机器人的驱动系统

工业机器人应用技术模块四机器人的驱动系统机器人驱动系统概述1机器人驱动系统比较2机器人液压驱动系统3机器人气压驱动系统4机器人电气驱动系统4本模块主要介绍机器人的驱动系统，内容包括机器人的直接驱动方式与间接驱动方式，液压、气压、电动驱动的元件与特点，液压驱动系统的组成与工作原理，液压驱动系统的主要设备；气压驱动系统的组成与工作原理，气压驱动系统的主要设备；直流电动机与直流伺服电动机的结构原理与参数，步进电动机的结构原理。单元提要学习完本模块的内容后，学生应能够了解机器人的驱动方式，掌握不同类型机器人驱动元件的性能与特点，能够熟练地分析机器人的驱动机构和驱动方式；掌握机器人的液压驱动系统的组成，熟悉液压驱动系统主要设备的工作机理；能够分析液压驱动系统的流程，能够找出液压驱动系统的故障环节。掌握机器人的气压驱动系统的组成，熟悉气压驱动系统主要设备的工作机理；能够分析气压驱动系统的流程，能够找出气压驱动系统的故障环节。了解伺服系统与伺服电动机的要点，掌握直流电动机与直流伺服电动机的结构原理，掌握步进电动机的结构原理。学习要求学习单元一机器人的驱动系统机器人中连接运动部分的机构称为关节。关节有转动型和移动型，分别称为转动关节和移动关节。（1)转动关节。转动关节就是在机器人中简称为关节，是机器人的连接部分，它既连接各机构，又传递各机构间的回转运动（摆动），用于基座与臂部、臂部与臂部、臂部与手部等连接部位。关节由回转轴、轴承和驱动机构组成。1.关节与轴承1）关节一、驱动方式图4-1转动关节的形式一、驱动方式①驱动机构与回转轴同轴式。驱动机构与回转轴同轴式的驱动机构直接驱动回转轴，有较高的定位精度。但是，为减轻重量，要选择小型减速器并增加臂部的刚性。它适用于水平多关节型机器人。②驱动机构与回转轴正交式。重量大的减速机构安放在基座上，通过臂部的齿轮、链条传递运动。这种形式适用于要求臂部结构紧凑的场合。一、驱动方式③外部驱动机构驱动臂部的形式。外部驱动机构驱动臂部的形式适合于传递大转矩的回转运动，采用的传动机构有滚珠丝杠、液压缸和气缸。④驱动电动机安装在关节内部的形式。驱动电动机安装在关节内部的形式称为直接驱动形式。一、驱动方式一、驱动方式①滚动导轨按滚动体分为球、圆柱滚子和滚针。②滚动导轨按轨道分为圆轴式、平面式和滚道式。③滚动导轨按滚动体是否循环分为循环式和非循环式。这些滚动导轨各有特点，装有滚珠的滚动导轨适用于中小载荷和小摩擦的场合，装有滚柱的滚动导轨适用于重载和高刚性的场合。受轻载滚柱的特性接近于线性弹簧，呈硬弹簧特性；滚珠的特性接近于非线性弹簧，刚性要求高时应施加一定的预紧力。一、驱动方式2）轴承机器人中轴承起着相当重要的作用，用于转动关节的轴承有多种形式，球轴承是机器人结构中最常用的轴承。球轴承能承受径向和轴向载荷，摩擦较小，对轴和轴承座的刚度不敏感。图4-2（a）所示为普通向心球轴承，图4-2（b）所示为向心推力球轴承。这两种轴承的每个球和滚道之间只有两点接触（一点与内滚道，另一点与外滚道）。为实现预载，此种轴承必须成对使用。图4-2（c）所示为四点接触球轴承。该轴承的滚道是尖拱式半圆，球与每个滚道两点接触，该轴承通过两内滚道之间适当的过盈量实现预紧。因此，四点接触球轴承的优点是无间隙，能承受双向轴向载荷，尺寸小，承载能力和刚度比同样大小的一般球轴承高1.5倍；缺点是价格较高。一、驱动方式图4-2基本耐磨球轴承一、驱动方式直接驱动方式是指驱动器的输出轴和机器人手臂的关节轴直接相连的方式。直接驱动方式的驱动器和关节之间的机械系统较少，因而能够减少摩擦等非线性因素的影响，控制性能比较好。然而，为了直接驱动手臂的关节，驱动器的输出转矩必须很大。此外，由于不能忽略动力学对手臂运动的影响，控制系统还必须考虑到手臂的动力学问题。一、驱动方式高输出转矩的驱动器有油缸式液压装置和力矩电动机等，其中液压装置在结构和摩擦等方面的非线性因素很强，所以很难体现出直接驱动的优点。因此，在20世纪80年代所开发的力矩电动机采用了非线性的轴承机械系统，得到了优良的逆向驱动能力（以关节一侧带动驱动器的输出轴）。