第05章 机器人驱动技术

1教案首页课程名称农业机器人任课教师李玉柱第5章机器人驱动技术计划学时3教学目的和要求：1.了解各种机器人驱动方式的分类和特点；2.了解新型驱动装置的特点；3.了解电液伺服系统驱动的结构与原理；4.了解气压驱动与电气驱动的原理与常见的电气驱动结构；重点：1.了解各种机器人驱动方式的分类和特点2.了解电液伺服驱动系统的原理3.了解气压驱动及电气驱动的原理。难点：了解电气驱动的原理。思考题：1.简述液压驱动、气压驱动、电气驱动各有什么优缺点？2.简述电液伺服系统工作原理以及它在机器人驱动中有什么作用。2第5章机器人驱动技术教学主要内容：5.1各种驱动方式的特点5.2电液伺服系统驱动5.3气压驱动系统5.4电气驱动驱动技术是机器人技术的重要组成部分。本章首先介绍了各驱动方式的特点，并在此基础上分别对机器人液压驱动、气压驱动、电气驱动和新型驱动技术进行了探讨。5.1各种驱动方式的特点根据能量转换方式，将驱动器划分为液压驱动、气压驱动、电气驱动和新型驱动装置。在选择机器人驱动器时，除了要充分考虑机器人的工作要求，如工作速度、最大搬运物重、驱动功率、驱动平稳性、精度要求外，还应考虑到是否能够在较大的惯性负载条件下，提供足够的加速度以满足作业要求。5.1.1液压驱动特点液压驱动所用的压力为5～320kgf/cm2.i.能够以较小的驱动器输出较大的驱动力或力矩，即获得较大的功率重量比。ii.可以把驱动油缸直接做成关节的一部分，故结构简单紧凑，刚性好。3iii.由于液体的不可压缩性，定位精度比气压驱动高，并可实现任意位置的开停。iv.液压驱动调速比较简单和平稳，能在很大调整范围内实现无级调速。v.使用安全阀可简单而有效的防止过载现象发生。vi.液压驱动具有润滑性能好、寿命长等特点。！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！vii.油液容易泄漏。这不仅影响工作的稳定性与定位精度，而且会造成环境污染。viii.因油液粘度随温度而变化，且在高温与低温条件下很难应用。ix.因油液中容易混入气泡、水分等，使系统的刚性降低，速度特性及定位精度变坏。x.需配备压力源及复杂的管路系统，因此成本较高。液压驱动方式大多用于要求输出力较大而运动速度较低的场合。在机器人液压驱动系统中，近年来以电液伺服系统驱动最具有代表性。5.1.2气压驱动的特点气压驱动在工业机械手中用的较多。使用的压力通常在0.4-0.6Mpa，最高可达1Mpa。a)快速性好，这是因为压缩空气的黏性小，流速大，一般压缩空气在管路中流速可达180m/s，而油液4在管路中的流速仅为2.5-4.5m/s。b)气源方便，一般工厂都有压缩空气站供应压缩空气，亦可由空气压缩机取得。c)废气可直接排入大气不会造成污染，因而在任何位置只需一根高压管连接即可工作，所以比液压驱动干净而简单。d)通过调节气量可实现无级变速。e)由于空气的可压缩性，气压驱动系统具有较好的缓冲作用。f)可以把驱动器做成关节的一部分，因而结构简单、刚性好、成本低。g)因为工作压力偏低，所以功率重量比小、驱动装置体积大。h)基于气体的可压缩性，气压驱动很难保证较高的定位精度。i)使用后的压缩空气向大气排放时，会产生噪声。j)因压缩空气含冷凝水，使得气压系统易锈蚀，在低温下易结冰。5.1.3电气驱动的特点电气驱动是利用各种电动机产生力和力矩，直接或经过机械传动去驱动执行机构，以获得机器人的各种运动。因为省去了中间能量转换的过程，所以比液压及气动驱动效率5高，使用方便且成本低。电气驱动大致可分为普通电机驱动、步进电机驱动和直线电机驱动三类。（1）普通电机驱动的特点普通电机包括交流电机、直流电机及伺服电机。交流电机一般不能进行调速或难以进行无级调速，即使是多速电机，也只能进行有限的有级调速。直流电机能够实现无级调速，但直流电源价格较高，因而限制了它在大功率机器人上的应用。（2）步进电机驱动的特点步进电机驱动的速度和位移大小，可由电气控制系统发出的脉冲数加以控制。