機器人的主要驅動方式及其特點

1、一 目前機器人的主要驅動方式及其特點 根據(jù)能量轉換方式，將驅動器劃分為液壓驅動、氣壓驅動、電氣驅動和新型驅動裝置。在選擇機器人驅動器時，除了要充分考慮機器人的工作要求，如工作速度、最大搬運物重、驅動功率、驅動平穩(wěn)性、精度要求外，還應考慮到是否能夠在較大的慣性負載條件下，提供足夠的加速度以滿足作業(yè)要求。A液壓驅動特點液壓驅動所用的壓力為5320kgf/cm2.a）優(yōu)點1能夠以較小的驅動器輸出較大的驅動力或力矩，即獲得較大的功率重量比。2可以把驅動油缸直接做成關節(jié)的一部分，故結構簡單緊湊，剛性好。3由于液體的不可壓縮性，定位精度比氣壓驅動高，并可實現(xiàn)任意位置的開停。4液壓驅動調速比較簡單和平穩(wěn)，能

2、在很大調整范圍內實現(xiàn)無級調速。5使用安全閥可簡單而有效的防止過載現(xiàn)象發(fā)生。6液壓驅動具有潤滑性能好、壽命長等特點。B）缺點1油液容易泄漏。這不僅影響工作的穩(wěn)定性與定位精度，而且會造成環(huán)境污染。2因油液粘度隨溫度而變化，且在高溫與低溫條件下很難應用。3因油液中容易混入氣泡、水分等，使系統(tǒng)的剛性降低，速度特性及定位精度變壞。4需配備壓力源及復雜的管路系統(tǒng)，因此成本較高。C)適用范圍液壓驅動方式大多用于要求輸出力較大而運動速度較低的場合。在機器人液壓驅動系統(tǒng)中，近年來以電液伺服系統(tǒng)驅動最具有代表性。B氣壓驅動的特點 氣壓驅動在工業(yè)機械手中用的較多。使用的壓力通常在0.4-0.6Mpa，最高可達1Mp

3、a。a）優(yōu)點 1快速性好，這是因為壓縮空氣的黏性小，流速大，一般壓縮空氣在管路中流速可達180m/s，而油液在管路中的流速僅為2.5-4.5 m/s。 2氣源方便，一般工廠都有壓縮空氣站供應壓縮空氣，亦可由空氣壓縮機取得。 3廢氣可直接排入大氣不會造成污染，因而在任何位置只需一根高壓管連接即可工作，所以比液壓驅動干凈而簡單。 4通過調節(jié)氣量可實現(xiàn)無級變速。 5由于空氣的可壓縮性，氣壓驅動系統(tǒng)具有較好的緩沖作用。 6可以把驅動器做成關節(jié)的一部分，因而結構簡單、剛性好、成本低。b）缺點 1因為工作壓力偏低，所以功率重量比小、驅動裝置體積大。 2基于氣體的可壓縮性，氣壓驅動很難保證較高的定位精度。

4、3使用后的壓縮空氣向大氣排放時，會產生噪聲。 4因壓縮空氣含冷凝水，使得氣壓系統(tǒng)易銹蝕，在低溫下易結冰。C 電氣驅動的特點電氣驅動是利用各種電動機產生力和力矩，直接或經過機械傳動去驅動執(zhí)行機構，以獲得機器人的各種運動。因為省去了中間能量轉換的過程，所以比液壓及氣動驅動效率高，使用方便且成本低。電氣驅動大致可分為普通電機驅動、步進電機驅動和直線電機驅動三類。（a）普通電機驅動的特點普通電機包括交流電機、直流電機及伺服電機。交流電機一般不能進行調速或難以進行無級調速，即使是多速電機，也只能進行有限的有級調速。直流電機能夠實現(xiàn)無級調速，但直流電源價格較高，因而限制了它在大功率機器人上的應用。（b）步

5、進電機驅動的特點步進電機驅動的速度和位移大小，可由電氣控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖數(shù)加以控制。由于步進電機的位移量與脈沖數(shù)嚴格成正比，故步進電機驅動可以達到較高的重復定位精度，但是，但是步進電機速度不能太高，控制系統(tǒng)也比較復雜。（c）直線電機驅動的特點直線電機結構簡單、成本低，其動作速度與行程主要取決于其定子與轉子的長度，反接制動時，定位精度較低，必須增設緩沖及定位機構。D新型驅動裝置的特點隨著機器人技術的發(fā)展，出現(xiàn)了利用新工作原理制造的新型的驅動器，如磁致伸縮驅動器、壓電驅動器、靜電驅動器、形狀記憶合金驅動器、超聲波驅動器、人工肌肉、光驅動器等。a）磁致伸縮驅動器 磁性體的外部一旦加上磁場，則磁性體的

