移动机器人技术漫谈 11大模块详细解读

编辑:我爱机器人发布于:机器人技术2022-10-085002

移动机器人技术漫谈（一）：常见车轮

移动机器人的机械构型相对较为简单，就是一个机架上安装移动机构（轮系或履带），移动机构按照设定速度运动，整个机器人就动起来了。可以看出，移动机器人关键的两个部分就是：移动机构和机架的构型。

（a）直行轮（主动）；（b）直行轮（被动）；（c）麦克纳姆轮；（d）全向轮；（e）球轮；（f）万向轮（被动）；（g）舵轮

图1 常见的机器人车轮

为适应不同场景需求，不同类型的轮子被设计出来（如上图所示），共罗列了7种车轮，这里依次介绍：

直行轮
直行轮只能沿着轮子外圆切线方向直行运动，不具有转向功能，也不能横移。直行轮既可作为主动轮使用，也可作为被动轮使用。作为主动轮时，直行轮的轮轴与电机轴或减速器输出轴相连接；作为被动轮时，直行轮的轮轴是与轮架连接，没有电机驱动。
麦克纳姆轮
麦克纳姆轮外形炫酷，是由轮毂和外围系列辊子组成，实际运动是由轮毂转动和辊子转动两部分运动合成的。麦克纳姆轮的外围辊子之间存在间隙，因此麦轮运动过程中会存在轻微的震荡，且对运动连续性也有影响。麦轮的负载能力也较弱，是因为整个机器人重量会“压”在辊子轴上，辊子轴直径很小，所以能够承受的重量也是较小的。麦轮的构型和工艺较其他轮子更复杂，且辊子易磨损，因此成本也更高。麦轮的运动是依赖于辊子的运动的，假如麦轮在室外非结构化场景（泥土、杂草）中运动，辊子容易被杂物卡住而无法被动转动，因此麦轮主要被应用于结构化地面，如水泥地面等。将多个麦轮按照一定规律排列组合，并按照一定规律运动，就可以达到全向移动的效果，适用于室内狭窄场景。

全向轮
全向轮与麦克纳姆轮是一对“同分异构体”，全向轮的辊子轴线与轮毂轴线夹角为90度，而麦轮是45度，因此麦轮存在问题，全向轮也有，从而导致两者的应用场景也是比较接近的。
球轮
球轮的运动依赖于嵌入在轮壳内的滚球，滚球是标准球体，可朝向任意方向滚动，实现“万向”的效果。TurtleBot3机器人的前面两个轮子就是采用的球轮。采用球轮可以尽可能压低机器人底盘，但缺点是球轮接地面积小，易导致滚球磨损，所以承载能力有限。
万向轮
万向轮生活中比较常见，常被用于超市购物车、婴儿车的两个后轮。万向轮的两条轴线之间存在一定距离，可实现万向轮转向时需要先完成转向，再继续滚动的动作，且对滚轮的运动方向具有一定的导向调整作用，削弱了两个自由度冲突程度。制造万向轮的材料有多种，最普遍的材料是：尼龙，聚氨酯，橡胶，铸铁等材料。
舵轮
舵轮是有两个自由度，且可以主动控制，即可直线运动，又可转向。舵轮也常被应用于室内机器人，通过多个舵轮组合运动，可实现全向运动。
近年来，轮毂电机在移动机器人上获得了较广泛的应用。轮毂电机是一种机电一体部件，它将驱动电机、传动装置、制动装置、检测装置都整合到直行轮轮毂内，使车轮的机械部分得以极大简化，有利于移动机器人实现简单化和轻量化。

移动机器人技术漫谈（二）：移动装置构型

将不同种类和不同数量的车轮（或履带）进行排列组合，就形成了各种构型的移动机器人。下图共列出了7种常见的移动机器人类型。

（a）双轮差速式机器人，（b）阿克曼式机器人，（c）四轮驱动机器人，（d）双履带式机器人，（e）麦克纳姆轮全向机器人，（f）全向轮全向机器人，（g）四轮驱动四轮转向机器人

图1 移动机器人常见构型

双轮差速式机器人

双轮差速式机器人的两个动力轮设置在底盘左右两侧，两轮速度可独立控制，通过给定不同速度实现底盘的直线和转向控制。为保持平衡，底盘一般会配有一到两个辅助支撑的万向轮，从而形成三轮或四轮的轮系结构。

阿克曼式机器人

阿克曼式机器人为四轮式，它的原理与汽车相似，由两后轮作为驱动轮提供动力，由两前轮作为转向轮控制方向，且两前轮的转角通过阿克曼转向机构关联。由于采用了与汽车相似的构造，阿克曼式机器人操纵性与汽车类似。

四轮驱动机器人

四轮驱动机器人的四个直行轮大小相同、独立驱动且前后、左右对称布置，依靠左右侧直行轮的速度差实现转向。在转弯过程中，四轮驱动机器人是靠滑动摩擦实现的，因此会对直行轮及地面造成一定的磨损。因为存在严重的滑移情况，四轮驱动机器人难以精确控制。

双履带式机器人

双履带式机器人底盘左右两侧各配置一套履带移动机构。每套履带移动机构由轮系、悬挂系统和履带组成。轮系包含若干驱动轮、支重轮、导向轮、托带轮；悬挂系统一般采用克里斯蒂悬挂，以保障越障性能良好；履带一般由强度高、重量轻、模量高、无收缩的复合材料制成。双履带式机器人的越障性能优良，在室外复杂环境中有较多应用。

