任務(wù)4 構(gòu)建輪式移動機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)

根據(jù)驅(qū)動源的不同，驅(qū)動系統(tǒng)可分為電動、液壓、氣動和三種方式結(jié)合的綜合應(yīng)用等。驅(qū)動系統(tǒng)可以與機(jī)械系統(tǒng)直接相連，也可通過同步帶、鏈條、齒輪傳動裝置等與機(jī)械系統(tǒng)間接相連。

1.驅(qū)動方式的選擇

對于輪式機(jī)器人，電動驅(qū)動當(dāng)然是首選的方案，電機(jī)直接或間接驅(qū)動輪子，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。電機(jī)的選擇對機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響明顯，并且對于小車的運動靈活性也起著關(guān)鍵作用。

液壓驅(qū)動系統(tǒng)一般體積及質(zhì)量較大，且噪聲大，在智能移動機(jī)器人上使用較少，但好處是驅(qū)動動力源較少且驅(qū)動扭矩大。

氣動驅(qū)動方式一般需要儲氣罐，在應(yīng)用時需要考慮。目前在RoboCup中型組足球機(jī)器人上應(yīng)用較多的是利用氣動來實現(xiàn)可控踢球，工作期間需要補(bǔ)充壓縮空氣，好處是可以不斷進(jìn)行補(bǔ)充，可以和電機(jī)驅(qū)動輪方式配合使用。

2.不同電機(jī)類型的選擇

移動機(jī)器人常用的驅(qū)動電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)、普通直流電機(jī)和直流伺服電機(jī)等。

步進(jìn)電機(jī)一般作為開環(huán)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有時也用于閉環(huán)伺服系統(tǒng)，它是一種將脈沖電信號轉(zhuǎn)換為角位移或直線位移的D/A轉(zhuǎn)換裝置。按照輸出位移的不同，步進(jìn)電機(jī)可分為回轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)和直線式步進(jìn)電機(jī)，移動機(jī)器人一般采用回轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)輸出角度精度高，無積累誤差，慣性小，容易實現(xiàn)位置、速度控制，啟、停及正、反轉(zhuǎn)控制方便。步進(jìn)電機(jī)的缺點是同樣功率下的質(zhì)量比伺服電機(jī)大，體積也大。但步進(jìn)電機(jī)是開環(huán)控制，無須測速器件，減少了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性。

角度舵機(jī)的控制方式為控制信號由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。其內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms、脈沖寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動芯片并決定電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動一定角度時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。此種舵機(jī)一般用于機(jī)器人的角度控制，如類人機(jī)器人關(guān)節(jié)角度控制，選型的依據(jù)主要是其驅(qū)動扭矩、供電電壓等，但一般驅(qū)動力矩不大。

連續(xù)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)的控制方式與角度方式類似，差別是獲得的電壓差會產(chǎn)生與其對應(yīng)的速度差，可連續(xù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，一般用于小型的教育機(jī)器人。

普通直流電機(jī)由于其控制方式簡單且成本低，在智能移動機(jī)器人上也偶爾用到，但較難進(jìn)行精確的速度及位置控制。

直流伺服電機(jī)在智能移動機(jī)器人上應(yīng)用較多，其功重比大，啟動轉(zhuǎn)矩大，過載能力好，速度快，可分為有刷直流伺服電機(jī)和無刷直流伺服電機(jī)，一般可通過測速傳感器及光電編碼器進(jìn)行反饋，可搭配不同類型的減速器，從而獲得較大的扭矩及合理的速度，目前市場上此類電機(jī)類型較多。

3.直流伺服電機(jī)的選型

為了方便控制，可以選擇DC12V～DC80V范圍內(nèi)的直流伺服電機(jī)，一般DC24V電機(jī)應(yīng)用較多。

電機(jī)是一種高轉(zhuǎn)速、小力矩的驅(qū)動裝置，而機(jī)器人通常要求低轉(zhuǎn)速、大力矩，因此常用行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)或其他傳動機(jī)構(gòu)減速器來完成速度和力矩的變換與調(diào)節(jié)。另外，在選擇伺服電機(jī)時也需要考慮功重比、外形尺寸、力矩、價格等多重因素。

如RoboCup中型組足球機(jī)器人，選用90W鷗鵬空心杯直流伺服電機(jī)，該電機(jī)自帶500P/R的光電式增量編碼器，電機(jī)慣量很小，適合頻繁正反轉(zhuǎn)驅(qū)動類型機(jī)器人的需要，在機(jī)器人航位推測及其自定位中起著重要的作用。而減速器采用精密行星齒輪，減速比通常有18:1和14:1可選。

4.驅(qū)動輪的選型

（1）輪徑：在不影響加速特性的前提下，盡量選取大輪徑以獲得更高的速度。

（2）材料：盡量選擇橡膠或人造橡膠，以獲得更好的抓地摩擦力和減振性，且在絕大多數(shù)場合都可以使用。

（3）寬度：合理范圍內(nèi)可以獲得較好的靜摩擦力，防止輪子打滑，但不宜太大，否則機(jī)器人運行時地面摩擦阻力會加大。

（4）空心/實心：輪徑較大時，盡量選取空心輪以減小輪子重量。

（5）在使用全向輪時，盡量選用徑向跳動小的輪子，以減小機(jī)器人的振動。

5.選擇合理的驅(qū)動輪布局結(jié)構(gòu)

通過前幾節(jié)的關(guān)于機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)的知識我們知道，對于一些運動控制功能要求不高的移動機(jī)器人，可選擇兩輪差動驅(qū)動方式，其結(jié)構(gòu)簡單且成本低，易于實現(xiàn)。而對于諸如RoboCup足球機(jī)器人系統(tǒng)而言，則需要采用三輪或四輪全向移動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)其運動功能，以達(dá)到運動靈活、反應(yīng)速度快等要求，盡管結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本也要增加不少。