任务4 构建轮式移动机器人的驱动系统

根据驱动源的不同，驱动系统可分为电动、液压、气动和三种方式结合的综合应用等。驱动系统可以与机械系统直接相连，也可通过同步带、链条、齿轮传动装置等与机械系统间接相连。

1.驱动方式的选择

对于轮式机器人，电动驱动当然是首选的方案，电机直接或间接驱动轮子，将电能转化为机械能。电机的选择对机械结构的影响明显，并且对于小车的运动灵活性也起着关键作用。

液压驱动系统一般体积及质量较大，且噪声大，在智能移动机器人上使用较少，但好处是驱动动力源较少且驱动扭矩大。

气动驱动方式一般需要储气罐，在应用时需要考虑。目前在RoboCup中型组足球机器人上应用较多的是利用气动来实现可控踢球，工作期间需要补充压缩空气，好处是可以不断进行补充，可以和电机驱动轮方式配合使用。

2.不同电机类型的选择

移动机器人常用的驱动电机有步进电机、舵机、普通直流电机和直流伺服电机等。

步进电机一般作为开环伺服系统的执行机构，有时也用于闭环伺服系统，它是一种将脉冲电信号转换为角位移或直线位移的D/A转换装置。按照输出位移的不同，步进电机可分为回转式步进电机和直线式步进电机，移动机器人一般采用回转式步进电机。步进电机输出角度精度高，无积累误差，惯性小，容易实现位置、速度控制，启、停及正、反转控制方便。步进电机的缺点是同样功率下的质量比伺服电机大，体积也大。但步进电机是开环控制，无须测速器件，减少了机构的复杂性。

角度舵机的控制方式为控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。其内部有一个基准电路，产生周期为20ms、脉冲宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片并决定电机的正、反转。当电机转动一定角度时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。此种舵机一般用于机器人的角度控制，如类人机器人关节角度控制，选型的依据主要是其驱动扭矩、供电电压等，但一般驱动力矩不大。

连续旋转舵机的控制方式与角度方式类似，差别是获得的电压差会产生与其对应的速度差，可连续进行旋转，一般用于小型的教育机器人。

普通直流电机由于其控制方式简单且成本低，在智能移动机器人上也偶尔用到，但较难进行精确的速度及位置控制。

直流伺服电机在智能移动机器人上应用较多，其功重比大，启动转矩大，过载能力好，速度快，可分为有刷直流伺服电机和无刷直流伺服电机，一般可通过测速传感器及光电编码器进行反馈，可搭配不同类型的减速器，从而获得较大的扭矩及合理的速度，目前市场上此类电机类型较多。

3.直流伺服电机的选型

为了方便控制，可以选择DC12V～DC80V范围内的直流伺服电机，一般DC24V电机应用较多。

电机是一种高转速、小力矩的驱动装置，而机器人通常要求低转速、大力矩，因此常用行星齿轮传动机构或其他传动机构减速器来完成速度和力矩的变换与调节。另外，在选择伺服电机时也需要考虑功重比、外形尺寸、力矩、价格等多重因素。

如RoboCup中型组足球机器人，选用90W鸥鹏空心杯直流伺服电机，该电机自带500P/R的光电式增量编码器，电机惯量很小，适合频繁正反转驱动类型机器人的需要，在机器人航位推测及其自定位中起着重要的作用。而减速器采用精密行星齿轮，减速比通常有18:1和14:1可选。

4.驱动轮的选型

（1）轮径：在不影响加速特性的前提下，尽量选取大轮径以获得更高的速度。

（2）材料：尽量选择橡胶或人造橡胶，以获得更好的抓地摩擦力和减振性，且在绝大多数场合都可以使用。

（3）宽度：合理范围内可以获得较好的静摩擦力，防止轮子打滑，但不宜太大，否则机器人运行时地面摩擦阻力会加大。

（4）空心/实心：轮径较大时，尽量选取空心轮以减小轮子重量。

（5）在使用全向轮时，尽量选用径向跳动小的轮子，以减小机器人的振动。

5.选择合理的驱动轮布局结构

通过前几节的关于机器人移动机构的知识我们知道，对于一些运动控制功能要求不高的移动机器人，可选择两轮差动驱动方式，其结构简单且成本低，易于实现。而对于诸如RoboCup足球机器人系统而言，则需要采用三轮或四轮全向移动机构来实现其运动功能，以达到运动灵活、反应速度快等要求，尽管结构比较复杂，成本也要增加不少。