机器人驱动方法

1、第三章第三章 驱动方法驱动方法 第一节第一节 液压驱动液压驱动 把油压泵产生的工作油的压力能转变成机械能的装置称把油压泵产生的工作油的压力能转变成机械能的装置称 为液压执行器。在驱动液压执行器时，作为外围设备，包为液压执行器。在驱动液压执行器时，作为外围设备，包 括：括： (1)形成液压的液压泵；形成液压的液压泵； (2)供给工作油的导管；供给工作油的导管； (3)控制工作油流动的液压控制阀；控制工作油流动的液压控制阀； (4)控制控制阀的控制回路，控制控制阀的控制回路， 根据液压执行器输出量的形式的不同，大致可以把它们区根据液压执行器输出量的形式的不同，大致可以把它们区 分为作直线运动的油压

2、缸和作旋转运动的油压马达。分为作直线运动的油压缸和作旋转运动的油压马达。 第一节第一节 液压驱动液压驱动 功率功率重量比高，低速时输出力大（无论直重量比高，低速时输出力大（无论直 线驱动还是旋转驱动）线驱动还是旋转驱动）, 适合微处理器及电子适合微处理器及电子 控制，可用于极端恶劣的外部环境。控制，可用于极端恶劣的外部环境。 液压系统中存在不可避免的泄漏、噪声和低速液压系统中存在不可避免的泄漏、噪声和低速 不稳定等问题，以及功率单元非常笨重和昂贵。不稳定等问题，以及功率单元非常笨重和昂贵。 现在大部分机器人是电动的，当然仍有许多工现在大部分机器人是电动的，当然仍有许多工 业机器人带有液压驱动器

3、。此外，对于一些需业机器人带有液压驱动器。此外，对于一些需 要巨大型机器人和民用服务机器人的特殊应用要巨大型机器人和民用服务机器人的特殊应用 场合，液压驱动器仍可能是合适的选择。场合，液压驱动器仍可能是合适的选择。 一、液压缸一、液压缸 c AppF)( 21 c c A Q v 二、液压马达二、液压马达 齿轮马达 二、液压马达二、液压马达 叶片型马达 二、液压马达二、液压马达 柱塞式马达 三、电液伺服阀三、电液伺服阀 阀芯位移等于阀芯位移等于 挡板位移，它与输挡板位移，它与输 入电流成正比。当入电流成正比。当 供油压力和负载压供油压力和负载压 力一定时，输出的力一定时，输出的 负载流量与阀芯

4、位负载流量与阀芯位 移成正比。移成正比。 四、液压伺服马达四、液压伺服马达 当供油口处于关闭状态，阀当供油口处于关闭状态，阀 芯向右移动芯向右移动(x0)时供油压力时供油压力 ps经过节流口从左通道流到驱经过节流口从左通道流到驱 动器活塞左侧并以压力动器活塞左侧并以压力p1使载使载 荷向右荷向右(y0)移动。移动。 相反，阀芯向左移动相反，阀芯向左移动(x0)时时 压力压力p2的液压油供到活塞右侧的液压油供到活塞右侧 使负载向左使负载向左(y0)移动。移动。 第二节第二节 气压驱动气压驱动 气压驱动器在原理上与液压驱动器相同；气压驱动器在原理上与液压驱动器相同； 由于气动装置的工作压强低，和液

5、压系统由于气动装置的工作压强低，和液压系统 相比，功率相比，功率重量比低得多；重量比低得多； 由于空气的可压缩性，在负载作用下会压由于空气的可压缩性，在负载作用下会压 缩和变形，控制气缸的精确位置很难。因缩和变形，控制气缸的精确位置很难。因 此气动装置通常仅用于插入操作或此气动装置通常仅用于插入操作或1/2自由自由 度关节上；度关节上； 结构简单，安全可靠，价格便宜；结构简单，安全可靠，价格便宜； 液压驱动与气压驱动之对比液压驱动与气压驱动之对比 液压驱动 适于搬运较重的物体 不适于高速移动 适于确定高精度位置 气压驱动 适于搬运较轻的物体 适于高速移动 不适于确定高精度位置 第三节第三节 电

6、气驱动电气驱动 利用各种电动机产生的力或力矩，直接或经过利用各种电动机产生的力或力矩，直接或经过 减速机构去驱动机器人的关节，以获得所要求减速机构去驱动机器人的关节，以获得所要求 的位置、速度和加速度；的位置、速度和加速度； 无环境污染、易于控制、运动精度高、成本低、无环境污染、易于控制、运动精度高、成本低、 驱动效率高；驱动效率高； 一般负载一般负载1000N（相当（相当100kgf）以下的工）以下的工 业机器人大多采用电伺服驱动系统业机器人大多采用电伺服驱动系统 。 机器人对关节驱动电机的主要要求机器人对关节驱动电机的主要要求 1）快速性。电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工 作状态的

