機(jī)器人的主要驅(qū)動方式及其特點(diǎn)

1、一 目前機(jī)器人的主要驅(qū)動方式及其特點(diǎn) 根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式，將驅(qū)動器劃分為液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣 驅(qū)動和新型驅(qū)動裝置。 在選擇機(jī)器人驅(qū)動器時， 除了要充分考慮機(jī)器 人的工作要求， 如工作速度、最大搬運(yùn)物重、驅(qū)動功率、驅(qū)動平穩(wěn)性、 精度要求外， 還應(yīng)考慮到是否能夠在較大的慣性負(fù)載條件下， 提供足 夠的加速度以滿足作業(yè)要求。 A 液壓驅(qū)動特點(diǎn) 液壓驅(qū)動所用的壓力為 5320kgf/cm2. a）優(yōu)點(diǎn) 1 能夠以較小的驅(qū)動器輸出較大的驅(qū)動力或力矩，即獲得較大的 功率重量比。 2 可以把驅(qū)動油缸直接做成關(guān)節(jié)的一部分，故結(jié)構(gòu)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(qū)動高，并可實(shí)現(xiàn)任

2、意位置的開停。 4 液壓驅(qū)動調(diào)速比較簡單和平穩(wěn)，能在很大調(diào)整范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級 調(diào)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(qū)動具有潤滑性能好、壽命長等特點(diǎn)。 B）缺點(diǎn) 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(yīng)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(fù)雜的管路系統(tǒng)，因此成本較高。 C）適用范圍 液壓驅(qū)動方式大多用于要求輸出力較大而運(yùn)動速度較低的場合。 在機(jī)器人液壓驅(qū)動系統(tǒng)中，近年來以電液伺服系統(tǒng)驅(qū)動最具有代表 性。 B 氣壓驅(qū)

3、動的特點(diǎn) 氣壓驅(qū)動在工業(yè)機(jī)械手中用的較多。使用的壓力通常在 0.4-0.6Mpa，最高可達(dá) 1Mpa。 a）優(yōu)點(diǎn) 1 快速性好，這是因?yàn)閴嚎s空氣的黏性小，流速大，一般壓縮 空氣在管路中流速可達(dá) 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(yīng)壓縮空氣，亦可由 空氣壓縮機(jī)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(qū)動干凈而簡單。 4 通過調(diào)節(jié)氣量可實(shí)現(xiàn)無級變速。 5 由于空氣的可壓縮性，氣壓驅(qū)動系統(tǒng)具有較好的緩沖作用。 6 可以把驅(qū)動器做成關(guān)節(jié)的一部分，因而結(jié)構(gòu)簡單、剛性好、 成本低

4、。 b）缺點(diǎn) 1 因?yàn)楣ぷ鲏毫ζ?，所以功率重量比小、?qū)動裝置體積大。 2 基于氣體的可壓縮性，氣壓驅(qū)動很難保證較高的定位精度。 3 使用后的壓縮空氣向大氣排放時，會產(chǎn)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(jié) 冰。 C 電氣驅(qū)動的特點(diǎn) 電氣驅(qū)動是利用各種電動機(jī)產(chǎn)生力和力矩， 直接或經(jīng)過機(jī)械傳動 去驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 以獲得機(jī)器人的各種運(yùn)動。 因?yàn)槭∪チ酥虚g能量轉(zhuǎn) 換的過程，所以比液壓及氣動驅(qū)動效率高，使用方便且成本低。電氣 驅(qū)動大致可分為普通電機(jī)驅(qū)動、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動和直線電機(jī)驅(qū)動三類。 （a）普通電機(jī)驅(qū)動的特點(diǎn) 普通電機(jī)包括交流電機(jī)、 直流電機(jī)及伺服電機(jī)。 交流電機(jī)一般不

5、能進(jìn)行調(diào)速或難以進(jìn)行無級調(diào)速， 即使是多速電機(jī)， 也只能進(jìn)行有限 的有級調(diào)速。直流電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)速，但直流電源價格較高，因 而限制了它在大功率機(jī)器人上的應(yīng)用。 （b）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的特點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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(jìn)電機(jī)的位移量與脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比， 故步進(jìn)電 機(jī)驅(qū)動可以達(dá)到較高的重復(fù)定位精度， 但是，但是步進(jìn)電機(jī)速度不能 太高，控制系統(tǒng)也比較復(fù)雜。 （c）直線電機(jī)驅(qū)動的特點(diǎn) 直線電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、 成本低，其動作速度與行程主要取決于其定 子與轉(zhuǎn)子的長度，反接制動時，定位精度較低，必須增設(shè)緩沖及定位 機(jī)構(gòu)。 D 新型驅(qū)動裝置的特點(diǎn) 隨著機(jī)器人技

