機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)方式與特點(diǎn)

1、一 目前機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)方式及其特點(diǎn) 根據(jù)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)器人驅(qū)動(dòng)器時(shí)， 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(dòng)功率、驅(qū)動(dòng)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(dòng)特點(diǎn)液壓驅(qū)動(dòng)所用的壓力為5 320kgf/cm2.a）優(yōu)點(diǎn)能夠以較小的驅(qū)動(dòng)器輸出較大的驅(qū)動(dòng)力或力矩，即獲得較大的 功率重量比?？梢园羊?qū)動(dòng)油缸直接做成關(guān)節(jié)的一部分，故結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，剛 性好。由于液體的不可壓縮性，定位精度比氣壓驅(qū)動(dòng)高，并可實(shí)現(xiàn)任 意位置的開停。液壓驅(qū)動(dòng)調(diào)速

2、比較簡(jiǎn)單和平穩(wěn)， 能在很大調(diào)整圍實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。使用安全閥可簡(jiǎn)單而有效的防止過載現(xiàn)象發(fā)生。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)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(huì) 造成環(huán)境污染。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。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)器人液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，近年來以電液伺服系統(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)械手中用的較多。使用的壓力通常在 0.4-0.6Mpa ，最高

3、可達(dá) 1Mpa。a）優(yōu)點(diǎn)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。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。廢氣可直接排入大氣不會(huì)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(dòng)干凈而簡(jiǎn)單。通過調(diào)節(jié)氣量可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。由于空氣的可壓縮性，氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有較好的緩沖作用?？梢园羊?qū)動(dòng)器做成關(guān)節(jié)的一部分，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛性好、成本低。缺點(diǎn)因?yàn)楣ぷ鲏毫ζ停怨β手亓勘刃?、?qū)動(dòng)裝置體積大?；跉怏w的可壓縮性，氣壓驅(qū)動(dòng)很難保證較高的定位精度。使用后的壓縮空氣向大氣

4、排放時(shí)，會(huì)產(chǎn)生噪聲。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(dòng)的特點(diǎn)電氣驅(qū)動(dòng)是利用各種電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生力和力矩， 直接或經(jīng)過機(jī)械傳動(dòng) 去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 以獲得機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)。 因?yàn)槭∪チ酥虚g能量轉(zhuǎn) 換的過程，所以比液壓及氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)效率高，使用方便且成本低。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。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)行無級(jí)調(diào)速， 即使是多速電機(jī)， 也只能進(jìn)行有限 的有級(jí)調(diào)速。直流電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)無級(jí)調(diào)速，但直流電源價(jià)格較高，因 而限制了它在大功率機(jī)器人上的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的

5、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)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。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、 成本低，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，必須增設(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)器人技術(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(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)器磁性體的外部一旦加上磁場(chǎng)， 則

6、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(shí)，如果磁性體在磁化方 向的長(zhǎng)度增大， 則稱為正磁致伸縮； 如果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)生變化（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)它受到力作用時(shí)其表面上出現(xiàn)與外力成比例 電荷的材料，又稱壓電瓷。反過來，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。利用這一特性可以制成壓電驅(qū)動(dòng)器， 這種驅(qū)動(dòng)器可以達(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排斥力互相作用順

7、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，在微小尺寸變化時(shí)，能夠產(chǎn)生很大的能量。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 使它變形，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)部分和移動(dòng)部分所組成， 靠振動(dòng)部分和移動(dòng)部分之間的 摩擦力來驅(qū)動(dòng)的一種驅(qū)動(dòng)器。由于超聲波驅(qū)動(dòng)器沒有鐵芯和線圈， 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(dòng)。f ）人工肌肉隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)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 腱 肌肉的生物運(yùn)動(dòng)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(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)器人上應(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)（嚴(yán)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)

9、 果。這是電介質(zhì)部存在不純物、導(dǎo)致結(jié)晶嚴(yán)密不對(duì)稱、在光激勵(lì)過程 中引起電荷移動(dòng)而產(chǎn)生的。二機(jī)器人驅(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反應(yīng)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(dòng)裝置及相關(guān)容1實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)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_y匚71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

