4章机器人驱动系统

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第4章 机器人的驱动系统,4.1 机器人的驱动方式,4.2 液压驱动系统,4.3 气压驱动系统,4.4 电气驱动系统,4.5 新型驱动器,4.1机机器人人的驱动动方式,4.1.1概概述,优点,:,1）液压压容易达达到较高高的单位位面积压压力（常常用油压压为2563kg/cm2),体体积较小小，可以以获得较较大的推推力或转转矩。,2）液压压系统介介质的可可压缩性性小，工工作平稳稳可靠，并可得得到较高高的位置置精度。,3）液压压传动中中，力、速度和和方向比比较容易易实现自自动控制制。,4）液压压系统采采用油液液作介质质，具有有防锈性性和自润润滑性能能，可以以提高机机械效率率，使用用寿命长长。,不足之处处:,1）油液液的粘度度随温度度变化而而变化，影响工工作性能能，高温温容易引引起燃烧烧爆炸等等危险。,2）液体体的泄漏漏难于克克服，要要求液压压元件有有较高的的精度和和质量，故造价价较高。,3）需要要相应的的供油系系统，尤尤其是电电液伺服服系统要要求严格格的滤油油装置，否则会会引起故故障。,应用,:,液压驱动动方式的的输出力力和功率率更大，能构成成伺服机机构，常常用于大大型机器器人关节节的驱动动,液压驱动动的特点点及应用用,优点:,1）以空空气为工工作介质质，不仅仅易于取取得，而而且用后后可直接接排入大大气，处处理方便便，也不不污染环环境。,2）因空空气的粘粘度很小小（约为为油的万万分之一一），在在管道中中流动时时的能量量损失很很小，因因而便于于集中供供气和远远距离输输送，气气动动作作迅速，调节方方便，维维护简单单，不存存在介质质变质及及补充等等问题。,3）工作作环境适适应性好好，无论论在易燃燃、易爆爆、多尘尘埃、强强磁、辐辐射、振振动等恶恶劣环境境中，还还是在食食品加工工、轻工工、纺织织、印刷刷、精密密检测等等高净化化、无污污染场合合，都具具有良好好的适应应性，且且工作安安全可靠靠，过载载时能自自动保护护。,4）气动动元件结结构简单单，成本本低，寿寿命长，易于实实现标准准化、系系列化和和通用化化。,不足之处处:,1）由于于空气具具有较大大的可压压缩性，因而运运动平稳稳性较差差。,2）因工工作压力力低（一一般为0.31MPa），不易获获得较大大的输出出力或力力矩。,3）有较较大的排排气噪声声。,4）由于于湿空气气在一定定的温度度和压力力条件下下能在气气动系统统的局部部管道和和气动元元件中凝凝结成水水滴，促促使气动动管道和和气动元元件腐蚀蚀和生锈锈，导致致气动系系统工作作失灵。,应用:,多用于开开关控制制和顺序序控制的的机器人人中。,气动驱动动的特点点及应用用,优点:,电气驱动动是利用用各种电电动机产产生力和和力矩，直接或或经过减减速机构构去驱动动机器人人的关节节，从而而获得机机器人的的位置、速度和和加速度度。因省省去中间间的能量量转换过过程，因因此比液液压和气气压驱动动的效率率高，且且具有无无环境污污染、易易于控制制、运动动精度高高、成本本低等优优点。应应用最广广泛。,分类特点点:,1）普通通交、直直流电动动机驱动动需加减减速装置置，输出出力矩大大，但控控制性能能差，惯惯性大，适用于于中型或或重型机机器人。伺服电电动机和和步进电电动机输输出力矩矩相对小小，控制制性能好好，可实实现速度度和位置置的精确确控制，适用于于中小型型机器人人。,2）交、直流伺伺服电动动机一般般用于闭闭环控制制系统，而步进进电动机机则主要要用于开开环控制制系统，一般用用于速度度和位置置精度要要求不高高的场合合。功率率在1KW以下下的机器器人多采采用电机机驱动。,应用:,电动机使使用简单单，且随随着材料料性能的的提高，电机性性能也逐逐渐提高高。所以以总的看看来，目目前机器器人关节节驱动逐逐渐为电电动式所所代替。,电气驱动动的特点点及应用用,液压驱动,气动驱动,电动驱动,输出功率,很大，压力范围为50140N/cm,2,大，压力范围为4860N/cm,2,，最大可达100N/cm,2,较大,控制性能,利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制,气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制,控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂,响应速度,很高,较高,很高,结构性能及体积,结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大,结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小,伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题,液压驱动,气动驱动,电动驱动,安全性,防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险,防爆性能好，高于1000kPa(10个大气压)时应注意设备的抗压性,设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差,对环境的影响,液压系统易漏油，对环境有污染,排气时有噪声,无,在工业机器人中应用范围,适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人,适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具,适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等,效率与成本,效率中等（0.30.6）；液压元件成本较高,效率低（0.150.2）气源方便，结构简单，成本低,效率较高（0.5左右）成本高,维修及使用,方便，但油液对环境温度有一定要求,方便,较复杂,几种驱动动方式的的比较,4.1.2驱驱动系统统性能,1刚度度和柔性性,刚度是材材料对抗抗变形的的阻抗，他可以以是梁在在负载作作用下抗抗弯曲的的刚度，或汽缸缸中气体体在负载载作用下下抗压缩缩的阻抗抗，甚至至是瓶中中的酒在在木塞作作用下抗抗压缩的的阻抗。