機(jī)械人的主要驅(qū)動(dòng)方式及其特點(diǎn)

1、目前機(jī)械人的主要驅(qū)動(dòng)方式及其特點(diǎn)按照能量轉(zhuǎn)換方式，將驅(qū)動(dòng)器劃分為液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和新型驅(qū)動(dòng)裝置。在選擇機(jī)械人驅(qū)動(dòng)器時(shí)，除要充分考慮機(jī) 械人的工作要求，如工作速度、最大搬運(yùn)物重、驅(qū)動(dòng)功率、驅(qū)動(dòng)平穩(wěn) 性、精度要求外，還應(yīng)考慮到是不是能夠在較大的慣性負(fù)載條件下， 提供足夠的加速度以知足作業(yè)要求。A液壓驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)液壓驅(qū)動(dòng)所用的壓力為5320kgf/cm2.a）長(zhǎng)處1能夠以較小的驅(qū)動(dòng)器輸出較大的驅(qū)動(dòng)力或力矩，即取得較 大的功率重量比。2能夠把驅(qū)動(dòng)油缸直接做成關(guān)節(jié)的一部份，故結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊 湊，剛性好。3由于液體的不可緊縮性，定位精度比氣壓驅(qū)動(dòng)高，并可實(shí) 現(xiàn)任意位置的開(kāi)停。4液壓驅(qū)動(dòng)調(diào)速比較簡(jiǎn)單和平

2、穩(wěn)，能在專門大調(diào)整范圍內(nèi)實(shí) 現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。5利用安全閥可簡(jiǎn)單而有效的避免過(guò)載現(xiàn)象發(fā)生。6液壓驅(qū)動(dòng)具有潤(rùn)滑性能好、壽命長(zhǎng)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)固性與定位精度，而且會(huì) 造成環(huán)境污染。2因油液粘度隨溫度而轉(zhuǎn)變，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)，因此本錢較高。C）適用范圍液壓驅(qū)動(dòng)方式大多用于要求輸出力較大而運(yùn)動(dòng)速度較低的場(chǎng) 合。在機(jī)械人液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，最近幾年來(lái)以電液伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)最 具有代表性。B氣壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)氣壓驅(qū)動(dòng)在工業(yè)機(jī)械手頂用的較多。利用的壓力通常在 0.4-0.6

3、Mpa，最高可達(dá) 1Mpa。a）長(zhǎng)處1快速性好，這是因?yàn)榫o縮空氣的黏性小，流速大，一般緊縮 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，一般工廠都有緊縮空氣站供給緊縮空氣，亦可由 空氣緊縮機(jī)取得。3廢氣可直接排入大氣不會(huì)造成污染，因此在任何位置只需一 根高壓管連接即可工作，所以比液壓驅(qū)動(dòng)干凈而簡(jiǎn)單。4通過(guò)調(diào)骨氣量可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。5由于空氣的可緊縮性，氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有較好的緩沖作用。6能夠把驅(qū)動(dòng)器做成關(guān)節(jié)的一部份，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛性好、 本錢低。b）缺點(diǎn)1因?yàn)楣ぷ鲏毫ζ?，所以功率重量比小、?qū)動(dòng)裝置體積大。2基于氣體的可緊縮性，氣壓驅(qū)動(dòng)很難保證較

4、高的定位精度。3利用后的緊縮空氣向大氣排放時(shí)，會(huì)產(chǎn)生噪聲。4因緊縮空氣含冷凝水，使得氣壓系統(tǒng)易銹蝕，在低溫下易結(jié) 冰。C電氣驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)電氣驅(qū)動(dòng)是利用各類電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生力和力矩，直接或通過(guò)機(jī)械傳 動(dòng)去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以取得機(jī)械人的各類運(yùn)動(dòng)。因?yàn)槭∪チ酥虚g能 量轉(zhuǎn)換的進(jìn)程，所以比液壓及氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)效率高，利用方便且本錢 低。電氣驅(qū)動(dòng)大致可分為普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和直線電機(jī) 驅(qū)動(dòng)三類。（a）普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)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 不能進(jìn)行調(diào)速或難以進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，即即是多速電機(jī)，也只能進(jìn)行 有限的有級(jí)調(diào)速。直流電性能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，但直流電源價(jià)錢較 高，因此限制了它在大功