全向移动机器人

这类机器人相对比较特殊，车轮采用了麦克纳姆轮或全向轮，按照一定的规律控制车轮转动，则可以实现前、后、左、右四个方向的全向移动，比起非全向移动机器人，其灵活性更好，能够在狭窄的区域运动。但由于受到麦克纳姆轮或全向轮的限制，该类机器人的承载能力不大。另外，全向移动机器人的各个车轮产生的力会相互抵消一部分，因此同样转矩产生的净推力效率较低，综合效率不如差速式机器人。

四轮驱动四轮转向机器人

四轮驱动四轮转向机器人（4WD-4WS）相当于有8个电机在控制其运动，可轻松实现机器人的全向运动，具有机构简单、行动灵活、效率高等特点，在室外非结构化场景下具有较强的自适应能力。然而，随着电机数量的增加，对控制的精确性、同步性提出了更高的要求，在一定程度上加大了控制难度。

除了以上常见构型外，还有许多非常见构型，例如：两前轮采用全向轮，两后轮采用直行轮的构型。

表1 常见移动机器人构型的应用场景及主要性能对比

移动机器人构型	应用场景	机动性	承载性	越障性
双轮差速式	室内、中载	中	中	弱
四轮驱动	室外、中载	弱	中	弱
四轮驱动四轮转向式	室内/室外、中载	强	中	中
阿克曼式	室内/室外、中载	中	中	中
全向式（麦轮/全向轮）	室内、轻载	强	弱	弱
双履带式	室外、重载	中	强	强

移动机器人的不同构型，会带来性能上的差异，而性能上的差异又决定了其适用的场景。为了满足某一特定场景的现实需求，在移动机器人构型的优选上，需要从它的稳定性、承载性、机动性、操纵性、越障性、通过性、耐久性等多个维度加以综合考虑。

移动机器人技术漫谈（三）：悬架系统

悬架（或称悬挂）是移动机器人本体的重要组成之一，主要由弹性元件、减振器、导向装置、缓冲块等部件构成，它把车身与车轮弹性地连接起来，起到缓和、衰减路面传递至车身的冲击载荷以及其引起的振动的作用，为移动机器人平顺地行驶提供保证。

根据导向机构的不同，悬架可以分为独立悬架和非独立悬架。非独立的悬架的左、右车轮连接在同一根传动轴上，传动轴再通过悬架与车身连接，左、右车轮的运动是相互耦合的。独立悬架结构的左、右车轮通过各自的悬架与车身直接连接，左、右车轮的运动是相互独立的。

（a）非独立悬架（b）独立悬架

图1 移动机器人悬架的种类

轮式移动机器人的悬架

非独立悬架的常见型式包括：钢板弹簧式、螺旋弹簧式、横向推力式、扭转梁式等。非独立悬架的特点是：构造简易、低成本、抗压强度高、维护保养非常容易，但平顺性及可靠性都较弱。

独立悬架的常见型式包括：麦弗逊式、支柱式、双叉臂式、多连杆式等。与非独立悬架相比，独立悬架具有很多优点，主要包括：

增加附着力：左、右车轮各自独立运动互不影响，车身的倾斜和振动问题大大减少，且在起伏的路面能获得良好的地面附着力；

改善平顺性：弹性元件只承受垂直力，所有可以用刚度小的弹簧，使车身振动频率降低，行驶的平顺性能得到较好的改善；

提高稳定性：由于采用断开式车轴，整车的质心高度下降，行驶稳定性能得到改善。

图2 轮式移动机器人常见悬架类型

履带式移动机器人的悬架

履带式移动机器人底盘的左、右两侧对称配置一套履带行走系统，每套履带移动机构由轮系、悬架系统和履带组成。其中，悬架系统是机器人车体与负重轮之间的一切传力连接装置的总称，是履带行走系统的重要组成部分。

图3 履带式底盘的结构组成

履带式移动机器人的悬架系统主要分为三类：克里斯蒂悬架系统、平衡式悬架系统、扭杆式悬架系统。

克里斯蒂悬架是一种具有支点、摆臂、弹簧结构的悬架。当负重轮被障碍物推起时，安装它的摆臂被向上推，绕着与车身相连的支点旋转，从而使弹簧压缩吸振。克里斯蒂悬架具有很好的柔软性和可靠性，缺点是弹簧占用车体空间较多。

图2 克里斯蒂悬架及其原理

平衡式悬架以多组轮子和一个共用的支撑架以及弹性部件为特点，根据不同的设计，有使用双轮组（谢尔曼式），三轮组（瓦伦丁式），四轮组（维克斯式，玛蒂尔达式）等。

图3 平衡式悬架

扭杆式悬架是以扭杆为弹性元件的悬架装置，主要由扭杆弹簧、减振器及平衡肘等组成。扭杆式悬架利用扭杆的扭转变形缓冲地面起伏带来的振动和冲击，其的特点是结构简单、占用空间小、行程大、可靠性好。

图4 扭杆式悬架

以上介绍的各种悬架，由于型式上的差异，结构特点和许多基本特性都存在较大的区别，需要根据移动机器人实际运行工况合理选用。目前，针对悬架的研究其主要对象是汽车，因此，汽车悬架的相关理论对移动机器人悬架研宄具有重要的借鉴作用。

移动机器人技术漫谈（四）：驱动电机及驱动系统

伺服电机（又称执行电机）在移动机器人系统中用作执行元件，它把所接收到的控制信号（如电压、电流、脉冲等）转换成电机输出轴上的角位移、角速度或扭矩输出。驱动电机的结构一般包括：机座、外壳、前后端盖、定子组件、转子组件、铁芯、绝缘绕组、电机转轴、轴承、换向器、编码器、抱闸装置等。

