點液壓驅(qū)動是以高壓油作為介質(zhì)，具有體積小、功率質(zhì)量比大、驅(qū)動平穩(wěn)、系統(tǒng)固有效率高和快速性好的優(yōu)點。液壓驅(qū)動調(diào)速簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)速。然而，由于高壓系統(tǒng)存在漏油的風(fēng)險，影響工作穩(wěn)定性、定位精度并污染環(huán)境，因此需要良好的維護(hù)來保證系統(tǒng)的可靠性。3.1.1液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動技術(shù)的工作原理液壓驅(qū)動在機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用基于帕斯卡定律，即液體能夠在密閉系統(tǒng)中等值傳遞壓強(qiáng)。在機(jī)器人系統(tǒng)中，液壓驅(qū)動裝置通常由液壓泵、液壓缸、控制閥和管路等組成。液壓泵加壓后，將液體輸送到液壓缸，推動內(nèi)部活塞運(yùn)動，從而實現(xiàn)機(jī)器人動作的精準(zhǔn)控制。3.1.1液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動在機(jī)器人系統(tǒng)中的優(yōu)勢高功率密度：在較小體積內(nèi)產(chǎn)生較大驅(qū)動力，適合重負(fù)載任務(wù)。緩沖性能好：有效減小沖擊與振動，提升運(yùn)動平穩(wěn)性與精度。環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)：可在高溫、低溫、潮濕等惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作。3.1.1液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)液體泄漏：可能導(dǎo)致環(huán)境污染和性能下降。溫度敏感性：極端溫度條件下可能影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。液壓驅(qū)動技術(shù)未來發(fā)展方向為克服這些問題，研究者們正在開發(fā)新型密封材料和溫控技術(shù)，以提高液壓系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。同時，隨著科技的進(jìn)步，液壓泵、液壓缸和控制閥等部件不斷優(yōu)化升級，為機(jī)器人系統(tǒng)提供更高效的動力支持。此外，智能化和自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用也使液壓驅(qū)動機(jī)器人更好地適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境和任務(wù)需求。3.1.1液壓驅(qū)動3.1.2氣壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動技術(shù)概述氣壓驅(qū)動是所有驅(qū)動方式中最簡單的一種，使用的壓強(qiáng)通常在0.4～0.6MPa，最高可達(dá)1MPa。雖然氣壓伺服實現(xiàn)高精度較為困難，但在滿足精度要求的情況下，氣壓驅(qū)動是最小質(zhì)量、最低成本的驅(qū)動方式。氣壓驅(qū)動技術(shù)的工作原理3.1.2氣壓驅(qū)動基于氣體在密閉空間內(nèi)傳遞壓強(qiáng)和能量的特性，通過壓縮氣體在管道中的流動產(chǎn)生驅(qū)動力，驅(qū)動機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)動作。機(jī)器人系統(tǒng)中常包含氣壓缸，氣體通過管道進(jìn)入氣壓缸，推動活塞運(yùn)動，進(jìn)而實現(xiàn)機(jī)器人動作。通過精確調(diào)控氣體的流量和壓力，可以實現(xiàn)對機(jī)器人運(yùn)動速度、力量和方向的精準(zhǔn)控制。氣壓驅(qū)動在機(jī)器人系統(tǒng)中的優(yōu)勢響應(yīng)速度快：在需要快速響應(yīng)的場合，表現(xiàn)出色。結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便：降低了系統(tǒng)使用成本。安全性高：氣體傳播速度較快，一旦發(fā)生故障可以迅速切斷氣源，避免繼續(xù)執(zhí)行危險動作。3.1.2氣壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)功率質(zhì)量比小，裝置體積大。精度較低，穩(wěn)定性差：氣體的可壓縮性使得氣壓驅(qū)動的機(jī)器人在進(jìn)行精確定位時存在困難。受環(huán)境因素影響：氣體壓力易受到溫度等因素的影響，需要精確調(diào)控和補(bǔ)償。