第05.214机器人的驱动系统(1)

1、机器人应用技术机器人应用技术大连职业技术学院董春利 QQ：958385645实训楼414ACompiled by: Dong Chunli课前提问1.机器人行走机构有哪些部分组成？主要作用有哪些？2.机器人行走机构有哪几类？各有什么特点？3.车轮式行走机构有几种轮行？取决于哪些因素？4.车轮式行走机构的轮数有哪几种？5.四轮式机构的驱动和转向方式有哪几种？6.车轮式行走机构能否实现上楼梯？如何实现？7.履带式行走机构有哪些部分组成？8.履带式行走机构的形状有几种？9.履带式行走机构与车轮式行走机构比较有什么优势和劣势？10. 足式行走机构与履带式行走机构比较有什么优势和劣势？11. 足的数目有

2、哪些种类？足的配置有哪些种类？12. 足的主平面安排有哪几类？13. 足的几何构型有哪几类？14. 足的相对方位有哪几类？机器人应用技术机器人应用技术第四章 机器人的驱动系统4.1 机器人的驱动系统概述4.2 电动机及其特性4.3 液压驱动系统及其特性4.4 气压驱动系统及其特性机器人应用技术机器人应用技术4.1 4.1 机器人的驱动系统概述机器人的驱动系统概述一、驱动方式一、驱动方式二、驱动元件二、驱动元件三、驱动机构三、驱动机构四、制动器四、制动器Compiled by: Dong ChunliCompiled by: Dong Chunlio 直接驱动方式是驱动器的输出轴和机器人手臂的关

3、节轴直接相连o 间接驱动方式是驱动器经过减速器或钢丝绳、皮带、平行连杆等装置后与关节轴相连 一、驱动方式一、驱动方式机器人的驱动方式主要分为直接驱动和间接驱动两种。无论何种方式，都是对机器人关节的驱动。一、驱动方式一、驱动方式1关节与关节驱动关节与关节驱动o 机器人中连接运动部分的机构称为关节。关节有转动型和移动型，分别称为转动关节和移动关节。（1）转动关节o 转动关节是在机器人中被简称为关节的连接部分，它既连接各机构，又传递各机构间的回转运动（或摆动），用于基座与臂部、臂部之间、臂部和手部等连接部位。o 关节由回转轴、轴承和驱动机构组成。Compiled by: Dong Chunli一、驱

4、动方式一、驱动方式（2）移动关节o 移动关节由直线运动机构和在整个运动范围内起直线导向作用的直线导轨部分组成。导轨部分分为滑动导轨、滚动导轨、静压导轨和磁性悬浮导轨等形式。o 一般要求机器人导轨间隙小或能消除间隙；在垂直于运动方向上要求刚度高，摩擦系数小且不随速度变化，并且有高阻尼、小尺寸和小惯量。o 通常，由于机器人在速度和精度方面的要求很高，故一般采用结构紧凑且价格低廉的滚动导轨。Compiled by: Dong Chunli一、驱动方式一、驱动方式o直接驱动方式是驱动器的输出轴和机器人手臂的关节轴直接相连o直接驱动方式的驱动器和关节之间的机械系统较少，因而能够减少摩擦等非线性因素的影响

5、，控制性能比较好。o高输出转矩的驱动式及油缸式液压装置，另外还有力矩电机（直驱马达）等，o液压式装置在结构和摩擦等方面的非线性因素很强，所以很难实现出直接驱动的优点o力矩电机，采用了非线性主要因素的轴承机械系统，得到了优良的逆向驱动能力（以关节一侧带动驱动器的输出轴）Compiled by: Dong Chunli2. 关节直接驱动方式 Compiled by: Dong Chunlio 直接驱动机器人也叫作DD机器人(Direct drive robot)，简称DDRo DD机器人一般指驱动电机通过机械接口直接与关节连接o DD机器人的特点是驱动电机和关节之间没有速度和转矩的转换。一、驱动方

6、式一、驱动方式2. 关节直接驱动方式 Compiled by: Dong Chunlio DD机器人与间接驱动机器人相比，有如下优点：机械传动精度高振动小，结构刚度好机械传动损耗小结构紧凑，可靠性高 电机峰值转矩大，电气时间常数小，短时间内可以产生很大转矩，响应速度快，调速范围宽控制性能较好 一、驱动方式一、驱动方式2. 关节直接驱动方式 Compiled by: Dong Chunlio 日本、美国等工业发达国家已经开发出性能优异的DD机器人美国Adept公司研制出带有视觉功能的四自由度平面关节型DD机器人o 日本大日机工公司研制成功了五自由度关节型DD一600V机器人其性能指标为：最大工作