5、率機(jī)械人上的應(yīng)用。（b）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)能夠達(dá)到較高的重復(fù)定位精度，可是，可是步進(jìn)電機(jī)速 度不能太高，控制系統(tǒng)也比較復(fù)雜。（。）直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)直線電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、本錢低，其動(dòng)作速度與行程主要取決于其 定子與轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度，反接制動(dòng)時(shí)，定位精度較低，必需增設(shè)緩沖及 定位機(jī)構(gòu)。D新型驅(qū)動(dòng)裝置的特點(diǎn)隨著機(jī)械人技術(shù)的進(jìn)展，出現(xiàn)了利用新工作原理制造的新型的驅(qū)動(dòng)器，如磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器、壓電驅(qū)動(dòng)器、靜電驅(qū)動(dòng)器、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器、超聲波驅(qū)動(dòng)器、人工肌肉、光驅(qū)動(dòng)器等。a）磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器磁性

6、體的外部一旦加上磁場(chǎng)，則磁性體的外形尺寸發(fā)生轉(zhuǎn)變（焦耳效應(yīng)），這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮現(xiàn)象?，F(xiàn)在，若是磁性體在磁 化方向的長(zhǎng)度增大，則稱為正磁致伸縮；若是磁性體在磁化方向的 長(zhǎng)度減少，則稱為負(fù)磁致伸縮。從外部對(duì)磁性體施加壓力，則磁性 體的磁化狀態(tài)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變（維拉利效應(yīng)），則稱為逆磁致伸縮現(xiàn)象。 這種驅(qū)動(dòng)器主要用于微小驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。b）壓電驅(qū)動(dòng)器壓電材料是一種當(dāng)它受到力作歷時(shí)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(guò)來(lái)，把電場(chǎng)加到壓電材料上，則 壓電材料產(chǎn)生應(yīng)變，輸出力或變位。利用這一特性能夠制成壓電驅(qū) 動(dòng)器，這種驅(qū)動(dòng)器能夠達(dá)到驅(qū)動(dòng)亞微米級(jí)的精度。c）靜電驅(qū)動(dòng)器靜電驅(qū)動(dòng)器利用電荷間的吸力和

7、排斥力彼此作用順序驅(qū)動(dòng)電極 而產(chǎn)生平移或旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。因靜電作用屬于表面力，它和元件尺寸 的二次方成正比，在微小尺寸轉(zhuǎn)變時(shí)，能夠產(chǎn)生專門大的能量。d）形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)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， 即便它變形，當(dāng)加熱到某一適當(dāng)溫度時(shí)，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等幾十種。e）超聲波驅(qū)動(dòng)器所謂超聲波驅(qū)動(dòng)器就是利用超聲波振動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)力的一種驅(qū)動(dòng) 器，即由振動(dòng)部份和移動(dòng)部份所組成，靠振動(dòng)部份和移動(dòng)部份之間 的摩擦力來(lái)驅(qū)動(dòng)的一種驅(qū)動(dòng)器。由于超聲波驅(qū)動(dòng)器沒(méi)有鐵芯和線圈，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、

8、重量 輕、響應(yīng)快、力矩大，不需配合減速裝置就可以夠低速運(yùn)行，因 此，很適合用于機(jī)械人、照相機(jī)和攝像機(jī)等驅(qū)動(dòng)。）人工肌肉隨著機(jī)械人技術(shù)的進(jìn)展，驅(qū)動(dòng)器從傳統(tǒng)的電機(jī)-減速器的機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)制，向骨架T腱一肌肉的生物運(yùn)動(dòng)機(jī)制進(jìn)展。人的手臂能完 成各類柔順作業(yè)，為了實(shí)現(xiàn)骨骼T肌肉的部份功能而研制的驅(qū)動(dòng)裝 置稱為人工肌肉驅(qū)動(dòng)器。為了更好地模擬生物體的運(yùn)動(dòng)功能或在機(jī)械人上應(yīng)用，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(dòng)器某種強(qiáng)電介質(zhì)（周密非對(duì)稱的壓電性結(jié)晶）受光照射，會(huì)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

9、電介質(zhì)內(nèi)部存在不純物、致使結(jié)晶周密不對(duì)稱、在光鼓勵(lì) 進(jìn)程中引發(fā)電荷移動(dòng)而產(chǎn)生的。二機(jī)械人驅(qū)動(dòng)的要求1驅(qū)動(dòng)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反映速度要快。要求力質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比要大。3動(dòng)作光滑，不產(chǎn)生沖擊。4控制靈活，位移誤差和速度誤差小。5安全靠得住。6操作維修方便等。二典型的驅(qū)動(dòng)裝置及相關(guān)內(nèi)容1實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸主要由活塞、活塞桿、缸體、缸蓋、密封圈、進(jìn)主要組成:出油口等組成。工作原理2單活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)圖主要組成：一、18缸蓋11活塞12活塞桿 3一進(jìn)、出油口 7、八、九、1五、16一密封圈3閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)1工作原理：通常常利用運(yùn)算放大器做成的伺服放大器向液