6、外形尺寸發(fā)生變化（焦耳效應），這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮現(xiàn)象。此時，如果磁性體在磁化方向的長度增大，則稱為正磁致伸縮；如果磁性體在磁化方向的長度減少，則稱為負磁致伸縮。從外部對磁性體施加壓力，則磁性體的磁化狀態(tài)會發(fā)生變化（維拉利效應），則稱為逆磁致伸縮現(xiàn)象。這種驅動器主要用于微小驅動場合。b）壓電驅動器壓電材料是一種當它受到力作用時其表面上出現(xiàn)與外力成比例電荷的材料，又稱壓電陶瓷。反過來，把電場加到壓電材料上，則壓電材料產生應變，輸出力或變位。利用這一特性可以制成壓電驅動器，這種驅動器可以達到驅動亞微米級的精度。c）靜電驅動器靜電驅動器利用電荷間的吸力和排斥力互相作用順序驅動電極而產生平移或旋轉的運

7、動。因靜電作用屬于表面力，它和元件尺寸的二次方成正比，在微小尺寸變化時，能夠產生很大的能量。d）形狀記憶合金驅動器形狀記憶合金是一種特殊的合金，一旦使它記憶了任意形狀，即使它變形，當加熱到某一適當溫度時，則它恢復為變形前的形狀。已知的形狀記憶合金有Au-Cd、In-Tl、Ni-Ti，Cu-Al-Ni、Cu-Zn-Al等幾十種。e）超聲波驅動器所謂超聲波驅動器就是利用超聲波振動作為驅動力的一種驅動器，即由振動部分和移動部分所組成，靠振動部分和移動部分之間的摩擦力來驅動的一種驅動器。由于超聲波驅動器沒有鐵芯和線圈，結構簡單、體積小、重量輕、響應快、力矩大，不需配合減速裝置就可以低速運行，因此，很適

8、合用于機器人、照相機和攝像機等驅動。f）人工肌肉 隨著機器人技術的發(fā)展，驅動器從傳統(tǒng)的電機-減速器的機械運動機制，向骨架腱肌肉的生物運動機制發(fā)展。人的手臂能完成各種柔順作業(yè)，為了實現(xiàn)骨骼肌肉的部分功能而研制的驅動裝置稱為人工肌肉驅動器。為了更好地模擬生物體的運動功能或在機器人上應用，已研制出了多種不同類型的人工肌肉，如利用機械化學物質的高分子凝膠，形狀記憶合金制作的人工肌肉。g）光驅動器某種強電介質（嚴密非對稱的壓電性結晶）受光照射，會產生幾千伏/厘米的光感應電壓。這種現(xiàn)象是壓電效應和光致伸縮效應的結果。這是電介質內部存在不純物、導致結晶嚴密不對稱、在光激勵過程中引起電荷移動而產生的。二 機器

9、人驅動的要求1驅動裝置的質量盡可能要輕。單位質量的輸出功率要高，效率高。2反應速度要快。要求力質量比和力矩轉動慣量比要大。 3動作平滑，不產生沖擊。4控制靈活，位移偏差和速度偏差小。5安全可靠。 6操作維修方便等。二 典型的驅動裝置及相關內容1 實現(xiàn)直線運動的液壓缸主要構成：主要由活塞、活塞桿、缸體、缸蓋、密封圈、進出油口等構成。工作原理2 單活塞桿液壓缸結構圖主要構成：1、18缸蓋 11活塞 12活塞桿 3進、出油口 7、 8、9、 15、16密封圈3 閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)1 工作原理： 通常用運算放大器做成的伺服放大器向液壓伺服系統(tǒng)中的電液伺服閥提供一個電信號。由電信號控制先導閥再控制一級或兩