7、范围1.2 m，可搬重量5 kg，最大运动速度8.2ms，重复定位精度0.05 mm一、驱动方式一、驱动方式2. 关节直接驱动方式 Compiled by: Dong Chunlio DD机器人目前主要存在的问题o 载荷变化、耦合转矩及非线性转矩对驱动及控制影响显著，使控制系统设计困难和复杂o 对位置、速度的传感元件提出了相当高的要求o 需开发小型实用的DD电机 o 电机成本高 一、驱动方式一、驱动方式2. 关节直接驱动方式 Compiled by: Dong Chunlio 目前中小型机器人一般采用普通的直流伺服电机、交流伺服电机或步进电机作为机器人的执行电机由于电机速度较高，所以需配以大速

8、比减速装置，进行间接传动o 但是，间接驱动带来了机械传动中不可避免的误差，引起冲击振动，影响机器人系统的可靠性，并且增加关节重量和尺寸。一、驱动方式一、驱动方式2. 关节直接驱动方式 一、驱动方式一、驱动方式3间接驱动方式间接驱动方式o 间接驱动方式是把驱动器的动力经过减速器或钢丝绳、皮带、平行连杆等装置后传递给关节。 o 间接驱动方式中包含带减速器的电机驱动、远距离驱动等两种。Compiled by: Dong Chunli一、驱动方式一、驱动方式（1）带减速器的电机驱动o目前大部分机器人的关节是间接驱动。o中小型机器人一般采用普通的直流伺服电机、交流伺服电机或步进电机作为机器人的执行电机，

9、由于电机速度较高，所以需配以大速比减速装置o；通常其电机的输出力矩大大小于驱动关节所需要的力矩，所以必须使用带减速器的电机驱动。o但是，间接驱动带来了机械传动中不可避免的误差，引起冲击振动，影响机器人系统的可靠性，并且增加关节重量和尺寸。o由于手臂通常采用悬臂梁结构，所以多自由度机器人关节上安装减速器会使手臂根部关节驱动器的负荷增大 Compiled by: Dong Chunli一、驱动方式一、驱动方式（2）远距离驱动o 远距离驱动将驱动器与关节分离，目的在于减少关节的体积、减轻关节重量。o 一般来说，驱动器的输出力矩都远远小于驱动关节所需要的力，因此也需要透过减速机来增大驱动力。o 远距离

10、驱动的优点在于o 能够将多自由度机器人关节驱动所必需的多个驱动器设置在合适的场所。o 由于机器人手臂都采用悬臂梁结构，远距离驱动是减轻位于手臂根部关节的驱动器负载的一种措施。Compiled by: Dong ChunliCompiled by: Dong Chunli二、驱动元件二、驱动元件 机器人关节的驱动元件有： （1）液压元件 （2）气动元件 （3）电动元件Compiled by: Dong Chunli机器人的驱动系统采用液压驱动，有以下几个优点： 1）液压容易达到较高的单位面积压力（常用油压为2563kg/cm2),体积较小，可以获得较大的推力或转矩； 2）液压系统介质的可压缩性小

11、，工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度； 3）液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制； 4）液压系统采用油液作介质，具有防锈性和自润滑性能，可以提高机械效率，使用寿命长。二、驱动元件二、驱动元件 1.液压驱动Compiled by: Dong Chunli 液压传动系统的不足之处是：1）油液的粘度随温度变化而变化，影响工作性能，高温容易引起燃烧爆炸等危险；2）液体的泄漏难于克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价较高；3）需要相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置，否则会引起故障。液压驱动方式的输出力和功率更大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动。 二、驱动元

12、件二、驱动元件 1.液压驱动元件Compiled by: Dong Chunli与液压驱动相比，气压驱动的特点是：1）压缩空气粘度小，容易达到高速（1m/s）；2）利用工厂集中的空气压缩机站供气，不必添加动力设备；3）空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业；4）气动元件工作压力低，故制造要求也比液压元件低。二、驱动元件二、驱动元件 2. 气压驱动元件Compiled by: Dong Chunli它的不足之处是：1）压缩空气常用压力为46kg/cm2，若要获得较大的出力，其结构就要相对增大；2）空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要达到准确的位置控制很困难；3）压缩空气的除

