机器人驱动方法

3.4 直接驱动
• 所谓直接驱动（DD）系统，就是电动机与其所驱动的负载 直接耦合在一起，中间不存在任何减速机构。 • 同传统的电动机伺服驱动相比， DD驱动减少了减速机构， 从而减少了系统传动过程中减速机构所产生的间隙和松动， 极大地提高了机器人的精度，同时也减少了由于减速机构 的摩擦及传送转矩脉动所造成的机器人控制精度降低。而 DD驱动由于具有上述优点，所以机械刚性好，可以高速高 精度动作，且具有部件少、结构简单、容易维修、可靠性 高等特点，在高精度、高速工业机器人应用中越来越引起 人们的重视。
•当供油口处于关闭状态，阀 芯向右移动(x>0)时供油压力
ps经过节流口从左通道流到驱
动器活塞左侧并以压力p1使载 荷向右(y>0)移动。
•相反，阀芯向左移动(x<0)时
压力p2的液压油供到活塞右侧 使负载向左(y<0)移动。
第二节 气压驱动
• 气压驱动器在原理上与液压驱动器相同； • 由于气动装置的工作压强低，和液压系统 相比，功率——重量比低得多；
蠕动机构
第五节 其他驱动器
• 磁致伸缩驱动器 当一片称做Terfenol-D 的材料放在磁铁附近 时，这种特殊的稀土金属材料将产生微小的形变， 这种现象称做磁致伸缩效应。为使这种驱动器工 作，要将被磁性线圈覆盖的磁致伸缩小棒的两端 固定在两个架子上。当磁场改变时，会导致小棒 收缩或伸展，这样其中一个架子就会相对于另一 个架子产生运动。
（二）“峰值力矩最小”的最佳传动比 （三）“均方根力矩 机 驱 动
三、直流伺服电机的驱动
• 直流伺服电机的机械特性
转速
Uc R n T 2 K e K e K t
控制 电压
电机结 构常数
电枢回路电阻
负载 转矩
每极 磁通
电机转速的控制：“调压调速”（★） “调磁调速”
第五节 其他驱动器
超声波电机 • 超声波电机与传统的电磁 式电机不同，它是利用压 电陶瓷的逆压电效应，将 超声振动作为动力源的一 种新型电机，它由振动部 分和移动部分所组成，靠 振动部分和移动部分之间 的摩擦力来驱动。
USM已应用于以下科学和工业领域：
第五节 其他驱动器
压电执行器（电致伸缩效应） • 罗歇尔盐（四水合酒石酸钾钠） • 钛酸钡 • 压电陶瓷
第三章
液压驱动 气压驱动 直流电动机驱动 步进电动机驱动 其他驱动形式
驱动方法
第一节
液压驱动
• 把油压泵产生的工作油的压力能．转变成机械能的装置称 为液压执行器。在驱动液压执行器时，作为外围设备，包 括： (1)形成液压的液压泵；
(2)供给工作油的导管；
(3)控制工作油流动的液压控制阀； (4)控制控制阀的控制回路， • 根据液压执行器输出量的形式的不同，大致可以把它们区 分为作直线运动的油压缸和作旋转运动的油压马达。
• 组成：一般直流电动机和位置反馈、速度 反馈形成的整体； • 优点：启动转矩大、体积小、重量轻、转 速易控制、效率高； • 缺点：有电刷和换向器，需要定期维修、 更换电刷，使用寿命短，噪声大； • 小惯量直流伺服电动机 • 大惯量宽调速直流电动机
一、伺服电机的选择
转矩过载校核 发热校核 初选电机
步进电机驱动系统组成
三、步进电机的驱动线路
＋5 V ＋E0 步进电 动机绕 组 R0 V2 R5 390 Ub 3 b3 V3 C1
R2 470 uU R1 560 3.6 V 0.3 V －6 V V1 R3 680
R4 20
VD
泄放二 极管
C2 R7 10 加速 电容
改善电 流波形 前沿
电机输出转矩的最大值要不小于折算到电 电机的发热量主要来自铜耗，要求电机的额 要求电机必须能够提供负载所需的瞬时转矩 机上的负载力矩的最大值 定转矩要不小于折算到电机轴上的负载均 和转速，即能够提供克服峰值所需要的功 方根力矩 率
M M M ~ 2.5 工作在峰值下 P 1.5 m M M 其中 r M Lr M
第一节 液压驱动
• 功率——重量比高，低速时输出力大（无论直 线驱动还是旋转驱动）, 适合微处理器及电子控 制，可用于极端恶劣的外部环境。 • 液压系统中存在不可避免的泄漏、噪声和低速 不稳定等问题，以及功率单元非常笨重和昂贵。 • 现在大部分机器人是电动的，当然仍有许多工 业机器人带有液压驱动器。此外，对于一些需 要巨大型机器人和民用服务机器人的特殊应用 场合，液压驱动器仍可能是合适的选择。
一、步进电机的工作原理
A A 当绕组中不通电时，转子中的永 磁体总是试图减少磁路中的磁组， 转子将趋向使磁组最小的位置，即 转子中有一个齿和定子对齐。
B
D
B
D
C
C
A
当绕组中的各相通电时，转子将 被吸引着一步步转动。 转子每走一 B 步所转过的角度称步距角。 C
A
D B
D
C
二、步进电机的脉冲分配
• 把指令脉冲按一定规律分成几路电平信号 去控制步进电机的几个定子绕组。 （1）环形分配器 （2）软件分配法
工业机器人驱动系统中所用电动机