图1 驱动电机

移动机器人常用的驱动电机主要有：直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机。

直流伺服电机
直流伺服电机采用直流电源供电，包括：普通直流伺服电机、盘形电枢直流伺服电机、空心杯电枢直流伺服电机、无槽电枢直流伺服电机、直流力矩电机等。

交流伺服电机
交流伺服电机采用交流电源供电，包括：同步型交流伺服电机、异步型交流伺服电机。

步进电机
步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。按励磁方式分为磁阻式、永磁式和混磁式三种，按相数可分为单相、两相、三相和多相等形式。

一、直流伺服电机

直流伺服电机的基本工作原理与普通直流电机完全相同，即通过电枢电流和气隙磁通量的作用产生电磁转矩，从而使直流伺服电机定子旋转。直流伺服电机通常采用电枢控制方法，即在保持励磁电压不变的情况下，通过改变电枢电压来调节速度：电枢电压越小，转速越低；电枢电压为零时，电动机停止。

移动机器人一般自身携带电池，因此采用的驱动电机也以直流伺服电机为主。当直流伺服电机的电压与电池电压不一致时，需要借助电源转换模块（DC-DC）实现二者之间的适配。

图2 直流伺服电机结构

普通直流伺服电机
普通直流伺服电机的定子为电磁式或永磁式，转子由带槽的铁心和嵌放于槽中的电枢绕组构成。普通直流伺服电机具有较强的负载能力，较大的堵转转矩，但由于转子结构复杂、体积较大，使得该电动机的机械惯性较大，低速时运行平稳性较差，控制死区较大。

盘形电枢直流伺服电机
盘形电枢直流伺服电机的定子为永磁式，转子为一圆盘结构，电枢有线绕式（线绕盘式）和印刷电路式（印刷盘式）之分。该电动机结构简单、体积小、转子重量轻，转子的机械惯性小，但堵转转矩小。线绕盘式电动机容量可达数千瓦，印刷盘式的容量小一些。

空心杯电枢直流伺服电机
空心杯电枢直流伺服电机的定子为永磁式，转子以一空心杯构体为骨架，其杯壁上放置（或印制）电枢绕组。其电枢绕组可以是绕线式绕组也可以是印刷式绕组。这种伺服电机以机械惯性极小著称，控制灵敏度高，几乎无控制死区，其体积可做得非常小且重量轻。但堵转转矩较小，目前它的容量还不能做得很大，是一种微型伺服电机。

无槽电枢直流伺服电机
无槽电枢直流伺服电机与普通直流伺服电机的唯一区别是它的转子铁心不开槽，电枢绕组固定胶粘贴在电枢表面。这种伺服电机具有较大的负载能力，较大的堵转转矩，电动机容量可以做的较大，低速平稳性好。

直流力矩电机
直流力矩电动机是一种低速、大力矩电机，它能在不需要中间减速机构的情况下直接拖动负载实现低速大力矩的平稳运行，甚至可以工作在堵转情况下且无爬行现象，又具有很高的稳速精度。因此，特别适用于那些常用于较低速度且又有相当负载能力要求的场合。直流力矩电动机在结构上和普通直流伺服电机相同，但它的定子主磁极数较多，通常做成扁平结构。下图为某型四足机器人关节所用的一种直流力矩电机。

图3 直流力矩电机

二、交流伺服电机

交流伺服电机在结构上类似于单相异步电动机，它的定子铁芯中安放着空间相差90°电角度的两相绕组，一相称为励磁绕组，一相称为控制绕组。电动机工作时，励磁绕组接单相交流电压，控制绕组接控制信号电压，要求两相电压同频率。交流伺服电机的转子有两种结构形式：笼型转子和空心杯形转子。交流伺服电机应用于工业机器人上比较常见，应用在移动机器人上的情况相对较少。

图4 交流伺服电机结构

异步型交流伺服电机
异步型交流伺服电机指的是交流感应电机，它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动机。其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量轻1/2，价格仅为直流电动机的1/3。缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速。
同步型交流伺服电机
同步型交流伺服电机的定子与异步型电机一样，都是在定子上装有对称三相绕组。而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。磁滞式和反应式同步电机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。永磁式优点是结构简单、运行可靠、效率较高，缺点是体积大、启动特性欠佳。

三、步进电机

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。因此，步进电动机又称脉冲电动机。步进电机只有周期性的误差而无累积误差的特点使其在工业、航天、机器人、精密测量等领域获得广泛应用。步进电机一般用于对精度和速度要求不高的机器人系统。

步进电机的工作原理是：当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

步进电动机的结构形式和分类方法较多，一般按励磁方式分为磁阻式、永磁式和混磁式三种；按相数可分为单相、两相、三相和多相等形式。步进电机的运行性能与控制方式有密切的关系，步进电机控制系统从其控制方式来看，可以分为以下三类：开环控制系统、闭环控制系统、半闭环控制系统。

图5 步进电机结构

四、驱动电机的选型

选择移动机器人的驱动电机并没有什么特定的规律可循，一般而言，选择什么样的电机，在很大程度上取决于移动机器人的工作环境、性能要求、物理特性。移动机器人电机的选择应综合考虑以下几点:

选择电机类型：根据移动机器人的运行路况性质对电机启动、制动、反转、调速、扭矩等的要求选择电机的类型。
确定电机结构形式：根据移动机器人使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、防爆等，确定电机的结构形式。
确定电压等级：根据移动机器人电源的电压、电流等参数，确定电机的电压等级。
确定电机的输出扭矩：根据负载转矩及其变化范围、减速机构的减速比等确定电机的输出扭矩。电机连续扭矩>1.2~1.3倍负载扭矩。
确定转速范围：根据移动机器人的行驶速度、减速机构的减速比等性能要求确定电机的转速范围。
确定电机功率：根据电机的输出扭矩、转速范围、过载能力等参数，确定电机的额定功率。
校核电机转子转动惯量：负载惯量与电机转子惯量的比值应小于5:1。

