机器人驱动器整理V1.0.doc

有关机器人驱动器的调研报告郑增浩，苑飞飞，罗铁煊，唐清琼（汕头大学工学院 广东 515063）摘要：在现代发展中，机器人的重要性不断体现，在各个领域内均有着机器人的身影而机器人驱动器是维持机器人运动并实现多种运动必不可少的部分本文重要简介多种机器人驱动器的原理、特点以及应用，为机器人驱动研究提供参照核心词：机器人 驱动器 原理 特点 应用Research Report on Robot DriverZHENG Zenghao YUAN Feifei LUO Tiexuan TANG Qingqiong（Shantou University College of Technology Guangdong 515063）Abstract：In modern development, the importance of the robot continues to reflect, presenting the robot figure in all areas. The robot driver is the essential part to maintain the movement of the robot and achieve all kinds of movements. This paper mainly introduces the principle, characteristics and application of various robot drivers, and provides reference for robot driving research.Key words：robot，robot driver，principle，characteristic，application目 录0前 言 21电机驱动 21.1一般电机驱动 21.2步进电机驱动 31.3直线电机驱动 42液压驱动 43气压驱动 54磁致伸缩驱动 55压电驱动 66静电驱动 67形状记忆合金驱动器 68光驱动器 79参照文献 80 前言随着各学科的进步，机器人驱动的方式不断发展，方式多样。

重要分为三大类：电气驱动、流体驱动、新型驱动而新型驱动方式根据原理不同，又能分为六种：磁致伸缩驱动、压电驱动、形状记忆合金驱动、静电驱动、光驱动等[1]图1-1 机器人驱动器分类框图1 电机驱动1.1一般电机驱动a) 原理: 直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将变化，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也变化，产生的洛伦兹力方向不变，因此电机能保持一种方向转动 b) 特点: 交流电机一般不能进行调速或难以进行无级调速，虽然是多速电机，也只能进行有限的有级调速；直流电机能实现无级调速，低速性能好，运营平稳，转速和转矩容易控制换相器需要常常维护，电极刷易磨损，噪音大实现了位置,速度和力矩的闭环控制;克服了步进电机失步的问题;高速性能好,抗过载能力强,低速运营平稳,动态响应时间短,发热和噪声明显减少[1]c) 应用: 应用于机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、自动化生产线等对工艺精度、加工效率和工作可靠性等规定相对较高的设备机器人方面有《侦测机器人电机驱动器设计及电磁兼容性分析》，《工业机器人交流伺服驱动器控制技术研究与开发》，《基于DSP的四足液压机器人伺服驱动器的设计与研究》《微小型高性能电机伺服驱动器设计》等有关文献。

以《侦测机器人电机驱动器设计及电磁兼容性分析》为例：(1) 该文对典型侦测机器人的需求进行分析，将控制器和驱动器合并为一体式构造对直流电机调速原理进行分析，讨论了PWM调速实现措施从硬件，软件两方面对驱动器原理展开分析，设计功率变换电路采用分布式电源供电从硬件和软件角度分析驱动器可靠性如图1-1所示图1-2 机器人构造(2) 机器人电机驱动需求分析：侦测机器人由运动底盘和云台两部分构成，底盘上设计前摆臂使机器具有一定的越障能力机器人采用履带式行走机构，左履带和右履带分别采用直流电机进行驱动，两侧前摆臂由一种直流电机驱动为保证机器人在斜坡上可以停靠，对两履带进行闭环锁零控制云台由两个电机控制俯仰自由度由电动推杆实现，云台升降自由度采用直流电机驱动由于机器人安装空间有限，5个电机驱动整合到一块PCB上实现，将控制系统和驱动系统整合为一体式构造如图1-2所示图1-3 机器人电机驱动器整体方案（3）硬件设计控制电路的设计：设计中选用1片ATmega8和两片ATmega128-16AN实现ATmega8控制实现对电源电压监测，通过隔离SPI将电源电压发送到主控制器主控制由ATmega128-16AN实现，同步控制云台两路电机，485通信接口实现指令交互。

从控制器ATmega128-16AN完毕对履带电机和摆臂电机闭环控制，主控制器和从控制器之间通过SPI进行通信，如图1-3所示图1-4 驱控系统拓扑电源电路的设计：驱动器在工作时，随着功率开关管迅速导通和关闭电流迅速变化，将产生大量谐波干扰采用双电源供电方式可以有效切断谐波从功率变换电路到控制系统电路的传导耦合途径，避免因谐波干扰引起控制器复位，死机，工作不稳定等故障独立双电源系统如图1-4所示 图1-5 独立双电源系统功率变换电路的设计：在直流斩波电路中采用双板桥电路构造，将两个半桥组合成一种H桥，实现电机正反转控制直流电机可看作是两端口对象，端口正极和端口负极当在正极和负极接线端上加载 电压时，电机转动，变化电压电流的方向，电机的转动方向也会变 图1-6 H桥电路（4）软件设计机器人电机驱动器由3个控制器构成，重要完毕3个控制器端软件开发涉及控制器之间通信程序，电机控制程序以及软件框架设计软件设计满足模块化规定，以便功能剪裁和扩大。