3.1.2氣壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動技術(shù)未來發(fā)展方向為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，研究者正在致力于提升氣壓驅(qū)動系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性，并開發(fā)更先進(jìn)的氣體控制技術(shù)。隨著材料科學(xué)和制造工藝的進(jìn)步，新型氣動元件和密封材料不斷涌現(xiàn)，氣壓驅(qū)動機(jī)器人在未來將展現(xiàn)更強(qiáng)的智能化、自主性和適應(yīng)性，能夠在更多復(fù)雜環(huán)境和任務(wù)中發(fā)揮重要作用。3.1.2氣壓驅(qū)動3.1.3電驅(qū)動電驅(qū)動技術(shù)概述電驅(qū)動是目前機(jī)器人中使用最廣泛的一種驅(qū)動方式。通過調(diào)節(jié)電動機(jī)的電流、電壓和頻率等參數(shù)，可以實現(xiàn)對機(jī)器人運(yùn)動速度、加速度和方向的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。電驅(qū)動技術(shù)的工作原理電驅(qū)動的工作原理主要依賴于電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。電動機(jī)通過電磁場相互作用，將電能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。機(jī)器人系統(tǒng)中的電動機(jī)通常與傳動機(jī)構(gòu)（如減速器、聯(lián)軸器等）連接，用以實現(xiàn)對機(jī)器人關(guān)節(jié)或執(zhí)行器的精確控制。3.1.3電驅(qū)動氣壓驅(qū)動在機(jī)器人系統(tǒng)中的優(yōu)勢高響應(yīng)速度與精度：電驅(qū)動可以實現(xiàn)高精度的控制，特別適用于需要快速響應(yīng)和高精度任務(wù)的場景。結(jié)構(gòu)緊湊、效率高：電驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，能夠提升機(jī)器人的整體性能。良好的兼容性與集成性：電驅(qū)動能夠與各種傳感器、控制器和執(zhí)行器無縫集成，推動機(jī)器人系統(tǒng)的智能化與自動化。3.1.3電驅(qū)動電驅(qū)動技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)散熱問題：電動機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生大量熱量，必須有效散發(fā)以保證穩(wěn)定性和壽命。電源穩(wěn)定性要求高：電驅(qū)動系統(tǒng)對電源的穩(wěn)定性要求較高，必須采取措施應(yīng)對電壓波動和電磁干擾。3.1.3電驅(qū)動電驅(qū)動技術(shù)未來發(fā)展方向為解決這些問題，研究者們正在開發(fā)新型散熱技術(shù)、優(yōu)化電源管理策略并提高系統(tǒng)的抗干擾能力。隨著新材料、新工藝的應(yīng)用，以及智能化算法和人工智能技術(shù)的引入，電驅(qū)動機(jī)器人將在速度、力量、精度等方面取得顯著進(jìn)步，具備更強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)和決策能力。未來，電驅(qū)動機(jī)器人將更加智能化、自主化，與人類緊密合作，適應(yīng)更復(fù)雜的工作環(huán)境和需求。3.1.3電驅(qū)動移動機(jī)器人傳感器簡介傳感器的分類：簡單值測量：如溫度、電動機(jī)轉(zhuǎn)速等。環(huán)境感知：獲取環(huán)境信息或全局位置。傳感器功能軸分類：本體感受的/外感受的。被動/主動。重要性：提取環(huán)境特征對機(jī)器人適應(yīng)未預(yù)料的環(huán)境至關(guān)重要。3.2移動機(jī)器人傳感器本體感受傳感器與光學(xué)編碼器本體感受傳感器：測量內(nèi)部值：電動機(jī)速度、關(guān)節(jié)角度、電池電壓等。光學(xué)增量編碼器：基本原理：光振子產(chǎn)生正弦波，轉(zhuǎn)換成方波測量角速度與位置。分辨率：CPR（周期數(shù)），工業(yè)級高達(dá)10000CPR。優(yōu)點：高分辨率、高精度，適應(yīng)內(nèi)部環(huán)境。3.2.1本體感受傳感器與光學(xué)編碼器本體感受傳感器與光學(xué)編碼器3.2.1本體感受傳感器與光學(xué)編碼器光學(xué)增量編碼器電機(jī)角度傳感器外感受傳感器及超聲測距外感受傳感器：從環(huán)境中獲取信息（如距離、亮度、聲音等）。超聲傳感器：原理：聲波飛行時間計算物體距離。特點：有效距離：12cm～5m。準(zhǔn)確度：98%～99.1%，分辨率近2cm。局限性：錐形傳播帶來的孔徑角限制（20°～40°）。3.2.2外感受傳感器及超聲傳感器外感受傳感器及超聲測距3.2.2外感受傳感器及超聲傳感器測距傳感器亮度傳感器視覺傳感器的基本原理與功能主要功能：物體識別、定位、跟蹤、場景理解。組成部分：光學(xué)成像系統(tǒng)：目標(biāo)聚焦。