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1、一、機器人硬件系統(tǒng)一、機器人硬件系統(tǒng)主講：高順強主講：高順強主講：高順強主講：高順強E-mailE-mail：11、車模及配件2、微型電機 直流（減速）電機、舵機、步進電機、伺服電機 有刷電機、無刷電機錄錄目目2 機器人一般由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機械等組成。執(zhí)行機構(gòu)機器人本體（手臂、腿、頭）驅(qū)動裝置電機檢測裝置傳感器控制系統(tǒng)單片機復(fù)雜機械機器人基本結(jié)構(gòu)3零零車模及配件1、坦克式RP545車模參數(shù)尺寸：180mm*135mm*58mm（長*寬*高）工作電壓：7.2V(我們使用12V達到更好效果)工作電流：160180mA最大速度：30cm/s爬坡能力：30有效載重：7.5
2、Kg62、三輪式萬向輪7固定孔減速電機固定支架83、四驅(qū)式19輪子連軸器固定支架減速電機螺絲螺帽10根據(jù)電機軸徑不同選不同的聯(lián)軸器11有一個可供固定的平面12裝配模型134、四驅(qū)式2145、四驅(qū)式3156、飛思卡爾 車模1我的飛思卡爾之殤！直流電機，無減速箱16車模及零配件購買途徑：淘寶店：北京易學通、大谷教育機器人、北京芯拓未來科技，各類機器人模型店、航模店實體店：漢口前進四路17一一微型電機 在“機器人”設(shè)計中，我們用到的電機主要有以下幾種：1、直流（減速）電機2、舵機3、步進電機4、伺服電機18直流減速電機直流電機是一個馬達，通電后轉(zhuǎn)速少則幾百轉(zhuǎn)/分，高的就上萬轉(zhuǎn)，在這種情況下，電機的轉(zhuǎn)
3、矩很小，帶不動重的東西，這時就需要減速器了，微型直流電機加上減速器這個整體叫微型直流減速電機，這種電機可以把轉(zhuǎn)速降下來，到幾十-零點幾轉(zhuǎn)/分，可任意調(diào)整，而且力矩很大力矩很大。舉個通俗的例子，電動刮胡刀，只需要微型直流電機，它的要求正好是轉(zhuǎn)速快力矩小，而對于一些升降設(shè)備比如投影儀的自動升降裝置它的要求是轉(zhuǎn)速小，力矩大，那就必須選減速電機了。19直流電機 直流電動機以其良好的啟動性和調(diào)速性能著稱。20直流電機參數(shù)工作電壓：DC12V轉(zhuǎn)速：500100rpm12V力矩：300kgt.cm12V工作電流：500mA12V211、Assigned power rating。標稱功率或額定功率。指該電機
4、系統(tǒng)設(shè)計時的理想功率也是在推薦工作情況下的最大功率。2、Nominal voltage。額定電壓或工作電壓，推薦電壓。由于一般電機可以工作在不同電壓下，但電壓直接和轉(zhuǎn)速有關(guān)，其他參數(shù)也相應(yīng)變化，所以該電壓只是一種建議電壓。其他參數(shù)也是在這種推薦的電壓下給出的。直流電機主要參數(shù)223、Stall torque 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。這個是很多要帶負載的電機的重要參數(shù)。即，在電機受反向外力使其停止轉(zhuǎn)動時的力矩。如果電機堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，則會損壞電機，或燒壞驅(qū)動芯片，所以大家選電機時，這是除轉(zhuǎn)速外，第一個要考慮的參數(shù)。其單位主要有N.M，有KG.M。一般其值和工作電壓的關(guān)系不是很密切，和工作電流的關(guān)系密切。不過
5、請注意，堵轉(zhuǎn)時間一長，電機溫度上升的很快，這個值也會下降的很厲害。直流電機主要參數(shù)234、Starting current。起動電流?；虺跏茧娏?。這個參數(shù)也比較重要。前面所說的轉(zhuǎn)子的慣量問題在這更加體現(xiàn)。好的電機，在同樣的加速度下，起動電流較小。而這個起動電流，對高標準的設(shè)計還是要考慮的，不然說不定起動時就會燒驅(qū)動芯片。而且這個電流往往比最大連續(xù)電流還要大出好幾倍。比如MAXON的一款，最大連續(xù)電流為6A，啟動電流則可能到達75A。直流電機主要參數(shù)24直流電機主要參數(shù)5、Max continuous current。最大連續(xù)電流。這個電流主要指在有反向外力時，比如有負載時出現(xiàn)的電流。這也是個要
6、考慮的參數(shù)。一般這個電流和電壓的乘積小于額定功率，并不是說該電機就是有一個損耗比，而是長時間在大電流情況下工作，如額定功率下，會導(dǎo)致溫度升高，直接的后果就是電阻增加，效率下降，并導(dǎo)致整體性能下降，而且有可能損壞設(shè)備。6、No load speed?？辙D(zhuǎn)速，或空載轉(zhuǎn)速。單位是RPM。revolutions per minute 每分鐘轉(zhuǎn)多少圈。25直流電機其他參數(shù)7、Max continuous torque。最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩。8、No load current?？蛰d電流或空轉(zhuǎn)電流。9、Terminal resistance,電機電阻。10、Max permissible speed 最大允許轉(zhuǎn)速。