由于步进电机的位移量与脉冲数严格成正比，故步进电机驱动可以达到较高的重复定位精度，但是，但是步进电机速度不能太高，控制系统也比较复杂。（3）直线电机驱动的特点直线电机结构简单、成本低，其动作速度与行程主要取决于其定子与转子的长度，反接制动时，定位精度较低，必须增设缓冲及定位机构。5.1.4新型驱动装置的特点随着机器人技术的发展，出现了利用新工作原理制造的新型的驱动器，如磁致伸缩驱动器、压电驱动器、静电驱动器、形状记忆合金驱动器、超声波驱动器、人工肌肉、光驱动器等。6（1）磁致伸缩驱动器磁性体的外部一旦加上磁场，则磁性体的外形尺寸发生变化（焦耳效应），这种现象称为磁致伸缩现象。此时，如果磁性体在磁化方向的长度增大，则称为正磁致伸缩；如果磁性体在磁化方向的长度减少，则称为负磁致伸缩。从外部对磁性体施加压力，则磁性体的磁化状态会发生变化（维拉利效应），则称为逆磁致伸缩现象。这种驱动器主要用于微小驱动场合。（2）压电驱动器压电材料是一种当它受到力作用时其表面上出现与外力成比例电荷的材料，又称压电陶瓷。反过来，把电场加到压电材料上，则压电材料产生应变，输出力或变位。利用这一特性可以制成压电驱动器，这种驱动器可以达到驱动亚微米级的精度。（3）静电驱动器静电驱动器利用电荷间的吸力和排斥力互相作用顺序驱动电极而产生平移或旋转的运动。因静电作用属于表面力，它和元件尺寸的二次方成正比，在微小尺寸变化时，能够产生很大的能量。（4）形状记忆合金驱动器形状记忆合金是一种特殊的合金，一旦使它记忆了任意形状，即使它变形，当加热到某一适当温度时，则它恢复为7变形前的形状。已知的形状记忆合金有Au-Cd、In-Tl、Ni-Ti，Cu-Al-Ni、Cu-Zn-Al等几十种。（5）超声波驱动器所谓超声波驱动器就是利用超声波振动作为驱动力的一种驱动器，即由振动部分和移动部分所组成，靠振动部分和移动部分之间的摩擦力来驱动的一种驱动器。由于超声波驱动器没有铁芯和线圈，结构简单、体积小、重量轻、响应快、力矩大，不需配合减速装置就可以低速运行，因此，很适合用于机器人、照相机和摄像机等驱动。（6）人工肌肉随着机器人技术的发展，驱动器从传统的电机-减速器的机械运动机制，向骨架腱肌肉的生物运动机制发展。人的手臂能完成各种柔顺作业，为了实现骨骼肌肉的部分功能而研制的驱动装置称为人工肌肉驱动器。为了更好地模拟生物体的运动功能或在机器人上应用，已研制出了多种不同类型的人工肌肉，如利用机械化学物质的高分子凝胶，形状记忆合金制作的人工肌肉。（7）光驱动器某种强电介质（严密非对称的压电性结晶）受光照射，会产生几千伏/厘米的光感应电压。这种现象是压电效应和光致伸缩效应的结果。这是电介质内部存在不纯物、导致结晶严密不对称、在光激励过程中引起电荷移动而产生的。85.2电液伺服系统驱动电液伺服系统通过电气传动方式，将电气信号输入系统来操纵有关的液压控制元件动作，控制液压执行元件使其跟随输入信号而动作。这类伺服系统中电液两部分之间都采用电液伺服阀作为转换元件。电液伺服系统根据物理量的不同可分为位置控制、速度控制、压力控制和电液伺服控制。图5-1所示为机械手手臂伸缩电液伺服系统原理图。它由电液伺服阀1，液压缸2，活塞杆带动的机械手臂3、电位器4，步进电机5、齿轮齿条6和放大器7等元件组成。当数字控制部分发出一定数量的脉冲信号时，步进电动机带动电位器4的动触头转过一定的角度，使动触头偏移电位器中位，产生微弱电压信号，该信号经放大器7放大后输入电液伺服阀1的控制线圈，是伺服阀产生一定的开口量，假设此时压力油经伺服阀进入液压缸左腔，推动活塞连同机械手手臂上的齿条相啮合，手臂向右移动时，电位器跟着作顺时针方向旋转。当电位器的中位和动触头重合时，动触头输出的电压为零，电液伺服阀失去信号，阀口关闭，手臂停止运动，手臂的行程决定于脉冲的数量，速度决定于脉冲的频率。当数字控制部分反向发出脉冲时，步进电机向反方向转动。手臂便向左移动。由于机械手手臂移动的距离与输入电位器的转角成比例，机械手手臂完全跟随输入电位器的转动而产生相应的位移，所以它是一个带有反馈的位置控制电液伺服系9统。