10、壓伺服系統(tǒng)中的電液 伺服閥提供一個(gè)電信號(hào)。由電信號(hào)控制先導(dǎo)閥再控制一級(jí)或兩級(jí)液壓 放大器，產(chǎn)生足夠的動(dòng)力去驅(qū)動(dòng)機(jī)械人的機(jī)械部件。液壓伺服系統(tǒng)原理圖用伺服閥控制液壓缸簡(jiǎn)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)：電液伺服閥是一種同意電氣模擬信號(hào)，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(jí)數(shù)可分為單級(jí)、兩級(jí)和三級(jí)；按第一級(jí)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常利用。4電機(jī)驅(qū)動(dòng)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。每一個(gè)定子磁極上均有控制繞 組，且有

11、均勻散布的小齒。轉(zhuǎn)子：由轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn) 軸組成。轉(zhuǎn)子鐵芯一樣由硅鋼片疊加而成。轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，其上也 有均勻散布的小齒。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(duì)位置按必然的規(guī)律排列。如當(dāng)A 相定子小齒和轉(zhuǎn)子小齒對(duì)準(zhǔn)時(shí)，B、C相的定子小齒就會(huì)和轉(zhuǎn)子的小 齒錯(cuò)開(kāi)。錯(cuò)齒是步進(jìn)電動(dòng)性能夠步進(jìn)的根本原因 b）工作原理:c）A、B、C相電流通常來(lái)自于機(jī)械人控制系統(tǒng)2直流伺服電機(jī)a）組成：由定子、轉(zhuǎn)子和換向器組成。定子：由極心、極掌和勵(lì)磁繞組組成。轉(zhuǎn)子：由轉(zhuǎn)子鐵芯和電樞繞組組成。換向器：改變電樞繞組中電流的流動(dòng)方向； 并使磁極下的電流 方向維持不變。b）工作原理一、通電導(dǎo)體

12、在磁場(chǎng)中必然會(huì)受到力的作用。二、判斷受力方向用左手法則：磁力線穿過(guò)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)一周的進(jìn)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，保證了每一個(gè)磁極下的導(dǎo)體的通電方向不 變，從而使得電樞的受力方向不變接方式不同可位）直流電動(dòng)機(jī)按照勵(lì)磁繞組與電勵(lì)、串勵(lì)與復(fù)勵(lì)。1直流伺服電機(jī):c）直流電機(jī)的分類：轉(zhuǎn)子電樞繞組的電源來(lái)自于控制系統(tǒng)的他勵(lì)直流電機(jī)。2直流伺服電機(jī)的調(diào)速與換向：困S-9氣壓駒動(dòng)回路通過(guò)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。一*舊15氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)廠氣壓驅(qū) n動(dòng)系統(tǒng)的組成與液壓系統(tǒng)有許多相似的地方，但在以

13、下三個(gè)方面有明顯的 不同：空氣緊縮機(jī)輸出的緊縮空氣第一貯存于儲(chǔ)氣罐中，然后供給 各個(gè)回路利用。氣動(dòng)回路利用過(guò)的空氣無(wú)需回收，而是直接經(jīng)排氣口排入大 氣，因此沒(méi)有回收空氣的回氣管道。1氣壓驅(qū)動(dòng)回路右圖為一典型的氣壓驅(qū)動(dòng)回路。在那個(gè)圖中沒(méi)有畫出空氣緊縮 機(jī)和儲(chǔ)氣罐。緊縮空氣由空氣緊縮機(jī)產(chǎn)生，其壓力約為 0.5-0.7Mpa，并被送入儲(chǔ)氣罐。然后由儲(chǔ)氣罐用管道接入驅(qū)動(dòng)回 路。在過(guò)濾器內(nèi)出去塵埃和水分后，流向壓力調(diào)整閥調(diào)壓，使空氣 緊縮機(jī)的壓力至4-5Mpa。在油霧器中，緊縮空氣被混入油霧。這些油霧用于潤(rùn)滑系統(tǒng)的 滑閥及氣缸，同時(shí)也起必然的防銹作用。從油霧出來(lái)的緊縮空氣接著進(jìn)入換向閥，電磁換向閥按照電

14、信 號(hào)，改變閥芯的位置使緊縮空氣進(jìn)入氣缸A腔或B腔，驅(qū)動(dòng)活塞向 右或向左運(yùn)動(dòng)。2氣動(dòng)系統(tǒng)的組成一般規(guī)定，當(dāng)排氣量大于或等于6-12m 3/min的情形下，就有必要 單獨(dú)設(shè)立緊縮空氣站。緊縮空氣站主要由空氣緊縮機(jī)、吸氣過(guò)濾 器、后冷卻器、油水分離器和儲(chǔ)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、凈化等處置裝置（1）空氣緊縮機(jī)空氣緊縮機(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式，即先通過(guò)縮小空 氣的體積，使單位體積內(nèi)氣體分子密度增加，形成緊縮空氣。而速 度式則是先讓氣體分子取得一個(gè)很高的速度，然