7、轉(zhuǎn)速是由電壓控制，出現(xiàn)這種情況一般在兩種情況下發(fā)生。11、Max power output at norminal voltage。在額定電壓下的最大輸出功率。12、Max efficiency。最大效率。13、Torque constant.轉(zhuǎn)矩常數(shù)。這里不是靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的意思。單位是N.M/A等等。即每A或毫安下的轉(zhuǎn)矩值。2614、Speed constant。速度常數(shù)，即RPM/V，每升高1V，轉(zhuǎn)速增加多少。15、Mechanical time constant。機械時間常數(shù)。是啟動到正常轉(zhuǎn)速的63%的時間（這是MAXON的標準）。16、rotor inertia 轉(zhuǎn)子慣量。17、Termi
8、nal inductance 電機電感。18、thermal resistance housing-ambient 電機外殼到環(huán)境的熱阻抗。19、thermal resistance rotor-housing 轉(zhuǎn)子到機殼的熱阻抗。20、thermal time constant winding 繞組的熱時間常數(shù) 就是繞組溫度改變的時間。單位是/s27舵機工作原理工作原理-由單片機發(fā)出訊號給舵機，經(jīng)由電路板上的IC判斷轉(zhuǎn)動方向，再驅(qū)動無核心馬達開始轉(zhuǎn)動，透過減速齒輪將動力傳至擺臂，同時由位置檢測器送回訊號，判斷是否已經(jīng)到達定位。位置檢測器其實就是可變電阻，當舵機轉(zhuǎn)動時電阻值也會隨之改變，由檢測
9、電阻值便可知轉(zhuǎn)動的角度。28大力矩舵機微型舵機標準舵機29舵機是個糅合了多項技術(shù)的科技結(jié)晶體，它由直流電機、減速齒輪組、傳感器和控制電路組成，是一套自動控制裝置。30自動控制就是用一個閉環(huán)反饋控制回路不斷校正輸出的偏差，使系統(tǒng)的輸出保持恒定。我們在生活中常見的恒溫加熱系統(tǒng)就是自動控制裝置的一個范例，其利用溫度傳感器檢測溫度，將溫度作為反饋量，利用加熱元件提輸出，當溫度低于設(shè)定值時，加熱器啟動，溫度達到設(shè)定值時，加熱器關(guān)閉，這樣不就使溫度始終保持恒定了嗎。自動控制自動控制31舵機中的自動控制原理32位置檢測器是它的輸入傳感器，舵機轉(zhuǎn)動的位置一變，位置檢測器的電阻值就會跟著變。通過控制電路讀取該電
10、阻值的大小，就能根據(jù)阻值適當調(diào)整電機的速度和方向，使電機向指定角度旋轉(zhuǎn)。33舵盤舵盤 舵機有一個三線的接口。黑色（或棕色）的線是接地線，紅線接電源電壓，黃線（或是白色或橙色）接控制信號端。34脈沖控制舵機的原理占空比改變舵機轉(zhuǎn)軸的位置35舵機控制脈沖的參數(shù)有的舵機1ms-2ms3637舵機的技術(shù)規(guī)格 有外形尺寸(mm)、重量(g)、扭力(kg/cm)、速度(秒/60)、測試電壓(V)等技術(shù)參數(shù)。扭力扭力 扭力的單位是 kg/cm，意思是在擺臂長度1公分處，能吊起幾公斤重的物體。速度速度 速度的單位是 sec/60，意思是舵機轉(zhuǎn)動 60所需要的時間。38電壓會直接影響舵機的性能。例如 Futab
11、a S-9001 在4.8V時扭力為3.9kg/cm、速度為0.22 秒/60，在6.0V時扭力為5.2kg/cm、速度為0.18 秒/60。39步進電機40步進電機步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于控制信號頻率和脈沖數(shù)。脈沖數(shù)越多，電機轉(zhuǎn)動的角度越大。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。脈沖數(shù)越多，電機轉(zhuǎn)動角度越大。脈沖的頻率越高電機轉(zhuǎn)速越快。但不能超過最高頻率，否則電機的力矩迅速減小，電機不轉(zhuǎn)。（工作頻率一般在幾百（工作頻率一般在幾百Hz到到1-2KHz之間）之間）41步進電機步進電機按
12、內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同分為感應(yīng)式步進電機、反應(yīng)式步進電機、混合式步進電機。目前，我們在應(yīng)用中使用到的步進電機多為混合式步進電機。軸向分相：電機各相繞組按軸向依次排列。徑向分相：電機各相繞組按圓周依次排列。42步進電機單極性？雙極性？雙極性步進電機是指：有兩個線圈，四條線。電流在兩個線圈中可以正反向流動，所以叫做雙極性。單極性步進電機是指：有兩個線圈，但是有五條或六條線，即在一個線圈的中間增加了一個抽頭，五條線的可以看成是六條線把兩個線圈的兩根中間線并在一起。因為在一個線圈的中間有了抽頭，電流就可以在一個線圈的一半走不同的流向，但這時只是用到電機線圈的一半而已。43步進電機實物內(nèi)部結(jié)構(gòu)44步進電機工作原理
