教案-工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)第5章01

第五章機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)5.1機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述【內(nèi)容提要】本課主要學(xué)習(xí)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要幾個(gè)指標(biāo):驅(qū)動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)元件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、制動(dòng)機(jī)構(gòu)。知識(shí)要點(diǎn)：機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)元件機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)器人的制動(dòng)機(jī)構(gòu)重點(diǎn)：機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)元件難點(diǎn)：機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵字：驅(qū)動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)元件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、制動(dòng)機(jī)構(gòu)

【本課內(nèi)容】【內(nèi)容提要】本章主要介紹機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。內(nèi)容包括機(jī)器人的直接與間接驅(qū)動(dòng)方式，液壓、氣壓、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)元件與特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，制動(dòng)器；液壓系統(tǒng)組成與工作原理，液壓系統(tǒng)的主要設(shè)各；氣壓系統(tǒng)組咸與王作原理，氣壓系統(tǒng)的主要設(shè)備；直流電動(dòng)機(jī)與直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理與參數(shù)，交流電動(dòng)機(jī)與交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理與參數(shù)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理與參數(shù)，直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介。學(xué)習(xí)完本章的內(nèi)容后，學(xué)生應(yīng)能夠；了解機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式，掌握不同類型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)元件的性能與特點(diǎn)，熟悉驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其傳動(dòng)方式的圖例與特點(diǎn)，了解制動(dòng)器的基本功能；能夠熟練地分析實(shí)際機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式與制動(dòng)原理，能夠繪制出傳動(dòng)原理圖。掌握機(jī)器人的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成，熟悉液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要設(shè)備的工作機(jī)理；能夠分析液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的流程，能夠找出液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障環(huán)節(jié)。掌握機(jī)器人的氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成，熟悉氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要設(shè)備的工作機(jī)理；能夠分析氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的流程，能夠找出氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障環(huán)節(jié)。了解伺服系統(tǒng)與伺服電動(dòng)機(jī)的要點(diǎn)，掌握直流電動(dòng)機(jī)與直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理與參數(shù)，掌握交流電動(dòng)機(jī)與交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理與參數(shù)，掌握步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理與參數(shù)；能夠分析電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作特性，能夠找出電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制要點(diǎn)。5.1機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述機(jī)器人是運(yùn)動(dòng)的，各個(gè)部位都需要能源和動(dòng)力，因此設(shè)計(jì)和選擇良好的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是非常重要的.本節(jié)主要介紹機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要幾個(gè)指標(biāo)；驅(qū)動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)元件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、制動(dòng)機(jī)構(gòu)。早期的工業(yè)機(jī)器人都用液壓、氣壓方式來進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng).隨著大功率交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，目前大部分被電氣驅(qū)動(dòng)方式所代替，只有在少數(shù)要求超大輸出功率、防爆、低運(yùn)動(dòng)精度的場(chǎng)合才考慮使用液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)。電氣驅(qū)動(dòng)無環(huán)境污染，響應(yīng)快，精度高，成本低，控制方便。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能如下：1．剛度和柔性剛度是材料對(duì)抗變形的阻抗，他可以是梁在負(fù)載作用下抗彎曲的剛度，或汽缸中氣體在負(fù)載作用下抗壓縮的阻抗，甚至是瓶中的酒在木塞作用下抗壓縮的阻抗。系統(tǒng)的剛度越大，則使它變形所須的負(fù)載也越大。相反，系統(tǒng)柔性越大，則在負(fù)載作用下就越容易變形。2.重量、功率-重量比和工作壓強(qiáng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重量以及功率-重量比至關(guān)重要，例如電子系統(tǒng)的功率-重量比屬中等水平。在同樣功率情況下，步進(jìn)機(jī)通常比伺服電機(jī)要重，因此它具有較低的功率-重量比。電機(jī)的電壓越高，功率-重量比越高。氣動(dòng)功率-重量比最低，而液壓系統(tǒng)具有最高的功率-重量比。5.1.1驅(qū)動(dòng)方式機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要分為直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)兩種無論何種方式，都是對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)。1.關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人中連接運(yùn)動(dòng)部分的機(jī)構(gòu)稱為關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)有轉(zhuǎn)動(dòng)型和移動(dòng)型，分別稱為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)關(guān)節(jié)。(1)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)就是在機(jī)器人中簡(jiǎn)稱為關(guān)節(jié)的連接部分，它既連接各機(jī)構(gòu)，又傳遞各機(jī)構(gòu)間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(或擺動(dòng))，用于基座與臂部、臂部之間、臂部和手部等連接部位.關(guān)節(jié)由回轉(zhuǎn)軸、軸承和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。關(guān)節(jié)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的連接方式有多種，因此轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)也有多種形式，如圖5.1所示。a)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)軸同軸軸式b)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和同轉(zhuǎn)軸正交式c）外部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)臂部的形式d）驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在關(guān)節(jié)內(nèi)部圖5-1轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的形式1)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)軸同軸式.這種形式的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)軸，有較高的定位精度。但是，為減輕重量，要選擇小型減速器并增加臂部的剛性，它適用于水平多關(guān)節(jié)型機(jī)器人.2)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)軸正交式。重量大的減速機(jī)構(gòu)穿放在基座上，通過臂部的齒輪、鏈條傳遞運(yùn)動(dòng).這種形式適用于要求臂部結(jié)構(gòu)緊湊的場(chǎng)合。3)外部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)臂部的形式，這種形式適合于傳遞大轉(zhuǎn)矩的田轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有滾珠絲杠、液壓缸和氣缸。4)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)安裝在關(guān)節(jié)內(nèi)部的形式.這種形式稱為直接驅(qū)動(dòng)形式。機(jī)器人中軸承起著相當(dāng)重要的作用，用于轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的軸承有多種形式，球軸承是機(jī)器人結(jié)構(gòu)中最常用的軸承，球軸承能承受徑向和軸向載荷，摩擦較小，對(duì)軸和軸承座的剛度不敏感。圖5-2a為普通向心球軸承；圖49b為向心推力球軸承。這兩種軸承的每個(gè)球和滾道之間只有兩點(diǎn)接觸(一點(diǎn)與內(nèi)滾道，另一點(diǎn)與外滾道)。為實(shí)現(xiàn)預(yù)載，此種軸承必須成對(duì)使用。圖5-2c為四點(diǎn)接觸球軸承。該軸承的滾道是尖拱式半圓，球與每個(gè)滾道兩點(diǎn)接觸，該軸承通過兩內(nèi)滾道之間適當(dāng)?shù)倪^盈量實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，因此，此種軸承的優(yōu)點(diǎn)是無間隙，能承受雙向軸向載荷，尺寸小，承載能力和剛度比同樣大小的一般球軸承高15倍；缺點(diǎn)是價(jià)格較高。a)普通向心球軸承b）向心力球軸承c）四點(diǎn)接觸球軸承圖5-2耐磨球軸承（2）移動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)關(guān)節(jié)由直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和在整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)起直線導(dǎo)向作用的直線導(dǎo)軌部分組成。導(dǎo)軌部分分為滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和磁性懸浮導(dǎo)軌等形式。