智能小车设计1机器人硬件系统

一、机器人硬件系统一、机器人硬件系统主讲：高顺强主讲：高顺强主讲：高顺强主讲：高顺强E-mailE-mail：11、车模及配件2、微型电机 直流（减速）电机、舵机、步进电机、伺服电机 有刷电机、无刷电机录录目目2 机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。执行机构机器人本体（手臂、腿、头）驱动装置电机检测装置传感器控制系统单片机复杂机械机器人基本结构3零零车模及配件1、坦克式RP545车模参数尺寸：180mm*135mm*58mm（长*宽*高）工作电压：7.2V(我们使用12V达到更好效果)工作电流：160180mA最大速度：30cm/s爬坡能力：30有效载重：7.5Kg62、三轮式万向轮7固定孔减速电机固定支架83、四驱式19轮子连轴器固定支架减速电机螺丝螺帽10根据电机轴径不同选不同的联轴器11有一个可供固定的平面12装配模型134、四驱式2145、四驱式3156、飞思卡尔 车模1我的飞思卡尔之殇！直流电机，无减速箱16车模及零配件购买途径：淘宝店：北京易学通、大谷教育机器人、北京芯拓未来科技，各类机器人模型店、航模店实体店：汉口前进四路17一一微型电机 在“机器人”设计中，我们用到的电机主要有以下几种：1、直流（减速）电机2、舵机3、步进电机4、伺服电机18直流减速电机直流电机是一个马达，通电后转速少则几百转/分，高的就上万转，在这种情况下，电机的转矩很小，带不动重的东西，这时就需要减速器了，微型直流电机加上减速器这个整体叫微型直流减速电机，这种电机可以把转速降下来，到几十-零点几转/分，可任意调整，而且力矩很大力矩很大。举个通俗的例子，电动刮胡刀，只需要微型直流电机，它的要求正好是转速快力矩小，而对于一些升降设备比如投影仪的自动升降装置它的要求是转速小，力矩大，那就必须选减速电机了。19直流电机 直流电动机以其良好的启动性和调速性能著称。20直流电机参数工作电压：DC12V转速：500100rpm12V力矩：300kgt.cm12V工作电流：500mA12V211、Assigned power rating。标称功率或额定功率。指该电机系统设计时的理想功率也是在推荐工作情况下的最大功率。2、Nominal voltage。额定电压或工作电压，推荐电压。由于一般电机可以工作在不同电压下，但电压直接和转速有关，其他参数也相应变化，所以该电压只是一种建议电压。其他参数也是在这种推荐的电压下给出的。直流电机主要参数223、Stall torque 堵转转矩。这个是很多要带负载的电机的重要参数。即，在电机受反向外力使其停止转动时的力矩。如果电机堵转现象经常出现，则会损坏电机，或烧坏驱动芯片，所以大家选电机时，这是除转速外，第一个要考虑的参数。其单位主要有N.M，有KG.M。一般其值和工作电压的关系不是很密切，和工作电流的关系密切。不过请注意，堵转时间一长，电机温度上升的很快，这个值也会下降的很厉害。直流电机主要参数234、Starting current。起动电流。或初始电流。这个参数也比较重要。前面所说的转子的惯量问题在这更加体现。好的电机，在同样的加速度下，起动电流较小。而这个起动电流，对高标准的设计还是要考虑的，不然说不定起动时就会烧驱动芯片。而且这个电流往往比最大连续电流还要大出好几倍。比如MAXON的一款，最大连续电流为6A，启动电流则可能到达75A。直流电机主要参数24直流电机主要参数5、Max continuous current。最大连续电流。这个电流主要指在有反向外力时，比如有负载时出现的电流。这也是个要考虑的参数。一般这个电流和电压的乘积小于额定功率，并不是说该电机就是有一个损耗比，而是长时间在大电流情况下工作，如额定功率下，会导致温度升高，直接的后果就是电阻增加，效率下降，并导致整体性能下降，而且有可能损坏设备。6、No load speed。空转速，或空载转速。单位是RPM。revolutions per minute 每分钟转多少圈。25直流电机其他参数7、Max continuous torque。最大连续转矩。8、No load current。空载电流或空转电流。9、Terminal resistance,电机电阻。10、Max permissible speed 最大允许转速。转速是由电压控制，出现这种情况一般在两种情况下发生。11、Max power output at norminal voltage。在额定电压下的最大输出功率。12、Max efficiency。最大效率。13、Torque constant.转矩常数。这里不是静态转矩的意思。单位是N.M/A等等。即每A或毫安下的转矩值。2614、Speed constant。速度常数，即RPM/V，每升高1V，转速增加多少。15、Mechanical time constant。机械时间常数。是启动到正常转速的63%的时间（这是MAXON的标准）。16、rotor inertia 转子惯量。17、Terminal inductance 电机电感。18、thermal resistance housing-ambient 电机外壳到环境的热阻抗。19、thermal resistance rotor-housing 转子到机壳的热阻抗。20、thermal time constant winding 绕组的热时间常数 就是绕组温度改变的时间。