2.5 机器人的驱动与传动

驱动 器
执行装置（电 机、液压等）
图像 采集 卡 A/D
执行机构 （臂、手等） 环境 （控制 对象）
传感器（视 觉、触觉等）
1 直流电机驱动（DC motor）
1. 直流电机工作原理
电刷
直流电动机通过 换向器将直流转 换成电枢绕组中 的交流，从而使 电枢产生一个恒 定方向的电磁转
左 手 定 则
换向器
都选用了旋转关节。然而也有许多情况采用直线驱动更为合适, 因此，直线气缸仍是目前所有驱动装置中最廉价的动力源, 凡 能够使用直线气缸的地方, 还是应该选用它。另外，有些要求 精度高的地方也要选用直线驱动。
2. 制动器 许多机器人的机械臂都需要在各关节处安装制动器, 其作
用是: 在机器人停止工作时, 保持机械臂的位置不变; 在电源
同步齿型带（带齿的皮带）、V型带（三角皮带）、平型带、 链、绳索（钢丝绳）、连杆等机构都是长距离传递运动的机构。 四连杆机构刚度好、精度高，机械手等系统上经常使用。
（3） 齿轮链
齿轮链是由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构。它
不但可以传递运动角位移和角速度, 而且可以传递力和力矩。 现以具有两个齿轮的齿轮链为例, 说明其传动转换关系。其 中一个齿轮装在输入轴上, 另一个齿轮装在输出轴上, 如图 2.73所示。
运行现象。适用于有高速响应要求的场合；
5、电机加减速的动态相响应间短，一般在几十毫秒之内； 6、发热和噪音明显降低。
超声波电机（一种未来很有希望的电机）
工作原理：当给压电陶瓷施加一 定方向的电压时，各部分产生的 应变方向相反（在正电压作用下， +的部分伸长，-的部分压缩）， +、-部分交替相接。在交流电压 的作用下，压电陶瓷就会沿圆周 方向产生交替的伸缩变形，定子 弹性体的上下运动产生驻波。此 外，由于重叠在一起的两片压电 陶瓷的相位差为90O，所以，在 形成驻波的同时也会在水平方向 形成行波。这样，在驻波和行波 特点： 超声波电机具有体积小， 的合成波的作用下，使定子作椭 重量轻，不用制动器，速度和位置控 圆运动轨迹的振动。这样，装在 制灵敏度高，转子惯性小，响应性能 定子上的转子在摩擦力的作用下 好，没有电磁噪声等普通电机不具备 就会产生旋转。同样也有直线运 动的超声波电机。 的优点。
来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制
脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机有三种：永磁式PM（permanent magnet）；反应 式（也称可变磁阻式）VR（variable reluctance），在欧美等发 达国家80年代已被淘汰；混合式 HB（hybrid），混合式是指混
在廉价的计算机问世以前, 控制旋转运动的主要困难之一
是计算量大, 所以, 当时认为采用直线驱动方式比较好。 直
流伺服电机是一种较理想的旋转驱动元件, 但需要通过较昂贵 的伺服功率放大器来进行精确的控制。例如,在1970年,尚没有 可靠的大功率晶体管, 需要用许多大功率晶体管并联, 才能驱 动一台大功率的伺服电机。
5 气动驱动
气动执行装置的种类：气缸、气动马达。
气动驱动的特点：
优点：（1）利用气缸可以实现高速直线运动；
（2）利用空气的可压缩性容易实现力控制和缓冲控制； （3）无火灾危险和环境污染； （4）系统结构简单，价格低。 缺点：（1） 由于空气的可压缩性，高精度的位置控制和速度控 制都比较困难，驱动刚性比较差； （2）虽然撞停等简单动作速度较高，但在任意位置上停 止的动作速度很慢； （3）噪音大；
发生故障时, 保护机械臂和它周围的物体不发生碰撞。 假如 齿轮链、谐波齿轮机构和滚珠丝杠等元件的质量较高,一般其
摩擦力都很小, 在驱动器停止工作的时候, 它们是不能承受负
载的。如果不采用某种外部固定装置, 如制动器、夹紧器或止 挡装置等,一旦电源关闭, 机器人的各个部件就会在重力的作 用下滑落。因此, 为机器人设计制动装置是十分必要的。
2. 试述磁力吸盘的基本原理。 3. 真空吸盘有哪几种? 试述它们的工作原理。 4. 什么叫R关节、 B关节和Y关节？ 什么叫RPY运动？ 5. 机器人的行走机构有哪些？ 各有什么特点？
6. 机器人的驱动方式有哪些？ 各有什么特点？
7. 机器人的新型驱动方式有哪些？
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2.5 机器人的驱动
这里所说的机器人驱动就是机电一体化系统中的执行装置。
执行装置就是按照电信号的指令，将来自电、液压和气压等 各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的装 置。按利用的能源来分类，主要可分为电动执行装置、液压执行
装置和气动执行装置。
运动 控制 卡 数字 计算 机
端子 板
表2.1 工业机器人常用传动方式的比较与分析
表2.1 工业机器人常用传动方式的比较与分析
新型执行装置：
压电执行装置：利用在压电陶瓷等材料上施加电压而产生变
形的压电效应。
形状记忆合金执行装置：利用镍钛合金等材料具有的形状随
温度变化，温度恢复时形状也恢复的形状记忆性质。
习 题
