移动机器人 | 驱动器

 01、常用的驱动器

在移动机器人系统中，驱动器（Actuator）是用来使机器人发出动作的动力机构，它可将电能、液压能和气压能转换为动能。对于机器人来说，主要有三种不同类型的驱动系统：电机驱动系统、液压驱动系统和气动驱动系统，三种驱动方式各有特点，其对比见表2-2。

 表2-2移动机器人驱动方式对比

电机驱动在移动机器人中最常用。电机驱动系统是利用各种电动机产生的力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构。目前常用的电机有直流电机、伺服电机和步进电机，它们能将输入的电信号转换成电机轴上的角位移或角速度输出。大疆公司设计生产的教学和娱乐型机器人“机甲大师（RoboMaster） S1”（图2-5）是典型的电机驱动的移动机器人。

 图2-5大疆机甲大师（RoboMaster) S1

RoboMaster S1配备四个麦克纳姆全向移动轮，轮组由 4 个含 12 个辊子的麦克纳姆轮构成，可实现全向平移及任意旋转，配合前桥悬挂，全向移动实现自由走位。RoboMaster S1上装配的M3508I无刷电机，内置集成式 FOC 电调，输出转矩高达0.25N·m，动力强悍。电机控制上采用线性霍尔传感器配合速度闭环控制算法，能够实现精细操控。无刷电机上有过压保护、过热保护、缓启动保护以及短路保护等重保护机制，以增强控制的稳定性。

以打造像人或者动物那样能够在现实世界中灵活移动工作的移动机器人为目标，波士顿动力公司早在2005年就推出一款液压驱动的四足机械移动机器人——Big Dog（大狗）。它抛开传统的轮式或者履带式移动机器人结构，参考哺乳动物的身躯四肢结构，机械式组装四肢关节，通用性强，以便适应更多的地形地貌，结构如图2-6所示。

 图2-6Big Dog结构图

Big Dog的身高约1m，质量为109kg，可负载45kg自由行走或奔跑，最大爬坡角度可达35°，四足结构使得它能适应各种复杂的环境结构，即便是侧面遭受压力，也能快速调整四足工作，以保持身体稳定不摔倒。Big Dog整体具有16个自由度，可横纵在两个方向上自由移动，由汽油发动机提供动力，发动机驱动液压系统，以液压系统作为驱动输出动力进而控制每段肢体的动作，实现了躯体的灵活运动。

Big Dog虽然能够及时应对平衡干扰因素，保持重心稳定，使得机器人平稳前行，但是也有液压驱动通有的缺点，运行过程中噪声大。为此，波士顿动力公司在Big Dog的基础上几番改进，推出LS3、Cheetah等四足移动机器人，而后于2015年推出Spot移动机器人。Spot在前三个机器人的基础上实现了低噪运行，具有12个自由度，采用电池能源提供动力驱动液压系统，有效控制了机器人的运行噪声。之后又推出Spot Mini，液压驱动在移动机器人上应用广泛。

相比于液压驱动，气动驱动更加适合于小型移动机器人。长期以来，机器人界都想开发出通体由软体材料构成的机器人，但柔性电池和电路板的开发是一大难点。哈佛大学的研究人员另辟蹊径，研制出世界上第一个完全软体且自我驱动的机器人——“小章鱼”。其结构如图2-7所示。

 图2-7气动驱动机器人“小章鱼”

“小章鱼”依靠体内的化学反应功能，将过氧化氢转变成大量气体，气流流入机器人手臂给机器人手臂充气，从而驱动机器人运动。“小章鱼”机器人的整个微流体网络都是“自我反馈”，通过控制化学反应的时机实现自我驱动。

除了上述三种常用的驱动方式以外，还有一些特殊的驱动方式，如光化学反应材料、化学反应材料、形状记忆合金等智能材料的驱动。智能材料会对外界给予的刺激做出反应，这些刺激包括光、力、电场、磁场、温度等。通常，这些反应的规模都很小，因此，这种类型的驱动器主要用在体积小、微型规模的机器人上。

多伦多大学Hani Naguib教授团队设计了一种基于电热驱动器（ElectroThermal Actuator，ETA）的软体机器人“尺蠖”。图2-8为尺蠖的运动分解图。尺蠖的四只脚是导电的铜片，通电后可以加热机器人本体。本体基于形状记忆原理在常温下保持弯曲的样子。每通过路径就给它通12V的电压20s，机器人受热会从弯曲状态伸展。20s后停止通电，一段时间后随着热量的消散，它会再次回到最初记忆的弯曲形状。尺蠖的尾巴是硬质的材料，产生阻力从而推动机器人向前，以此反复执行实现爬行的运动。

下一讲：移动机器人：传感器及分类。敬请期待。