第三章 效应器和执行器

一 主动驱动和被动驱动
执行器和效应器在工作时，需要能量的供应。按能量的供应来源，执行器可分为主动型和被动型。

图1 被动行走机器人


二 执行器的类型
主动型执行器的分类：
1.电机
2.液压系统
3.气动系统
4.光化学反应材料
5.化学反应材料
电机是最简单且应用最广泛的执行器。

三 电机

图2 直流电机

1 直流电机
直流电机结构简单、价格低廉、易于购买和使用。
其工作原理是利用磁铁、线圈以及电流来产生磁场，以此来驱动电机轴，将电能转换成机械能。
电机的功率由两个因素所决定，一个是扭矩，另一个是旋转速度。
当电机转速很快，扭矩很小的时候，适合驱动那些需要高速旋转但重量又很轻的物体，例如电风扇的叶片。实际机器人的应用中，直流电机通常需要较低的旋转速度和较高的扭矩来带动有质量的负载。

2 齿轮装置
齿轮的作用是降低电机的速度以及增大电机的扭矩，利用齿轮的大小、速度以及扭矩之间的关系来实现。将不同的齿轮结合使用，可以改变电机的输出的力和扭矩。
输出齿轮产生的扭矩与输入齿轮产生的扭矩的比例，等于两个齿轮的半径之比：
1.如果输出齿轮的半径大于输入齿轮，那么扭矩就会增大。
2.如果输出齿轮的半径小于输入齿轮，那么扭矩就会减小。
输出齿轮产生的速度与输入齿轮产生的速度的关系：

1.如果输出齿轮的大小大于输入齿轮，那么速度就会减慢。
2.如果输出齿轮的大小小于输入齿轮，那么速度就会增加。

图3 3:1减速齿轮组

可以将齿轮组成一个系列，或者让它们联动起来，实现叠加的效果。

图4 联动齿轮

3 伺服电机
图5 伺服电机

可以将电机轴准确地转动到指定位置的电机称为伺服电机，简称为伺服。
伺服电机是在直流电机上添加了一些组件做成的：
1.齿轮减速器
2.用于监视电机轴旋转幅度和方向的位置传感器
3.用于控制电机的电路，向电机传送旋转幅度和旋转方向的指令
当电子脉冲信号到达时，电机轴开始转动，没有电子脉冲时，电机轴停止转动。当脉冲抵达时，电机轴转动的幅度由脉冲持续的时间决定，脉冲持续的时间越长，转动的角度就越大，称为脉冲宽度调制，简称脉宽调制。
伺服的三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式 。之所以有这三种控制方式，是因为伺服一般为三个环控制：  
1.电流环
2.速度环
3.位置环

四 自由度（DOF）
自由度（DOF）指的是描述运动的独立坐标的个数。自由度规定了一个物体可以进行的运动方式。

图6 三维世界里的6个自由度

一般来说，在三维世界里的物体应该拥有6个自由度，其中3个为平移自由度，通常用x轴、y轴和z轴来表示。另外3个为旋转自由度，通用用沿x轴转动（roll）、沿y轴转动（pitch）和沿z轴转动（yaw）来表示。
一个汽车拥有3个自由度，位置（x,y）和方向（θ），因为汽车在二维的道路平台上运动。在这个二维的平面上，全部6个自由度只有3个可能实现。
可控自由度（简称为CDOF）与总自由度（TDOF）的比值表示控制移动的难易程度。这个比值有以下三种可能：
1.CDOF=TDOF，可控自由度与总自由度数目相等，比值为1，称为完全控制。一个完全控制的机器人或者执行器可以控制所有的自由度；
2.CDOF3.CDOF>TDOF，可控自由度大于总自由度数目，比值大于1，称为冗余控制。一个冗余控制的机器人或者执行器拥有的控制方式比它需要控制的自由度数目多。
人的手臂，不包括手在内，有7个自由度：肩膀上有3个（分别是以上下、左右和肩为轴进行的旋转自由度，没有x，y，z方向的运动，只有绕着x，y，z轴旋转的3个方向），肘部有1个（开和合），手腕有3个（没有x，y，z方向的运动，只有绕着x，y，z轴旋转的3个方向）。

图7 7自由度仿人类机械手臂