单位是/s27舵机工作原理工作原理-由单片机发出讯号给舵机，经由电路板上的IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，由检测电阻值便可知转动的角度。28大力矩舵机微型舵机标准舵机29舵机是个糅合了多项技术的科技结晶体，它由直流电机、减速齿轮组、传感器和控制电路组成，是一套自动控制装置。30自动控制就是用一个闭环反馈控制回路不断校正输出的偏差，使系统的输出保持恒定。我们在生活中常见的恒温加热系统就是自动控制装置的一个范例，其利用温度传感器检测温度，将温度作为反馈量，利用加热元件提输出，当温度低于设定值时，加热器启动，温度达到设定值时，加热器关闭，这样不就使温度始终保持恒定了吗。自动控制自动控制31舵机中的自动控制原理32位置检测器是它的输入传感器，舵机转动的位置一变，位置检测器的电阻值就会跟着变。通过控制电路读取该电阻值的大小，就能根据阻值适当调整电机的速度和方向，使电机向指定角度旋转。33舵盘舵盘 舵机有一个三线的接口。黑色（或棕色）的线是接地线，红线接电源电压，黄线（或是白色或橙色）接控制信号端。34脉冲控制舵机的原理占空比改变舵机转轴的位置35舵机控制脉冲的参数有的舵机1ms-2ms3637舵机的技术规格 有外形尺寸(mm)、重量(g)、扭力(kg/cm)、速度(秒/60)、测试电压(V)等技术参数。扭力扭力 扭力的单位是 kg/cm，意思是在摆臂长度1公分处，能吊起几公斤重的物体。速度速度 速度的单位是 sec/60，意思是舵机转动 60所需要的时间。38电压会直接影响舵机的性能。例如 Futaba S-9001 在4.8V时扭力为3.9kg/cm、速度为0.22 秒/60，在6.0V时扭力为5.2kg/cm、速度为0.18 秒/60。39步进电机40步进电机步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于控制信号频率和脉冲数。脉冲数越多，电机转动的角度越大。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。脉冲数越多，电机转动角度越大。脉冲的频率越高电机转速越快。但不能超过最高频率，否则电机的力矩迅速减小，电机不转。（工作频率一般在几百（工作频率一般在几百Hz到到1-2KHz之间）之间）41步进电机步进电机按内部结构不同分为感应式步进电机、反应式步进电机、混合式步进电机。目前，我们在应用中使用到的步进电机多为混合式步进电机。轴向分相：电机各相绕组按轴向依次排列。径向分相：电机各相绕组按圆周依次排列。42步进电机单极性？双极性？双极性步进电机是指：有两个线圈，四条线。电流在两个线圈中可以正反向流动，所以叫做双极性。单极性步进电机是指：有两个线圈，但是有五条或六条线，即在一个线圈的中间增加了一个抽头，五条线的可以看成是六条线把两个线圈的两根中间线并在一起。因为在一个线圈的中间有了抽头，电流就可以在一个线圈的一半走不同的流向，但这时只是用到电机线圈的一半而已。43步进电机实物内部结构44步进电机工作原理步进电机的工作原理实际是电磁铁的工作原理：当某相定子励磁后，吸引离它最近的转子，转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐，转子转动一个角度，换一相励磁后，转子又转动一个角度。如此循环励磁，转子不停转动。4546步进电机励磁顺序：ABCA电机逆时针旋转励磁顺序：ACBA电机顺时针旋转改变通电顺序，可改变电机运动方向。励磁顺序：ABBCCAAB励磁顺序：AABBBCCCAA半步模式47步进电机电机转速和相序切换频率有关，切换的越快，电机转得越快。电机转动方向和相序有关。电机转动的每拍的角度，称为步距角。步距角和电机的机构有关，=360/mzk;m为定子绕组的相数，Z为转子齿数，K为通电方式，K=1全步模式，K=2半步模式。48步进电机上面的例子中：M=3,Z=4,k=1=360/mzk=360/(341)=30m为定子绕组的相数，Z为转子齿数，K为通电方式，K=1全步模式，K=2半步模式。49步进电机的优点1）步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。因此,当它转一圈后,没有累计误差,具有良好的跟随性。2）由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统,既简单、廉价,又非常可靠,同时,它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。3）步进电动机的动态响应快,易于启停、正反转及变速。4）速度可在相当宽的范围内平稳调整,低速下仍能获得较大转距,因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。5）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行,不能直接使用交流电源和直流电源。6）步进电机存在振荡和失步现象,必须对控制系统和机械负载采取相应措施。50步进电机驱动L297+L29851步进电机的问题步进电机在低频工作时,会有振动大、噪声大的缺点。