新型驅(qū)動(dòng)方式在機(jī)器人中的應(yīng)用

1、新型驅(qū)動(dòng)方式在機(jī)器人中的應(yīng)用李武林機(jī)自 1207 1210310606一，機(jī)器人傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)等， 這幾類驅(qū)動(dòng)方式是目前多數(shù)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)所采用的方式 .（1）液壓驅(qū)動(dòng)：機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)裝置一一驅(qū)動(dòng)器。其中，液壓/氣壓驅(qū)動(dòng)器相比于電氣驅(qū)動(dòng)器而言具有功率密度大和易于實(shí)現(xiàn)力控制的優(yōu)點(diǎn)。流體動(dòng)力系統(tǒng)更能滿足機(jī)器人低速大扭矩的應(yīng)用需求。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展給用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的 驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)

2、的創(chuàng)新來實(shí)現(xiàn)，智能化有待于液壓/氣壓 控制方法的創(chuàng)新來實(shí)現(xiàn)。（2）電伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。所采用的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)主要是 AC伺服電動(dòng)機(jī)，步 進(jìn)電動(dòng)機(jī)和DC伺服電動(dòng)機(jī)。其中,交流伺服電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)、直接驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)機(jī)（DD均采用位置閉環(huán)控制，一般應(yīng)用于高精度、高速度的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)中。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多適用于對(duì)精度、 速度要求不高的小型簡易機(jī)器人開 環(huán)系統(tǒng)中。交流伺服電動(dòng)機(jī)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(dòng)方式，也可以是兩個(gè)或者兩個(gè)以上驅(qū)動(dòng)方式結(jié)合在一起 對(duì)機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，比如以微電機(jī)控制伺服油缸結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的驅(qū)動(dòng)器，其中，高性 能四足仿生機(jī)器

3、人的核心技術(shù)之一是高功率密度液壓動(dòng)力單元、伺服單元等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)技術(shù)，高功率密度液壓動(dòng)力單元的研制是保證“四足仿生機(jī)器人”實(shí) 現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性、高適應(yīng)性和高負(fù)載能力的基礎(chǔ)。針對(duì)高功率密度驅(qū)動(dòng)的輕量化、低 功耗的目標(biāo)，基于簡捷化、一體化、超高壓、低泄漏、負(fù)載匹配的設(shè)計(jì)思路，提出 了微電機(jī)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(jī)控制伺服 閥中電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與閥芯直線運(yùn)動(dòng)的直接轉(zhuǎn)換問題 ，微電機(jī)替代傳統(tǒng)伺服閥的先 導(dǎo)級(jí)，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(diǎn)，使開發(fā)超高壓、一體化的液壓伺服元件成為可能。二，機(jī)器人新型驅(qū)動(dòng)方式隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，愈來愈多的新的驅(qū)動(dòng)方式出現(xiàn)，在機(jī)器

4、人驅(qū)動(dòng)上得 到愈來愈多的應(yīng)用。（1）人工肌肉驅(qū)動(dòng)人造肌肉在智能材料上屬于“聚臺(tái)膠體”，它可以在電激勵(lì)和化學(xué)激勵(lì)下產(chǎn) 生膨脹、收縮和一種類似橡膠的物質(zhì)發(fā)揮機(jī)械傳動(dòng)、齒輪和滑輪的作用。美國 sta ndford研究所研究所研制的撲翼機(jī)就是由人造肌內(nèi)驅(qū)動(dòng)，看上去像橡膠軟 管，兩端帶有電針；佐治亞理工學(xué)院的 MAV“Entomopter ”計(jì)劃研究組所使用的 是一種被稱做“往復(fù)式化學(xué)肌肉（RCM）'它在化學(xué)能的驅(qū)動(dòng)下可以為機(jī)器人提供驅(qū)動(dòng)，通過直接轉(zhuǎn)換，RCM甚至還可以為該機(jī)器人上微系統(tǒng)提供少量電能。(2) 壓電驅(qū)動(dòng)智能材料在微型機(jī)器人領(lǐng)域受到了越來越廣泛的應(yīng)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(yīng)。將其制為傳 感器與驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)外界條件的變化而改變機(jī)器人所需的驅(qū)動(dòng)力。壓電材料用于智能結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器時(shí)，以雙面粘貼壓電驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(dòng)靜電驅(qū)動(dòng)由于能量密度低，相對(duì)于其他驅(qū)動(dòng)方式來說應(yīng)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(dòng)由于具有電壓驅(qū)動(dòng)、 易于集成和控制的特點(diǎn)，同時(shí)隨著半導(dǎo)體微細(xì)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(dòng)器的研究提供了可能

6、的技術(shù)背景，使靜電致動(dòng)在微型 致動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu) 簡圖。圖2府養(yǎng)式耳電雲(yún)動(dòng)撲貝機(jī)梳簡圖(4) 電致伸縮材料的驅(qū)動(dòng)在外電場的作用下電介質(zhì)所產(chǎn)生的與場強(qiáng) 二次方成正比的應(yīng)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(diǎn)電致伸縮器實(shí)際上就是兩部分，“伸”和“縮”。通過這兩種方法來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人機(jī)構(gòu)在一定角 度的上下運(yùn)動(dòng)。使用電致伸縮器很好的減小了驅(qū)動(dòng)器的啟動(dòng)功率.也減小了整個(gè)系統(tǒng)的沖擊載荷。具有較高的靈活性。雖然優(yōu)點(diǎn)根多。但也有著它最顯著的缺 陷.就是對(duì)于環(huán)境要求高。電致伸縮器就其本質(zhì)而言，是一種往復(fù)式直線運(yùn)動(dòng)

