机器人6驱动器

控制液压伺服电机←控制滑柱位置 控制 控制液压伺服电机←控制滑柱位置←控制 伺服电机电流大小及持续时间←控制器 伺服电机电流大小及持续时间 控制器 液压驱动机器人 1）控制器计算出关节移动量和移动速度 2）设定伺服电机控制电流和持续时间— 设定伺服电机控制电流和持续时间— 控制柱阀位置和速度— —控制柱阀位置和速度—控制流入速度 传感器— 传感器—向控制器提供反馈信息以实 现精确连续控制
五、伺服电机 通过对电机旋转速度、反电动势、 通过对电机旋转速度、反电动势、负荷 及输出力矩关系分析，可以知道： 及输出力矩关系分析，可以知道： 输出更大力矩且不降低电机转速—需要 输出更大力矩且不降低电机转速 需要 给转子或定子增大电流。 给转子或定子增大电流。 通过改变电流（或相应的电压），可以 通过改变电流（或相应的电压），可以 ）， 在期望点上维持转速—力矩的平衡 力矩的平衡， 在期望点上维持转速 力矩的平衡，这个 系统叫做伺服电机。 系统叫做伺服电机。
电气子系统：对于电动驱动器， ⑷ 电气子系统 ： 对于电动驱动器 ， 将来自控 制子系统的驱动器数据输入给电气子系统 电气子系统。 制子系统的驱动器数据输入给电气子系统。 而一般的液压和气动驱动器一般是由电动控 制阀控制，也可以用电动驱动器控制方法实 制阀控制， 这个子系统也包含计算机、 现。这个子系统也包含计算机、接口和动力 源。 机械子系统：这些驱动器驱动机械子系统 ⑸ 机械子系统 ： 这些驱动器驱动 机械子系统 中的机构以使该机器人在一定环境下工作并 完成给定的任务。 完成给定的任务。 传感子系统：机器人和环境参数由传感子 ⑹ 传感子系统 ： 机器人和环境参数由 传感子 系统监测 监测。 系统监测。传感器信息被用于控制回路的反 馈控制，探测危险环境、 馈控制，探测危险环境、确定任务是否被正 确执行等。 确执行等。
（2）无刷直流电机通常由控制电路控 ） 制运行，直接接在电源上，不会旋转。 制运行，直接接在电源上，不会旋转。 四、直接驱动电机 相似点： 相似点：结构上和无刷直流电机相似 也相似于步进电机）。 （也相似于步进电机）。 不同点： 不同点：低速时能输出很大的力矩并具 有很高的分辨率， 有很高的分辨率，可不用减速器直接驱动 关节运动。 关节运动。
三、无刷直流电机 无刷直流电机—交流电机和直流电机的 无刷直流电机 交流电机和直流电机的 混合体，与交流电机有相似之处。 混合体，与交流电机有相似之处。 无刷直流电机工作时使用开关直流波形 与交流电机相似（正弦或梯波形）， ），但不 与交流电机相似（正弦或梯波形），但不 一定60H。可以工作在任意甚至很低速度。 一定 。可以工作在任意甚至很低速度。 切换转子电流—安装在转子上的旋转变 切换转子电流 安装在转子上的旋转变 压器、 压器、光学编码器等传感器向控制器输出 信号，由控制器完成电流切换。 信号，由控制器完成电流切换。 （1）通常利用相位相差 ）通常利用相位相差120度的三相电 度的三相电 流给转子供电保证运行平稳、力矩恒定。 流给转子供电保证运行平稳、力矩恒定。
如图所示为柱 阀向上或向下 运动时液体的 流向。
伺服阀—在阀上 伺服阀 器人中使用电机主要包括以下几种： 机器人中使用电机主要包括以下几种： 一、直流电机 二、可逆交流电机 三、无刷直流电机 四、步进电机 一、直流电机 为了增加磁场强度，采用由稀土材料和 为了增加磁场强度， 合金制成的高强永磁体，提高了电机性能。 合金制成的高强永磁体，提高了电机性能。
第六章 驱动器
机器人的子系统主要包括以下几种： 机器人的子系统主要包括以下几种： 1．处理子系统：工作环境、人、将执行 ．处理子系统：工作环境、 的任务环境、 的任务环境 、 其它机器人及工作运动单 元； 2．规划子系统：概念的形成、传感信息 ．规划子系统：概念的形成、 处理及集成、 世界模型的建立、 处理及集成 、 世界模型的建立 、 任务模 型建立及规划、 轨迹规划、 避碰、 型建立及规划 、 轨迹规划 、 避碰 、 夹持 规划等。 规划等。 3．控制子系统：力学模型、处理模型、 ．控制子系统：力学模型、处理模型、 坐标传递、开闭环控制等； 坐标传递、开闭环控制等；
§6.2 液压驱动
对半径为r的直线液压缸， 对半径为 的直线液压缸，其液压系统中 的直线液压缸 所需液体的流速和流量为： 所需液体的流速和流量为：
4 d (Vol ) πd 2 dx πd 2 & Q= = = x dt 4 dt 4 d (Vol ) =
πd 2
dx
式中： 表示期望的位移 & 表示期望的位移； 式中：dx表示期望的位移；x 是期望的速度 控制液体流入速度——实现控制活塞速度 控制液体流入速度 实现控制活塞速度 伺服阀可用来控制液体容量和流速
