机器人导论 ¶
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课程简介
一、导论 ¶
机器人具备的主要特征
- 运动
- 交互
- 感知
- 决策
设计的流程
- 明确执行机构
- 确定传动方式
- 设计导向机构
- 结构设计
- 优化分析
- 组装与测试
执行结构：完成操作任务
传动机构：伺服系统 如齿轮
支撑 / 导向机构：导向机构作用是支撑和导向，使运动能安全、准确地完成特定方向的运动。如：轴承和导轨
二、微控制器 ¶
总线 bus
GPIO ： general purpose io
二进制减法： 用补码
二进制乘法： 移位相加 倍增
控制器：每一个箭头 决定开关是否打开
ALU ： 逻辑计算
嵌入式系统： 和硬件完全对应
根据PID系统
Arduino¶
主代码 ¶
//所有程序都写在下面两个函数里
/*开机的时候运行一次，各种设定放在setup（）里*/
Void setup（）
{
Serial.begin（9600）；//设置波特率
}
/*不断循环*/
Void loop()
{
Serial.println("Hello world!");
delay(1000);//延迟1s
}
LED 灯闪烁 ¶
#define led 13
Void setup（）
{
pinMode(led,OUTPUT); //设定led管脚为输出引脚
}
Void loop()
{
digitalWrite（led,HIGH); //设置led为高电平，点亮led
delay(1000);//延迟1s
digitalWrite（led,LOW); //设置led为低电平，熄灭led
delay(1000);//延迟1s
}
Question¶
Q1：如何让 LED 不闪烁，但亮度只有正常的 20%?
原理：人眨眼的频率有限，当闪烁频率低时，会认为没有闪烁
#define led 13
Void setup（）
{
pinMode(led,OUTPUT); //设定led管脚为输出引脚
}
Void loop()
{
digitalWrite（led,HIGH); //设置led为高电平，点亮led
delay(2);//延迟1s
digitalWrite（led,LOW); //设置led为低电平，熄灭led
delay(8);//延迟1s
}
Q2: 原理的推广
- 输出电压调节（利用电容滤波）
PWM 波
- 电流电机控制
- 信号传输（舵机控制）
相关知识 ¶
-
delay()/delayMicroseconds()：用于延时，第一个单位为毫秒，第二个为微秒。
-
analogWrite(): 模拟 I/O 口输出，一般用于 PWM 输出，如：
analogWrite(13,127)，为在 13 号引脚处输出一个占空比为 50% 的 PWM 方波，后一参数 0 表示关， 255 表示全开
void setup()
{
pinMode(13,OUTPUT);//设定13号端口为输出
}
void loop()
{
digitalWrite(13,HIGH);
delayMicroseconds(100);//大约10%占空比的1KHZ方波
digitalWrite(13,LOW);
delayMicroseconds(900);
}
三、传感器 ¶
定义 ¶
用于定量感知环境特定物质属性的电子、机械、化学设备，并能够把各种物理量和化学量等精确地变换为电信号，再经由电子电路或计算机进行分析与处理，从而对这些量进行检测
静态特性 ¶
指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入之间的关系
- 灵敏度（越高越好）
- 信噪比（S/N
） ：传感器输出信号中信号分量与噪声分量的平方平均值之比 - 线性：输入输出为线性
精度
- 稳定性：输入量恒定，输出量向一个方向偏移（温漂、零漂）
- 精度
- 准确度：测量值对真值的偏移程度
- 精密度：测量相同对象，每次得到不同值
动态特性 ¶
选择 ¶
尺寸、重量、价格、功耗敏感
常见传感器 ¶
电位器 ¶
类别
旋转式 : 测量角位移
直线式 : 测量线位移
