新型驅(qū)動方式在機器人中的應用

1、新型驅(qū)動方式在機器人中的應用李武林機自 1207 1210310606一，機器人傳統(tǒng)驅(qū)動方式。機器人的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、直流電機驅(qū)動、步進電機驅(qū)動等， 這幾類驅(qū)動方式是目前多數(shù)機器人驅(qū)動所采用的方式 .（1）液壓驅(qū)動：機器人的驅(qū)動需要將來自電、液、氣等多種能源的能量轉(zhuǎn)化成關(guān)節(jié)的直線運動或旋轉(zhuǎn)運動裝置一一驅(qū)動器。其中，液壓/氣壓驅(qū)動器相比于電氣驅(qū)動器而言具有功率密度大和易于實現(xiàn)力控制的優(yōu)點。流體動力系統(tǒng)更能滿足機器人低速大扭矩的應用需求。機器人技術(shù)的發(fā)展給用于機器人運動控制的 驅(qū)動技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)：節(jié)能化、智能化、輕量化和微型化。節(jié)能化、輕量化 和微型化有待于液壓/氣壓元件結(jié)構(gòu)設計

2、的創(chuàng)新來實現(xiàn)，智能化有待于液壓/氣壓 控制方法的創(chuàng)新來實現(xiàn)。（2）電伺服驅(qū)動系統(tǒng)。所采用的關(guān)節(jié)驅(qū)動電動機主要是 AC伺服電動機，步 進電動機和DC伺服電動機。其中,交流伺服電動機、直流伺服電動機、直接驅(qū)動 電動機（DD均采用位置閉環(huán)控制，一般應用于高精度、高速度的機器人驅(qū)動系 統(tǒng)中。步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)多適用于對精度、 速度要求不高的小型簡易機器人開 環(huán)系統(tǒng)中。交流伺服電動機由于采用電子換向，無換向火花，在易燃易爆環(huán)境中得 到了廣泛的使用。（3）除了單一的驅(qū)動方式，也可以是兩個或者兩個以上驅(qū)動方式結(jié)合在一起 對機器人進行驅(qū)動，比如以微電機控制伺服油缸結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的驅(qū)動器，其中，高性 能四足仿生機器

3、人的核心技術(shù)之一是高功率密度液壓動力單元、伺服單元等關(guān)鍵部件的設計技術(shù)，高功率密度液壓動力單元的研制是保證“四足仿生機器人”實 現(xiàn)高動態(tài)性、高適應性和高負載能力的基礎(chǔ)。針對高功率密度驅(qū)動的輕量化、低 功耗的目標，基于簡捷化、一體化、超高壓、低泄漏、負載匹配的設計思路，提出 了微電機控制伺服油缸結(jié)構(gòu)原理，以首創(chuàng)的螺旋閥口技術(shù)解決了微電機控制伺服 閥中電機旋轉(zhuǎn)運動與閥芯直線運動的直接轉(zhuǎn)換問題 ，微電機替代傳統(tǒng)伺服閥的先 導級，降低了加工難度且具有無零位油耗、油質(zhì)要求低等突出優(yōu)點，使開發(fā)超高壓、一體化的液壓伺服元件成為可能。二，機器人新型驅(qū)動方式隨著科學技術(shù)的發(fā)展，愈來愈多的新的驅(qū)動方式出現(xiàn)，在機器

4、人驅(qū)動上得 到愈來愈多的應用。（1）人工肌肉驅(qū)動人造肌肉在智能材料上屬于“聚臺膠體”，它可以在電激勵和化學激勵下產(chǎn) 生膨脹、收縮和一種類似橡膠的物質(zhì)發(fā)揮機械傳動、齒輪和滑輪的作用。美國 sta ndford研究所研究所研制的撲翼機就是由人造肌內(nèi)驅(qū)動，看上去像橡膠軟 管，兩端帶有電針；佐治亞理工學院的 MAV“Entomopter ”計劃研究組所使用的 是一種被稱做“往復式化學肌肉（RCM）'它在化學能的驅(qū)動下可以為機器人提供驅(qū)動，通過直接轉(zhuǎn)換，RCM甚至還可以為該機器人上微系統(tǒng)提供少量電能。(2) 壓電驅(qū)動智能材料在微型機器人領(lǐng)域受到了越來越廣泛的應用，而壓電材料作為其中 的一份子，在