15、后讓他停滯下來(lái)， 將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能，使氣體的壓力提高。選擇空氣緊縮機(jī)的大體參數(shù)是供氣量和工作壓力。工作壓力應(yīng) 當(dāng)和空氣緊縮機(jī)的額定排氣壓力相符，而供氣量應(yīng)當(dāng)與所選緊縮機(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(chǔ)氣罐、干燥 器、過(guò)濾器等。后冷卻器后冷卻器安裝在空氣緊縮機(jī)出口處的管道。它對(duì)空氣緊縮機(jī)排 出的溫度高達(dá)150C左右的緊縮空氣降溫，同時(shí)使混入緊縮空氣的水 汽和油氣凝聚成水滴和油滴。通事后冷卻器的氣體溫度降至 40-50 Co冷式冷式所是靠御51捕擊折回式油束并尚歿1-油旅*離31 花掉；I- J , 5-iWAr 0-M吹向道來(lái)WI&-IO反特式

16、點(diǎn)冷世器風(fēng)扇產(chǎn)生的冷空氣帶散熱片的熱氣管后冷卻器主要有風(fēng) 和水冷式兩種，風(fēng) 冷卻器如圖5-10 示。風(fēng)冷式冷卻器降低緊縮空氣溫度的。它不需要循環(huán)冷卻水，所以具有占地面積 小，利用及保護(hù)方便等特點(diǎn)油水分離器油水分離器的作用是分離緊縮空氣中凝聚的水分、油份和塵埃 等雜質(zhì)，使緊縮空氣初步取得凈化，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)緊縮空氣由進(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，以后又 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(shí)，在緊縮空 氣中凝聚的水滴、油滴等雜質(zhì)受慣性力的

17、作用而分離析出，沉降于 殼體底部，由閥6按期排出。儲(chǔ)氣如圖5-12所示。儲(chǔ)氣罐的作用是貯存必然量的緊縮空氣，保證供給氣動(dòng)裝置持續(xù)和穩(wěn)固的緊縮空氣，并可減小氣流脈動(dòng)所造成的管道振動(dòng)。同時(shí)，還可進(jìn)一步分離油水雜質(zhì)。儲(chǔ)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)一步排除緊縮空氣中的水、油與雜志，以供給要求高度干燥、干凈緊縮空氣的氣動(dòng)裝置。過(guò)濾器如圖5-14所示。對(duì)要求高的緊縮空氣，經(jīng)干燥處置以后，再通過(guò)二次過(guò)濾。過(guò)濾器大致有陶瓷過(guò)濾器、焦炭過(guò)濾器、粉末冶金過(guò)濾器及纖維過(guò)濾器（3）氣壓驅(qū)動(dòng)器氣壓驅(qū)動(dòng)器時(shí)最簡(jiǎn)單的一種驅(qū)動(dòng)方式，氣體驅(qū)動(dòng)元件有直線汽缸和旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)馬達(dá)兩種。氣壓驅(qū)動(dòng)器

18、除用緊縮空氣作為工作介質(zhì) 外，其它與液壓驅(qū)動(dòng)器類似。氣動(dòng)馬達(dá)和汽缸是典型的氣壓驅(qū)動(dòng)器。氣壓驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全靠得住、價(jià)錢廉價(jià)。可是由于空氣 的可緊縮性，精度和可控性較差，不能應(yīng)用在高精度的場(chǎng)合。一種 新型的氣動(dòng)馬達(dá)，用微處置器直接控制的一種葉片馬達(dá)，能攜帶 215.6N的負(fù)載而又取得高的定位精度（1mm）。理窒箴氣管* 2梯風(fēng)罵頭f礦卜】。一廢笠？4上一再生空氣排氣管；7 再生空氣道吒管；占一干燃空氣輸出管；9一排水Th 1L22-封墊F12.15.30一銅越過(guò)雄制I 13 毛氈：14一卜棚.根f訐,1 一吸射劑# J7 -支撐板；18外充網(wǎng)一上冊(cè)瓶（1）葉片式氣動(dòng)馬達(dá)由于空氣的可緊縮性，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D(zhuǎn)變時(shí)將致使密度的轉(zhuǎn)變，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。Q =_!匕 X 空 + p m RTI k dt )式中R-氣體常數(shù)，T-絕對(duì)溫度，V-汽缸腔的容積；k-比熱常 數(shù)，p-汽缸腔內(nèi)壓力，A-活塞的有效受壓面積。能夠看出在系統(tǒng)中，活塞速度與流量之間的關(guān)系不像式V = Q / A