5.2.1液压伺服驱动系统液压伺服驱动系统由液压源、驱动器、伺服阀、传感器和控制回路组成。如图5-2所示。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放大器放大后送到伺服阀。当信号输入到伺服阀时，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，驱动器便停止。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、载荷大的私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力与重量比最大。电液伺服阀是电液伺服系统中的放大转换元件，它把输入的小功率电流信号，转换并放大成液压功率输出，实现执行元件的位移、速度、加速度及力的控制。10（1）电液伺服阀的构成电液伺服阀通常由电气机械转换装置、液压放大器和反馈（平衡）机构三部分组成。电气机械转换装置用来将输入的电信号转换为转角或直线位移输出。输出转角的装置称为力矩马达，输出直线位移的这装置称为力马达。液压放大器接受小功率的电气机械转换装置输入的转角或直线位移信号，对大功率的压力油进行那个调节和分配，实现控制功率的转换和放大。反馈和平衡机构是电液伺服阀输出的流量或压力获得与输入信号成比例的特性。（2）电液伺服阀的工作原理图5-3为喷嘴挡板式电液伺服阀的工作原理。，图中上半部分为力矩马达，下半部分为前置级（喷嘴挡板）和主滑阀。当没有电流信号输入时，力矩马达无力矩输出，与衔铁5固定在一起的挡板9处于中位，主滑阀阀芯亦处于中（零）位。液压泵输出的油液以及压力sp进入主滑阀阀口，因阀芯两端台肩将阀口关闭，油液不能进入A，B口，但经过固定节流11孔10和13分别引到喷嘴8和7，经喷射后液流流回油箱。由于挡板处于中位，两喷嘴与挡板的间隙相等，因而油液流经喷嘴的液阻相等，则喷嘴前的压力1p与2p相等，主滑阀的阀芯两端压力相等，阀芯处于中位。若线圈输入电流，控制线圈中将产生磁通，使衔铁上产生磁力矩。当磁力矩为顺时针方向时，衔铁连同挡板一起绕弹簧管中的支点顺时针偏转。图5-3中左喷嘴8的间隙减小、右喷嘴7的间隙增大，即压力1p增大，2p减小，主滑阀阀芯在两端压力差的作用下向右运动，开启阀口，sp与B相通，A与T相通，在主滑阀阀芯向右运动的同时，通过挡板下边的弹簧杆11的反馈作用使挡板向逆时针方向偏转，使做喷嘴8的间隙增大，右喷嘴7的间隙减小，于是压力1p减小，2p增大。当主滑阀阀芯向右移动到某一位置，由两端压力差1p-2p形成的液压力通过反馈弹簧杆作用在挡板上的力矩、喷嘴液流压力作用在挡板上的力矩以及弹簧管的反力矩之和与力矩马达产生的电磁力矩相等时，主滑阀阀芯受力平衡，稳定在一定的开口下工作。显然，可以改变输入电流的大小，可成比例地调节电磁力矩，从而得到不同的主阀开口大小。若改变输入电流方向，主滑阀阀芯反向位移，可实现液流的反向控制。图5-3中主滑阀阀芯的最终工作位置是通过挡板弹性反力反馈作用达到平衡的，因此称之为力反馈式。除力反馈之外还有位置反12馈、负载流量反馈、负载压力反馈等。5.2.2电液比例控制电液比例控制是介于普通液压阀的开关控制和电液伺服控制之间的控制方式。它能实现对液流压力和流量连续地、按比例的跟随控制信号而变化。因此，因此它的控制性能优于开关控制，它与电液伺服控制相比，其控制精度和相应速度较低。因为它的核心元件是电液比例阀，所以简称比例阀。图5-4所示为一直弄个电液比例压力阀的结构示意图。它由压力阀1和马达2两部分组成，当力马达的线圈通入电流I时，推杆3通过钢球4.弹簧5把电磁推力传给锥阀6.推13力的大小与电流I成正比，当阀进油口P处的压力油作用在锥阀上的力，油液通过阀口由出油口排出，这个阀的阀口开度是不影响电磁推力的，但当通过阀口的流量变化时，由于阀座上的小孔d处压差的改变以及稳态液动力的变化等，被控制的油液压力依然有一些改变。5.2.