编码器 ¶
根据测量介质分：光电码盘、磁编码器
根据测量结果分
- 增量式
- 绝对式
绝对式光电码盘
上电时候可以检测到位置、
检测正反转 - 使用两个错位的码道
检测速度
计量周期法和计量频率法
方向角传感器 ¶
指南针：霍尔效应
易受环境影响
陀螺仪：
机械（角动量大转轴不动）
光纤：光速不变、光干涉
MEMS（科里奥利力
距离传感器 ¶
- 红外光接近觉传感器
- 回波式接近觉传感器
题目
分析超声波 / 激光传感器的原理及其各自的优缺点
超声波
原理：
发出声波，检测发出与回波之间的时间差 $$ Length = frac{vtimes T_{total}}{2} $$
问题：
- 声波速度慢，时间比较好测量，但是降低了感知速率
- 声波束按照锥形传播，分辨率较差，无法分辨尺寸偏大 or 偏小；无法分辨角度、方向
- 光滑反射、吸收
激光雷达
光是不会像声波发散
精确检测方位角，检测物体宽度
方法：三角法，时飞法，相位偏移测量法
力觉传感器 ¶
压阻式、压电式、电容式
四、驱动 ¶
电机驱动：将电能转换为旋转或直线运动动能，最常见最普遍，控制简单稳定性好，输出精准，但是力矩小，需要配合减速器使用。
液压驱动：以液压油为传动介质，液压缸作为驱动器，单位重量传输功率大，可以产生很大输出力，响应迅速，但是系统复杂、成本高，体积重量大，输出精度较低。
气压驱动：以压缩空气作为动力源，动作迅速，反应快，结构简单，但是受负载影响大，不适宜精密位置和速度的控制，输出力小。 其他驱动：压电陶瓷驱动，形状记忆合金驱动（软体机器人）等
电机 motor ¶
输出力矩和速度，如小车的直线运动和转弯
需要驱动芯片以及控制方式
- 优点：控制调节简单、稳定性较好
- 缺点：力矩小、刚度低，常常需要配合减速器使用
\(P = \frac{v}{i} \times Ti\)
注意：力矩 X 转速 = 功率
有刷电机与无刷电机 ¶
定子不动，改变转子的磁极，就可以完成换向。
中间部分由惯性。
使用三、五线圈的奇数线圈，就不存在“平衡位置”了。
使用 2N1S 顺，2S1N 逆
限制：电刷；电刷与换向片接触产生动力损耗。
永磁铁作为转子，电磁铁作为定子。
如何判断何时改变电流输入：一般在电机的不同位置上装三个霍尔传感器，就可测出转子的位置，使用霍尔原件感应转子的状态和位置。
转动顺序、导通方式
AB，AC，BC，BA，CA，CB
后三个是前三个反序
换向的过程
三相 9 绕组 6 极（3 对极）
转子的 NS 极与绕组电流产生的 NS 极有对其的运动趋势，这个惯性使得其能够旋转
注意：每一相是串联的
采用9 绕组 6 极，而不是6 绕组 6 极原因：为了防止定子的齿与转子的磁钢相吸而对齐，产生类似步进电机的效果，此情况下转矩会产生很大波动
总体来说且转数提升容易基本只受限于轴承。
缺点是启动功率输出和荷重输出（工作突然加重工作 / 爬坡能力）类比有刷电机少将近百分之 20，控制器贵稳定性成熟度（工业性价比）不如有刷
调速 ¶
滤波
电机控制 ¶
一个电机由静止到额定转速是怎么实现的
等效电路
电枢电动势 Ea，电磁转矩 T，电磁功率 P
Ke 速度常数，Km 力矩常数
I 电枢电流，w 角速度 $$ begin{align} E_a &= K_e cdot n\ T &= K_m cdot I\ P &= E_a cdot I = T cdot bar{omega}\\
U &= E_a + I cdot R_a = K_e cdot n + I cdot R_a\ n &= frac{U-Icdot R_a}{K_e} end{align} $$
力矩与电流大小成正比
转速与感应电动势大小成正比 $$ begin{align} 电压平衡方程：& u_a(t) = R_ai_a(t) + L_afrac{di_a(t)}{dt} + E_a(t)\ 感应电动势方程：&E_a(t) = K_e omega\ 电磁转矩方程：&T(t) = K_t i_a(t)\ 转矩平衡方程：&T(t) = Jfrac{domega(t)}{dt}+ Bomega(t) + T_d(t) end{align} $$ \(J\)表示电机的转动惯量，\(\omega(t)\)表示电机的角速度，\(B\)表示电机的阻尼系数，\(T_d(t)\)表示电机所受的负载转矩。
