機器人技術(shù)介紹(電源、電機、驅(qū)動、傳減器等)
1. 機械平臺 - 硬件基礎(chǔ)
一個機器人包括兩個主要部分：機器人的身體和某種形式的人工智能(artificial intelligence，AI)系統(tǒng)。很多不同的身體部分都可以叫做機器人。關(guān)節(jié)手臂被用于焊接和上漆;起重機和傳送帶系統(tǒng)在工廠中運送零件;巨型機器人機器搬運礦井深處的泥土。一般說來，機器人最有趣的一個方面是它們的行為，這需要一種形式的智能。機器人最簡單的行為是移動。典型 地，輪子被作為讓機器人從一點移動到下一點的基本機械裝置。還需要某種力(如電力)讓輪子在命令時轉(zhuǎn)動。
2. 電動機
很多種電動機向機器人提供能源，讓它們用不同的編程動作搬運材料、零件、工具或?qū)Ｓ迷O(shè)備。電動機的效率等級表明多少消耗的電量轉(zhuǎn)化成機械能。讓我們看看現(xiàn)代機器人技術(shù)中目前被使用的一些機械設(shè)備。
直流電機： 永久磁鐵，直流(Permanent-magnet，direct-current，PMDC)電機只需要兩根導(dǎo)線，使用固定磁鐵、電磁鐵(定子和轉(zhuǎn)子)和開關(guān)。這些組成一個換向器來通過旋轉(zhuǎn)的磁場產(chǎn)生運動。
交流電機 交流電機在輸入導(dǎo)線循環(huán)能源，連續(xù)地運動磁場。直流電機和交流電機在收到一個信號時會全速運轉(zhuǎn)。
步進(jìn)電機 步進(jìn)電機就像沒有電刷的直流或交流電機。它通過按順序(步進(jìn)地)向電動機中不同的磁鐵提供能源使其運轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機設(shè)計的目的是更好的控制，它不會只在命令時旋轉(zhuǎn)，還能夠以任意的“步/每秒”(最高到它的最大速度)的速度旋轉(zhuǎn)。
伺服電動機 伺服電動機是閉合線圈設(shè)備。在收到信號時，它可以自我調(diào)整直到與該信號匹配。伺服電動機用于無線電控制的飛機和汽車。它是有傳動裝置和反饋控制系統(tǒng)的簡單的直流電動機。
3.驅(qū)動機制
齒輪和鏈條： 齒輪和鏈條是機械平臺，它提供了一種向另一個地方傳送轉(zhuǎn)動動作的強大而精確的途徑(可能在傳送的時候改變了動作)。兩個齒輪之間速度的改變?nèi)Q于每個齒輪上齒的數(shù)目。當(dāng)加電的齒輪旋轉(zhuǎn)一周時，它根據(jù)齒輪上的齒數(shù)來拉動鏈條。
滑輪和皮帶： 滑輪和皮帶是機器人所使用的兩種另外的機械平臺，工作的方式與齒輪和鏈條一樣。滑輪是輪緣有凹槽的輪子，皮帶是可以放進(jìn)這個凹槽的橡皮圈。
變速箱： 變速箱運轉(zhuǎn)的原理與齒輪和鏈條一樣，不過沒有鏈條。變速箱需要更精密的公差配合，因為不是使用一條又大又松的鏈條來傳送力量，也不用調(diào)整錯位，齒輪之間直接和對方嚙合。變速箱的示例可以在汽車的傳動裝置、落地大座鐘的定時機制和打印機的送紙裝置中找到。
4.電源
電源一般通過兩種電池提供。一次電池使用過一次就被丟棄;二次電池以一種(通常是)可逆的化學(xué)反應(yīng)工作，可以多次充電。一次電池有較高的容量和較低的自放電率。二次(可充電)電池比一次電池電量小，但可以重復(fù)充電，按化學(xué)反應(yīng)和環(huán)境的不同可以多達(dá)一千次。一般可充電電池
第一次使用可以為電器或機器人提供 4 小時連續(xù)工作的能源。
理論上機器人可以使用幾百種不同類型和形式的電池。電池按化學(xué)反應(yīng)和規(guī)格分類，按電壓和電量分級。電池的電壓由電池的化學(xué)反應(yīng)決定，容量由化學(xué)反應(yīng)和規(guī)格兩者共同決定。請參閱表 1 了解電池規(guī)格。
機器人平臺靠兩組獨立的電池運行，它們共享一根地線。這樣，電動機可以用一組電池，而電子設(shè)備可以用另一組電池。電子設(shè)備和電動機還可以在不同的電壓下工作。
電子控制
機器人中有兩個主要的硬件平臺。非調(diào)節(jié)電壓、電力和反電動勢峰的機械平臺以及干凈電源和 5 伏信號的電子平臺。這兩個平臺需要順序橋接，目的是讓數(shù)字邏輯控制機械系統(tǒng)。經(jīng)典的組件是橋式繼電器。一個控制信號在繼電器的線圈產(chǎn)生磁場，物理地閉合開關(guān)。例如
MOSFET，它是高效率的硅開關(guān)，有很多種規(guī)格，象晶體管一樣可以作為固態(tài)繼電器控制機械系統(tǒng)。