13、步進電機的工作原理實際是電磁鐵的工作原理：當某相定子勵磁后，吸引離它最近的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的齒與該相定子磁極上的齒對齊，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個角度，換一相勵磁后，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)動一個角度。如此循環(huán)勵磁，轉(zhuǎn)子不停轉(zhuǎn)動。4546步進電機勵磁順序：ABCA電機逆時針旋轉(zhuǎn)勵磁順序：ACBA電機順時針旋轉(zhuǎn)改變通電順序，可改變電機運動方向。勵磁順序：ABBCCAAB勵磁順序：AABBBCCCAA半步模式47步進電機電機轉(zhuǎn)速和相序切換頻率有關(guān)，切換的越快，電機轉(zhuǎn)得越快。電機轉(zhuǎn)動方向和相序有關(guān)。電機轉(zhuǎn)動的每拍的角度，稱為步距角。步距角和電機的機構(gòu)有關(guān)，=360/mzk;m為定子繞組的相數(shù)，Z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，K為通電方式，K=1全步模式
14、，K=2半步模式。48步進電機上面的例子中：M=3,Z=4,k=1=360/mzk=360/(341)=30m為定子繞組的相數(shù)，Z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，K為通電方式，K=1全步模式，K=2半步模式。49步進電機的優(yōu)點1）步進電動機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比。因此,當它轉(zhuǎn)一圈后,沒有累計誤差,具有良好的跟隨性。2）由步進電動機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng),既簡單、廉價,又非?？煽?同時,它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。3）步進電動機的動態(tài)響應(yīng)快,易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。4）速度可在相當寬的范圍內(nèi)平穩(wěn)調(diào)整,低速下仍能獲得較大轉(zhuǎn)距,因此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負載。5）步進電機只能通過
15、脈沖電源供電才能運行,不能直接使用交流電源和直流電源。6）步進電機存在振蕩和失步現(xiàn)象,必須對控制系統(tǒng)和機械負載采取相應(yīng)措施。50步進電機驅(qū)動L297+L29851步進電機的問題步進電機在低頻工作時,會有振動大、噪聲大的缺點。如果使用細分方式,就能很好的解決這個問題,步進電機的細分控制,從本質(zhì)上講是通過對步進電機勵磁繞組中電流的控制,使步進電機內(nèi)部的合成磁場為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場,從而實現(xiàn)步進電機步距角的細分,一般情況下,合成磁場矢量的幅值決定了步進電機旋轉(zhuǎn)力矩的大小,相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小,步進電機半步工作方式就蘊涵了細分的工作原理。52步進電機細分驅(qū)動TA84355
16、31、減小低頻振動2、提高步進精度TI公司產(chǎn)品：細分驅(qū)動器DRV8825細分驅(qū)動的優(yōu)點54伺服電機在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。55伺服電機工作原理伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實現(xiàn)位移，因為，伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位，可以達到0.001mm。檢測裝置：編碼器檢
17、測裝置：編碼器56增量式角度編碼器57增量式角度編碼器58增量式旋轉(zhuǎn)編碼器工作原理增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，軸的每圈轉(zhuǎn)動，增量型編碼器提供一定數(shù)量的脈沖。周期性的測量或者單位時間內(nèi)的脈沖計數(shù)可以用來測量移動的速度。如果在一個參考點后面脈沖數(shù)被累加，計算值就代表了轉(zhuǎn)動角度或行程的參數(shù)。雙通道編碼器輸出脈沖之間相差為90度。能使接收脈沖的電子設(shè)備接收軸的旋轉(zhuǎn)感應(yīng)信號，因此可用來實現(xiàn)雙向的定位控制；另外，三通道增量型旋轉(zhuǎn)編碼器每一圈產(chǎn)生一個稱之為零位信號的脈沖。59絕對值角度編碼器60絕對值角度編碼器工作原理絕對值編碼器為每一個軸的位置提供一個獨一無二的編碼數(shù)字值。特別是在定位控制應(yīng)用中，絕對值編碼器減輕了
18、電子接收設(shè)備的計算任務(wù)，從而省去了復(fù)雜的和昂貴的輸入裝置：而且，當機器合上電源或電源故障后再接通電源，不需要回到位置參考點，就可利用當前的位置值。單圈絕對值編碼器把軸細分成規(guī)定數(shù)量的測量步，最大的分辨率為13位，這就意味著最大可區(qū)分8192個位置+多圈絕對值編碼器不僅能在一圈內(nèi)測量角位移，而且能用多步齒輪測量圈數(shù)。多圈的圈數(shù)為12位，也就是說最大4096圈可以被識別。總的分辨率可達到25位測量步數(shù)。并行絕對值旋轉(zhuǎn)編碼器傳輸位置值到電子測量裝置可通過幾根電纜并行傳送，為減少連線，現(xiàn)在多采用總線技術(shù)進行傳輸。61步進電機和伺服電機的區(qū)別一、控制精度不同一、控制精度不同 兩相混合式步進電機步距角一般