电机烧掉：电机铜线外绝缘体破坏，电线与电线之间短路
检查方法：测量电机绕组的电阻值是否正常进行判断
白色区域需要注意
如何控制小车右转
如何控制小车原地右转
如何控制小车以半径 1m 右转
有刷电机（H 桥驱动）¶
最常用的驱动方式
上图为电机的正反转
为了避免电机的反电动势的危害，仍然需要在三极管两端接二极管，因为电机线圈在电路开闭瞬间产生的反向电动势会高过电源，对晶体管和电路会造成影响，甚至是烧毁元件。
一般用L298 芯片来控制电机转动，可以驱动两个直流电机
光电隔离电路 ¶
可以实现抗干扰
基本控制方式 ¶
开环伺服系统 ¶
精度较低， 但稳定性最好。
闭环伺服系统 ¶
精度较高，但系统的结构较复杂、成本高，还有系统稳定性的问题
半闭环伺服系统 ¶
反馈电机信息，控制电机
精度比闭环要差一些，稳定性比闭环好，但比开环要差一些
转动惯量匹配 ¶
负载的转动惯量折合到主动轴上时候，从动轴上的转动惯量和阻尼系数都要除以传动比的平方，负载转矩处于传动比
设一直接高电平时，转速最大是 \(V_{max}\)，占空比为 \(D= \frac{t_1}{T}\)
电机平均速度为 $$ V_d = V_{max}cdot D $$
\(V_d\): 电机的平均速度
\(V_{max}\)
\(D=\frac{t_1}{T}\): 占空比
舵机 ¶
控制角度，位置伺服，如机械手；
用 PWM 波控制
控制线：电源线、地线、控制线
电机 + 减速器
标准舵机有三条控制线，分别为电源线、地线和控制线。控制线连接到控制芯片上
直流电机 PWM 匹配
占空比
气动 ¶
- 气压驱动以空气压缩为动力源，也是机器人驱动的一种重要形式。
- 气动式主要有气缸、气阀、管路等元件组成。
- 优点：气源获得方便、成本低、动作快。
- 缺点：输出功率小，体积大。一般而言，其工作噪声较大、控制精度较差。
分类 ¶
包括气压发生装置、辅助元件、控制元件和执行元件
- 气压元件：气源装置，其功能是将原动机输入的机械能转换成流体的压力能，为系统提供动力
- 执行元件：气缸、气马达，功能是将流体的压力能转换成机械能，输出力和速度或转矩和转速
） ，以带动负载进行直线运动或旋转运动 - 控制元件：压力、流量和方向控制阀，作用是控制和调节系统中流体的压力、流量和流动方向，以保证执行元件达到所要求的输出力（或力矩
） 、运动速度和运动方向 - 辅助元件：保证系统正常工作所需要的辅助装置， 包括管道、管接头、储气罐、过滤器和压力计
气体的特性 ¶
- 系统的压力应小于8个大气压（即 0.8MPa）
- 不可压缩流体
- 1大气压 =0.1013MPa=15psi( 磅 / 平方英寸 )
方向控制回路¶
单作用气缸换向回路 ¶
几位几通（考
几位：看有几种回路可以切换（有几个小格子）
几通：看每一个回路（小格子）里面有几个连接处
对于 a 图
在第二位时，P2P3 相通，P3 出气，右边气缸由于弹簧被压缩，向下运动
在第一位时，P3 堵住，P2P1 相通，进气导致向上运动
对于 b 图
在第三位时（蓝色
在第二位时（粉色
在第一位时（黄色
注：有几位就有几种状态 !
对于每一种状态，将接线平移到对应的格子上，观察进气口气体的流向，从而判断如何进行换向
双作用气缸换向回路 ¶
例：
不拍按钮时：左移
拍按钮时：右下角的被改变，因此右移
液压 ¶
- 将液体压力转化为机械能
- 利用不可压缩的流体，将作用于某一点的力传递到另一点，这种流体通常是工业液压油
- 由液压源、伺服阀、传感器、执行机构等构成
- 优点： 重量轻、尺寸小、动作平稳、快速性好、产生的力 力矩非常大 。
- 缺点： 易漏油、维护困难；不确定性和非线性因素多，控制和校正不如电气式方便
五、传动 ¶
参数 ¶
传动机构的性能要求 ¶
- 质量和转动惯量应尽量小。
- 刚度尽量大：伺服系统动力损失小（变形损失能量小
） ； - 频率要高，超出机构的频带宽度，使之不易产生共振；
- 闭环系统更加稳定。
- 阻尼越大，振动的振幅就越小，衰减也越快。但大阻尼会使系统稳态误差增大、精度降低。