另一方面，更大的機器人可能需要 PMDC 電動機，這樣 MOSFET 的“接通”電阻 Rd(on)會導(dǎo)致芯片熱量的極大散發(fā)，從而顯著地降低芯片的發(fā)熱溫度。MOSFET 中結(jié)點的溫度、MOSFET 封裝和散熱片的傳導(dǎo)系數(shù)是 PMDC 電動機的其它重要的特征。
晶體管廣義地分為兩種：雙極結(jié)晶體管(bipolar junction transistors，BJT)和場效應(yīng)晶體管(field-effect transistors，F(xiàn)ET)。在 BJT 器件中，基極小的電流調(diào)節(jié)發(fā)射極和接收極之間大得多的電流。在 FET 器件中，柵極電場的存在會調(diào)節(jié)源極和漏極之間的電流。
5.傳感器
機器人根據(jù)瞬間測量作出反應(yīng)，這需要不同種類的傳感器。
多數(shù)系統(tǒng)中對時間的感知是通過電路和編程中內(nèi)建的。要想在實際中讓這個具有生產(chǎn)性，機器人必須有感知硬件和軟件，還要能快速地更新。不管傳感器硬件或軟件如何，感知和傳感器可以被當(dāng)作與外部事件交互(換句話說就是外部世界)。傳感器測量世界的某個屬性。變換器(transducer)一詞經(jīng)常與傳感器一詞交替使用。交換器是傳感器的機制或元素，它將測量到的能源轉(zhuǎn)換成另一種形式的能源。傳感器接收能源并傳送一個信號到顯示器或計算機。傳感器使用變換器將輸入的信號(聲音、光線、壓力、溫度等)改變成機器人可以使用的模擬或數(shù)字形式。
邏輯傳感器： 傳感器的一個強大的抽象是邏輯傳感器，它是提供一個對象的傳感單元或模塊。它包括物理傳感器的信號處理和提取感知所需的軟件處理。
本體感受傳感器： 本體感受是航位推測法，機器人可以測量來自本身的信號。
接近傳感器： 接近傳感器測量環(huán)境中傳感器和對象之間相對的距離。
紅外線(IR)傳感器： 另一種活動的接近傳感器是紅外線傳感器。它發(fā)出接近紅外線的能量并測量有沒有相當(dāng)多的紅外線返回。
碰撞和觸角傳感器： 另一類常見的機器人感知是觸覺的，或基于觸摸的，用碰撞和觸角來完成。觸角和觸須由牢固的電線構(gòu)成。碰撞傳感器通常是機器人上一個突出的環(huán)，包括兩層。
微控制器系統(tǒng)
微控制器(Microcontrollers，MCU)是機器人內(nèi)部使用的智能電子設(shè)備。它提供的功能類似于個人電腦內(nèi)部的微處理器(中央處理單元或 CPU)所執(zhí)行的功能。MCU 速度較慢，使用的內(nèi)存比 CPU 少，設(shè)計目的是現(xiàn)實世界的控制問題。CPU 和 MCU
之間的一個主要區(qū)別是運行所需的外部組件的數(shù)目。MCU 經(jīng)常可以不需要外部部件就能運行，一般只需要一個外部晶體或振蕩器。
微控制器有四個基本方面：速度、容量、存儲器和其它。速度以時鐘周期指定，通常以每秒百萬個周期(兆赫茲(Megahertz，MHz)計量。周期的使用根據(jù)不同的MCU 而不同，這影響到處理器的可用速度。容量指定 MCU 可以一步處理的信息的字節(jié)數(shù) - 它自然的信息簇。MCU 有 4
位、8 位、16 位和 32 位的，8 位的 MCU 是最常見的容量。MCU 在大多數(shù) ROM 中的計數(shù)單位是千字節(jié)(KB)，在 RAM 中是字節(jié)。很多 MCU 使用 Harvard 體系，程序保存在內(nèi)存的一段中(通常是內(nèi)部的或外部的SRAM)。然后這就能夠讓處理器更有效地訪問獨立的內(nèi)存。
微控制器的第四個方面就作為“其它”來講了，它包括諸如專用的輸入設(shè)備的特性，該設(shè)備經(jīng)常(但不總是)有一個小的 LED 或 LCD 顯示作為輸出。微控制器還從設(shè)備獲取輸入并通過向設(shè)備中不同組件發(fā)送信號對其控制。程序計數(shù)器也通過微控制器掌握要執(zhí)行哪條命令。
R/C 伺服電動機：
用于無線電控制模型(汽車、飛機等)的伺服電動機在很多種較小的機器人中很有用，因為它緊湊而且相當(dāng)便宜。伺服電動機本身有內(nèi)建的電動機、變速箱、位置反饋機制和控制電路。標(biāo)準(zhǔn)的無線電控制伺服電動機在航模、車模、船模中使用，可用來制作手臂、腿和其它來回移動而不是轉(zhuǎn) 圈的機械附屬肢體。