如果使用细分方式,就能很好的解决这个问题,步进电机的细分控制,从本质上讲是通过对步进电机励磁绕组中电流的控制,使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场,从而实现步进电机步距角的细分,一般情况下,合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小,相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小,步进电机半步工作方式就蕴涵了细分的工作原理。52步进电机细分驱动TA8435531、减小低频振动2、提高步进精度TI公司产品：细分驱动器DRV8825细分驱动的优点54伺服电机在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。55伺服电机工作原理伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。检测装置：编码器检测装置：编码器56增量式角度编码器57增量式角度编码器58增量式旋转编码器工作原理增量型旋转编码器，轴的每圈转动，增量型编码器提供一定数量的脉冲。周期性的测量或者单位时间内的脉冲计数可以用来测量移动的速度。如果在一个参考点后面脉冲数被累加，计算值就代表了转动角度或行程的参数。双通道编码器输出脉冲之间相差为90度。能使接收脉冲的电子设备接收轴的旋转感应信号，因此可用来实现双向的定位控制；另外，三通道增量型旋转编码器每一圈产生一个称之为零位信号的脉冲。59绝对值角度编码器60绝对值角度编码器工作原理绝对值编码器为每一个轴的位置提供一个独一无二的编码数字值。特别是在定位控制应用中，绝对值编码器减轻了电子接收设备的计算任务，从而省去了复杂的和昂贵的输入装置：而且，当机器合上电源或电源故障后再接通电源，不需要回到位置参考点，就可利用当前的位置值。单圈绝对值编码器把轴细分成规定数量的测量步，最大的分辨率为13位，这就意味着最大可区分8192个位置+多圈绝对值编码器不仅能在一圈内测量角位移，而且能用多步齿轮测量圈数。多圈的圈数为12位，也就是说最大4096圈可以被识别。总的分辨率可达到25位测量步数。并行绝对值旋转编码器传输位置值到电子测量装置可通过几根电缆并行传送，为减少连线，现在多采用总线技术进行传输。61步进电机和伺服电机的区别一、控制精度不同一、控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为3.6、1.8，五相混合式步进电机步距角一般为0.72、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、0.036，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360/10000=0.036。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=9.89秒。是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。62二、低频特性不同二、低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。步进电机和伺服电机的区别63三、矩频特性不同三、矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。步进电机和伺服电机的区别64四、过载能力不同四、过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。步进电机和伺服电机的区别65五、运行性能不同五、运行性能不同 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。步进电机和伺服电机的区别66六、速度响应性能不同六、速度响应性能不同 步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。步进电机和伺服电机的区别67有刷电机、无刷电机的区别 有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。68有刷电机内部结构69问题如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声?步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服：A.如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区；B.采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法；C.换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机；D.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高；E.在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。701、直流（减速）电机工作电压，起步电流，堵转转速，温度2、舵机自动控制，4V6V，50Hz，0.52.5ms,转速，转矩3、步进电机内部结构，频率126-12K，低频振动，失步3、伺服电机编码器优点71