图4-3使用力矩电动机的直接驱动方式的关节机构实例一、驱动方式使用这样的直接驱动方式的机器人通常称为DD机器人(directdriverobot，DDR)。DD机器人驱动电动机通过机械接口直接与关节连接，驱动电动机和关节之间没有速度和转矩的转换。日本、美国等工业发达国家已经开发出性能优异的DD机器人。美国Adept公司研制出带有视觉功能的四自由度平面关节型DD机器人。日本大日机工公司研制成功了五自由度关节型DD600V机器人，其性能指标为：最大工作范围为1.2m，可搬重量为5kg，最大运动速度为8.2m/s，重复定位精度为0.05mm。一、驱动方式一、驱动方式3.间接驱动方式间接驱动方式是把驱动器的动力经过减速器、钢丝绳、传送带或平行连杆等装置后传递给关节。间接驱动方式包含带减速器的电动机驱动和远距离驱动两种。目前大部分机器人的关节是间接驱动。一、驱动方式中小型机器人一般采用普通的直流伺服电动机、交流伺服电动机或步进电动机作为机器人的执行电动机，由于电动机速度较高，输出转矩又大于驱动关节所需要的转矩，所以必须使用带减速器的电动机驱动。但是，间接驱动带来了机械传动中不可避免的误差，引起冲击振动，影响机器人系统的可靠性，并增加关节重量和尺寸。由于手臂通常采用悬臂梁结构，因而多自由度机器人关节上安装减速器会使手臂根部关节驱动器的负载增大。1)带减速器的电动机驱动一、驱动方式2)远距离驱动方式一、驱动方式驱动元件是执行装置，就是按照信号的指令，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。按照利用的能源来分，驱动元件主要分为电动执行装置、液压执行装置和气压执行装置。因此，机器人关节的驱动元件有液压驱动元件、气压驱动元件和电动机驱动元件。二、驱动元件液压驱动的输出力和功率很大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动。美国Unimation公司生产的Unimate型机器人采用了直线液压缸作为驱动元件。Versatran机器人也使用直线液压缸作为圆柱坐标式机器人的垂直驱动元件和径向驱动元件。1.液压驱动元件二、驱动元件(1)液压容易达到较高的单位面积压力（常用油压为25～63kg/cm2），体积较小。(2)可以获得较大的推力或转矩；功率/重量比大，可以减小执行装置的体积。(3)介质可压缩性小，刚度高，工作平稳、可靠，能够实现高速、高精度的位置控制。(4)在液压传动中，通过流量控制可以实现无级变速，比较容易实现自动控制。(5)液压系统采用油液作为介质，具有防锈和自润滑性能，可以提高机械效率，使用寿命长。1)机器人采用液压驱动元件的优点二、驱动元件(1)油液的黏度随温度变化而变化，影响工作性能，高温容易引起油液燃烧、爆炸等危险。(2)液体的泄漏难于克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价较高。(3)需要相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置，否则会引起故障。(4)必须对油的污染进行控制，稳定性较差。(5)液压油源和进油、回油管路等附属设备占空间较大，造价较高。2)机器人采用液压驱动元件的缺点二、驱动元件2.气压驱动元件1)采用气压驱动元件的优点13压缩空气黏度小，容易达到高速(1m/s)。利用工厂集中的空气压缩机站供气，不必添加动力设备。空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业。气动元件工作压力低，故制造要求也比液压元件低。二、驱动元件2)采用气压驱动元件的缺点13压缩空气常用压力为0.4～0.6MPa，若要获得较大的力，其结构就要相对增大。空气压缩性大，工作稳定性差，速度控制困难，要达到准确的位置控制很困难。压缩空气的除水问题处理不当会使钢类零件生锈，导致机器人失灵。排气还会造成噪声污染。二、驱动元件交、直流伺服电动机一般用于闭环控制系统，而步进电动机则主要用于开环控制系统，一般用于对速度和位置精度要求不高的场合。电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电动机性能也逐渐提高。