7、驅(qū) 動(dòng)(5) 新型平面直線驅(qū)動(dòng)為解決機(jī)器人在精密裝配等操作時(shí)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(jìn)展。在機(jī)器人微驅(qū)動(dòng)末端操作器中，二自 由度平面直線電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)是核心部件之一，它具有體積小、重量輕、力能指標(biāo)高 等特點(diǎn)，國內(nèi)外關(guān)于直線電動(dòng)機(jī)的研究十分活躍， 電機(jī)種類眾多。其中新型二自 由度平面直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛。 這種二自由度電機(jī)由于X及丫方向采用 共同永磁體結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)電機(jī)系統(tǒng)比較具有較高的性能體積比，應(yīng)用于實(shí)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(dòng)電機(jī)示意圖。圏I電機(jī)跟理示意捋(6) 氣動(dòng)橡膠驅(qū)動(dòng)橡膠驅(qū)動(dòng)器具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、柔韌性好等特點(diǎn)，

8、顯示出了巨大的應(yīng)用 發(fā)展?jié)摿?。目前用開關(guān)閥實(shí)現(xiàn)的氣動(dòng)伺服控制已成為流體動(dòng)力控制領(lǐng)域競相研 究的對(duì)象。以普通開關(guān)閥為電-氣轉(zhuǎn)換元件的氣動(dòng)脈寬調(diào)制系統(tǒng)是一種廉價(jià)的、 有很大實(shí)用價(jià)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(duì)其實(shí) 現(xiàn)快速、精確的位置控制。因此，氣動(dòng)橡膠驅(qū)動(dòng)在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)中應(yīng)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(yīng)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(dá)到一 定溫度就恢復(fù)到在高溫相狀態(tài)下的形狀。從記憶效應(yīng)的動(dòng)作特征來說，有單程效 應(yīng)雙程效應(yīng)之分。單程是指SMA在恢復(fù)高

9、溫相態(tài)形狀之后，降溫后并不能回到低 溫相態(tài)時(shí)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(dòng)器基本上是利用單程記憶效應(yīng)工作的。加熱時(shí)，S MA絲發(fā)生熱彈性馬氏體相變，其相變恢復(fù)力使驅(qū)動(dòng)器的活動(dòng)部分反時(shí)鐘轉(zhuǎn)動(dòng)。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(dòng)器活動(dòng)部分又回到初始狀態(tài)。 這種絲材結(jié)構(gòu)恢復(fù) 力大，功率重量比相當(dāng)高。但動(dòng)作幅度受其可恢復(fù)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(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)角度大，但形狀恢復(fù) 力小，適合行程大而驅(qū)動(dòng)力小的情況。(a) 單程記憶效應(yīng)。形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)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(yīng)。(b) 雙程記憶效應(yīng)。某些合金加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)又能恢復(fù)低 溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng)(c) 全程記憶效應(yīng)。加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)變?yōu)樾螤钕嗤∠?相反的低溫相形狀，稱為全程記憶效應(yīng)。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(yīng)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(dǎo)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(jī)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(yán)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(gè)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(dòng)、碰撞等原因變形，只需加熱即可排除故障。在機(jī)械制造過程 中，各種沖壓和機(jī)械操作常需將零件從一臺(tái)機(jī)器轉(zhuǎn)移到另一臺(tái)機(jī)器上，現(xiàn)在利用形狀記憶合金開發(fā)了一種取代手動(dòng)或液壓夾具，這種裝置叫驅(qū)動(dòng)汽缸，它具有效 率高靈活，裝夾力大等特點(diǎn)。因此，基于形狀記憶合金的這些特點(diǎn)及效應(yīng)，可以 把它應(yīng)用在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的控制環(huán)節(jié)以及提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的液壓、氣壓等驅(qū)動(dòng)器上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的更好效果的功能?？梢詰?yīng)用在：1機(jī)械手：形狀記憶元件具有感溫和驅(qū)動(dòng)的雙重功能，因此可以用形狀記憶元件制作機(jī) 器人、機(jī)械手，通過溫度變化使其動(dòng)作。2 SMA既作人造肌肉又兼作驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)材料，因此可應(yīng)用于人造肌肉驅(qū)動(dòng) 器上。在傳統(tǒng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)下，越來越多的新型驅(qū)動(dòng)方式得到發(fā)展，有人工肌 肉、壓電驅(qū)動(dòng)、靜電驅(qū)動(dòng)、電致伸縮材料的驅(qū)動(dòng)、新型平面直線驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)橡膠 驅(qū)動(dòng)、形狀記憶合金等等。這些方式能夠根據(jù)機(jī)器人的整體要求進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。參考文