强度与刚度 ¶
- 强度：零件在工作中发生断裂或残余变形均属于强度不足。
- 刚度：零件在工作中所产生的弹性变形不超过允许的限度。包括整体刚度和表面刚度两种。
- 相同的强度，结构不同，刚度不同
减速比 ¶
（传动比：输入速度与输出速度之比
减速比，也即传动比。指减速机构输入速度与输出速度之比，用“i”表示。即，i = 输入速度 / 输出速度，并使输出力 / 力矩变为原来的 i 倍。
例：电机输入减速箱的速度 1000n/min，输出速度 10n/min，则减速比 i =1000/10=100
如电机输出力矩为 Tin=0.1Nm，则输出力矩为 Tout=Tini=0.1Nm100=10Nm
传动比是指机械传动系统中，始端主动轮与末端从动轮的角速度或转速的比值。传动比可以描述输入轴和输出轴之间的速度关系，包括齿轮传动、链条传动等多种传动方式。传动比的计算公式为：传动比 = 主动轮转速 / 从动轮转速。
减速比则是传动比的一种特殊形式，专指减速装置的传动比。减速比是指减速机构中瞬时输入速度与输出速度的比值。减速比的目的是降低转速并增加扭矩，通常用于将高速低扭矩的驱动装置（如电动机）的速度降低，并提供高扭矩输出。减速比的计算公式为：减速比 = 输入转速 / 输出转速。
转动惯量 ¶
尽可能小，防止谐振
阻尼 ¶
支撑、导向系统：轴承和导轨
齿轮传动 ¶
齿轮传动是指由齿轮副传递运动和动力的装置，它是现代各种设备中应用最广泛的一种机械传动方式。
优点：传动比较准确，效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命长。
基本参数的计算公式 ¶
齿数要尽量大于 17
https://max.book118.com/html/2020/0123/8140121006002074.shtm
定轴传动 ¶
定轴轮系：所有转动轴可以是平行的或者交错的；每个轴上可以有多个齿轮。
周转轮系 ¶
周转轮系：至少有一个齿轮的轴线不固定 ，而是绕另一个齿轮的轴线转动的轮系。
减速比计算（重点）¶
方向关系 ¶
连杆传动 ¶
AB 当做输入，CD 当做输出，则 BC 就是一个连杆
优缺点（重点）¶
优点：
- 连杆机构中的运动副一般均为低副（连杆机构也称低副机构）低副元素之间为面接触，压强较小，承载能力较大；
- 可改变各构件的 长度使得从动件得到不同的运动规律；
- 可以设计出各种曲线轨迹。
缺点：
- 需要经过中间构件传递运动，传递路线较长，易产生较大的误差，同时，使得机械效率降低
- 质心在作变速运动，所产生的惯性力难于用一般平衡方法加以消除，易增加机构的动载荷， 不适宜高速运动（相对于齿轮而言）
分类 ¶
分类方法：看哪一根杆最短
基本形式一：曲柄摇杆机构
斜边最短的时候，是曲柄摇杆机构
基本形式二：双曲柄机构
最短杆为机架时候
基本形式三：双摇杆机构
最短杆为连杆
证明方法：三角形两边之和大于第三边
曲柄滑块
对心曲柄滑块机构
曲柄摇杆机构的条件
- 曲柄摇杆机构：两个连架杆中有一个为曲柄，另一个为摇杆：最短杆为连架杆 1 时
- 双曲柄机构：两个连架杆均为曲柄：最短杆为机架 4 时
- 双摇杆机构：两个连架杆均为摇杆：最短杆为连杆 2 时
矢量方程法 ( 不重要 ) ¶
步骤 ¶
- 总的来说就是列写矢量方程
- 再按照实部和虚部相等列写两个方程求解
- 速度与加速度对位移方程求导即可
曲柄滑块机构 ¶
位移分析
速度分析（位移求导）
加速度分析
曲柄摇杆机构 ¶
位置分析
速度分析
滑轮组 ¶
- 固定轮只能用于改变力的方向，而运动轮可以降低输入力量的大小
- 通过动滑轮，可以实现两倍的运动距离，但是需要的力矩需要增加一倍。
带传动 ¶
结构简单、传动平稳、造价低廉以及缓冲吸振
链传动 ¶
是依靠链齿轮齿与链节的啮合来传递运动和动力，但在运转时不能保证瞬时传动比
同步带 ¶
- 综合了带传动和链传动的优点
- 避免采用润滑油对橡胶材料的皮带进行润滑，易造成橡胶的膨胀，导致其网裂和硬化。
涡轮 - 蜗杆传动 ¶
- 传动比大，结构紧凑
- 传动平稳，噪声小。
- 具有自锁性。
凸轮机构 ¶
六、支撑与导向 ¶
轴承 ¶
作用：用来支撑轴，使轴系有确定的位置
联接 ¶