5、這領(lǐng)域的發(fā)展越來越迅速。利用U電材料的川電效應。將其制為傳 感器與驅(qū)動器，根據(jù)外界條件的變化而改變機器人所需的驅(qū)動力。壓電材料用于智能結(jié)構(gòu)的驅(qū)動器時，以雙面粘貼壓電驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)進行分析，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示壓電片通過有限厚度的膠層與主體結(jié)構(gòu)固結(jié)。* q伍甩片t : J1dtfih1血Hl*上.TH 1壓屯片圖1表面粘趙壓電片的模型(3) 靜電驅(qū)動靜電驅(qū)動由于能量密度低，相對于其他驅(qū)動方式來說應用的比較少。但是， 隨著尺寸的微小化，靜電換能顯示出其優(yōu)越之處靜電驅(qū)動由于具有電壓驅(qū)動、 易于集成和控制的特點，同時隨著半導體微細加工技術(shù)的發(fā)展， 特別是犧牲層刻 蝕技術(shù)的開發(fā)，為靜電致動器的研究提供了可能

6、的技術(shù)背景，使靜電致動在微型 致動囂的研究開發(fā)中占據(jù)了突出的位置。圈2為其中一種的胸腔式靜電驅(qū)動機構(gòu) 簡圖。圖2府養(yǎng)式耳電雲(yún)動撲貝機梳簡圖(4) 電致伸縮材料的驅(qū)動在外電場的作用下電介質(zhì)所產(chǎn)生的與場強 二次方成正比的應變，稱為電致伸 縮(Electristriction).目前還在研究階段。電致伸縮器的優(yōu)點電致伸縮器實際上就是兩部分，“伸”和“縮”。通過這兩種方法來實現(xiàn)機器人機構(gòu)在一定角 度的上下運動。使用電致伸縮器很好的減小了驅(qū)動器的啟動功率.也減小了整個系統(tǒng)的沖擊載荷。具有較高的靈活性。雖然優(yōu)點根多。但也有著它最顯著的缺 陷.就是對于環(huán)境要求高。電致伸縮器就其本質(zhì)而言，是一種往復式直線運動

7、驅(qū) 動(5) 新型平面直線驅(qū)動為解決機器人在精密裝配等操作時有效定位精度問題，國內(nèi)外提出一種宏微操作器相結(jié)合的概念，并取得可喜進展。在機器人微驅(qū)動末端操作器中，二自 由度平面直線電動機系統(tǒng)是核心部件之一，它具有體積小、重量輕、力能指標高 等特點，國內(nèi)外關(guān)于直線電動機的研究十分活躍， 電機種類眾多。其中新型二自 由度平面直線驅(qū)動系統(tǒng)應用越來越廣泛。 這種二自由度電機由于X及丫方向采用 共同永磁體結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)電機系統(tǒng)比較具有較高的性能體積比，應用于實際操作 器系統(tǒng)，中取得良好的效果。如下圖為永磁體驅(qū)動電機示意圖。圏I電機跟理示意捋(6) 氣動橡膠驅(qū)動橡膠驅(qū)動器具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、柔韌性好等特點，