1. 工业机器人手部的特点是什么？大致分为哪几类？
通常,齿条是固定不动的，当齿轮传动时, 齿轮轴连同拖 板沿齿条方向做直线运动, 这样, 齿轮的旋转运动就转换成为 拖板的直线运动, 如图2.70所示。拖板是由导杆或导轨支承的。 该装置的回差较大。
图 2.70 齿轮齿条装置
2. 普通丝杠 普通丝杠驱动是由一个旋转的精密丝杠驱动一个螺母沿 丝杠轴向移动。 由于普通丝杠的摩擦力较大, 效率低, 惯性 大, 在低速时容易产生爬行现象, 而且精度低, 回差大, 因
今天, 电机驱动和控制的费用已经大大地降低, 大功率晶 体管已经广泛使用, 只需采用几个晶体管就可以驱动一台大功
率伺服电机。同样, 微型计算机的价格也越来越便宜,计算机
费用在机器人总费用中所占的比例大大降低,有些机器人在每 个关节或自由度中都采用一个微处理器。
由于上述原因,许多机器人公司在制造和设计新机器人时,
6 机械传动机构
（1）谐波齿轮减速器 目前，机器人的旋转关节有60%~70%都使用谐波齿轮。 谐波齿轮由刚性齿轮、谐波发生器和柔性齿轮组成。
假设刚性齿轮由100个齿，柔性齿轮比它少2个齿，则当谐波 发生器转50圈时，柔性齿轮转1圈，这样只占用了很小的空间就 可得到1:50的减速比。
（2）同步齿型带
合了永磁式和反应式的优点，混合式步进电机的应用最为广泛。
2、 步进电机驱动的特点 控制系统简单可靠，成本低；控制精度受步距角限制，高负 载或高速度时易失步，低速运行时会产生步进运行现象。
伺服电机与步进电机比较
伺服电机的优势： 1、实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步
的问题；
2、高速性能好，一般额定转速能达到2000～3000转； 3、抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负 载波动和要求快速起动的场合特别适用； 4、低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进
制动器通常是按失效抱闸方式工作的, 即要松开制动器就
必须接通电源,否则,各关节不能产生相对运动。
它的主要目的是在电源出现故障时起保护作用。其缺点是
在工作期间要不断通电使制动器松开。
假如需要的话， 也可以采用一种省电的方法, 其原理是: 需要各关节运动时, 先接通电源, 松开制动器, 然后接通另一 电源, 驱动一个挡销将制动器锁在放松状态。
此在机器人上很少采用。
3. 滚珠丝杠 在机器人上经常采用滚珠丝杠, 这是因为滚珠丝杠的摩擦
力很小且运动响应速度快。由于滚珠丝杠在丝杠螺母的螺旋槽
里放置了许多滚珠,传动过程中所受的摩擦力是滚动摩擦, 可 极大地减小摩擦力,因此传动效率高,消除了低速运动时的爬行
现象。在装配时施加一定的预紧力,可消除回差。
改变定子绕组上的电压或频率，即电压控制或频率控制方式。
伺服电机的精度由编码器的精度决定。
3 步进电机驱动（stepping motor）
步进电机驱动系统主要用于开环位置控制系统。优点：控制
较容易，维修也较方便，而且控制为全数字化。缺点：由于开环
控制，所以精度不高。
1.工作原理
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。简单说： 当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的 方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以通过控制脉冲个数
如图2.71所示, 滚珠丝杠里的滚珠从钢套管中出来, 进入
经过研磨的导槽, 转动2～3圈以后, 返回钢套管。 滚珠丝杠
的传动效率可以达到90%, 所以只需要使用极小的驱动力, 并 采用较小的驱动连接件就能够传递运动。
图 2.71 滚球丝杠副
2.5.3 直线驱动和旋转驱动的选用和制动
1. 驱动方式的选用
图 2.73 齿轮链机构
7 机械传动机构
机器人采用的直线驱动方式包括直角坐标结构的X、Y、Z 向驱动,圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动, 以及极坐 标结构的径向伸缩驱动。直线运动可以直接由气缸或液压缸和 活塞产生, 也可以采用齿轮齿条、丝杠、螺母等传动元件把旋 转运动转换成直线运动。
1. 齿轮齿条装置
T=BILr
矩。
2、 直流电机的控制方式 改变电压或电流控制转速和转距。
PWM (Pulse Width Modulation)控制是利用脉宽调制器对大功率晶体管 开关放大器的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的矩形波电压， 加到直流电机的电枢两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变电枢两端的平 均电压达到调节电机转速的目的。
3. 直流电机的特点 优点：调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好
（启动转矩大，启动电流小），运行平稳，转矩和转速容易控制。
缺点：换相器需经常维护，电刷极易磨损，必须经常更换，