10、級液壓放大器，產生足夠的動力去驅動機器人的機械部件。 液壓伺服系統(tǒng)原理圖 用伺服閥控制液壓缸簡化原理圖2 核心液壓元件：在閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，核心液壓元件是電液伺服閥。 3 作用及特點：電液伺服閥是一種接受電氣模擬信號，輸出相應調制流量和壓力的液壓控制閥。4 分類：電液伺服閥的種類繁多。按液壓放大器的級數(shù)可分為單級、兩級和三級；按第一級液壓放大器的結構分，有滑閥、噴嘴擋板閥、射流管閥等。其中以雙噴嘴擋板閥為最常用。4 電機驅動裝置的工作原理1 步進電機a） 結構： 定子：定子鐵芯由硅鋼片疊加而成。每個定子磁極上均有控制繞組，且有均勻分布的小齒。 轉子：由轉子鐵芯和轉軸組成。轉子鐵芯同樣由硅鋼片

11、疊加而成。轉子上沒有繞組，其上也有均勻分布的小齒。通常定子磁極上的小齒和轉子上的小齒其齒寬和槽寬都是一樣的。但它們之間的相對位置按一定的規(guī)律排列。如當A相定子小齒和轉子小齒對準時，B、C相的定子小齒就會和轉子的小齒錯開。 錯齒是步進電動機能夠步進的根本原因 b） 工作原理：c） A、B、C相電流通常來自于機器人控制系統(tǒng) 2直流伺服電機a）構成：由定子、轉子和換向器構成。 定子：由極心、極掌和勵磁繞組構成。 轉子：由轉子鐵芯和電樞繞組構成。 換向器：改變電樞繞組中電流的流動方向； 并使磁極下的電流方向保持不變。b)工作原理1、通電導體在磁場中一定會受到力的作用。2、判斷受力方向用左手法則：磁力線

12、穿過手心，四指指向電流方向，大拇指則指向受力方向。3、 電樞繞組在旋轉一周的過程中，每根導體中的電流方向發(fā)生了改變，但由于換向器的作用，保證了每個磁極下的導體的通電方向不變，從而使得電樞的受力方向不變c)直流電機的分類：直流電動機根據(jù)勵磁繞組與電樞繞組的連接方式不同可分為他勵、并勵、串勵與復勵。1 直流伺服電機：轉子電樞繞組的電源來自于控制系統(tǒng)的他勵直流電機。2 直流伺服電機的調速與換向：通過改變控制系統(tǒng)提供電源電壓的大小和極性改變電機的速度和方向。5 氣壓驅動系統(tǒng)l 氣壓驅動系統(tǒng)的組成與液壓系統(tǒng)有許多相似之處，但在以下三個方面有明顯的不同：l 空氣壓縮機輸出的壓縮空氣首先儲存于儲氣罐中，然后

13、供給各個回路使用 。l 氣動回路使用過的空氣無需回收，而是直接經排氣口排入大氣，因而沒有回收空氣的回氣管道。1 氣壓驅動回路右圖為一典型的氣壓驅動回路。在這個圖中沒有畫出空氣壓縮機和儲氣罐。壓縮空氣由空氣壓縮機產生，其壓力約為0.5-0.7Mpa，并被送入儲氣罐。然后由儲氣罐用管道接入驅動回路。在過濾器內出去灰塵和水分后，流向壓力調整閥調壓，使空氣壓縮機的壓力至4-5Mpa。在油霧器中，壓縮空氣被混入油霧。這些油霧用于潤滑系統(tǒng)的滑閥及氣缸，同時也起一定的防銹作用。從油霧出來的壓縮空氣接著進入換向閥，電磁換向閥根據(jù)電信號，改變閥芯的位置使壓縮空氣進入氣缸A腔或者B腔，驅動活塞向右或者向左運動。2

14、氣動系統(tǒng)的組成 一般規(guī)定，當排氣量大于或等于6-12的情況下，就有必要單獨設立壓縮空氣站。壓縮空氣站主要由空氣壓縮機、吸氣過濾器、后冷卻器、油水分離器和儲氣罐組成。如要求氣體質量更高，還應附設氣體的干燥、凈化等處理裝置（1）空氣壓縮機空氣壓縮機種類很多，主要有活塞式、葉片式、螺桿式、離心式、軸流式、混流式等。前三種為容積式，后三種為速度式。所謂容積式就是周期地改變氣體容積的方法，即先通過縮小空氣的體積，使單位體積內氣體分子密度增加，形成壓縮空氣。而速度式則是先讓氣體分子得到一個很高的速度，然后讓他停滯下來，將動能轉化為靜壓能，使氣體的壓力提高。選擇空氣壓縮機的基本參數(shù)是供氣量和工作壓力。工作壓