除上述各点外。还要综合考虑电机运行的可靠性、备品备件的通用性、安装维修的难易程度、以及产品价格、运行费用和维修费用等各项经济指标，达到安全运行和节约能源的目的。

五、电机驱动系统

现有移动机器人大多通过电机来驱动整个系统。

以双轮差速驱动的移动机器人为例，其电气驱动原理一般如图6所示。这种将伺服电机与减速器结合的驱动方式使得车轮的转速是在电机转速经过了减速器的减速比得到的，由于增加了机械传动中间过渡环节的损耗，使得整个系统传动效率降低。此外，由于伺服驱动电机占用了车体内部很大的空间，使得其他零部件在车轮轴向的布置变得困难，而且拆装、维修也不方便。

图6 步进电机结构

新型电气驱动系统采用了轮毂式电机代替以往的驱动电机，其工作原理如图2所示，由于轮毂式电机的转子是线圈外转子，这样轮毂电机就将转矩直接传递给车轮，避免了机械传动过程中能量的损耗，同时使得车轮内部元器件布置的自由度曾加，减轻了车轮总成的质量。

图7 步进电机结构

移动机器人技术漫谈（五）：减速器

减速器是移动机器人的核心零部件之一，一般应用于移动机器人的动力轮（驱动轮、舵轮等）、举升机构等结构上，起到降低输出转速、增加输出扭矩、改变扭矩方向、降低负载惯量等作用。

目前，机器人精密减速器技术一直由日本、德国、美国等发达国家掌控，其核心技术仍处于保密状态。据统计，世界75%的精密减速器市场被日本的Harmonica和Nabtesco所占领，这严重制约了我国机器人产业的发展。

经过多年的科研攻关，我国机器人用精密减速器在技术上获得了一定突破，加上我国机器人产业化发展的局面的逐渐形成，涌现出上海机电、秦川发展、绿的谐波、南通振康、浙江恒丰泰、北京中技克美等本土减速器生产企业。不过，由于我国对机器人用精密减速器的研究起步较晚，技术成熟度和产品稳定性方面还与国外先进水平存在较大差距。

机器人常用的减速器包括：摆线针轮（RV）减速器、谐波减速器和行星齿轮减速器。

摆线针轮（RV）减速器
RV减速器技术源于德国，L. Braren博士（劳伦兹·勃朗）于1926年首先提出将摆线齿廓用于精密机械传动，并于1931年在德国慕尼黑创建了“赛古乐”股份有限公司，最先开始摆线减速器的制造和销售，1939年转让给日本住友重机械工业株式会社。RV减速器目前已被广泛应用于工业机器人，机床，医疗检测设备，卫星接收系统等领域。

摆线针轮减速器全部传动装置可分为三部分：输入部分、减速部分、输出部分。在输入轴上装有一个错位180°的双偏心套，在偏心套上装有两个称为转臂的滚柱轴承，形成H机构、两个摆线轮的中心孔即为偏心套上转臂轴承的滚道，并由摆线轮与针齿轮上一组环形排列的针齿相啮合，以组成齿差为一齿的内啮合减速机构。

RV减速器具有体积小、重量轻、传动比范围大、寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳等一系列优点，缺点是机构复杂、制造安装精度要求高、承载能力不大。

谐波减速器
谐波减速器是20世纪50年代伴随着空间科学技术的发展，基于在弹性薄壳弹性变形理论，应用金属挠性和弹性力学原理发展起来的一种全新传动形式。谐波减速器由美国发明家C. Walt Musser（马瑟）首先提出，经日本引入后发展实用化。目前，谐波传动已广泛应用于航天航空、机器人、精密加工设备、雷达设备、医疗设备等领域。

谐波齿轮减速器由波发生器、柔轮和刚轮组成，依靠波发生器使柔轮产生可控弹性变形，并靠柔轮与刚轮啮合来传递运动和动力。谐波传动具有运动精度高，传动比大、质量小、体积小、较小的传动惯量等优点。最重要的是能在密闭空间传递运动，这一点是其他任何机械传动无法实现的。其缺点为在谐波齿轮传动中柔轮每转发生两次椭圆变形，极易引起材料的疲劳损坏，损耗功率大。

行星齿轮减速器
行星齿轮减速器主要传动结构为：行星轮，太阳轮，外齿圈。行星减速机因为结构原因，单级减速最小为3，最大一般不超过10，常见减速比为3，4，5，6，8，10，减速机级数一般不超过3，但有部分大减速比定制减速机有4级减速。行星减速机多数是安装在伺服电机和步进电机上，用来降低转速、提升扭矩、匹配惯量。

相对其他减速器，行星齿轮减速机具有高刚性、高精度(单级可做到1'以内)、高传动效率(单级在97%～98%)、高的扭矩/体积比、终身免维护等特点，其缺点为结构复杂、零件加工精度要求高、制造与安装较困难。

移动机器人对减速机的主要要求是轴向长度短、径向负载大、运动精度高。在减速器的选型上，除了根据减速机的需求选择不同的减速机种类外，还需关注减速机的减速比、安装方式、尺寸、精度、受力等。此外，对减速机的要求还包括高可靠性、低噪声、长寿命、免维护等。

移动机器人技术漫谈（六）：传感器

移动机器人上通常安装了各种类型的传感器，用于获取本身的运行状态和探测所处的环境及状况。根据检测对象的不同，机器人传感器可分为内部传感器和外部传感器。内部传感器是指用来检测机器人本身状态的传感器，外部传感器是指用来检测机器人所处环境及状况的传感器。