19、為3.6、1.8，五相混合式步進電機步距角一般為0.72、0.36。也有一些高性能的步進電機步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機床的步進電機，其步距角為0.09；德國百格拉公司（BERGER LAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、0.036，兼容了兩相和五相混合式步進電機的步距角。交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機為例，對于帶標準2500線編碼器的電機而言，由于驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當量為360/10000=0.036。對于帶17位編碼器的
20、電機而言，驅(qū)動器每接收217=131072個脈沖電機轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當量為360/131072=9.89秒。是步距角為1.8的步進電機的脈沖當量的1/655。62二、低頻特性不同二、低頻特性不同 步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負載情況和驅(qū)動器性能有關(guān)，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉(zhuǎn)非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機上加阻尼器，或驅(qū)動器上采用細分技術(shù)等。交流伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足
21、，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調(diào)整。步進電機和伺服電機的區(qū)別63三、矩頻特性不同三、矩頻特性不同 步進電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。步進電機和伺服電機的區(qū)別64四、過載能力不同四、過載能力不同 步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負載
22、在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。步進電機和伺服電機的區(qū)別65五、運行性能不同五、運行性能不同 步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。步進電機和伺服電機的區(qū)別66六、速度響應(yīng)性能不同六、速度響應(yīng)性
23、能不同 步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下MSMA 400W交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。步進電機和伺服電機的區(qū)別67有刷電機、無刷電機的區(qū)別 有刷電機成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定。控制復(fù)雜，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機
24、免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。68有刷電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)69問題如何克服兩相混合式步進電機在低速運轉(zhuǎn)時的振動和噪聲?步進電機低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲大是其固有的缺點，一般可采用以下方案來克服：A.如步進電機正好工作在共振區(qū)，可通過改變減速比等機械傳動避開共振區(qū)；B.采用帶有細分功能的驅(qū)動器，這是最常用的、最簡便的方法；C.換成步距角更小的步進電機，如三相或五相步進電機；D.換成交流伺服電機，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本較高；E.在電機軸上加磁性阻尼器，市場上已有這種產(chǎn)品，但機械結(jié)構(gòu)改變較大。701、直流（減速）電機工作電壓，起步電流，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，溫度2、舵機自動控制，4V6V，50Hz，0.52.5ms,轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩3、步進電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)，頻率126-12K，低頻振動，失步3、伺服電機編碼器優(yōu)點71
智能小車設(shè)計1機器人硬件系統(tǒng)