7、时间应短。响应指令信号的时间愈短，电伺服系 统的灵敏性愈高，快速响应性能愈好。 2）起动转矩惯量比大。在驱动负载的情况下，要求机器人 的伺服电动机的起动转矩大，转动惯量小。 3）控制特性的连续性和直线性。随着控制信号的变化，电 动机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比 或近似成正比。 4）调速范围宽。能使用于1：100010000的调速范围。 5）体积小、质量小、轴向尺寸短。 6）能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向 和加减速运行，并能在短时间内承受过载。 工业机器人驱动系统中所用电动机工业机器人驱动系统中所用电动机 1）步进电动机：多适用于对精度、速度要求不高的 小型简

8、易机器人开环系统中 。 2）交流伺服电动机 3）直流伺服电动机 交流伺服电动机、直流伺服电动机均采用位置闭 环控制，一般应用于高精度、高速度的机器人驱 动系统中。 交流伺服电动机由于采用电子换向，无换向火花， 在易燃易爆环境中得到了广泛的使用。 驱动系统中所用传感器驱动系统中所用传感器 速度传感器多采用测速发电机和旋转变压 器；位置传感器多用光电码盘和旋转变压 器。近年来，国外机器人制造厂家已经在 使用一种集光电码盘及旋转变压器功能为 一体的混合式光电位置传感器，伺服电动 机可与位置及速度检测器、制动器、减速 机构组成伺服电动机驱动单元。 3.1 直流伺服电动机及其驱动直流伺服电动机及其驱动

9、组成：一般直流电动机和位置反馈、速度组成：一般直流电动机和位置反馈、速度 反馈形成的整体；反馈形成的整体； 优点：启动转矩大、体积小、重量轻、转优点：启动转矩大、体积小、重量轻、转 速易控制、效率高；速易控制、效率高； 缺点：有电刷和换向器，需要定期维修、缺点：有电刷和换向器，需要定期维修、 更换电刷，使用寿命短，噪声大；更换电刷，使用寿命短，噪声大； 小惯量直流伺服电动机小惯量直流伺服电动机 大惯量宽调速直流电动机大惯量宽调速直流电动机 直流伺服电动机驱动直流伺服电动机驱动 直流伺服电动机驱动直流伺服电动机驱动 “电电”与与“机机”的匹配问的匹配问 题题 三、直流伺服电机的驱动三、直流伺服电

10、机的驱动 直流伺服电机的机械特性直流伺服电机的机械特性 T KK R K U n tee c 2 控制控制 电压电压 电机结电机结 构常数构常数 每极每极 磁通磁通 电枢回路电阻电枢回路电阻 负载负载 转矩转矩 转速转速 电机转速的控制：电机转速的控制：“调压调速调压调速”（）（） “调磁调速调磁调速” 三、直流伺服电机的驱动三、直流伺服电机的驱动 直流伺服电机常采用直流伺服电机常采用PWM方式驱动。它利用大方式驱动。它利用大 功率晶体管的开关作用，将恒定的直流电源电压斩功率晶体管的开关作用，将恒定的直流电源电压斩 成一定频率的方波电压，并加在直流电动机的电枢成一定频率的方波电压，并加在直流电

11、动机的电枢 上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均 电压来控制电动机的转速。电压来控制电动机的转速。 PWM伺服驱动器具有调速范围宽、低速特性好、响应 快、效率高、过载能力强等特点，在工业机器人中 常作为直流伺服电动机驱动器。 速度伺服驱动器的构成速度伺服驱动器的构成 来自微机来自微机 控制指令电压控制指令电压 测速度测速度 代表代表 实际实际 转速转速 位置伺服驱动器位置伺服驱动器 测转角位置测转角位置 电压控制信号电压控制信号 3.2 同步式交流伺服电动机驱动器同步式交流伺服电动机驱动器 同直流伺服电动机驱动系统相比，同步式交流伺服电动机

12、驱动器具有转矩转动惯量比高、无电刷及换向火花等优点， 在工业机器人中得到广泛应用。 同步式交流伺服电动机驱动器通常采用电流型脉宽调制 （PWM）相逆变器和具有电流环为内环、速度环为外环的 多闭环控制系统，以实现对三相永磁同步伺服电动机的电 流控制。 1）矩形波电流驱动的永磁交流伺服系统。 2）正弦波电流驱动的永磁交流伺服系统。 3.3 步进电动机驱动步进电动机驱动 电脉冲信号电脉冲信号 相应的角位移；相应的角位移； 输出角与脉冲严格成比例，且在时间上同步；输出角与脉冲严格成比例，且在时间上同步； 转速取决于脉冲信号的频率；转速取决于脉冲信号的频率； 容易实现正、反转和启、停控制；容易实现正、反

