机械人的主要驱动方式及其特点.docx

一 目前机械人的主要驱动方式及其特点按照能量转换方式，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械人驱动器时，除要充分考虑机 械人的工作要求，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，还应考虑到是不是能够在较大的惯性负载条件下， 提供足够的加速度以知足作业要求A液压驱动特点液压驱动所用的压力为5〜320kgf/cm2.a）长处1能够以较小的驱动器输出较大的驱动力或力矩，即取得较 大的功率重量比2 能够把驱动油缸直接做成关节的一部份，故结构简单紧 凑，刚性好3 由于液体的不可紧缩性，定位精度比气压驱动高，并可实 现任意位置的开停4液压驱动调速比较简单和平稳，能在专门大调整范围内实 现无级调速5 利用安全阀可简单而有效的避免过载现象发生6 液压驱动具有润滑性能好、寿命长等特点B）缺点1油液容易泄漏这不仅影响工作的稳固性与定位精度，而且会 造成环境污染2因油液粘度随温度而转变，且在高温与低温条件下很难应用3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4 需配备压力源及复杂的管路系统，因此本钱较高C）适用范围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。

在机械人液压驱动系统中，最近几年来以电液伺服系统驱动最 具有代表性B 气压驱动的特点 气压驱动在工业机械手顶用的较多利用的压力通常在0.4-0.6Mpa,最高可达 IMpaa）长处1 快速性好，这是因为紧缩空气的黏性小，流速大，一般紧缩空气在管路中流速可达180m/s,而油液在管路中的流速仅为2.5-4.5 m/s2 气源方便，一般工厂都有紧缩空气站供给紧缩空气，亦可由 空气紧缩机取得3 废气可直接排入大气不会造成污染，因此在任何位置只需一 根高压管连接即可工作，所以比液压驱动干净而简单4 通过调骨气量可实现无级变速5 由于空气的可紧缩性，气压驱动系统具有较好的缓冲作用6能够把驱动器做成关节的一部份，因此结构简单、刚性好、 本钱低b) 缺点1因为工作压力偏低，所以功率重量比小、驱动装置体积大2基于气体的可紧缩性，气压驱动很难保证较高的定位精度3 利用后的紧缩空气向大气排放时，会产生噪声4因紧缩空气含冷凝水，使得气压系统易锈蚀，在低温下易结 冰C 电气驱动的特点电气驱动是利用各类电动机产生力和力矩，直接或通过机械传 动去驱动执行机构，以取得机械人的各类运动因为省去了中间能 量转换的进程，所以比液压及气动驱动效率高，利用方便且本钱 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a) 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，即即是多速电机，也只能进行 有限的有级调速直流电性能够实现无级调速，但直流电源价钱较 高，因此限制了它在大功率机械人上的应用b) 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 进电机驱动能够达到较高的重复定位精度，可是，可是步进电机速 度不能太高，控制系统也比较复杂c）直线电机驱动的特点直线电机结构简单、本钱低，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，必需增设缓冲及 定位机构D 新型驱动装置的特点随着机械人技术的进展，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、光驱动器等磁性体的外部一旦加上磁场，则磁性体的外形尺寸发生转变 （焦耳效应），这种现象称为磁致伸缩现象现在，若是磁性体在磁 化方向的长度增大，则称为正磁致伸缩；若是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转变（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b）压电驱动器压电材料是一种当它受到力作历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能够制成压电驱 动器，这种驱动器能够达到驱动亚微米级的精度c）静电驱动器静电驱动器利用电荷间的吸力和排斥力彼此作用顺序驱动电极 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，在微小尺寸转变时，能够产生专门大的能量d） 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， 即便它变形，当加热到某一适当温度时，则它恢复为变形前的形 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e） 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，即由振动部份和移动部份所组成，靠振动部份和移动部份之间 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够低速运行，因 此，很适合用于机械人、照相机和摄像机等驱动。

f） 人工肌肉随着机械人技术的进展，驱动器从传统的电机 -减速器的机械 运动机制，向骨架T腱T肌肉的生物运动机制进展人的手臂能完 成各类柔顺作业，为了实现骨骼T肌肉的部份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械人上应用，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g）光驱动器某种强电介质（周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、致使结晶周密不对称、在光鼓励 进程中引发电荷移动而产生的二 机械人驱动的要求1 驱动装置的质量尽可能要轻单位质量的输出功率要高，效率高2 反映速度要快要求力质量比和力矩转动惯量比要大3 动作光滑，不产生冲击4 控制灵活，位移误差和速度误差小5 安全靠得住6 操作维修方便等二 典型的驱动装置及相关内容1 实现直线运动的液压缸主要组成：主要由活塞、活塞杆、缸体、缸盖、密封圈、进 出油口等组成工作原理2 单活塞杆液压缸结构图主要组成：一、18—缸盖 11—活塞 12—活塞杆 3—进、出油口 7、 八、九1 五、16 —密封圈3 闭环伺服控制系统1 工作原理：通常常利用运算放大器做成的伺服放大器向液压伺服系统中的电液 伺服阀提供一个电信号。