13、水问题是一个很重要的问题，处理不当会使钢类零件生绣，导致机器人失灵。此外，排气还会造成噪声污染。 气动式驱动多用于开关控制和顺序控制的机器人中。 二、驱动元件二、驱动元件 2. 气压驱动元件Compiled by: Dong Chunli电机驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人。伺服电动机和步进电动机输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人。交、直流伺服电动机一般用于闭环控制系统，而步进电动机则主要用于开环控制系统，一般用于速度和位置精

14、度要求不高的场合。功率在1KW以下的机器人多采用电机驱动。电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电机性能也逐渐提高。所以总的看来，目前机器人关节驱动逐渐为电动式所代替。二、驱动元件二、驱动元件 3. 电机驱动元件Compiled by: Dong Chunli驱动元件的特点驱动元件特 点输出力控制性能维修使用结构体积使用范围制造成本液压驱动压力高，可获得大的输出力。油液不可压缩，压力、流量均容易控制，可无极调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制维修方便，液体对温度变化敏感，油液泄漏易着火。在输出力相同的情况下，体积比气压驱动方式小。中、小型及重型机器人。液压元件成本较高，油路比较复杂。气压驱动气压

15、压力低，输出力较小，如需要输出力大时，其结构尺寸过大。可高速，冲击较严重，精确定位困难。气体压缩性大，阻尼效果差，低速不易控制，不易与CPU连接。维修简单，能在高温、粉尘等恶劣环境中使用，泄漏无影响。体积较大中、小型机器人。结构简单，能源方便，成本低。电机驱动异步电动机直流电动机输出力较大控制性能较差，惯性大，不易精确定位维修使用方便。需要减速装置，体积较大。速度低，持重大的机器人。成本低。步进电动机伺服电动机输出力较小或较大容易与CPU连接，控制性能好，响应快，可精确定位，但控制系统复杂。维修使用较复杂。体积效小程序复杂、运动轨迹要求严格的机器人。成本较高。二、驱动元件二、驱动元件Compi

16、led by: Dong Chunli驱动机构分为旋转驱动方式和直线驱动方式。 1.直线驱动机构机器人采用的直线驱动包括直角坐标结构的X、Y、Z向驱动，圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动，以及球坐标结构的径向伸缩驱动。直线运动可以直接由气缸或液压缸和活塞产生，也可以采用齿轮齿条、丝杠、螺母等传动方式把旋转运动转换成直线运动。三、驱动机构三、驱动机构Compiled by: Dong Chunli多数普通电机和伺服电机都能够直接产生旋转运动，但其输出力矩比所需要的力矩小，转速比所需要的转速高。因此，需要采用各种传动装置把较高的转速转换成较低的转速，并获得较大的力矩。有时也采用直线液压缸或直线气

17、缸作为动力源，这就需要把直线运动转换成旋转运动。这种运动的传递和转换必须高效率地完成，并且不能有损于机器人系统所需要的特性，特别是定位精度、重复精度和可靠性。运动的传递和转换可以选择齿轮链传动、同步皮带传动和谐波齿轮等传动方式。三、驱动机构三、驱动机构2.旋转驱动机构Compiled by: Dong Chunli由于旋转驱动的旋转轴强度高，摩擦小、可靠性好等优点，在结构设计中应尽量多采用。但是在行走机构关节中，完全采用旋转驱动实现关节伸缩有如下缺点：（1）旋转运动虽然也能转化得到直线运动，但在高速运动时，关节伸缩的加速度不能忽视，它可能产生振动。（2）为了提高着地点选择的灵活性，还必须增加直

18、线驱动系统。因此有许多情况采用直线驱动更为合适。直线气缸仍是目前所有驱动装置中最廉价的动力源，凡能够使用直线气缸的地方，还是应该选用它。有些要求精度高的地方也要选用直线驱动。三、驱动机构三、驱动机构2.旋转驱动机构Compiled by: Dong Chunli机器人常用的传动方式Compiled by: Dong ChunliCompiled by: Dong Chunli许多机器人的机械臂都需要在各关节处安装制动器，其作用是：在机器人停止工作时，保持机械臂的位置不变；在电源发生故障时，保护机械臂和它周围的物体不发生碰撞。例如齿轮链、谐波齿轮机构和滚珠丝杠等元件的质量较高，一般其摩擦力都很小

19、，在驱动器停止工作的时候，它们是不能承受负载的。如果不采用如制动器、夹紧器或止挡等装置，一旦电源关闭，机器人的各个部件就会在重力的作用下滑落。因此，机器人制动装置是十分必要的。四、制动器四、制动器Compiled by: Dong Chunli制动器通常是按失效抱闸方式工作的，即要放松制动器就必须接通电源，否则，各关节不能产生相对运动。它的主要目的是在电源出现故障时起保护作用。其缺点是在工作期间要不断花费电力使制动器放松。假如需要的话也可以采用一种省电的方法，其原理是：需要各关节运动时，先接通电源，松开制动器，然后接通另一电源，驱动一个挡销将制动器锁在放松状态。这样所需要的电力仅仅是把挡销放到

