机器人驱动器整理V1.0

关于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 在各个领域内都有着机器人的身影 而机器人驱动器 是维持机器人运动并实现各种运动必不可少的部分 本文主要介绍各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考 关键词 关键词 机器人驱动器原理 特点 应用 Research Report on Robot Driver ZHENG 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 1 目目 录录 0 前 言 2 1 电机驱动 2 1 1 普通电机驱动 2 1 2 步进电机驱动 3 1 3 直线电机驱动 4 2 液压驱动 4 3 气压驱动 5 4 磁致伸缩驱动 5 5 压电驱动 6 6 静电驱动 6 7 形状记忆合金驱动器 6 8 光驱动器 7 9 参考文献 8 2 0 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 主要分为三大类 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 普通电机驱动普通电机驱动 a 原理原理 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改变 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改变 产生的洛伦兹力方向不变 所以电机能保 持一个方向转动 b 特点特点 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 直流电机能实现无级调速 低速性能好 运行平稳 转速和转矩容易 控制 换相器需要经常维护 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 低速运行平稳 动态响应时间短 发热 和噪声明显降低 1 c 应用应用 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要求相对较高的设备 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 等相关文献 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结构 对直 流电机调速原理进行分析 讨论了 PWM 调速实现方法 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 3 图 1 2 机器人结构 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组成 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 两侧前摆臂由一个直流电机驱动 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结构 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 同时控制云台两路电机 485 通信接口实现指令交互 从控制器 ATmega128 16AN 完成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 4 图 1 4 驱控系统拓扑 电源电路的设计 驱动器在工作时 随着功率开关管快速导通和关闭电流快速变化 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 电路的传导耦合路径 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结构 将两个半桥组合成一 个 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 改变电压电流的方向 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 个控制器组成 主要完成 3 个控制器端软件开发 包括控制器 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要求 方便功能剪 裁和扩充 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 方便模块添加与删除 5 图 1 7 软件框架 主控制器负责通信处理 本地资源管理和从控制器控制 电压采集控制管理 主控制 器通电后首先进行设备初始化 完成后进入通信处理 根据接收的指令做不同处理 接收 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 接收到云台电机控制命令 执行电机控制 接收到从控制器命令 将指令 转发到从控制器 并配置相应的 LED 灯 指示驱动器工作状态 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 即在每一个采样周期内 传感器将反馈信号输入 给调节器 由调节器与设定控制目标值进行比较得出偏差值 经 PID 运算得出本次的控制 量 最终将控制量输出到执行器 完成一次调节任务 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 6 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关键技术 电机控制主要由电机驱动器完成 本文根据侦测机器人功能要求设计电机驱动器 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方法 功 率变换电路由两个半桥组成 分析了 MOS 管驱动电路和自举电路 设计软件框架 满足模 块程序设计要求 在此基础上 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 对电机适应性还有提升空间 而且对驱动器散热设计 进一步优化 去掉风扇 在自然条件下达到要求 扩大使用范围 2 2 步进电机驱动 a 原理原理 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 正常运动情况下 它每转 一周具有固定的步数 做连续步进运动时 其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应 关系 不受电压波动和负载变化的影响 2 b 特点特点 目前常用的三种步进电机 1 反应式步进电动机 VR 反应式步进电动机结构简单 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应式 永磁式步进电动机两者 的优点 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 同时也在军用仪器和医疗设备得到广泛应用 此外也用于一些特殊用途的机器 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 