10、大器向液壓伺服系統(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)器人的機(jī)械部件。液壓伺服系統(tǒng)原理圖向前運(yùn)動(dòng)位置 的四追L伺腿閥 j液缶匸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)：電液伺服閥是一種接受電氣模擬信號(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T爪-何眼閥L比校締斕入Hi己城核鈍編砒為tfi；：；不戦沖制為級(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用4電機(jī)驅(qū)

11、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。每個(gè)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(duì)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(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。錯(cuò)齒是步進(jìn)電動(dòng)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(lì)磁繞組構(gòu)成。轉(zhuǎn)子：由轉(zhuǎn)子鐵芯和電樞繞組構(gòu)成。并使磁極下的電

12、流換向器：改變電樞繞組中電流的流動(dòng)方向；方向保持不變。b）工作原理1、通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中一定會(huì)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(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1直流伺服電機(jī):c）直流電機(jī)的分類：直流電動(dòng)機(jī)根據(jù)勵(lì)磁繞組勵(lì)、串勵(lì)與復(fù)勵(lì)。轉(zhuǎn)子電樞繞組的電源來自于控制系統(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: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(dòng)系統(tǒng)氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成與液壓系統(tǒng)

13、有許多相似之處，但在以下 三個(gè)方面有明顯的不同：空氣壓縮機(jī)輸出的壓縮空氣首先儲(chǔ)存于儲(chǔ)氣罐中，然后供給 各個(gè)回路使用。氣動(dòng)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(dòng)回路右圖為一典型的氣壓驅(qū)動(dòng)回路。在這個(gè)圖中沒有畫出空氣壓縮機(jī) 和儲(chǔ)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(chǔ)氣罐。然后由儲(chǔ)氣罐用管道接入驅(qū)動(dòng)回路。 在過濾器出去 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(rùn)滑系統(tǒng)的滑閥及氣缸，同時(shí)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

14、換向閥根據(jù)電信 號(hào)，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(dòng)活塞向 右或者向左運(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 6-12 m3 /min 的情況下，就有必要 單獨(dú)設(shè)立壓縮空氣站。壓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(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，使單位體積氣體分子密度增加，形成壓縮空氣。而速度式則

15、 是先讓氣體分子得到一個(gè)很高的速度， 然后讓他停滯下來， 將動(dòng)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(chǔ)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(duì)空氣壓縮機(jī)排出 的溫度高達(dá)150C左右的壓縮空氣降溫，同時(shí)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 C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435-團(tuán)鼻心如掙

16、式啟審U畐f. t H* d 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(shí)，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

17、離析出，沉降于殼體底部，由 閥6定期排出。儲(chǔ)氣罐如圖5-12所示。儲(chǔ)氣罐的作用是儲(chǔ)存 一定量的壓縮空氣，保證供給氣動(dòng)裝置連續(xù) 和穩(wěn)定的壓縮空氣，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。干燥器圖572儲(chǔ)氣罐如圖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(dòng)裝置。過濾器如圖5-14所示。對(duì)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(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)

18、氣動(dòng)馬達(dá)兩種。氣壓驅(qū)動(dòng)器除了用壓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、安全可靠、價(jià)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(chǎng)合。一種新型的氣動(dòng)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。IS 5-13 F慢麒I戯空氣進(jìn)氣普卜2禪囲封頭：萍宅空吒排吒斡；7-J4生空氣進(jìn)吒詩(shī)a-岀席9f?盛m m*22聘対卿：124201芬 毛槍| 14- Hf.ftn皿,可一吸附刑；汁 支揮泊一外殼+汁一上fllBi護(hù)夕/vM./Mi1饑 npMt財(cái)疇j-4過唸蠱圖5-15葉片式魁動(dòng)馬達(dá)（1）葉片式氣動(dòng)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(shí)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與丄V蟲pAv RT k dt(5-6)活塞速度v之間有如下關(guān)系。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-汽缸腔壓力，A-活塞的有效受壓面積。可以