《机器人技术与应用》第4章-机器人的驱动系统

机电工程学院1机电工程学院机器人技术与应用第4章机器人的驱动系统机电工程学院24.1机器人的驱动方式1.机器人驱动方式概述机器人驱动器——人体的肌肉(臂部及关节——骨骼)，带动机器人自身和负载运动，要求其轻便、经济、精确、灵敏、可靠及便于维护等。常见的机器人驱动系统：①电气驱动系统；②液压驱动系统；③气压驱动系统；④新型驱动器。机器人机械系统——执行机构驱动系统控制系统感知系统基座（固定或移动）手部腕部臂部腰部电驱动装置液压驱动装置气压驱动装置处理器关节伺服控制器内部传感器外部传感器机电工程学院34.1机器人的驱动方式1.机器人驱动方式概述液压气压电动功率/质量比大小较大控制性能精度较高反应灵敏精度较低低速不易控制精度高系统较复杂维护与应用方便对油温要求高方便对气压要求高方便对环境影响漏油噪声基本没有投资/运行成本较高/高低/低高/较低应用范围低速、中大型快速、小型通用电动：伺服电机、步进电机、直线电机等。机电工程学院44.1机器人的驱动方式2.驱动系统的性能（1）刚度和柔性①刚度：材料对抗变形的阻抗，与材料的弹性模量有关。【例】梁在负载作用下抗弯曲的刚度；气缸中气体在负载作用下抗压缩的阻抗；瓶中的酒在木塞作用下抗压缩的阻抗。②系统刚度越大，使其变形所需的负载越大；相反，系统柔性越大，则在负载作用下越容易变形。液压系统刚性很好，没有柔性（液体弹性模量2×109N/m2左右）；气动系统很容易压缩，是柔性的。刚性系统特点：响应快、精度高。③二者的平衡【例】机器人装配电路板，需要系统有一定刚度。【例】机器人进行带孔零件的装配，需要系统通过弯曲防止机器人或零件损坏。机电工程学院54.1机器人的驱动方式2.驱动系统的性能（2）重量、功率重量比和工作压强①电子系统的功率重量比属中等水平。功率相同时，步进电动机通常比伺服电动机重，即具有较低的功率重量比。②气动系统功率重量比最低。气缸工作压强范围689.5~827.4kPa。③液压系统功率重量比最高。液压系统重量包括：液压驱动器和液压功率源(较重、且固定，在计算功率重量比时忽略不计)；工作压强较高，一般在379~34475kPa；功率越大，越难维护，且发生泄漏时非常危险。机电工程学院64.1机器人的驱动方式3.驱动系统的驱动方式直角坐标型圆柱坐标型球坐标型关节型机电工程学院74.1机器人的驱动方式3.驱动系统的驱动方式（1）直线驱动方式实现方式：直接由气缸或液压缸和活塞产生，也可用滚珠丝杠螺母、齿轮齿条等。机电工程学院84.1机器人的驱动方式3.驱动系统的驱动方式（1）直线驱动方式实现方式：直接由气缸或液压缸和活塞产生，也可用滚珠丝杠螺母、齿轮齿条等。双螺母滚珠丝杠数控机床用滚珠丝杠机电工程学院91—电动机；2—蜗杆；3—臂架；4—丝杠；5—蜗轮；6—箱体；7—花键套丝杠螺母传动的手臂升降机构机电工程学院104.1机器人的驱动方式3.驱动系统的驱动方式（1）直线驱动方式实现方式：直接由气缸或液压缸和活塞产生，也可用滚珠丝杠螺母、齿轮齿条等。齿轮齿条传动机构机电工程学院11（2）旋转驱动方式①普通电动机和伺服电动机能够直接产生旋转运动，但是，输出力矩小、转速高。也可以采用直线液压缸或直线气缸驱动，此时需要将直线运动转换成旋转运动。②运动的传递和转换方法：齿轮传动链传动、同步带传动、谐波齿轮传动、绳传动与钢带传动等。③旋转驱动的优点：旋转轴强度高、摩擦小、可靠性好。4.1机器人的驱动方式3.驱动系统的驱动方式机电工程学院12（2）旋转驱动方式齿轮传动链：由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构，可以传递运动角位移和角速度，也可以传递力和力矩。齿轮机构使用中的两个问题：①齿轮链的引入会改变系统的等效转动惯量，减小驱动电机的响应时间，使伺服系统容易控制；②在引入齿轮链的同时，由于齿轮间隙误差，会导致机器人的手臂定位误差增加，且引起伺服系统的不稳定性。4.1机器人的驱动方式3.