表1 移动机器人常用的传感器

传感器类型		测量原理	主要作用
内传感器	编码器	光电、磁性、电感性、电容性	电机转角/转速测量、里程计
	惯性测量单元	航位推算(DR)	姿态测量、加速度测量
	力/力矩传感器	电阻应变	外力测量、外力矩测量
外传感器	GNSS	卫星定位	室外定位
	激光雷达	飞行时间(TOF)、三角测量	环境建图、定位
	磁导航传感器	电磁感应	磁迹导航线路识别
	超声波传感器	飞行时间(TOF)	探测障碍物
	红外线传感器	飞行时间(TOF)、红外辐射	探测障碍物、温度测量
	深度/视觉相机	CCD或CMOS成像	环境识别、物体识别、人体识别

编码器
编码器将角位移或角速度转换为电脉冲或数字量，在移动机器人上一般作为里程计使用。

编码器根据检测原理可分为：光电式、磁性、电感式和电容式。光电式编码器是其中最常用的。根据码盘的校准方式，光电编码器分为增量式和绝对式。增量式光电编码器的输出是一系列方波脉冲。旋转角度可以通过记录脉冲的数量计算出来。但是需要一个参考位置作为转轴的零点绝对位置。绝对式光电编码器轴上的每个位置都对应有唯一的二进制数字量，因此可以直接得到绝对位置。

编码器因其结构紧凑、使用寿命长、使用方便、技术成熟等优点而被广泛应用。编码器的分辨率取决于圆中编码盘上刻线的数量。更多的线能够识别较小的角度，从而产生更高的分辨率，当然成本也会更高。

图1 光电编码器

力/力矩传感器

力/力矩传感器广泛应用在协作机械臂、足式移动机器人、移动机器人等领域。

力传感器是将力的测量值转换为相应电信号的器件，分为单维、多维等类型。力传感器能检测张力、拉力、压力、重量、扭矩、内应力和应变等力学量。具体的器件有金属应变片、压力传感器等，在动力设备、工程机械、各类工作母机和工业自动化系统中，成为不可缺少的核心部件。

扭矩传感器主要用于测量施加在机械轴上的扭矩。常见的类型有感应式和电阻应变式。其结构通常由扭力杆和线圈、电阻应变片等检测元件组成。通过检测元件参数的变化，将扭矩引起的扭杆扭转变形转化为电信号，实现扭矩测量。

图2 六维力传感器

惯性传感器

惯性传感器包括加速度计、陀螺仪和磁强计。惯性传感器被广泛用于测量运动物体的运动参数，比如加速度、角速度和方位角。通常，三者的组合被称为惯性测量单元（IMU）。惯性传感器的测量原理是航位推算（DR），利用积分的方法来计算物体的运动量。惯性传感器的精度在短时间内是令人满意的，但是长时间漂移误差较大。

图3 惯性测量单元

激光传感器

激光发明于20世纪，因为其在单色性、方向性和亮度方面都有出色的性能，因此被广泛应用于各种场合。常见的激光传感器有激光测距仪、激光位移传感器、激光雷达、激光跟踪器等。激光雷达能够生成环境的2D地图模型或3D稠密点云模型，在移动机器人室内外精准定位和自主导航上的应用十分广泛。

激光传感器主要由测量电路、激光器（分为四类：固体、液体、气体和半导体）和光电探测器等组成。激光传感器主要用于对距离、速度和振动等物理参数的测量上。激光传感器的基本原理主要包括两种：飞行时间（TOF）和三角测量法。TOF是指从发射激光到接收到反射光的总时间。三角测量法利用三角形理论和三角函数来计算物体之间的距离。

图1 激光测距方法

激光传感器能够遥感测量，测量速度和精度都令人满意。但是，激光波长容易受温度、大气压力和空气湿度变化的影响。当上述参数发生变化时，需要进行补偿才能达到更高的测量精度。

图2 激光雷达

视觉传感器

视觉传感技术近年来发展较快。目前在三维重建、人脸识别、多机联合等领域应用已经非常成熟。视觉传感器采集的图像由处理器进行处理，提取出对特定任务有用的信息。

视觉传感器主要包括各种相机，比如RGB相机、深度相机和多光谱相机。相机中的光敏元件通常是CCD或者CMOS，都是利用光电效应原理，将光信息转换成电信号，继而转换为数字信号。不同类型的相机有不同的原理，可以提供不同的信息。RGB相机是人们日常生活中使用最多的一种相机，其原理是通过红、绿、蓝3种颜色及其组合来获取各种可见颜色。深度相机则将距离信息加入到了二维图像中，实现了立体成像。多光谱相机能够获取不同波段的图像，包括可见光和不可见光波段，因此可以获得一些RGB相机无法提供的信息。

图3 CCD传感器结构

图4 各类相机

磁传感器

磁传感器是用来检测弱磁装置的一种传感器，是移动机器人实现寻迹的重要部件之一，其作用是利用磁场定位引导移动机器人沿设定路线行驶。磁传感器一般安装在移动机器人底部，距离地面高度一般在2~4cm之间。

磁传感器通常由磁场探测器、磁电转换元件和测量电路三部分组成。磁导航传感器具有一到多组微型磁场探测器，可探测地面行进路线上预先铺设的磁条、磁道钉或者电缆等，从而引导移动机器人沿预设的轨迹运行。磁导航传感器易于实现、成本低廉，主要用于工业AGV、巡检机器人、无轨货架等设备的导航。

图5 磁传感器

触觉传感器

与人类通过触觉感知一样，移动机器人有时也可通过触觉来对环境进行感知。因此，触觉传感器就成为了移动机器人智能化的必备元件之一，它使移动机器人具备了靠触觉来感知的能力。