按照软件层次和控制设备所在位置，将软件划分为不同层次，便于代码管理，以便模块添加与删除图1-7 软件框架主控制器负责通信解决，本地资源管理和从控制器控制，电压采集控制管理主控制器通电后一方面进行设备初始化，完毕后进入通信解决，根据接受的指令做不同解决接受到读取驱动器电压命令后，通过SPI和ATmega8进行通信读取电压，并将电压通过485接口返回控制台接受到云台电机控制命令，执行电机控制接受到从控制器命令，将指令转发到从控制器并配备相应的LED灯，批示驱动器工作状态 图1-7 主控制器流程图 图1-8 从控制器流程图PID称为比例-积分-微分控制器，又称误差调节器数字PID控制系统是离散系统，计算机对生产过程的控制是离散的过程即在每一种采样周期内，传感器将反馈信号输入给调节器，由调节器与设定控制目的值进行比较得出偏差值，经PID运算得出本次的控制量，最后将控制量输出到执行器，完毕一次调节任务其中，若要获得较好控制效果，采样时间间隔必须要足够小即有足够快的采样速度，否则会有较大偏差，导致系统不稳定图1-8 PID算法流程图结论：侦测机器人动力系统来源于电机拖动，电机控制技术是机器人技术的核心技术，电机控制重要由电机驱动器完毕。

本文根据侦测机器人功能规定设计电机驱动器，从硬件电路和软件设计两部分分析驱动器工作原理，并实现基于Mega128驱控一体式五路驱动器对控制器最小系统进行分析：控制系统和功率变换电路采用双电源设计，功率变换电路采用分布式电源方案；对旋转编码器工作原理进行分析，讨论了多种形式信号采集措施；功率变换电路由两个半桥构成，分析了MOS管驱动电路和自举电路；设计软件框架，满足模块程序设计规定在此基本上，从硬件和软件角度分析了驱动器可靠性在一系列实验中得出该机器人驱动器在工作模式上，对电机适应性尚有提高空间，并且对驱动器散热设计进一步优化，去掉电扇，在自然条件下达到规定，扩大使用范畴 2.2步进电机驱动a） 原理:步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件步进电动机的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动正常运动状况下，它每转一周具有固定的步数；做持续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的相应关系，不受电压波动和负载变化的影响[2]b） 特点:目前常用的三种步进电机: (1)反映式步进电动机(VR)反映式步进电动机构造简朴，生产成本低，步距角小；但动态性能差。

(2)永磁式步进电动机(PM)永磁式步进电动机出力大，动态性能好；但步距角大. (3)混合式步进电动机(HB)混合式步进电动机综合了反映式、永磁式步进电动机两者的长处，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机它有时也称作永磁感应子式步进电动机c) 应用:随着微电子和计算机技术的发展,步进电机广泛应用于数控领域和电子计算机的外围设备中,同步也在军用仪器和医疗设备得到广泛应用.此外也用于某些特殊用途的机器人驱动器.例如《步进电机电子驱动器及其在机器人中的运用》2.3直线电机驱动a） 原理：在直线电机中通入三相电流后，会在气隙中产生磁场，如果不考虑端部效应，磁场在直线方向呈正弦分布，只是这个磁场是平移而不是旋转的，因此称为行波磁场行波磁场与磁极互相作用便产生电磁推力，驱动动子沿定子作往复直线运动b) 特点：由于系统中取消了某些时间响应常数大的机械传动件，因此系统动态响应性能大大提高，反映敏捷；通过直线位置检测反馈控制，大大提高定位精度；由于“直接驱动”，避免了运动滞后现象，提高了传动刚度；能实现启动时瞬间达到高速，高速运营时又能瞬间准停；行程长度不受限制，运动安静，噪声低，效率高。

c) 应用：专利《一种管道内壁清洁机器人》《一种机器人的锁合机构》《一种刚/弹耦合的微型蠕动机器人》等2液压驱动a） 原理：由于液压油液具有不可压缩性，依托液体介质的静压力，完毕能量的积压，传递，进而实现机械传动b） 特点：获得较大的功率重量比，构造简朴紧凑，刚性好，定位精度高，平稳，能有效避免过载现象发生；油液容易泄露，油液粘度多变，对环境温度规定高，油液中容易混入杂质c） 应用：适于在承载能力大，惯量大以及在防旱环境中工作的机器人中应用参照文献《液压驱动四足机器人的关节控制》《基于螺旋理论的冗余液压驱动四足机器人运动学分析》3 气压驱动 a） 原理：以压缩机为动力源，压缩空气为工作介质，来进行能量传递和控制的驱动方式b） 特点：由于压缩空气的粘性小，流速大，因此迅速性好；气源以便，一般工厂均有空气压缩站提供；废气直接排入大气不会导致污染；通过调节气量可实现无级变速；由于空气的可压缩性，气压系统具有较好的缓冲作用；构造简朴，刚性好，成本低；基于空气的压缩性，气压驱动很难保证很高的定位精度；向大气排放废气时，会产生噪声；因压缩空气含冷凝水，使得气压系统易锈蚀c） 应用：最常用的有生产线上气动助力机械手；“小章鱼”机器人是世界上第一种完全软体的且自我驱动的机器人，参照文献《全软体自主机器人的一体化设计与制造方略》；3D打印软体四足机器；气动业全球领先厂商德国Festo会选推出各类昆虫机器人，统称费斯托昆虫机器人。