驱动系统的驱动方式齿轮传动链机电工程学院13（2）旋转驱动方式同步带传动，也称啮合型带传动。它通过传动带内表面上等距分布的横向齿和带轮上的相应齿槽的啮合来传递运动。4.1机器人的驱动方式3.驱动系统的驱动方式同步带传动同步带机电工程学院14（2）旋转驱动方式谐波齿轮传动：谐波齿轮行星传动的简称，是一种少齿差行星齿轮传动。通常由刚性圆柱齿轮1、柔性圆柱齿轮2、波发生器H和柔性轴承等零部件构成。4.1机器人的驱动方式3.驱动系统的驱动方式刚轮1，其齿数为z1，它相当于中心轮。H为波发生器，它相当于行星轮系中的系杆，运动由此输入。柔轮2，其齿数为z2，它相当于行星轮，可产生较大的弹性变形。运动由此输出。谐波齿轮传动的传动比与少齿差行星传动的传动比计算公式完全一样。机电工程学院15（2）旋转驱动方式4.1机器人的驱动方式3.驱动系统的驱动方式谐波齿轮传动的工作原理机电工程学院16（2）旋转驱动方式谐波齿轮传动中，刚轮齿数z1略大于柔轮齿数z2。谐波传动的齿数差应等于波数或波数的整数倍。目前多用双波和三波传动。4.1机器人的驱动方式3.驱动系统的驱动方式机电工程学院174.1机器人的驱动方式1—刚轮；2—刚轮内齿圈；3—输入轴；4—谐波发生器；5—轴；6—柔轮；7—柔轮齿圈22731ZZZi−=如果刚轮1不动72735ZZZi−=如果柔轮6静止谐波齿轮传动比：机电工程学院184.1机器人的驱动方式谐波齿轮工作特点：传动比大承载能力大传动精度高传动平稳基本上无冲击振动传动效率较高结构简单、体积小、质量小机电工程学院194.1机器人的驱动方式绳传动与钢带传动机电工程学院204.1机器人的驱动方式绳传动与钢带传动摩擦式钢带传动是依靠带与带轮之间的摩擦力实现无限转角的传动形式。啮合式钢带传动主要用于精密无限转角的传动。机电工程学院21ADEPT机器人——美国AdeptTechnology公司ADEPT_cobra800机器人机电工程学院22传动件的定位和消隙1．传动件的定位1)电气开关定位2)机械挡块定位3)伺服定位利用机械插销定位的结构1—节流阀；2—圆盘；3—插销；4—定位油缸机电工程学院232．传动件的消隙1、2—薄齿轮；3—螺钉消隙齿轮机电工程学院24柔性齿轮消隙机电工程学院254.2液压驱动系统1.液压伺服系统的组成和特点液压驱动在机器人中应用较早，例如“尤尼梅特”。液压驱动主要用于中大型机器人和有防爆要求的机器人（如喷漆机器人）等。Unimate喷漆机器人机电工程学院264.2液压驱动系统1.液压伺服系统的组成和特点液压驱动系统的优点单位面积压力高，体积小，具有大的推力或转矩；可压缩性小，工作平稳可靠，位置精度高；力、速度和方向易实现自动控制；具有防锈性和润滑性能，寿命长。液压驱动系统的缺点油液的粘度随温度变化，影响工作性能，高温易燃烧爆炸；易泄漏，造价高；需要相应的供油系统及滤油装置。机电工程学院274.2液压驱动系统1.液压伺服系统的组成和特点（1）液压伺服系统的组成组成：液压源、驱动器、伺服阀、传感器和控制器等组成。工作过程：①液压源产生一定的压力，通过伺服阀控制液体的压力和流量，继而驱动驱动器；②位置指令与位置传感器的差被放大后得到电气信号，然后被输入给伺服阀中，驱动液压执行器，直至偏差为零为止；③若传感器信号与位置指令相同，则负载停止运动。机电工程学院284.2液压驱动系统1.液压伺服系统的组成和特点（2）液压伺服系统的工作特点1）系统输出与输入之间有反馈连接，构成闭环控制系统。2）系统的主反馈是负反馈，使其向减小偏差的方向移动。3）系统是一个功率放大装置（即系统的输入信号功率很小，而系统输出功率可以达到很大），功率放大所需的能量由液压能源提供。机电工程学院294.2液压驱动系统2.电液伺服系统（1）电液伺服系统的组成电液伺服系统是一种由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控制系统。液压油缸机电工程学院30油缸和齿轮齿条手臂机构机电工程学院314.2液压驱动系统2.