根据原理不同，触觉传感器主要有4种方式。压电式、压阻式、电容式和光学原理式。压电触觉传感器是基于压电效应原理，即在外界力的作用下，压电材料表面因形变会产生电压。它的频率响应好，测量范围大，但分辨率不是很理想。压阻式触觉传感器基于压阻效应原理，即施加外力时会产生自身电阻的变化。它测量范围大，鲁棒性好，但是迟滞效应较大。电容式触觉传感器利用电容的变化来测量接触力。其空间分辨率高，功耗低，但抗干扰能力差。光学原理的触觉传感器靠检测光的参数变化间接感知外界的接触信息。优点是抗干扰能力强，具有很高的空间分辨率。

超声波传感器与红外线传感器

超声波是频率高于20kHz的一种声波，其波长短于常见声波，有较好的方向性。超声波传感器是将超声波信号转换成其它能量信号（通常是电信号）的传感器，它在所有照明条件下其至是阳光直射条件下均能完美工作，能可靠探测任何颜色的物体，包括透明物体。

超声波传感器在移动机器人上的主要应用是测距和避障。利用声波的反射原理，传感器发射出超声波，超声波遇到障碍后反射回来，传感器再接收超声波，根据时间差可测算出距离。机器人行进中，距离障碍物还有一定距离时，超声波传感器检测到相关信息，可以此作为依据控制机器人避开障碍物。

图6 超声波传感器（左）与红外线传感器（右）

红外线是频率介于微波与可见光之间的电磁波，是电磁波谱中频率为0.3THz~400THz，对应真空中波长为760nm~1000um辐射的总称。红外线传感器是利用红外线来进行数据采集、处理的一种传感器，具有灵敏度高等优点。

红外线传感器常用于无接触温度测量、气体成分分析和无损探伤，在移动机器人中比较多的用途是测温、避障、寻迹等。

移动机器人技术漫谈（七）：运动控制器

运动控制器是移动机器人的控制中枢，主要实现执行机构精确的位置控制、速度控制、力/力矩控制等。运动控制器由硬件及软件两部分组成，常见的运动控制器从硬件结构上主要分为：基于MCU的运动控制器、基于PLC的运动控制器、基于IPC的运动控制器等。此外，导航运动控制器、网络运动控制器等新型运动控制器也越来越多的应用在移动机器人上。计算能力、存储能力、接口种类及数量等是衡量运动控制器性能优劣的关键指标。

基于PLC的运动控制器

图1 单片机

微控制单元（MCU），又称单片微型计算机或者单片机，是把CPU的频率与规格做适当缩减，并将内存、计数器、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。

基于单片机的控制器把MCU嵌入到控制器中，能够独立运行并且带有通用接口方式方便与其他设备通讯。基于MCU的控制器具有运行性能良好、系统的成本低等优势。

基于PLC的运动控制器

图2 可编程逻辑控制器（PLC）

PLC（可编程逻辑控制器）是专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。

基于PLC的控制器技术成熟、编程方便，在可靠性、扩展性、对环境的适应性方面具有明显优势，并且有体积小、开发周期短、方便安装维护、互换性强等优点。但是，基于PLC的控制器不能进行复杂的数据处理，也不支持复杂算法的部署，不能实现多轴联动等复杂的运动轨迹。

基于IPC的运动控制器

图3 工控机（IPC）

工控机（IPC）一般称为工业控制计算机，是专门用于对设备、流程、参数等进行监测与控制的计算机。IPC的基本性能及相容性与商用电脑相差无几，但IPC更注重在不同环境下的稳定性、可靠性。

基于IPC（工控机）的控制器是移动机器人控制系统的应用主流。由于计算机平台的使用，为动态控制算法和复杂轨迹规划提供了良好的硬件保障。这类控制器的软件开发成本低、系统兼容性好、系统可靠性强、算力优势明显。

图4 上位机+下位机的控制架构

除了上述单层的控制架构以外，采用上位机+下位机的双层控制架构一般也比较常见。上位机通常采用工控机，下位机通常采用基于MCU的嵌入式运动控制板卡，上位机和下位机之间可通过串口、USB、UDP/TCP等方式通讯。这种控制架构的工作过程是：（1）上位机给下位机发送控制命令，下位机接收到此命令并控制执行机构完成相应的动作；（2）下位机采集各个传感器的测量数据，然后将其转化为数字信息反馈给上位机用于决策和控制。上位机+下位机的控制方式兼顾了MCU实时性和IPC高算力的优势。

移动机器人技术漫谈（八）：机械臂与机械手

移动机器人需要配备相应的执行机构才能完成对目标物体的操作。对于不同的应用场合，执行机构可以是机电系统、液压系统、气动系统中的一种或是把它们结合起来应用的综合系统。

(1) 机电执行机构：机电执行机构采用直流伺服电机、交流伺服电机或步进电机作为动力源，具有精确度高、动态特性好、结构紧凑等优点，其缺点是功率密度低、大推力时成本高、易发热。

(2) 液压执行机构：液压执行机构采用液压泵(齿轮泵、叶片泵、柱塞泵和螺杆泵)、液压站等作为动力源，具有机构惯量小、输出功率大、可实现无极调速等优点，其缺点是加工难度大、抗污染能力差、维护成本高。

(3) 气动执行机构：气动执行机构采用洁净、干燥、具有稳定压力和足够流量的压缩空气作为动力源，其优点是动作速度快、能量损失小、维护简单，其缺点是控制精度不高、稳定性较差、噪声大。