20、位所花费的电力。 四、制动器四、制动器Compiled by: Dong Chunli为了使关节定位准确，制动器必须有足够的定位精度。制动器应当尽可能地放在系统的驱动输入端，这样利用传动链速比，能够减小制动器的轻微滑动所引起的系统移动，保证了在承载条件下仍具有较高的定位精度。在许多实际应用中机器人都采用了制动器。 四、制动器四、制动器Compiled by: Dong ChunliCompiled by: Dong Chunli机器人驱动方法 o4.1液压驱动o4.2气压驱动o4.3直流电机驱动o4.4步进电机驱动o4.5电源和功放Compiled by: Dong Chunli4.1液压驱动

21、o 液压容易达较大的推力或转矩。o 液压系统工作平稳可靠，位置精度较高o 液压系统中，力、速度自动控制容易实现o 液压系统随温度变化而影响工作性能，高温容易引起燃烧爆炸等危险。o 液体造价较高。o 需要严格的滤油装置Compiled by: Dong ChunliCompiled by: Dong Chunli泵斜盘 2-缸体 3-柱塞 4-配流盘 5-轴 6-弹簧图3-21 直轴式轴向柱塞泵的工作原理Compiled by: Dong Chunli液压缸液压缸o 将液压能转变为机械能的将液压能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件动运动）的液压执行元

22、件。它结构简单、工作可靠。它结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。系统中得到广泛应用。Compiled by: Dong Chunli直线液压缸o 用电磁阀控制的直线液压缸是最简单和最便宜的开环液压驱动装置。在直线液压缸的操作中，通过受控节流口调节流量，可以在达到运动终点时实现减速，使停止过程得到控制。o 无论是直线液压缸或旋转液压马达，它们的工作原理都是基于高压油对活塞或对叶片的作用。液压油是经控制阀被送到液压缸的一端

23、的，在开环系统中，阀是由电磁铁打开和控制的；在闭环系统中，则是用电液伺服阀来控制的。Compiled by: Dong Chunli旋转式执行元件o 旋转液压马达Compiled by: Dong Chunli旋转液压马达o 壳体由铝合金制成，转子是钢制的。密封圈和防尘圈分别用来防止油的外泄和保护轴承。在电液阀的控制下，液压油经进油口进入，并作用于固定在转子上的叶片上，使转子转动。隔板用来防止液压油短路。通过一对由消隙齿轮带动的电位器和一个解算器给出转子的位置信息。电位器给出粗略值，而精确位置由解算器测定。这样，解算器的高精度和小量程就由低精度大量程的电位器予以补救。当然，整个的精度不会超过驱

24、动电位器和解算器的齿轮系精度。Compiled by: Dong Chunli摆动式液压缸 A A AA1定子块 2缸体 3弹簧 4密封镶条 5转子 6叶片 7支承盘 8盖板单叶片式摆动液压缸计算简图Compiled by: Dong Chunli阀门Compiled by: Dong Chunli单向阀单向阀只允许油液某一方向流动，而反向截止。这种阀也称为止回阀。对单向阀的主要性能要求是：油液通过时压力损失要小；反向截止密封性要好。其结构如图。压力油从P1进入，克服弹簧力推动阀芯，使油路接通，压力油从P2流出；当压力油从反向进入时，油液压力和弹簧力将阀芯压紧在阀座上，油液不能通 过。单向阀单

25、向阀Compiled by: Dong Chunli换向阀换向阀图6-5 换向阀换向原理 滑阀式换向阀是靠阀芯在阀体内作轴向运动，而使相应的油路接通或断开的换向阀。其换向原理如下图所示。当阀芯处于左图位置时，P与B,A与T相连，活塞向左运动；当阀芯向右移动处于右图位置时，P与A, B与T相连，活塞向右运动。Compiled by: Dong Chunli弹簧 2-阀芯 3-阀体 4-滚轮 5-行程挡块Compiled by: Dong Chunli三位四通电磁阀阀体阀芯定位套对中弹簧挡圈推杆环线圈衔铁导套插头组件Compiled by: Dong Chunli 溢流阀主要作用有两个：一是定量泵

