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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,
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