圖像傳感器：光信號→電信號。圖像處理單元：提取形狀、顏色、位置等信息。性能提升：高分辨率、更快處理速度、環(huán)境適應(yīng)性。AI和深度學(xué)習(xí)增強(qiáng)圖像識別和目標(biāo)檢測。3.2.3視覺傳感器簡介視覺傳感器3.2.3視覺傳感器簡介視覺傳感器定義及工作原理:通過換向器和電刷使感應(yīng)電動勢變?yōu)橹绷麟妱觿?。利用電磁感?yīng)和電磁力驅(qū)動轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。核心結(jié)構(gòu):包括定子、轉(zhuǎn)子、換向器和電刷。優(yōu)勢:轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可調(diào)，適用于精密控制。結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便。運(yùn)行穩(wěn)定，噪聲低。不足:電刷和換向器易磨損，產(chǎn)生電火花，限制了效率和壽命。改進(jìn):新材料和工藝提高了性能及應(yīng)用領(lǐng)域。3.3.1直流式電動機(jī)直流電機(jī)結(jié)構(gòu)組成:包括定子磁極（由鐵心和勵磁繞組構(gòu)成）、轉(zhuǎn)子、電刷、換向器等。勵磁方式分類:串勵直流電動機(jī):轉(zhuǎn)矩與電流平方成正比，起動轉(zhuǎn)矩大，但空載轉(zhuǎn)速高。并勵直流電動機(jī):轉(zhuǎn)速變化小，適合恒功率調(diào)速。他勵直流電動機(jī):

轉(zhuǎn)速變化率小，可通過削弱磁場提升速度。復(fù)勵直流電動機(jī):起動轉(zhuǎn)矩高，適用于較大負(fù)載需求場合。換向器及電刷材料:采用高強(qiáng)度材料和金屬石墨電刷，增強(qiáng)耐用性。3.3.2電磁式直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)特點:定子由永磁體（如釹鐵硼）提供磁場，無需外部電力維持。工作原理:通過換向器改變電流方向，使動態(tài)電磁場與靜態(tài)磁場相互作用，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。優(yōu)勢:結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、運(yùn)行可靠。噪聲低、振動小，適合便攜設(shè)備和精密場合。不足:磁場強(qiáng)度固定，靈活性受限。高溫環(huán)境下可能退磁，影響性能和壽命。改進(jìn)方向:新材料和智能化控制技術(shù)提高了性能和可靠性。3.3.3永磁式直流電動機(jī)永磁式直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理:定子多極繞組與轉(zhuǎn)子永磁體配合，通過電子換向器控制定子電流。采用位置傳感器（如霍爾元件）實現(xiàn)電子換流，避免電刷和換向器的磨損。優(yōu)勢:高效率、高可靠性、低噪聲。無電火花問題，適合長期運(yùn)行。不足及挑戰(zhàn):控制系統(tǒng)復(fù)雜，制造成本較高。3.3.4無刷直流電動機(jī)無刷直流電動機(jī)

3.3.5交流異步電動機(jī)交流異步電動機(jī)激光雷達(dá)的構(gòu)成與工作原理:組成：激光發(fā)射器、光學(xué)接收器、GPS、IMU。工作原理：激光脈沖發(fā)射并反射→測量傳播時間，計算距離。結(jié)合高度、掃描角度和位置數(shù)據(jù)，生成三維點云圖。激光雷達(dá)的優(yōu)缺點優(yōu)點：分辨率高：可精確識別角度、距離和速度差異。隱蔽性強(qiáng)：抗干擾能力出色，方向性好。體積小、重量輕：便于部署和維護(hù)。缺點：天氣敏感：雨霧等惡劣條件下性能衰減。目標(biāo)搜索范圍有限：波束窄，截獲效率低。3.4激光雷達(dá)2D激光雷達(dá)移動機(jī)器人任務(wù):激光雷達(dá)建圖自動規(guī)劃導(dǎo)航軌跡跟蹤控制硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)底盤：差分輪式機(jī)器人，運(yùn)動穩(wěn)定靈活傳感器：激光雷達(dá)、IMU主控：工控機(jī)人機(jī)交互：擴(kuò)展接口和拓展設(shè)備支持3.5.1硬件平臺設(shè)計與選型示例硬件結(jié)構(gòu)框圖機(jī)器人底盤：機(jī)械結(jié)構(gòu)：橢圓柱體，三層設(shè)計（驅(qū)動層、感知層、承重層）驅(qū)動方式：2個驅(qū)動輪+2個萬向輪動力系統(tǒng)：RoboMaster3508直流無刷電機(jī)主控工控機(jī)：型號：研凌工控主機(jī)（i5-7200U，16GB內(nèi)存，256GBSSD）功能：感知處理、決策控制，支持多串口通信底層控制板：型號：RoboMaster開發(fā)板B型功能：電機(jī)PID控制與串口通信3.5.2關(guān)鍵硬件模塊選型機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)圖主控工控機(jī)底層控制板激光雷達(dá)