一般要求機(jī)器人導(dǎo)軌間隙小或能消除間隙；在垂直手運(yùn)動(dòng)方向上要求剛度高，摩擦系數(shù)小且不隨速度變化，并且有高阻尼、小尺寸和小慣量.通常，由于機(jī)器人在速度和精度方面的要求很高，故一般采用結(jié)構(gòu)緊湊且價(jià)格低廉的滾動(dòng)導(dǎo)軌，滾動(dòng)導(dǎo)軌的分類如下：1)按滾動(dòng)體分類――球、圓柱滾子和滾針。 2)按軌道分類――圓軸式、平面式和滾道式。3)按滾動(dòng)體是否循環(huán)分類――循環(huán)式、非循環(huán)式。這些滾動(dòng)導(dǎo)軌各有特點(diǎn)，裝有滾珠的滾動(dòng)導(dǎo)軌適用于中小載荷利小摩擦的場(chǎng)合；裝有滾柱的滾動(dòng)導(dǎo)軌適用于重載和高剛性的場(chǎng)合。受輕載滾柱的特性接近于線性彈簧，呈硬彈簧特性；而滾珠的特性接近于非線性彈簧，剛性要求高時(shí)應(yīng)施加一定的預(yù)緊力。2直接驅(qū)動(dòng)方式直接驅(qū)動(dòng)方式是驅(qū)動(dòng)器的輸出軸和機(jī)器人手臂的關(guān)節(jié)軸直接相連的方式。直接驅(qū)動(dòng)方式的驅(qū)動(dòng)器和關(guān)節(jié)之間的機(jī)槭系統(tǒng)較少，因而能夠減少摩擦等非線性因素的影響，控制性能比較好。然而，為了直接驅(qū)動(dòng)手臂的關(guān)節(jié)，驅(qū)動(dòng)器的輸出轉(zhuǎn)矩必須很大.此外，由于不能忽略動(dòng)力學(xué)對(duì)手臂運(yùn)動(dòng)的影響，因此控制系統(tǒng)還必須考慮到手臂的動(dòng)力學(xué)問題，高輸出轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動(dòng)器有油缸式液壓裝置，另外還有力矩電動(dòng)機(jī)(直驅(qū)馬達(dá))等，其中液壓裝置在結(jié)構(gòu)和摩擦等方面的非線性因素很強(qiáng)，所以很難體現(xiàn)出直接驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，因此，在20世紀(jì)⒛年代所開發(fā)的力矩電動(dòng)機(jī)，采用了非線性的軸承機(jī)械系統(tǒng)，得到了優(yōu)良的逆向驅(qū)動(dòng)能力(以關(guān)節(jié)一側(cè)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的輸出軸)。圖5.3中顯示了使用力矩電動(dòng)機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)方式的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)例。圖5.3關(guān)節(jié)直接驅(qū)動(dòng)方式使用這樣的直接驅(qū)動(dòng)方式的機(jī)器人，通常稱為DD機(jī)器人(DirectDriveRobot)，簡(jiǎn)稱DDR。DD機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通過機(jī)械接口直接與關(guān)節(jié)連接，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和關(guān)節(jié)之間沒有速度和轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換。日本、美國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開發(fā)出性能優(yōu)異的DD機(jī)器人，美國Adept公司研制出帶有視覺功能的四自由度平面關(guān)節(jié)型DD機(jī)器人。日本大日機(jī)工公司研制成功了五自由度關(guān)節(jié)型DD-600V機(jī)器人，其性能指標(biāo)為；最大工作范圍為1.2m，可搬重量為5噸，最大運(yùn)動(dòng)速度為8.2m/s，DD機(jī)器人的其他優(yōu)點(diǎn)包括；機(jī)械傳動(dòng)精度高；振動(dòng)小，結(jié)構(gòu)剛度好；機(jī)械傳動(dòng)損耗??；結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高；電動(dòng)機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩大，電氣時(shí)間常數(shù)小，短時(shí)間內(nèi)可以產(chǎn)生很大轉(zhuǎn)矩，響應(yīng)速度快，調(diào)速范圍寬；控制性能較好。DD機(jī)器人目前主要存在的問題有；載荷變化、耦合轉(zhuǎn)矩及非線性轉(zhuǎn)矩對(duì)驅(qū)動(dòng)及控制影響顯著，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難和復(fù)雜；對(duì)位置、速度的傳感元件提出了相當(dāng)高的要求；需開發(fā)小型實(shí)用的DD電動(dòng)機(jī)；電動(dòng)機(jī)成本高。3間接驅(qū)動(dòng)方式間接驅(qū)動(dòng)方式是把驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力經(jīng)過減速器或鋼絲繩、傳送帶、平行連桿等裝置后傳遞給關(guān)節(jié)。間接驅(qū)動(dòng)方式中包含帶減速器的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和遠(yuǎn)距離驅(qū)動(dòng)兩種。目前大部分機(jī)器人的關(guān)節(jié)是間接驅(qū)動(dòng)。(1)帶減速器的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中小型機(jī)器人-般來用普通的直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)或步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為機(jī)器人的執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，由干電動(dòng)機(jī)速度較高，輸出轉(zhuǎn)矩又大大小于驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)所需要的轉(zhuǎn)矩，所以必須使用帶減速器的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。但是，間接驅(qū)動(dòng)帶來了機(jī)械傳動(dòng)中不可避免的誤差，引起沖擊振動(dòng)，影響機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性，并且增加關(guān)節(jié)重量和尺寸。