8、顯示出了巨大的應用 發(fā)展?jié)摿?。目前用開關(guān)閥實現(xiàn)的氣動伺服控制已成為流體動力控制領(lǐng)域競相研 究的對象。以普通開關(guān)閥為電-氣轉(zhuǎn)換元件的氣動脈寬調(diào)制系統(tǒng)是一種廉價的、 有很大實用價值的新型電-氣開關(guān)/伺服控制系統(tǒng)。利用開關(guān)閥 PWMS制對其實 現(xiàn)快速、精確的位置控制。因此，氣動橡膠驅(qū)動在機器人驅(qū)動中應用有一定的意 義。(7) 形狀記憶合金形狀記憶合金(Shape Memory)是指具有形狀記憶效應即記憶在高溫相狀態(tài) 下形狀的合金，如TiNi、cuznAl等。不管在低溫狀態(tài)下如何變形，達到一 定溫度就恢復到在高溫相狀態(tài)下的形狀。從記憶效應的動作特征來說，有單程效 應雙程效應之分。單程是指SMA在恢復高

9、溫相態(tài)形狀之后，降溫后并不能回到低 溫相態(tài)時的形狀。而雙程則是可逆的。由于目前材料本身的原因，SMA驅(qū)動器基本上是利用單程記憶效應工作的。加熱時，S MA絲發(fā)生熱彈性馬氏體相變，其相變恢復力使驅(qū)動器的活動部分反時鐘轉(zhuǎn)動。冷卻SMAi母相狀態(tài)變?yōu)轳R氏體態(tài)，在偏置彈簧作用下，驅(qū)動器活動部分又回到初始狀態(tài)。 這種絲材結(jié)構(gòu)恢復 力大，功率重量比相當高。但動作幅度受其可恢復變形量的限制。因此一般需加行程放大器。將SMA彈簧代替SMA絲所做成的驅(qū)動器轉(zhuǎn)動角度大，但形狀恢復 力小，適合行程大而驅(qū)動力小的情況。(a) 單程記憶效應。形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復變 形前的形狀，這種只在加熱過程中

10、存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應。(b) 雙程記憶效應。某些合金加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時又能恢復低 溫相形狀，稱為雙程記憶效應(c) 全程記憶效應。加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠?相反的低溫相形狀，稱為全程記憶效應。形狀記憶合金由于具有許多優(yōu)異的性能，形狀記憶合金作為低溫配合連接在 液壓系統(tǒng)中及體積較小的工業(yè)產(chǎn)品中應用。 另一種連接件的形狀是焊接的網(wǎng)狀金 屬絲，用于制造導體的金屬絲編織層的安全接頭。這種接件已經(jīng)用于密封裝置、 電氣連接裝置、電子工程機械裝置，并能在 -65300 C可靠地工作。已開出的密 封系統(tǒng)裝置可在嚴酷的環(huán)境中用作電氣件連接。將形狀記憶合金制作成一個可

11、打開和關(guān)閉快門的彈簧， 用于制造精密控制裝 置，一旦由于震動、碰撞等原因變形，只需加熱即可排除故障。在機械制造過程 中，各種沖壓和機械操作常需將零件從一臺機器轉(zhuǎn)移到另一臺機器上，現(xiàn)在利用形狀記憶合金開發(fā)了一種取代手動或液壓夾具，這種裝置叫驅(qū)動汽缸，它具有效 率高靈活，裝夾力大等特點。因此，基于形狀記憶合金的這些特點及效應，可以 把它應用在機器人驅(qū)動方式的控制環(huán)節(jié)以及提供驅(qū)動動力的液壓、氣壓等驅(qū)動器上，以實現(xiàn)對機器人驅(qū)動的更好效果的功能?？梢詰迷冢?機械手：形狀記憶元件具有感溫和驅(qū)動的雙重功能，因此可以用形狀記憶元件制作機 器人、機械手，通過溫度變化使其動作。2 SMA既作人造肌肉又兼作驅(qū)動器結(jié)構(gòu)材料，因此可應用于人造肌肉驅(qū)動 器上。在傳統(tǒng)機器人驅(qū)動的基礎(chǔ)下，越來越多的新型驅(qū)動方式得到發(fā)展，有人工肌 肉、壓電驅(qū)動、靜電驅(qū)動、電致伸縮材料的驅(qū)動、新型平面直線驅(qū)動、氣動橡膠 驅(qū)動、形狀記憶合金等等。這些方式能夠根據(jù)機器人的整體要求進行驅(qū)動。參考文