6、術(shù)的發(fā)展， 出現(xiàn)了利用新工作原理制造的新型的驅(qū) 動器，如磁致伸縮驅(qū)動器、壓電驅(qū)動器、靜電驅(qū)動器、形狀記憶合金 驅(qū)動器、超聲波驅(qū)動器、人工肌肉、光驅(qū)動器等。 a）磁致伸縮驅(qū)動器 磁性體的外部一旦加上磁場， 則磁性體的外形尺寸發(fā)生變化 （焦 耳效應(yīng)），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(fù)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(yīng)） ，則稱為逆磁致伸縮現(xiàn)象。這種驅(qū)動 器主要用于微小驅(qū)動場合。 b）壓電驅(qū)動器 壓電材料是一種當(dāng)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

7、，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(chǎn)生應(yīng)變， 輸出力或變位。利用這一特性可以制成壓電驅(qū)動器， 這種驅(qū)動器可以達(dá)到驅(qū)動亞微米級的精度。 c）靜電驅(qū)動器 靜電驅(qū)動器利用電荷間的吸力和排斥力互相作用順序驅(qū)動電極 而產(chǎn)生平移或旋轉(zhuǎn)的運(yùn)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(chǎn)生很大的能量。 d）形狀記憶合金驅(qū)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(dāng)加熱到某一適當(dāng)溫度時，則它恢復(fù)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

8、種。 e）超聲波驅(qū)動器 所謂超聲波驅(qū)動器就是利用超聲波振動作為驅(qū)動力的一種驅(qū)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(qū)動的一種驅(qū)動器。 由于超聲波驅(qū)動器沒有鐵芯和線圈， 結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、 響應(yīng)快、力矩大，不需配合減速裝置就可以低速運(yùn)行，因此，很適合 用于機(jī)器人、照相機(jī)和攝像機(jī)等驅(qū)動。 f）人工肌肉 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展， 驅(qū)動器從傳統(tǒng)的電機(jī) -減速器的機(jī)械運(yùn) 動機(jī)制，向骨架 腱 肌肉的生物運(yùn)動機(jī)制發(fā)展。 人的手臂能完成各 種柔順作業(yè)，為了實(shí)現(xiàn)骨骼 肌肉的部分功能而研制的驅(qū)動裝置稱為 人工肌肉驅(qū)動器。 為了更好地模擬生物體的運(yùn)動功能或在機(jī)器人上應(yīng)用，

9、已研制 出了多種不同類型的人工肌肉，如利用機(jī)械化學(xué)物質(zhì)的高分子凝膠， 形狀記憶合金制作的人工肌肉。 g）光驅(qū)動器 某種強(qiáng)電介質(zhì)（嚴(yán)密非對稱的壓電性結(jié)晶）受光照射，會產(chǎn)生幾 千伏/厘米的光感應(yīng)電壓。這種現(xiàn)象是壓電效應(yīng)和光致伸縮效應(yīng)的結(jié) 果。這是電介質(zhì)內(nèi)部存在不純物、導(dǎo)致結(jié)晶嚴(yán)密不對稱、在光激勵過 程中引起電荷移動而產(chǎn)生的。 二 機(jī)器人驅(qū)動的要求 1 驅(qū)動裝置的質(zhì)量盡可能要輕。單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率高 2反應(yīng)速度要快。要求力質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大。 3 動作平滑，不產(chǎn)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(qū)動裝置及相關(guān)內(nèi)容 1 實(shí)現(xiàn)直

10、線運(yùn)動的液壓缸 主要構(gòu)成： 主要由活塞、活塞桿、缸體、缸蓋、密封圈、進(jìn) 出油口等構(gòu)成。 工作原理 2 單活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)圖 主要構(gòu)成： 1、18缸蓋 11活塞 12活塞桿 3進(jìn)、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(yùn)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(dǎo)閥再控制一級或兩級液壓放大 器，產(chǎn)生足夠的動力去驅(qū)動機(jī)器人的機(jī)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(diǎn)： 電液伺服閥是一種接受電氣模擬信號，

11、 輸出相應(yīng)調(diào)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(jié)構(gòu)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(jī)驅(qū)動裝置的工作原理 1 步進(jìn)電機(jī) a）結(jié)構(gòu)： 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。 和轉(zhuǎn) 軸組成。轉(zhuǎn)子鐵芯同樣由硅鋼片疊加而成。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng) A 相定子小齒和轉(zhuǎn)子小齒對準(zhǔn)時， B、C 相的定子

12、小齒就會和轉(zhuǎn)子的小 齒錯開。 錯齒是步進(jìn)電動機(jī)能夠步進(jìn)的根本原因 b）工作原理： c）A、B、C 相電流通常來自于機(jī)器人控制系統(tǒng) 2 直流伺服電機(jī) a）構(gòu)成：由定子、轉(zhuǎn)子和換向器構(gòu)成。 定子：由極心、極掌和勵磁繞組構(gòu)成。 轉(zhuǎn)子：由轉(zhuǎn)子鐵芯和電樞繞組構(gòu)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(dǎo)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(zhuǎn)一周的過程中，每根導(dǎo)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(dǎo)體的通電方向不變，