所以总的看来，目前机器人关节驱动逐渐为电动机驱动所代替。二、驱动元件3.电机驱动元件电动机驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出转矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人。伺服电动机和步进电动机输出转矩相对较小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人。二、驱动元件4.各种驱动元件的特点二、驱动元件二、驱动元件机器人采用的直线驱动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，以及球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与活塞产生，也可以采用齿轮齿条、丝杠螺母等传动方式把旋转运动转换成直线运动。三、驱动机构1.直线驱动机构2.旋转驱动机构多数普通电动机和伺服电动机都能够直接产生旋转运动，但其输出转矩比所需要的转矩小，转速比所需要的转速高。因此，需要采用各种传动装置把较高的转速转换成较低的转速，以获得较大的转矩。有时也采用直线液压缸或直线气缸作为动力源，这就需要把直线运动转换成旋转运动。由于旋转驱动具有旋转轴强度高、摩擦小、可靠性好等优点，因此在结构设计中较多采用。三、驱动机构3.行走机构的驱动在行走机构关节中，完全采用旋转驱动实现关节伸缩时，旋转运动虽然也能转化得到直线运动，但在高速运动时，关节伸缩的加速度不能忽视，它可能产生振动。为了提高着地点选择的灵活性，还必须增加直线驱动系统。因此，许多情况采用直线驱动更为合适。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。有些要求精度高的地方也要选用直线驱动。三、驱动机构学习单元二机器人驱动系统的比较学习单元三机器人液压驱动系统学习单元三机器人液压驱动系统1.液压伺服系统的组成一、液压伺服系统的组成及工作特点图4-4液压伺服系统的组成液压泵将压力油供到伺服阀，给定位置指令值与位置传感器的实测值之差经过放大器放大后送到伺服阀。当信号输入伺服阀时，压力油被供到驱动器并驱动载荷。当反馈信号与输入指令值相同时，驱动器便停止工作。伺服阀在液压伺服系统中是不可缺少的一部分，它利用电信号实现液压系统的能量控制。在响应快、载荷大的伺服系统中往往采用液压驱动器，原因在于液压驱动器的输出功率与重量之比最大。一、液压伺服系统的组成及工作特点(1)在液压伺服系统的输入和输出之间存在反馈连接，从而组成了闭环控制系统。反馈介质可以是机械的、电气的、气动的、液压的或它们的组合形式。(2)系统的主反馈是负反馈，即反馈信号与输入信号相反，用二者比较得到的偏差信号来控制液压源，控制输入液压元件的流量，使其向减小偏差的方向移动，即以偏差来减小偏差。(3)系统输入信号的功率很小，但系统的输出功率却可以很大，因此它是一个功率放大装置，功率放大所需的能量由液压源提供。液压源提供能量的大小是根据伺服系统偏差大小自动进行控制的。2.液压伺服系统的工作特点一、液压伺服系统的组成及工作特点电液伺服系统通过电气传动方式，用电气信号输入系统来操作有关的液压驱动元件动作，控制液压执行元件，使其跟随输入信号而动作。在这类伺服系统中，电、液两部分都采用电液伺服阀作为转换元件。二、电液伺服系统1.电液伺服系统的组成图4-5机械手手臂伸缩运动的电液伺服系统原理图二、电液伺服系统具体工作过程为：当数控装置发出一定数量的脉冲时，步进电动机就会带动电位器的动触头转动。假设顺时针转过一定的角度β，这时电位器输出电压为u，经放大器放大后输出电流i，使电液伺服阀产生一定的开口量。这时，电液伺服阀处于左位，压力油进入液压缸左腔，活塞杆右移，带动机械手手臂右移，液压缸右侧的油液经电液伺服阀返回油箱。此时，机械手手臂上的齿条带动齿轮也顺时针移动，当其转动角度α=β时，动触头回到电位器的中位，电位器输出电压为零，相应放大器输出电流为零，电液伺服阀回到中位，液压油路被封锁，手臂即停