13、转和启、停控制； 输出转角的精度高，无累积误差；输出转角的精度高，无累积误差； 直接用数字信号控制，与计算机接口方便；直接用数字信号控制，与计算机接口方便； 能提供较大的低速转矩，可直接驱动机器人关节能提供较大的低速转矩，可直接驱动机器人关节 而无需减速装置。而无需减速装置。 一、步进电机的工作原理一、步进电机的工作原理 当绕组中不通电时，转子中的永当绕组中不通电时，转子中的永 磁体总是试图减少磁路中的磁组，磁体总是试图减少磁路中的磁组， 转子将趋向使磁组最小的位置，即转子将趋向使磁组最小的位置，即 转子中有一个齿和定子对齐。转子中有一个齿和定子对齐。 当绕组中的各相通电时，转子将当绕组中的各

14、相通电时，转子将 被吸引着一步步转动。被吸引着一步步转动。 转子每走一转子每走一 步所转过的角度称步距角。步所转过的角度称步距角。 AA A A BB BB D DD D C CC C 二、步进电机的脉冲分配二、步进电机的脉冲分配 把指令脉冲按一定规律分成几路电平信号把指令脉冲按一定规律分成几路电平信号 去控制步进电机的几个定子绕组。去控制步进电机的几个定子绕组。 （1）环形分配器）环形分配器 （2）软件分配法）软件分配法 步进电机驱动系统组成步进电机驱动系统组成 三、步进电机的驱动线路三、步进电机的驱动线路 560 R1 uU 6 V 3.6 V 0.3 V 680 R3 470 R2 20

15、 R4 5 V V 1 V 2 Ub3 b3 E0 步进电 动机绕 组 V D V 3 R0 C1 C2 10 R7 390 R5 加速加速 电容电容 改善电改善电 流波形流波形 前沿前沿 泄放二泄放二 极管极管 3.4 直接驱动直接驱动 所谓直接驱动（DD）系统，就是电动机与其所驱动的负载 直接耦合在一起，中间不存在任何减速机构。 同传统的电动机伺服驱动相比， DD驱动减少了减速机构， 从而减少了系统传动过程中减速机构所产生的间隙和松动， 极大地提高了机器人的精度，同时也减少了由于减速机构 的摩擦及传送转矩脉动所造成的机器人控制精度降低。而 DD驱动由于具有上述优点，所以机械刚性好，可以高速

16、高 精度动作，且具有部件少、结构简单、容易维修、可靠性 高等特点，在高精度、高速工业机器人应用中越来越引起 人们的重视。 第五节第五节 其他驱动器其他驱动器 超声波电机超声波电机 超声波电机与传统的电磁超声波电机与传统的电磁 式电机不同，它是利用压式电机不同，它是利用压 电陶瓷的逆压电效应，将电陶瓷的逆压电效应，将 超声振动作为动力源的一超声振动作为动力源的一 种新型电机，它由振动部种新型电机，它由振动部 分和移动部分所组成，靠分和移动部分所组成，靠 振动部分和移动部分之间振动部分和移动部分之间 的摩擦力来驱动。的摩擦力来驱动。 第五节第五节 其他驱动器其他驱动器 压电执行器（电致伸缩效应）

17、罗歇尔盐（四水合酒石酸钾钠） 钛酸钡 压电陶瓷 蠕动机构 第五节第五节 其他驱动器其他驱动器 磁致伸缩驱动器磁致伸缩驱动器 当一片称做当一片称做Terfenol-D 的材料放在磁铁附近的材料放在磁铁附近 时，这种特殊的稀土金属材料将产生微小的形变，时，这种特殊的稀土金属材料将产生微小的形变， 这种现象称做磁致伸缩效应。为使这种驱动器工这种现象称做磁致伸缩效应。为使这种驱动器工 作，要将被磁性线圈覆盖的磁致伸缩小棒的两端作，要将被磁性线圈覆盖的磁致伸缩小棒的两端 固定在两个架子上。当磁场改变时，会导致小棒固定在两个架子上。当磁场改变时，会导致小棒 收缩或伸展，这样其中一个架子就会相对于另一收缩或伸展，这样其中一个架子就会相对于另一 个架子产生运动。个架子产生运动。 第五节第五节 其他驱