以伺服电机为动力源的机械臂和机械手是移动机器人最常用的执行机构之一，以下分别介绍。

机械臂

机械臂是多输入多输出(SISO)的非线性复杂机电系统。机械臂最早应用于工业机器人，走过了从第一代示教机械臂、第二代感知机械臂到第三代智能机械臂的发展历程。

(1) 第一代机械臂，即示教机械臂，这类机械臂以示教/再现的方式的进行工作。这种工作方式只能按照事先示教的位置和姿态进行重复的动作而对周围环境无感觉的功能，其应用范围受到一定的限制。

(2) 第二代机械臂，即感知机械臂，这类机械臂是具有如视觉、力觉、触觉等外部感觉功能的机械臂。这种机械臂由于具有外部的感觉功能，因此可以根据外界的情况修改自身的动作，从而完成较为复杂的作业。

(3)第三代机械臂，即智能机械臂，这类机械臂除了具有外部感觉功能外，还具有规划和决策的功能。从而可以适应因为环境的变化而自主进行工作。智能机械臂目前还处于研究阶段，距离实际应用还有一段距离。

机械臂的分类方法很多，主要包括：

(1) 按用途分为：工业机械臂、服务机械臂、空间机械臂、医疗机械臂等；

(2) 按尺寸分为：小型机械臂，中型机械臂，大型机械臂；

(3) 按自由度数分为：两自由度机械臂，三自由度机械臂，四自由度机械臂，五自由度机械臂，六自由度机械臂、七自由度机械臂等；

(4) 按关节连接方式分为：串联机械臂，并联机械臂，混联机械臂；

(5) 按坐标形式划分：直角坐标机械臂，圆柱坐标机械臂，球面坐标机械臂，关节坐标机械臂（水平关节式、垂直关节式），混合坐标机械臂等。

关节型机械臂是使用最多的一种机械臂类型，其特点是结构紧凑、空间占用小、工作空间较大、通用性强。移动机器人搭载的关节型机械臂通常是具有3~7个自由度的轻量型机械臂，在人机协作等场景还需要机械臂具有力/力矩检测能力，以确保人机协作的安全性。

机械臂的主要性能指标包括：自由度数量、最大臂展、工作空间、负载自重比等。

机械手

机械手是一种能模仿人手某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，构造和性能上兼有人手灵活性和机械高效性的优点。机械手最早应用在工业机器人上，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。机械手根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。机械手通过其运动机构，使手部完成各种移动、转动（摆动）、伸缩或复合运动来实现规定的动作，以改变被抓持物件的位置和姿态。机械手的运动机构以连杆、齿轮、线驱动比较常见。

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等。自由度是机械手设计的关键参数，自由度越多，机械手的灵活性越大、通用性越广，其结构也越复杂。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，至少需有6个自由度。

机械手一般需要与机械臂联合使用，可弥补机械臂自由度的不足，扩大机械臂的工作空间。然而，机械手的配备相应增加了机械臂的末端负载，使机械臂的实际负载能力下降。因此，在机械臂与机械手的选配上，应从工作空间、末端负载、操作灵活性等方面加以综合考虑，才能组合出最适宜的机械手臂。

移动机器人技术漫谈（十）：无线通讯

工业机器人由于位置相对固定，通常使用线缆与控制器进行通讯。而移动机器人运动范围较大，一般使用无线通讯的方式与后方控制台或调度系统进行通讯。常见的移动机器人无线通讯方式包括：4G/5G、Bluetooth、ZigBee、WiFi、LPWAN、UWB等，以下详细说明。

4G/5G技术

4G即第四代移动通信技术，该技术包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式，以正交频分多址(OFDMA)技术为核心，用户峰值速率可达100Mbps至1Gbps，是一种宽带接入和分布式的全IP架构网络，能够支持各种移动宽带数据业务。

5G即第四代移动通信技术，它是4G之后对现有的无线通信技术的演进。对于5G的关键技术，还可进一步细化归纳大规模天线、超密集组网、全频谱接入、新型多址、新型多载波、先进调制编码、终端直通技术、灵活双工、全双工、频谱共享等十大关键技术。5G 更强调用户体验速率，将达到Gbps量级。与4G相比，5G最大的变化在于，其服务的对象从过去的人与人之间的通讯，增加了人与物、物与物之间的互联，实现全连接。

优点：速率快，时延低，稳定性高，可靠性高。

缺点：4G/5G蜂窝式网络设备价格昂贵、成本高、用电大，须网络运营提供设备支持。

Bluetooth技术

蓝牙技术最早始于1994，由瑞典爱立信研发。它采用跳频技,通信频段为2.402G Hz-2.480GHz。截止目前为止已经更新了10个版本，通信半径从几米到几百米延伸。蓝牙技术被广泛的使用在手机，PDA等移动设备上，PC、GPS设备以及大量的无线外围设备(蓝牙耳机、蓝牙键盘等)。

蓝牙技术也紧跟物联网的发展脚步。最新的蓝牙5.0数据传输速率可达24Mbps、隐私功能更强大，Ipv6网络支持。蓝牙5.0加入室内定位辅助功能，结合Wi-Fi可以实现精度小于1米的室内定位。在智能家居领域，采用了Bultooth Smart技术的蓝牙设备之间可以不通网络就能实现设备与设备之间的“对话”。由此可以解决突然断网没有了WiFi的情况下，智能家居设备们仍将可以继续工作。

优点：速率快、低功耗，安全性高。

缺点：网络节点少，组网规模小，不适合多点布控。

ZigBee技术

Zigbee被正式提出来是在2003年，它的出现是为了弥补蓝牙通信协议的高复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等缺陷。ZigBee可工作在三个频段868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz和2.4GHz-2.4835GHz，其中最后一个频段世界范围内通用，16个信道，并且该频段为免付费、免申请的无线电频段。三个频段传输速率分别为20kbps,40kbps以及250kbps。