三、减速齿轮 电动机通常以很高速度旋转 很高速度旋转（ 电动机通常以很高速度旋转（每分钟几 千转）， ），显然一般人们在操作机器人工作 千转），显然一般人们在操作机器人工作 时不希望机器人以如此高速度工作。 时不希望机器人以如此高速度工作。 减速—（通过齿轮）—增大工作转矩 减速 （通过齿轮） 增大工作转矩 同时，增加了系统的分辨率） （同时，增加了系统的分辨率） 其缺点是—增大间隙； 其缺点是 增大间隙；增加了旋转体转 增大间隙 动惯量；增加了零件数及其成本。 动惯量；增加了零件数及其成本。
总流入液量—活塞行程 （打开时间—总流入液量 活塞行程） 打开时间 总流入液量 活塞行程） 数学表示为： 数学表示为： q = Cx
q (dt ) = d (vol ) = A(dy )
q：流速；C：常数；x：滑柱位移；A： ：流速； ：常数； ：滑柱位移； ： 活塞面积； ：活塞位移； 活塞面积；y：活塞位移；d/dt：D ： Cx(dt ) = A(dy ) 该式表明液压伺 C 服电机是一积分 y= x 器 AD
§6.1 驱动系统的性能
连杆+关节 连杆 关节——机器人骨骼 关节 机器人骨骼 驱动器——人体肌肉 驱动器 人体肌肉 能动——要求具有足够的功率；其他辅助要求： 要求具有足够的功率； 能动 要求具有足够的功率 其他辅助要求： 自身轻便、精确、经济、可靠、便于维护。 自身轻便、精确、经济、可靠、便于维护。 几种主要驱动器： 几种主要驱动器： （1）电动机：伺服电机、步进电机、直接驱 ）电动机：伺服电机、步进电机、 动电机 （2）液压驱动器 ） （3）气动驱动器 ） （4）形状记忆合金驱动器 ） （5）磁滞伸缩驱动器 ）
如图所示为：通过一组减速比为N的减速齿轮将惯量 为Il的负载连在惯量为Im的电机上。电机及负载上的力 矩及速度比为：
Tl = NTm
& = 1θ & θl m N
以及
&& = 1 θ& & θl m N
系统的力矩平衡方程为：
&& + b θ + 1 T = I θ& + b θ + 1 ( I θ& + b θ ) & & & & Tm = I mθ m m &m l m m m m l l l l N N && + b θ + 1 ( I θ& + b θ ) & & = I mθ m m &m l m l m N2
bm：电机粘性摩擦系数 bl ：负载粘性摩擦系数 可以看出：负载在电机轴上的有效转动 惯量与减速比的平方成反比。
I 有效 1 = 2 Il N
以及
1 I总 = 2 I l + I m N
例1 如图所示，一电机连接到质量均匀分布 的机械臂上，在机械臂末端有一集中的质量块， 该电机的转子转动惯量为0.015kgm2，最大力矩 为8Nm。忽略系统中减速齿轮对的惯量和粘性 摩擦，分别对减速比为(a)3，(b)30两种情况， 计算折算到电机上的总惯量和能达到的最大角 速度。
一、重量、功率/重量（三者的比较） 重量、功率/重量（三者的比较） 液压驱动 电气驱动 气动驱动 二、刚度和柔性 刚性系统—对变化负载响应快、精度高。 刚性系统 对变化负载响应快、精度高。 对变化负载响应快 但是对刚性物体作业容易发生零件损坏。 但是对刚性物体作业容易发生零件损坏。 柔性系统—响应慢、精度低。 柔性系统 响应慢、精度低。但可以通 响应慢 过系统柔性变形适应变化，防止零件破损。 过系统柔性变形适应变化，防止零件破损。
4．电气子系统：电机、计算机、接口、 ．电气子系统：电机、计算机、接口、 传感器、动力源等； 传感器、动力源等； 5．机械子系统：机械臂、手爪、腕、移 ．机械子系统：机械臂、手爪、 动车、 驱动器、 连杆、 关节、 齿轮、 动车 、 驱动器 、 连杆 、 关节 、 齿轮 、 齿 链条等； 条、链条等； 6．传感子系统：内部的：位置、速度、 ．传感子系统：内部的：位置、速度、 加速度、 力 、 力矩等； 外部的： 视觉、 加速度 、 力矩等 ； 外部的 ： 视觉 、 接触觉、声觉、化学等； 接触觉、声觉、化学等；
解：该手臂和集中质量块在旋转中心上的 总转动惯量为：
1 I负载总 = I 臂 + I 质量 = m臂l 2 + m 质量 l 2 3 1 = (3)(0.5) 2 + (2)(0.5) 2 = 0.75kg ⋅ m 2 3
对(a)和(b)两种情况，根据上式：
(a ) (b) 1 1 I l + I m = (0.75) + 0.015 = 0.098kg ⋅ m 2 N2 9 1 1 I总 = 2 I l + I m = (0.75) + 0.015 = 0.0158kg ⋅ m 2 N 900 I总 =
可以看出，采用较高减速比，总转动惯 量实际上就是电机的转动惯量
最大角加速度为：
(a) (b) & θ&m = Tm 8 = = 82rad / s 2 I总 0.098
&& = Tm = 8 = 506rad / s 2 θm I总 0.0158