1）步进电动机：多适用于对精度、速度要求不高的 小型简易机器人开环系统中 。 2）交流伺服电动机 3）直流伺服电动机 • 交流伺服电动机、直流伺服电动机均采用位置闭 环控制，一般应用于高精度、高速度的机器人驱 动系统中。 • 交流伺服电动机由于采用电子换向，无换向火花， 在易燃易爆环境中得到了广泛的使用。
速 度 伺 服 驱 动 器 的 构 成
测速度
控制指令电压 代表 实际 转速
来自微机
位置伺服驱动器
电压控制信号
测转角位置
3.2 同步式交流伺服电动机驱动器
• 同直流伺服电动机驱动系统相比，同步式交流伺服电动机 驱动器具有转矩转动惯量比高、无电刷及换向火花等优点， 在工业机器人中得到广泛应用。 • 同步式交流伺服电动机驱动器通常采用电流型脉宽调制 （PWM）相逆变器和具有电流环为内环、速度环为外环的 多闭环控制系统，以实现对三相永磁同步伺服电动机的电 流控制。 • 1）矩形波电流驱动的永磁交流伺服系统。 2）正弦波电流驱动的永磁交流伺服系统。
一、液压缸
F ( p1 p 2 ) Ac
Q c v Ac
二、液压马达
• 齿轮马达
二、液压马达
• 叶片型马达
二、液压马达
• 柱塞式马达
三、电液伺服阀
阀芯位移等于 挡板位移，它与输 入电流成正比。当 供油压力和负载压 力一定时，输出的 负载流量与阀芯位 移成正比。
四、液压伺服马达
第三节 电气驱动
• 利用各种电动机产生的力或力矩，直接或经过 减速机构去驱动机器人的关节，以获得所要求 的位置、速度和加速度； • 无环境污染、易于控制、运动精度高、成本低、 驱动效率高；
• 一般负载1000N（相当100kgf）以下的工 业机器人大多采用电伺服驱动系统 。
机器人对关节驱动电机的主要要求
第五节 其他驱动器
• 形状记忆金属
有一种特殊的形状记忆合金叫做Biometal （生物金属），在90℃ 左右，合金的晶格结构 会从马氏体状态变化到奥氏体状态，并因此变 短。然而，与许多其他形状记忆合金不同的是， 它变冷时能再次回到马氏体状态。如果线材上 负载低的话，上述过程能够持续变化数十万个 循环。
3.3 步进电动机驱动
• • • • • • • 电脉冲信号 相应的角位移； 输出角与脉冲严格成比例，且在时间上同步； 转速取决于脉冲信号的频率； 容易实现正、反转和启、停控制； 输出转角的精度高，无累积误差； 直接用数字信号控制，与计算机接口方便； 能提供较大的低速转矩，可直接驱动机器人关节 而无需减速装置。
• 由于空气的可压缩性，在负载作用下会压 缩和变形，控制气缸的精确位置很难。因 此气动装置通常仅用于插入操作或1/2自由 度关节上；
• 结构简单，安全可靠，价格便宜；
液压驱动与气压驱动之对比
液压驱动 • 适于搬运较重的物体 • 不适于高速移动 • 适于确定高精度位置
气压驱动 • 适于搬运较轻的物体 • 适于高速移动 • 不适于确定高精度位置
1）快速性。电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工 作状态的时间应短。响应指令信号的时间愈短，电伺服系 统的灵敏性愈高，快速响应性能愈好。 4）调速范围宽。能使用于 1：1000～10000的调速范围。 5 2）体积小、质量小、轴向尺寸短。 ）起动转矩惯量比大。在驱动负载的情况下，要求机器人 6）能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向 的伺服电动机的起动转矩大，转动惯量小。 和加减速运行，并能在短时间内承受过载。 3）控制特性的连续性和直线性。随着控制信号的变化，电 动机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比 或近似成正比。
三、直流伺服电机的驱动
直流伺服电机常采用PWM方式驱动。它利用大 PWM伺服驱动器具有调速范围宽、低速特性好、响应 功率晶体管的开关作用，将恒定的直流电源电压斩 快、效率高、过载能力强等特点，在工业机器人中 成一定频率的方波电压，并加在直流电动机的电枢 常作为直流伺服电动机驱动器。 上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均 电压来控制电动机的转速。
驱动系统中所用传感器
• 速度传感器多采用测速发电机和旋转变压 器；位置传感器多用光电码盘和旋转变压 器。近年来，国外机器人制造厂家已经在 使用一种集光电码盘及旋转变压器功能为 一体的混合式光电位置传感器，伺服电动 机可与位置及速度检测器、制动器、减速 机构组成伺服电动机驱动单元。
3.1 直流伺服电动机及其驱动
Pr m Pm
L max m max
LP m
LP
长期连续工作在变载荷下 M Lr Lr Mr为电机的额定转矩，λ 为电机的转矩过 Pm 1.5 ~ 2.5 载系数。