26、节流调节系统中，用来保持液压泵出口压力恒定，并将液压泵多余的油液溢流回油箱。这时溢流阀起定压溢流作用；二是在系统中起安全作用。Compiled by: Dong Chunli速度调节o 节流调速。即用定量节流调速。即用定量泵供油，采用节流元泵供油，采用节流元件调节输入执行元件件调节输入执行元件的流量的流量Q来实现调速来实现调速图8-1 节流调速原理Compiled by: Dong Chunli附件Compiled by: Dong Chunli滤油器纸芯外形滤油器纸芯外形过滤液压系统的油液中的各种污染物过滤液压系统的油液中的各种污染物Compiled by: Dong Chunli4.2气压

27、驱动o 用压缩空气作动力源 ,不产生电火花、过热、爆炸、等危险因素，可以远距离操作。o 启动扭矩较大，转速可随负载改变，直至超载停机,o 简单的无级调速，从零到最大，操作灵活；o 体积小，重量轻，结构简单,高适应性o 空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业。o 气动元件工作压力低，故制造要求也比液压元件低。o 工作平稳性差，速度、准确的位置控制困难Compiled by: Dong ChunliCompiled by: Dong Chunli叶片式摆动马达Compiled by: Dong Chunli直流电动机驱动直流电动机是在一个方向连续旋转，或在相反的方向连续转动，运动连续

28、且平滑，但是本身没有位置控制能力。o 直流电动机优点n调速范围宽广，调速特性平滑。n过载能力较强，n起动和制动转矩较大。o 直流电动机缺点n存在换向器，n其制造复杂，价格较高。Compiled by: Dong Chunli直流伺服电机o 正因为直流电动机的转动是连续且平滑的，因此要实现精确的位置控制，必须加入某种形式的位置反馈，构成闭环伺服系统；o 有时，机器人的运动还有速度要求，所以还要加入速度反馈。一般直流电动机和位置反馈、速度反馈形成一个整体，即通常所说的直流伺服电机。o 由于采用闭环伺服控制，所以能实现平滑的控制和产生大的力矩。Compiled by: Dong Chunli关节驱动

29、o 目前，直流电动机可达到很大的力矩重量比，远高于步进电机。除了在很大功率情况下外，与液压驱动不相上下。直流驱动还能达到高精度，加速迅速，且可靠性高。o 由于以上原因，当今大部分机器人都采用直流伺服电机驱动机器人的各个关节。因此，机器人关节的驱动部分设计包括伺服电机的选定和传动比的确定。Compiled by: Dong Chunli直流电机的物理模型o 固定部分有磁铁和电刷。转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。o 固定部分（定子）装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端

30、和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。Compiled by: Dong Chunli伺服电机的选择o 选择电机，n 首先要考虑电机必须能够提供负载所需要的瞬时转矩和转速，就安全角度而言，就是能够提供克服峰值所需要的功率。n 其次，当电机的工作周期可以与其发热时间常数相比较时，必须考虑电机的热定额问题，通常以负载的均方根功率作为确定电机发热功率的基础。o 1.5-2.5倍的功率储备Com

31、piled by: Dong Chunli伺服电机的选择o 电机初选o 发热校核o 转矩过载校核o 需要指出的是，电机的选择不仅取决于功率，还取决于系统的动态性能要求、稳态精度、低速平稳性、电源是直流还是交流等因素。Compiled by: Dong Chunli电机的转矩特性o 转速-转矩特性曲线a（信号系数，即控制电压与励磁电压比值）的不同而不同的一族具有相同的负斜率的直线Compiled by: Dong Chunli总传动比的选择负载力矩特性o 电机要克服的负载力矩有两种典型情况：一种是峰值力矩，它对应于电机最严重的工作情况，一般在机器人关节电机起动时出现；另一种为均方根力矩，它对应于

32、电机长期连续地在变负荷下工作的情况。折算峰值力矩最小折算均方根力矩最小Compiled by: Dong Chunli4.4步进电动机驱动o 对于小型机器人或点位式控制机器人而言，其位置精度和负载力矩较小，有时可采用步进电机驱动。o 这种电机能在电脉冲控制下以很小的步距增量运动。计算机的打印机和磁盘驱动器常用步进电机实现打印头和磁头的定位。o 在小的机器人上，有时也用步进电机作为主驱动电机。可以用编码器或电位器提供精确的位置反馈，所以步进电机也可用于闭环控制。Compiled by: Dong Chunli步进电动机o 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。o 当步进驱动器接收到一个脉

33、冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。o 可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；o 同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度 Compiled by: Dong Chunli步进电机特性o 一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。o 步进电机外表允许的最高温度。o 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。o 步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。n空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所