15、力應當和空氣壓縮機的額定排氣壓力相符，而供氣量應當與所選壓縮機的排氣量相符。（2）氣源凈化輔助設備氣源凈化輔助設備包括后冷卻器、油水分離器、儲氣罐、干燥器、過濾器等。 后冷卻器后冷卻器安裝在空氣壓縮機出口處的管道。它對空氣壓縮機排出的溫度高達150左右的壓縮空氣降溫，同時使混入壓縮空氣的水汽和油氣凝聚成水滴和油滴。通過后冷卻器的氣體溫度降至40-50。后冷卻器主要有風冷式和水冷式兩種，風冷式冷卻器如圖5-10所示。風冷式冷卻器是靠風扇產生的冷空氣吹向帶散熱片的熱氣管道來降低壓縮空氣溫度的。它不需要循環(huán)冷卻水，所以具有占地面積小，使用及維護方便等特點 油水分離器油水分離器的作用是分離壓縮空氣中凝

16、聚的水分、油份和灰塵等雜質，使壓縮空氣初步得到凈化，其結構形式有環(huán)形回轉式、撞擊折回式、離心旋轉式、水浴式及以上形式的組合等。撞擊折回式油水分離器結構如圖5-11所示。當壓縮空氣由進氣管4進入分離器殼體以后，氣流先受到隔板2的阻擋，被撞擊而折回向下，之后又上升并產生環(huán)形回轉，最后從輸出管3排出。與此同時，在壓縮空氣中凝聚的水滴、油滴等雜質受慣性力的作用而分離析出，沉降于殼體底部，由閥6定期排出。 儲氣罐如圖5-12 所示。儲氣罐的作用是儲存一定量的壓縮空氣，保證供給氣動裝置連續(xù)和穩(wěn)定的壓縮空氣，并可減小氣流脈動所造成的管道振動。同時，還可進一步分離油水雜質。儲氣罐上通常裝有安全閥、壓力表、排污

17、閥等。 干燥器如圖5-13所示。為了進一步排除壓縮空氣中的水、油與雜志，以供給要求高度干燥、潔凈壓縮空氣的氣動裝置。 過濾器如圖5-14所示。對要求高的壓縮空氣，經干燥處理之后，再經過二次過濾。過濾器大致有陶瓷過濾器、焦炭過濾器、粉末冶金過濾器及纖維過濾器 （3）氣壓驅動器氣壓驅動器時最簡單的一種驅動方式，氣體驅動元件有直線汽缸和旋轉氣動馬達兩種。氣壓驅動器除了用壓縮空氣作為工作介質外，其它與液壓驅動器類似。氣動馬達和汽缸是典型的氣壓驅動器。氣壓驅動器結構簡單、安全可靠、價格便宜。但是由于空氣的可壓縮性，精度和可控性較差，不能應用在高精度的場合。一種新型的氣動馬達，用微處理器直接控制的一種葉片

18、馬達，能攜帶215.6N的負載而又獲得高的定位精度（1mm）。（1）葉片式氣動馬達由于空氣的可壓縮性，使得汽缸的特性與液壓油缸的特性有所不同。因為空氣的溫度和壓力變化時將導致密度的變化，所以采用質量流量比體積流量更方便。假設汽缸不受熱的影響，則質量流量與活塞速度之間有如下關系。 （5-6）式中R-氣體常數(shù)，T-絕對溫度，V-汽缸腔的容積；k-比熱常數(shù)，p-汽缸腔內壓力，A-活塞的有效受壓面積?？梢钥闯鲈谙到y(tǒng)中，活塞速度與流量之間的關系不像式那樣簡單，氣動系統(tǒng)所產生的力與液壓系統(tǒng)相同，也可以用式來表達。典型的氣動馬達有葉片馬達和徑向活塞馬達，其工作原理與液壓馬達相同。氣動機械的噪聲較大，有時要按照消聲器。圖5-15所示為葉片式氣動馬達的結構。葉片式氣動馬達的優(yōu)點是轉速高、體積小、重量輕，其缺點是氣動啟動力矩較小。 氣壓驅動的控制結構圖5-16所示為氣壓驅動器的控制原理，它由放大器、電動部件及變速器、位移（或轉角）-氣壓變換器和氣-電變換器等組成。放大器把輸入的控制信號放大后去推動電動部件及變速器，電動部件及變速器把電能轉化為機械能，產生線位移或角位移