波磁场与磁极相互作用便产生电磁推力 驱动动子沿定子作往复直线运动 b 特点特点 由于系统中取消了一些时间响应常数大的机械传动件 所以系统动态响应性能 大大提高 反应敏捷 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 7 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 高速运行时又能 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 原理原理 由于液压油液具有不可压缩性 依靠液体介质的静压力 完成能量的积压 传 递 进而实现机械传动 b 特点特点 获得较大的功率重量比 结构简单紧凑 刚性好 定位精度高 平稳 能有效 防止过载现象发生 油液容易泄露 油液粘度多变 对环境温度要求高 油液中容易混入 杂质 c 应用应用 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 参考文献 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 特点特点 由于压缩空气的粘性小 流速大 所以快速性好 气源方便 一般工厂都有空 气压缩站提供 废气直接排入大气不会造成污染 通过调节气量可实现无级变速 由于空 气的可压缩性 气压系统具有很好的缓冲作用 结构简单 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 应用应用 最常见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个完全 软体的且自我驱动的机器人 参考文献 全软体自主机器人的一体化设计与制造策略 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 如下 图所示 图 3 1 自驱动软体 小章鱼 原理 世界上第一个完全软体自驱动机器人 用 气动 代替 电动 小章鱼 依靠体 内的化学反应供能 在这个化学反应里 少量的过氧化氢转变成大量气体 这些气体流入 小章鱼 的手臂 给手臂充气而引发运动 8 图 3 2 电子振荡器模拟电路 上图模拟了简单的电子振荡器 以控制过氧化氢反应的时机 实现自我驱动 4 磁致伸缩驱动 a 原理原理 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上的长度增大 则称为正磁致伸 缩 相反 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 b 优点优点 分辨率高 微米级 反应速度快 微秒级 输出力大 产生位移大 体积 小 驱动电压低 传动无间隙等 稳定性好 可靠性高 其磁致伸缩性能不随时间而变化 无疲劳 无过热失效问题 3 缺点 磁滞特性 预压力特性 预压力时会得到更大的磁致伸缩系数 同时系数与场强的 非线性更强 弹性模量非线性 与预压力有关 温度特性 对伸缩率影响大 涡流 特性 高频时对工作性能影响大 c 应用应用 伺服阀 转动式步进马达 扭矩输出 12 2N m 精度高达 800 微弧度 超磁 致伸缩执行器 较成熟 产生的微位移实现高分辨率的微进给 小尺寸非圆车削 深孔与 异形孔加工 机床的振动主动控制等微小驱动场合 4 5 压电驱动 a 原理原理 含氟聚合物聚偏氟乙烯 PVDF 当受到外界冲击或振动时 压电材料原子层 的偶极子的排列顺序被打乱 并试图恢复原有状态 从而产生电子流进而产生电荷 相反 当给压电薄膜接通变化的电压信号 会使的薄膜的上下运动或振动 从而产生动力 b 优点优点 有更好的柔韧性 压电振子可以在更高频率下运行 更适用于交变载荷 寿命 更长 缺点缺点 变形较小 多层 压电堆叠 变形非线性 大变形时受外界影响较大 驱动 器用材料及新工艺 大行程高精度 几毫米 较高电场 大变形 时的非线性 迟滞和 蠕变 控制系统优化 c 应用应用 水听器 水下传声器 声信号转换为电信号 动态称重 用于管道监测的双 压电薄膜驱动微机器人 6 静电驱动 9 a 原理原理 静电驱动是利用静电间的库仑力 通过通入步进电压使得固定与可动部件的电 容周期不同 从而产生相对运动的一种驱动方式 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 b 特点特点 静电驱动器具有高灵敏度 高精度 响应速度快 结构设计加工简单等特点 可与控制电路实现单片集成 但驱动范围相对较小 输出驱动力远小于电机 2 4 c 应用应用 静电驱动器是微机电系统 MEMS 中一种重要的驱动装置 大量应用于微泵 微 马达 微谐振器 加速度计等微器件中 2 静电耳机的原理是振膜处于变化的电场中 振膜极薄 可以精确到微米级 由高直流 电压极化 极化所需的电能由交流电转化 也有电池供电的 振膜悬挂在由两块固定的 金 属板 定子 形成的静电场中 当音频信号加载到定子上时 静电场发生变化 驱动振膜振 动 单定子也是可以驱动振膜的 但双定子的推挽形式失真更小 在电场力的驱动下带动 振膜发声 如图 6 1 所示 图 6 1 静电耳机 7 形状记忆合金驱动器 a 原理原理 形状记忆效应是指发生马氏体相变的合金形变后 又回复到形变前固有形状的现 象 形状记忆合金驱动器利用高温和低温相互转变过程中产生的变形或者回复力达到驱动 的目的 目前常用的形状记忆合金驱动器有温控和磁控两种 5 6 b 特点特点 与磁致伸缩驱动器和压电驱动器相比 形状记忆何家劲驱动器具有较大的驱动 行程 较高的工作和断裂能力 温控形状记忆合金驱动器具有非常高的能量密度 但响应 频率低 相反 磁控形状记忆合金驱动器的能量密度是磁致伸缩驱动器和压电驱动器的几 倍到几十倍 但仍有较大的响应频率 具体参数如下表 5 7 表 7 1 不同形状记忆合金参数 材料温控形状记忆 合金驱动器 磁控形状记忆合 金驱动器 磁致伸缩驱动器压电驱动器 最大形 860 20 2 最大频率 Hz 5100005000050000 能量密 kJm3 300090272 工作应力 N mm2 150 5050 10 断裂应力 N mm2 900 700600 总而言之 形状记忆合金驱动器具有驱动迅速 驱动力大 高阻尼 抗疲劳效应 抗腐蚀 能力 结构简单 不噪音 驱动电压低等特点 但温控驱动器响应频率较低 磁控驱动器 具有磁致非线性问题 c 应用应用 压电驱动器因压电效应的双向性 因而兼有传感和执行双重功能 用途广泛 可用于机器人等的定位装置 紧固件等的连接装置 流体阀门 振动装置等等 如图 7 1 所示 由伤害交大研制出一种呈正方形 由 12 个蠕动元件组成的管内蠕动机 器人 外形尺寸为 35 35 35mm3 体重 19 5 克 包括控制电路 步行速度为 15 mm 分 共有 12 个自由度 由 SMA 形状记忆合金 与偏置弹簧组成一个驱动源 共 12 个驱动源 能实现管内上 下 左 右 前 后的全方位运动 能通过直管 曲率半径较大的弯管 以及 L 型 T 型管 图 7 1 SMA 微小型机器人 8 光驱动器 a 原理原理 光驱动根据驱动的介质不同分固体光驱动和流体光驱动 固体光驱动主要是应 用光致形变材料在光照下的形变来输出驱动力 而流体光驱动则是在光照条件下构造不