由电信号控制先导阀再控制一级或两级液压 放大器，产生足够的动力去驱动机械人的机械部件液压伺服系统原理图液Jk缸阀芯向前运动位置 的四迪伺眼阀用伺服阀控制液压缸简化原理图2 核心液压元件： 在闭环伺服控制系统中，核心液压元件是电液伺服阀3 作用及特点： 电液伺服阀是一种同意电气模拟信号，输出相应调制流量和压力的液 压控制阀4 分类： 电液伺服阀的种类繁多按液压放大器的级数可分为单级、两级和三准陣比钱貓何脱阀圮岸按钮n~〕至 竝比"勺函背探用 一二_」穴； 教建屋缸编I昭黠砌：；水教种制腊tv as 器厂爪 W 反熾迪JH r级；按第一级液压放大器的结构分，有滑阀、喷嘴挡板阀、射流管阀等其中以双喷嘴挡板阀为最常常利用4 电机驱动装置的工作原理1 步进电机a）结构:定子：定子铁芯由硅钢片叠加而成每一个定子磁极上均有控制绕组，且有均匀散布的小齿转Aii甘由子转5子11铁芯A轴组成转子铁芯一样由硅钢片叠加而成转子上没有绕组，其上也 有均匀散布的小齿通常定子磁极上的小齿和转子上的小齿其齿宽和 槽宽都是一样的但它们之间的相对位置按必然的规律排列如当A 相定子小齿和转子小齿对准时，B、C相的定子小齿就会和转子的小 齿错开。

错齿是步进电动性能够步进的根本原因b）工作原理：c）A、B、C 相电流通常来自于机械人控制系统2 直流伺服电机A）组成：由定子、转子和换向器组成定子：由极心、极掌和励磁绕组组成转子：由转子铁芯和电枢绕组组成换向器：改变电枢绕组中电流的流动方向； 并使磁极下的电流方向维持不变b） 工作原理一、 通电导体在磁场中必然会受到力的作用二、 判断受力方向用左手法则：磁力线穿过手心，四指指向电流方向，大拇指则指向受力方向3、电枢绕组在旋转一周的进程中，每根导体中的电流方向发生了改 变，但由于换向器的作用，保证了每一个磁极下的导体的通电方向不 变，从而使得电枢的受力方向不变直流电动机按照励磁绕组励、串励与复励1直流伺服电机:c） 直流电机的分类：转子电枢绕组的电源来自于控制系统的他励直流电机2 直流伺服电机的调速与换向： 通过改变控制系统提供电源电压的大小和极性改变电机的速度和方 向 ：以用5气压驱动系统 厂豊」•气压驱 f〔动系统的组成与液压系统有许多相似的地方，但在以下三个方面有明显的 不同：• 空气紧缩机输出的紧缩空气第一贮存于储气罐中，然后供给 各个回路利用 • 气动回路利用过的空气无需回收，而是直接经排气口排入大 气，因此没有回收空气的回气管道。

1 气压驱动回路右图为一典型的气压驱动回路在那个图中没有画出空气紧缩 机 和储气 罐 紧缩 空气由 空气紧缩 机产生 ，其压力 约为 0.5-0.7Mpa，并被送入储气罐然后由储气罐用管道接入驱动回 路在过滤器内出去尘埃和水分后，流向压力调整阀调压，使空气 紧缩机的压力至 4-5Mpa在油雾器中，紧缩空气被混入油雾这些油雾用于润滑系统的 滑阀及气缸，同时也起必然的防锈作用从油雾出来的紧缩空气接着进入换向阀，电磁换向阀按照电信 号，改变阀芯的位置使紧缩空气进入气缸 A 腔或 B 腔，驱动活塞向 右或向左运动2 气动系统的组成一般规定，当排气量大于或等于6-12m 3/min的情形下，就有必要 单独设立紧缩空气站紧缩空气站主要由空气紧缩机、吸气过滤 器、后冷却器、油水分离器和储气罐组成如要求气体质量更高， 还应附设气体的干燥、净化等处置装置（1） 空气紧缩机空气紧缩机种类很多，主要有活塞式、叶片式、螺杆式、离心 式、轴流式、混流式等前三种为容积式，后三种为速度式所谓容积式就是周期地改变气体容积的方式，即先通过缩小空 气的体积，使单位体积内气体分子密度增加，形成紧缩空气而速 度式则是先让气体分子取得一个很高的速度，然后让他停滞下来， 将动能转化为静压能，使气体的压力提高。

选择空气紧缩机的大体参数是供气量和工作压力工作压力应 当和空气紧缩机的额定排气压力相符，而供气量应当与所选紧缩机 的排气量相符2） 气源净化辅助设备 气源净化辅助设备包括后冷却器、油水分离器、储气罐、干燥器、过滤器等① 后冷却器后冷却器安装在空气紧缩机出口处的管道它对空气紧缩机排出的温度高达150°C左右的紧缩空气降温，同时使混入紧缩空气的水汽和油气凝聚成水滴和油滴通事后冷却器的气体温度降至40-50C后冷却器主要有风和水冷式两种，风冷却器如图5-10示风冷式冷却器风扇产生的冷空气出门皑比计』出口沖撤S。