由手手臂通常采用懸梁結(jié)構(gòu)，所以多自由度機(jī)器人關(guān)節(jié)上安裝減速器會(huì)使手膏根部關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載增大。(2)遠(yuǎn)距離驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)距離驅(qū)動(dòng)將驅(qū)動(dòng)器與關(guān)爺分離，目的在于減少關(guān)節(jié)體積、減輕關(guān)節(jié)重量。-般來說，驅(qū)動(dòng)器的輸出轉(zhuǎn)矩都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)所需要的力，因此也需要通過減速器來增大驅(qū)動(dòng)力。遠(yuǎn)距離驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)⒍嘧杂啥葯C(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)所必需的多個(gè)驅(qū)動(dòng)器設(shè)置在合適的位置.由于機(jī)器人手臂都采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，因此遠(yuǎn)距離驅(qū)動(dòng)是減輕位于手臂根部關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器負(fù)載的一種措施。5.1.2驅(qū)動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)元件是執(zhí)行裝置，就是按照信號(hào)的指令，將來自電、液壓和氣壓等各種能源的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)等方式的機(jī)械能的裝置.按利用的能源來分，主要可分為電動(dòng)執(zhí)行裝置、液壓執(zhí)行裝置和氣壓執(zhí)行裝置，因此，機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)元件有液動(dòng)式、氣動(dòng)式和電動(dòng)式。1液壓驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)的輸出力和功率很大，能構(gòu)成伺服機(jī)構(gòu)，常用于大型機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)。美國Unimation公司生產(chǎn)的Unimate型機(jī)器人采用了直線液壓缸作為徑向驅(qū)動(dòng)源。Versatran機(jī)器人也使用直線液壓缸作為圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人的垂直驅(qū)動(dòng)源和徑向驅(qū)動(dòng)源，(1)機(jī)器人采用液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)l)液壓容易達(dá)到較高的單位面積壓力(常用牡壓為25-63kg/cm2)，體積較小2）可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩；功藥重量比大，可以減小執(zhí)行裝置的體積。3)介質(zhì)可壓縮性小，剛度高，工作平穩(wěn)可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高精度的位置控制。4)液壓傳動(dòng)中，通過流量控制可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，力`速度比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制.5)液壓系統(tǒng)采用油液作介質(zhì)，具有防銹和自潤滑性能，可以提高機(jī)械效率，使用壽命長。(2)機(jī)器人采用液壓驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)1)油液的黏度隨溫度變化而變化，影響工作性能，高溫容易引起油液燃嬈爆炸等危險(xiǎn)。2)液體的泄漏難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量，敵造價(jià)較高。3)需要相應(yīng)的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴(yán)格的濾油裝置，否則會(huì)引起故障。4)必須對(duì)油的污染進(jìn)行控制`穩(wěn)定性較差。5)液壓油源和進(jìn)油、回油管路等附屬設(shè)備占空間較大；造價(jià)較高。2氣壓驅(qū)動(dòng)氣壓驅(qū)動(dòng)多用于開關(guān)控制和順序控制的機(jī)器人.與液壓驅(qū)動(dòng)相比，氣壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)如下。（1）優(yōu)點(diǎn)1）壓縮空氣黏度小，容易達(dá)到高速(1m/s)。2)利用工廠集中的空氣壓縮機(jī)站供氣，不必添加動(dòng)力設(shè)備。3)空氣介質(zhì)對(duì)環(huán)境無污染，使用安全，可直接應(yīng)用于高溫作業(yè)。4)氣動(dòng)元件工作壓力低，故制造要求也比液壓元低。(2)缺點(diǎn)l)壓縮空氣常用壓力為0.4-0.6MPa，若要獲得較大的力，其結(jié)構(gòu)就要相對(duì)增大。2)空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要達(dá)到準(zhǔn)確的位置控制很因難。3)壓縮空氣的除水問題處理不當(dāng)會(huì)使鋼類零件生銹，導(dǎo)致機(jī)器人失靈。4)排氣還會(huì)造成噪聲污染。3電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)可分為普通交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)需加減速裝置，輸出轉(zhuǎn)矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機(jī)器人.伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩相對(duì)?。豢刂菩阅芎茫蓪?shí)現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機(jī)器人。交、直流伺服電動(dòng)機(jī)一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度要求不高的場(chǎng)合。關(guān)于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)將在后續(xù)章節(jié)進(jìn)行詳細(xì)分析。電動(dòng)機(jī)使用簡(jiǎn)單，且隨著材料性能的提高，電動(dòng)機(jī)性能也逐漸提高