ZigBee采用自组网的方式进行通信，也是无线传感器网领域最为著名的无线通信协议。在无线传感器网络中，当某个传感器的讯息从某条通信路径无法顺畅的传递出去时，动态路由器会迅速的找出另外一条近距离的信道传输数据，从而保证了信息的可靠传递。

ZigBee不算主流的无线通讯技术，但却以其低功耗、低成本，低速率、高容量、长时间的电池寿命的特点深受一些厂家的追捧。

优点：安全性高，功耗低，组网能力强，容量大，电池寿命长。

缺点：成本高，抗干扰性差，ZigBee协议没有开源，通信距离短。

WiFi技术

WIFI是一种短距离无线传输技术，采用的标准是IEEE802.11a以及IEEE802.11b，使用频段一般是在2.4GHz，传输距离一般达到100m左右，组网方式较为简单，由AP和无线网卡组成的无线网络即可，目前除了在许多宾馆、餐饮店、图书馆、办公楼以及家庭等场所使用WIFI，只需要携带支持WIFI的终端即可接入互联网，同时还应用在智能家居控制方面，例如电视、空调、灯具、窗等。

优点：灵活性和移动性、部署便捷

缺点：易受干扰，传输速率低，传输距离较短，安全性较差

LPWAN技术

LPWAN（Low Power Wide Area Network）低功耗广域网络，专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计的。在全球范围内的多种LPWAN技术中，NB-IoT、LoRa是应用范围最广的两种技术。

在未授权频谱技术中，LoRa处于主导地位。LoRa除了具有网络容量大、功耗低、信号穿透能力强、高速移动信号稳定、可定位等特点外，最大优势在于同等功耗条件下无线射频通信距离更远。LoRa可以广泛应用在工业控制、城市管理、电网巡检控制、油气管道监控、农业灌溉、环境监测等领域。

优点：网络容量大、功耗低、信号穿透能力强、高速移动信号稳定、可定位，通信距离远

缺点：传输效率稍低

UWB技术

UWB（Ultra Wide Band）超宽带，一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，能在10m左右的范围内实现数百Mb/s至数Gb/s的数据传输速率。UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势，主要应用于室内通信、高速无线LAN、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。

由于UWB脉冲的时间宽度极短，因此也可以采用高精度定时来进行距离测算。相比Wi-Fi和蓝牙定位技术，UWB具有如下优势：抗多径能力强，定位精度高，时间戳精度高，电磁兼容性强，能效较高。

优点：抗多径能力强，定位精度高，时间戳精度高，电磁兼容性强，能效较高

缺点：信号易受障碍物遮挡，设备成本高

移动机器人技术漫谈（十一）：减速器

SLAM的是“同时定位和建图”的英文简称，通俗来讲，就是当你到了一个陌生的环境，如何确定自己的位置，以及描绘出周围环境的地图。机器人需要以刚开始的位置为基准，记录参照物的位置，在不断走动的过程中，根据参照物对自己的位置进行修正，再不断修正和添加参照物，完成地图绘制。用流程化的方式描述就是，首先需要进行位置预测，再观测周围的参照物，利用参照物的约束进行位置修正，并更新对应的地图。

一个典型的SLAM模型包括四大类状态，包括机器人位姿x，运动指令u，地图m和观测z。其中运动指令和观测是已知的，机器人位姿和地图是未知的。

SLAM技术的分类

SLAM算法可以分为两类，即粒子滤波算法和图优化算法。

（1）粒子滤波算法：粒子滤波算法是以粒子的形态去模拟实际分布，一方面解决非线性的问题，另一方面每一个粒子都可以保留一份对应的地图，以实现一定程度的回环。粒子滤波的SLAM方案在小地图上效果较好，因为运行距离不远，发散程度较小，“回环”的概率较大。但对于大一些的场景，会由于回环前的位姿漂移太大导致无法闭合。

（2）图优化算法：面对基于滤波的方法的种种问题，目前我们使用更多的还是基于图优化的方案。在这个方案中，机器人位姿和局部地图这两类状态都转化为节点，运动估计和观测估计转化为节点之间的边，最终用图优化对整张图进行迭代优化。目前在求解的过程中，大多使用的方案是将位姿与地图的约束转化为位姿与位姿的约束，大大简化图的结构，便于优化求解。另一方面，图优化因为整个过程中的约束被全部保存下来，而不像滤波那样丢弃较早的状态，所以回环的能力很强。

SLAM的地图类型

移动机器人SLAM中常用的地图包括栅格地图和点云地图。

（1）栅格地图：栅格地图是结构化且有序的，能够直接使用位置索引查询该位置状态，但栅格地图对场景进行密集的切分，但内存占用较大。

（2）点云地图：点云是一系列点的集合，使用不用方法得到的点云有不同的数据结构，根据激光测量原理得到的点云包含三维坐标和激光反射强度数据；根据视觉测量得到的点云数据包含三维坐标和颜色数据。根据点的稀疏程度不同，可以分为稀疏点云地图和稠密点云地图，稀疏地图主要用于机器人定位，稠密地图经过转换后可以导航，比较常用的转换方法是八叉树地图。

导航技术

在移动机器人完成环境建图和自身定位以后，就可基于环境地图、初始位姿和目标位姿进行导航。导航就是移动机器人从起始点A运动至目标点B的过程，在这一过程中，移动机器人需要根据目标位置计算全局运动路线，并且在运动过程中，还需要实时根据出现的一些动态障碍物调整运动路线，直至到达目标点，该过程就称之为路径规划。常用的路径规划算法包括：Dijkstra算法、A*、D*算法、Floyd算法等。