电液伺服系统（2）电液伺服阀的工作原理——喷嘴挡板伺服阀喷嘴挡板式电液伺服阀两部分组成：1）电磁:是一个动铁式力矩马达;2）液压:分两级,第一级是双喷嘴挡板阀(称前置级,先导级)；第二级是四边滑阀(功率放大级,主阀)。机电工程学院32回油进油进油差动控制电流机电工程学院334.2液压驱动系统2.电液伺服系统（2）电液伺服阀的工作原理机电工程学院344.2液压驱动系统2.电液伺服系统（3）液压伺服马达机电工程学院354.3气压驱动系统1.气压驱动回路气压驱动系统的优点粘度小，易达到高速；利用集中站供气，不必添加动力设备；无污染，安全，可高温作业；工作压力低，制造要求比液压元件低。气压驱动系统的缺点要获得较大的出力，其结构要相对增大；工作平稳性差，速度控制困难，准确的位置控制难；很难解决除水问题，零件易生锈；噪声污染。机电工程学院364.3气压驱动系统1.气压驱动回路（1）四部分组成气源装置（1）将空气升压的空气压缩机：按工作原理分为①容积式(活塞式、叶片式和螺杆式)；②速度式(离心式、轴流式和混流式等)。（2）气源净化装置：包括后冷却器、油水分离器、储气罐、干燥器、过滤器等。执行元器件控制元器件辅助元器件活塞式空气压缩机机电工程学院374.3气压驱动系统1.气压驱动回路（2）工作原理机电工程学院38【例】气压驱动器的控制原理机电工程学院39【例】气压驱动的控制结构机电工程学院404.3气压驱动系统2.气源装置往复活塞式空气压缩机机电工程学院414.3气压驱动系统其转子相对于气缸呈偏心式运转，滑片于转子沟槽中借助离心力被推至气缸壁，形成压缩室。高效的喷油系统能够确保压缩机的冷却及润滑，在滑片沟槽中及气缸壁上形成油膜，以防止与滑片之间直接接触。转子、滑片与气缸之间的压缩室，随着转子的转动，容积逐渐缩小，空气因而被压缩。2.气源装置回转式空压机机电工程学院424.3气压驱动系统单螺杆空压机通过一个圆柱形的螺杆与两个对称配置的平面星轮组成啮合副，装在主机壳内。螺杆的螺槽、主机壳的内壁、星轮的齿面三者围成的空间构成了压缩机的工作容积。电机直接带动螺杆轴转动，螺杆再带动星轮旋转。气体由主机上的吸气口进入螺槽内，经压缩后再由主机壳上的排气孔排出。主机壳上还开有喷液孔，将润滑油喷入工作容积内，起到密封、冷却和润滑的作用。螺杆螺槽在星轮齿尚未啮入前与吸气腔相通，处于吸气状态。当螺杆转到一定位置时，星轮齿将螺槽封闭，此时吸气过程结束。吸气过程结束后，螺杆继续转动，随着星轮齿沿着螺槽推进，封闭的工作容积逐渐缩小，实现气体的压缩过程。当工作容积与排气孔口连通时，压缩过程结束。2.气源装置机电工程学院434.3气压驱动系统2.气源装置机电工程学院444.3气压驱动系统3.气压驱动器典型的气动驱动器：（1）气缸已系列化、标准化、通用化。与液压缸基本相同。（2）气动马达①作用：相当于电动机或液压马达，输出力矩，拖动机构做旋转运动。②分类：叶片式、活塞式、齿轮式等。机电工程学院454.3气压驱动系统单作用双作用单作用双作用单活塞杆双活塞杆机械耦合（无杆气缸）磁性耦合（磁性气缸）绳索、钢索有活塞杆无活塞杆单活塞双活塞活塞式膜片式平膜式皮囊汽缸气缸——分类3.气压驱动器机电工程学院464.3气压驱动系统普通气缸3.气压驱动器机电工程学院474.3气压驱动系统无杆汽缸3.气压驱动器机电工程学院484.3气压驱动系统手指汽缸3.气压驱动器机电工程学院49【例】气缸和齿轮齿条增倍手臂机构1—运动齿条；2—齿轮；3—活塞杆机电工程学院50【例】气动机械手机电工程学院514.3气压驱动系统3.气压驱动器叶片式气动马达机电工程学院524.4电气驱动系统机器人电动伺服驱动系统①利用各种电动机产生的力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体，以获得机器人的各种运动。②负载1000N以下的工业机器人大多采用电伺服驱动系统。③常用电机：交/直流伺服(高精度、高速度，位置闭环)，步进(精度速度要求不高，开环)。驱动关节机器人的电机要求①最大