所以總的看來，目前機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)逐漸為電動(dòng)式所代替14驅(qū)動(dòng)元件的特點(diǎn)各種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)比較如表5-1所示。表5-1各種驅(qū)動(dòng)方式特點(diǎn)比較液壓驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)輸出功率

很大，壓力范圍為50～140N/cm2

大，壓力范圍為48～60N/cm2，最大可達(dá)100N/cm2

較大控制性能

利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制

氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制

控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜響應(yīng)速度

很高

較高

很高結(jié)構(gòu)性能及體積

結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大

結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小

伺服電動(dòng)機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動(dòng)機(jī)一般需配置減速裝置，除DD電動(dòng)機(jī)外，難以直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題安全性

防爆性能較好，用液壓油作傳動(dòng)介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險(xiǎn)

防爆性能好，高于1000kPa(10個(gè)大氣壓)時(shí)應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性

設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)，直流有刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有火花，對(duì)環(huán)境的防爆性能較差對(duì)環(huán)境的影響

液壓系統(tǒng)易漏油，對(duì)環(huán)境有污染

排氣時(shí)有噪聲

無在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用范圍

適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人和托運(yùn)機(jī)器人

適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)、精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)器人本體的氣動(dòng)平衡及裝配機(jī)器人氣動(dòng)夾具

適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)器人，如AC伺服噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人等效率與成本效率中等（0.3～0.6）；液壓元件成本較高

效率低（0.15～0.2）氣源方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低

效率較高（0.5左右）成本高維修及使用

方便，但油液對(duì)環(huán)境溫度有一定要求

方便

較復(fù)雜5.1.31直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)器人采用的直線驅(qū)動(dòng)包括直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的X、Y、Z向驅(qū)動(dòng)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的徑向驅(qū)動(dòng)和垂直升降驅(qū)動(dòng)，以及球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的徑向伸縮驅(qū)動(dòng)。直線運(yùn)動(dòng)可以直接由氣缸或液壓缸和活塞產(chǎn)生，也可以采用齒輪齒條、絲杠、螺母等傳動(dòng)方式把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。2旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)多數(shù)普通電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)都能夠直接產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但其輸出轉(zhuǎn)矩比所需要的轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)速比所需要的轉(zhuǎn)速高