13、 從而使得電樞的受力方向不變 c）直流電機(jī)的分類： 直流電動機(jī)根據(jù)勵磁繞組與電樞繞組的 勵、串勵與復(fù)勵。 1 直流伺服電機(jī)： 式不同可分為他 轉(zhuǎn)子電樞繞組的電源來自于控制系統(tǒng)的他勵直流電機(jī) 2 直流伺服電機(jī)的調(diào)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(jī)的速度和 方向。 5 氣壓驅(qū)動系統(tǒng) 氣壓驅(qū)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： 空氣壓縮機(jī)輸出的壓縮空氣首先儲存于儲氣罐中，然后供給 各個回路使用 。 氣動回路使用過的空氣無需回收，而是直接經(jīng)排氣口排入大 氣，因而沒有回收空氣的回氣管道。 1 氣壓驅(qū)動回路 右圖為一典型的氣壓驅(qū)動回路。 在

14、這個圖中沒有畫出空氣壓縮機(jī) 和儲氣罐。壓縮空氣由空氣壓縮機(jī)產(chǎn)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(qū)動回路。 在過濾器內(nèi)出去 灰塵和水分后，流向壓力調(diào)整閥調(diào)壓，使空氣壓縮機(jī)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(jìn)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(jìn)入氣缸 A 腔或者 B 腔，驅(qū)動活塞 向右或者向左運(yùn)動。 2 氣動系統(tǒng)的組成 一般規(guī)定，當(dāng)排氣量大于或等于 6-12 m3 / min 的情況下，就有必要 單獨(dú)設(shè)立壓縮空氣站。壓

15、縮空氣站主要由空氣壓縮機(jī)、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(zhì)量更高，還應(yīng)附 設(shè)氣體的干燥、凈化等處理裝置 （1）空氣壓縮機(jī) 空氣壓縮機(jī)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(nèi)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(zhuǎn)化為靜壓能，使氣體的壓力提高。 選擇空氣壓縮機(jī)的基本參數(shù)是供氣量和工作壓力。 工作壓力應(yīng)當(dāng) 和空氣壓縮機(jī)的額定排氣壓力相符， 而供氣量應(yīng)當(dāng)與所

16、選壓縮機(jī)的排 氣量相符。 （2）氣源凈化輔助設(shè)備 氣源凈化輔助設(shè)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(jī)出口處的管道。 它對空氣壓縮機(jī)排出 的溫度高達(dá) 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(fēng)冷式和水冷式兩種， 風(fēng)冷式冷卻器如圖 5-10 所示 風(fēng)扇 帶散 降低 它不 所以 使用 風(fēng)冷式冷卻器是靠 產(chǎn)生的冷空氣吹向 熱片的熱氣管道來 壓縮空氣溫度的。 需要循環(huán)冷卻水， 具有占地面積小， 及維護(hù)方便等特點(diǎn) 油水分離器 油水分離器的作用是分離壓縮空氣中凝

17、聚的水分、 油份和灰塵等 雜質(zhì)，使壓縮空氣初步得到凈化，其結(jié)構(gòu)形式有環(huán)形回轉(zhuǎn)式、撞擊折 回式、離心旋轉(zhuǎn)式、水浴式及以上形式的組合等。撞擊折回式油水分 離器結(jié)構(gòu)如圖 5-11 所示。當(dāng)壓縮空氣由進(jìn)氣管 4 進(jìn)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(chǎn) 生環(huán)形回轉(zhuǎn)，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(zhì)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(jìn)一步分離

18、油水 雜質(zhì)。儲氣罐上通常裝有安全閥、壓力表、 排污閥等。 干燥器 如圖 5-13 所示。為了進(jìn)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(jīng)干燥處理之后，再經(jīng) 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(qū)動器 氣壓驅(qū)動器時最簡單的一種驅(qū)動方式， 氣體驅(qū)動元件有直線汽缸 和旋轉(zhuǎn)氣動馬達(dá)兩種。氣壓驅(qū)動器除了用壓縮空氣作為工作介質(zhì)外， 其它與液壓驅(qū)動器類似。 氣動馬達(dá)和汽缸是典型的氣壓驅(qū)動器。 氣壓 驅(qū)動器結(jié)構(gòu)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(yīng)用在高精度的場合。 一種新型的氣動馬達(dá)， 用微處理器直接控制的一種葉片馬達(dá)，能攜帶 215.6N 的負(fù)載而又獲 得高的定位精度（ 1mm） 1）葉片式氣動馬達(dá) 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?yàn)榭諝獾臏囟群蛪毫ψ兓瘯r將導(dǎo)致密度的變化， 所以采用質(zhì)量 流量比體積流量更方便。假設(shè)汽缸不受熱的影響，則質(zhì)量流量 QM 與 活塞速度 v 之間有如下關(guān)系 QM 1 V dp RT k dt pAv 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(nèi)壓力， A- 活塞的有效受壓面