因此，需要采用各種傳動(dòng)裝置把較高的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成較低的轉(zhuǎn)速，并獲得較大的轉(zhuǎn)矩。有時(shí)也采用直線液壓缸或直線氣缸作為動(dòng)力源，這就需要把直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)的傳遞和轉(zhuǎn)換必須高效率地完成，并且不能有損于機(jī)器人系統(tǒng)所需要的特性，特別是定位精度、重復(fù)定位精度和可靠性，由于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)具有旋轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度高、摩擦小、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中較多采用。3行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)在行走機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)中，完全采用旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)伸縮時(shí)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)雖然也能轉(zhuǎn)化得到直線運(yùn)動(dòng)，但在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，關(guān)節(jié)伸縮的加速度不能忽視，它可能產(chǎn)生振動(dòng)。為了提高著地點(diǎn)選擇的靈活性，還必須增加直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。因此，許多情況采用直線驅(qū)動(dòng)更為合適。直線氣缸仍是目前所有驅(qū)動(dòng)裝置中最廉價(jià)的動(dòng)力源，凡能夠倒闈直線氣缸的地方，坯是應(yīng)該剡闈它。有些要求精度高的地方也要選用直線驅(qū)動(dòng)。5.1.4傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用來把驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)傳遞到關(guān)節(jié)和動(dòng)作部位。機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和體積小，要求消除傳動(dòng)間隙，提高其運(yùn)動(dòng)和位置精度，工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)裝置除蝸桿傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和行星齒輪傳動(dòng)外，還常用滾珠絲杠傳動(dòng)、諧波傳動(dòng)、鋼帶傳動(dòng)、同步齒形帶傳動(dòng)、繩輪傳動(dòng)、流體傳動(dòng)和連桿傳動(dòng)與凸輪傳動(dòng)。1.行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖5.4所示為行星齒輪傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。行星齒輪傳動(dòng)尺寸小，慣量低；一級(jí)傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊；載荷分布在若干個(gè)行星齒輪上，內(nèi)齒輪也具有較高的承載能力。`圖5.4行星齒輪傳動(dòng)2諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)諧波傳動(dòng)在運(yùn)動(dòng)學(xué)上是一種具有柔性齒圈的行星傳動(dòng)，它在機(jī)器人上獲得了比行星齒輪傳動(dòng)更加廣泛的應(yīng)用。諧波發(fā)生器通常由凸輪或偏心安裝的軸承構(gòu)成。剛輪為剛性齒輪，柔輪為能產(chǎn)生彈性變形的齒輪，當(dāng)諧波發(fā)生器連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的機(jī)械力使柔輪變形，變形曲線為一條基本對(duì)稱的諧波曲線。發(fā)生器波數(shù)表示諧波發(fā)生器轉(zhuǎn)一周時(shí)，柔輪某一點(diǎn)變形的循環(huán)次數(shù).其工作原理是；當(dāng)諧波發(fā)生器在柔輪內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，迫使柔輪發(fā)生變形，同時(shí)進(jìn)入或退出剛輪的齒間。在諧波發(fā)生器的短軸方向，剛輪與柔輪的齒間處于嚙入或嚙出的過程，伴隨著發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，齒間的嚙合狀態(tài)依次發(fā)生變化，即產(chǎn)生嚙入一嚙合一嚙出―脫開一嚙入的變化過程。這種錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)把輸入運(yùn)動(dòng)變?yōu)檩敵龅臏p速運(yùn)動(dòng)。如圖5.5所示是諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。由于諧波發(fā)生器4的轉(zhuǎn)動(dòng)使柔輪6上的柔輪齒圈7與剛輪（圓形花鍵輪)1上的剛輪內(nèi)齒圈2相嚙合。輸入軸為3，如果剛輪1固定，則軸5為輸出軸；如果軸5固定，則剛輪1的軸為輸出軸。1-剛輪2-剛輪內(nèi)齒圈3-輸入軸4-皆波發(fā)生器5-軸6-柔輪7-柔輪齒圈圖5.5諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)最近，采用液壓靜壓諧波發(fā)生器的諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)已經(jīng)問世，如圖5.6所示，凸輪1和柔輪2之間不直接接觸，凸輪l上的小孔3與柔輪內(nèi)表面大約有0.1mm的間隙，高壓油從小孔3噴出，使柔輪產(chǎn)生變形波，從而產(chǎn)生減速驅(qū)動(dòng)。油液具有很好的冷卻作用，能提高傳動(dòng)速度。此外，還有采用電磁波原理諧波發(fā)生器的諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。1-凸輪2-柔輪3-小孔圖5.6采用液壓靜壓諧波發(fā)生器的諧披傳動(dòng)諧波傳動(dòng)裝置在機(jī)器人技術(shù)比較先進(jìn)的國家已得到了廣泛的應(yīng)用，僅就日本來說，機(jī)器人傳動(dòng)裝置的60%都采用了諧波傳動(dòng).美國送到月球上的機(jī)器人，其各個(gè)關(guān)節(jié)部位都采用諧波傳動(dòng)裝置，其中一只上臂就用了30個(gè)諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。前蘇聯(lián)送入月球的移動(dòng)式機(jī)器人“登月者”，其成對(duì)安裝的8個(gè)輪子均是用密閉諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的。德國大眾汽車公司研制的ROHREN、CEROTR30型機(jī)器人和法國雷諾公司研制的VERTICAL80型機(jī)器人等都采用了諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。3絲杠傳動(dòng)絲杠傳動(dòng)有滑動(dòng)式、滾珠式和靜壓式等。機(jī)器人傳動(dòng)用的絲桿具備結(jié)構(gòu)緊湊，間隙小和傳動(dòng)效率高等特點(diǎn)?；瑒?dòng)式絲杠螺母機(jī)構(gòu)是連續(xù)的面接觸，傳動(dòng)中不會(huì)產(chǎn)生沖擊，傳動(dòng)平穩(wěn)，無噪聲，能自鎖，因絲杠的螺旋升角較小，所以用較小的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩可獲得較大的牽引力白但是，絲杠螺母螺旋面之間的摩擦為滑動(dòng)摩擦，故傳動(dòng)效率低。滾珠絲杠傳動(dòng)效率高，而且傳動(dòng)精度和定位精度均很高，傳動(dòng)時(shí)靈敏度和平穩(wěn)性也很好。由于磨損小，滾珠絲杠的使用壽命比較長，但成本較高。如圖5.7所示為滾珠絲杠的基本組成，導(dǎo)向槽4連接螺母的第一圈和最后兩圈，使其形成滾動(dòng)體可以連續(xù)循環(huán)的導(dǎo)槽。滾珠絲杠在工業(yè)機(jī)器人上的應(yīng)用比滾柱絲杠多`因?yàn)楹笳呓Y(jié)構(gòu)尺寸大(徑向和軸向)，傳動(dòng)效率低。1-絲桿2-螺母3-滾珠4-導(dǎo)向槽圖5.7所示為滾珠絲杠的基本組成如圖5.8所示為采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的手臂升降機(jī)構(gòu)，由電動(dòng)機(jī)1帶動(dòng)蝸桿2使蝸輪5回轉(zhuǎn)，依靠蝸輪內(nèi)孔的螺紋帶動(dòng)絲杠4作升降運(yùn)動(dòng)，為了防止絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，在絲杠上端銑有花鍵，與固定在箱體6上的花鍵套7組成導(dǎo)向裝置。1-電動(dòng)機(jī)2-蝸桿3-臂架4-絲杠5-蝸輪6-箱體7-華健套圖5.8絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的手臂升降機(jī)構(gòu)4帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)用于傳遞平行軸之間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，或把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人中的帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)分別通過帶輪或鏈輪傳遞回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，有時(shí)還用來驅(qū)動(dòng)平行軸之間的小齒輪。(l)同步帶傳動(dòng)如圖5.9所示，同步帶的傳動(dòng)面上有與帶輪嚙合的梯形齒.同步帶傳動(dòng)時(shí)無滑動(dòng)，初始張力小，被動(dòng)軸的軸承不易過載，因無滑動(dòng)，它除了用做動(dòng)力傳動(dòng)外還適用于定位，同步帶采用氯丁橡膠作為基材，并在中間加入玻璃纖維等伸縮剛性大的材料，齒面上覆蓋耐磨性好的尼龍布.用于傳遞輕載荷的齒形帶用聚氨基甲酸酯制造。圖5.9同步帶形狀同步帶傳動(dòng)屬于低慣性傳動(dòng)，適合于在電動(dòng)機(jī)和高速比減速器之間使用。同步帶上安裝滑座可完成與齒輪齒條機(jī)構(gòu)同樣的功能。由手同步帶傳動(dòng)慣性小，且有一定的剛度，所以適合于高速運(yùn)動(dòng)的輕型滑座。(2)滾子鏈傳動(dòng)滾子鏈傳動(dòng)屬于比較完善的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由于噪聲小，效率高，因此得到了廣泛的應(yīng)用，但是，高速運(yùn)動(dòng)時(shí)滾子與鏈輪之間的碰擅會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲和振動(dòng)，只有在低速時(shí)才能得到滿意的效果，即滾子鏈傳動(dòng)適合于低慣性負(fù)載的關(guān)節(jié)傳動(dòng)。鏈輪齒數(shù)少，摩擦力會(huì)增加，要得到平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，鏈輪的齒數(shù)應(yīng)大于17，并盡量采用奇數(shù)齒。(3)繩傳動(dòng)繩傳動(dòng)廣泛應(yīng)用于機(jī)器人的手爪開合傳動(dòng)，特別適合有限行程的運(yùn)動(dòng)傳遞.繩傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是；鋼絲繩強(qiáng)度大，各方向⊥的柔軟性好，尺寸小，預(yù)載后有可能消除傳動(dòng)間隙，繩傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)是；不加預(yù)載時(shí)存在傳動(dòng)間隙；因?yàn)槔K索的蠕變和索夾的松弛便傳動(dòng)不穩(wěn)定；多層纏繞后，在內(nèi)層繩索及支承中損耗能量；效率低；易積塵垢。(4)鋼帶傳動(dòng)鋼帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)比精確，傳動(dòng)件質(zhì)量小，慣量小，傳動(dòng)參數(shù)穩(wěn)定，柔性好，不需要潤滑，強(qiáng)度高.如圖5.10所示為鋼帶傳動(dòng)。鋼帶末端緊固在驅(qū)動(dòng)輪和被驅(qū)動(dòng)輪上，因此，擦力不是傳動(dòng)的重要因素，鋼帶傳動(dòng)適合于有限行程的傳動(dòng).圖5.10a適合于等傳動(dòng)比傳動(dòng)a)等傳動(dòng)比回轉(zhuǎn)傳動(dòng)b）等傳動(dòng)比直線傳動(dòng)c）變傳動(dòng)比回轉(zhuǎn)傳動(dòng)d）變傳動(dòng)比直線傳動(dòng)圖5.10鋼帶傳動(dòng)鋼帶傳動(dòng)己成功應(yīng)用在ADEPT機(jī)器人上，其以1:1速比的直接驅(qū)動(dòng)在立軸和小臂關(guān)節(jié)軸之間進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳動(dòng)，如圖5.11所示。圖5.11采用鋼帶傳動(dòng)的ADEPT機(jī)鋸人5桿、連桿與凸輪傳動(dòng)重復(fù)完成簡(jiǎn)單動(dòng)作的搬運(yùn)機(jī)器人(固定程序機(jī)器人)中廣泛采用桿、連桿與凸輪機(jī)構(gòu)，例如從某位置抓取物體放在另一位置上的作業(yè)。連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是用簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)就可得到較大的位移，而凸輪機(jī)構(gòu)具有設(shè)計(jì)靈活，可靠性高和形式多樣等特點(diǎn)。外凸輪機(jī)構(gòu)是最常見的凸輪機(jī)構(gòu)，它借助于彈簧可得到較好的高速性能；內(nèi)凸輪驅(qū)動(dòng)時(shí)要求有一定的間隙，其高速性能不如前者；圓柱凸輪用于驅(qū)動(dòng)擺桿，而擺桿在與凸輪回轉(zhuǎn)方向平行的面內(nèi)擺動(dòng)。設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)選用適應(yīng)大負(fù)載的凸輪曲線(修正梯形和修正正弦曲線等)，連桿機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)分別如圖5.12和圖5.13所示.圖5.12曲柄式連桿機(jī)構(gòu)圖5.13圓柱式凸輪機(jī)構(gòu)6流體傳動(dòng)流體傳動(dòng)分為液壓傳動(dòng)和氣壓傳動(dòng)。液壓傳動(dòng)由液壓泵、液壓馬達(dá)或液壓缸組成，可得到高轉(zhuǎn)矩一慣性比。氣壓傳動(dòng)比其他傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)精度差，但由于容易達(dá)到高速