系统的的刚度越越大，则则使它变变形所须须的负载载也越大大。相反反，系统统柔性越越大，则则在负载载作用下下就越容容易变形形。,2.重重量、功功率-重重量比和和工作压压强,驱动系统统的重量量以及功功率-重重量比至至关重要要，例如如电子系系统的功功率-重重量比属属中等水水平。在在同样功功率情况况下，步步进机通通常比伺伺服电机机要重，因此它它具有较较低的功功率-重重量比。电机的的电压越越高，功功率-重重量比越越高。气气动功率率-重量量比最低低，而液液压系统统具有最最高的功功率-重重量比。,4.1.3驱驱动系统统驱动方方式,1直线线驱动方方式,机器人采采用的直直线驱动动包括直直角坐标标机构的的X、Y、Z向向驱动，圆柱坐坐标结构构的径向向驱动和和垂直升升降驱动动，以及及球坐标标结构的的径向伸伸缩驱动动。直线线运动可可以直接接由气缸缸或液压压缸和活活塞产生生，也可可以采用用齿轮齿齿条、丝丝杠、螺螺母等传传动方式式把旋转转运动转转换成直直线运动动。,2.旋旋转驱动动方式,多数普通通电机和和伺服电电机都能能够直接接产生旋旋转运动动，但其其输出力力矩比所所需要的的力矩小小，转速速比所需需要的转转速高。因此，需要采采用各种种传动装装置把较较高的转转速转换换成较低低的转速速，并获获得较大大的力矩矩。有时时也采用用直线液液压缸或或直线气气缸作为为动力源源，这就就需要把把直线运运动转换换成旋转转运动。这种运运动的传传递和转转换必须须高效率率地完成成，并且且不能有有损于机机器人系系统所需需要的特特性，特特别是定定位精度度、重复复精度和和可靠性性。运动动的传递递和转换换可以选选择齿轮轮链传动动、同步步皮带传传动和谐谐波齿轮轮等传动动方式。,4.2液液压驱驱动系统统,4.2.1液液压伺服服系统的的组成和和特点,1.液液压伺服服系统的的组成,液压伺服服系统有有液压源源、驱动动器、伺伺服阀、传感器器和控制制器等组组成。如如图所示示。,2.液液压伺服服控制系系统的工工作特点点,1）在系系统的输输出和输输入之间间存在反反馈连接接，从而而组成闭闭环控制制系统。,2）系统统的主反反馈是负负反馈。,3）系统统的输入入信号的的功率很很小，而而系统的的输出功功率可以以达到很很大。,4.2.2电电液伺服服系统,1、电液液伺服系系统的组组成,电液伺服服系统通通过电气气传动方方式，将将电气信信号输入入系统来来操纵有有关的液液压控制制元件动动作，控控制液压压执行元元件，使使其跟随随输入信信号而动动作。这这类伺服服系统中中，电液液两部分分都采用用电液伺伺服阀作作为转换换元件。,1电放放大器2电液伺伺服阀3液压缸缸4机械械手手臂臂5齿轮轮齿条机机构6电位位器7步步进电机机,下图所示示为机械械手手臂臂伸缩运运动的电电液伺服服系统原原理图,其具体工工作过程程如下,：,当数控装装置发出出一定数数量的脉脉冲时，步进电电机就会会带动电电位器的的动触头头转动。假设此此时顺时时针转过过一定的的角度，这是是电位器器输出电电压为u，经放放大器放放大后输输出电流流i，使使电液伺伺服阀产产生一定定的开口口量。这这时，电电液伺服服阀处于于左位，压力油油进入液液压缸左左腔，活活塞杆右右移，带带动机械械手手臂臂右移，液压缸缸右腔的的油液经经电液伺伺服阀返返回油箱箱。此时时，机械械手手臂臂上的齿齿条带动动齿轮也也顺时针针移动，当其转转动角度度时，动动触头回回到电位位器的中中位，电电位器输输出电压压为零，相应放放大器输输出电流流为零，电液伺伺服阀回回到中位位，液压压油路被被封锁，手臂即即停止运运动。当当数控装装置发出出反向脉脉冲时，步进电电动机逆逆时针方方向转动动，和前前面正好好相反，机械手手就会手手臂缩回回。,机械手手手臂伸缩缩运动伺伺服系统统方框图图,2.电电液伺服服阀的工工作原理理,（1）原原理图图如如图图为喷嘴嘴挡板式式电液伺伺服阀的的工作原原理图。喷嘴挡挡板式电电液伺服服由电磁磁和液压压两部分分组成，电磁部部分是一一个动铁铁式力矩矩马达，液压部部分为两两级。第第一级是是双喷嘴嘴挡板阀阀，称前前置级（先导级级）；第第二级是是四边滑滑阀，称称功率放放大级（主阀）。,1-永久久磁铁2、4-导磁磁体3-衔铁铁 5-挡板6-喷喷嘴7-固定定节流孔孔 8-滤油器器9-滑滑阀10-阀阀体11-反反馈弹簧簧杆12-弹弹簧管13-线圈,（2）前前置级工工作原理理,由双喷嘴嘴挡板阀阀构成的的前置级级如图所所示，它它由两个个固定节节流孔、两个喷喷嘴和1个挡板板组成。两个对对称配置置的喷嘴嘴共用一一个挡板板，挡板板和喷嘴嘴之间形形成可变变节流口口，挡板板一般由由扭轴或或弹簧支支承，且且可绕支支点偏转转，挡板板的由力力矩马达达驱动。当挡板板上没有有作用输输入信号号时，挡挡板处于于中间位位置零位，与两喷喷嘴之距距均为x0，此此时两喷喷嘴控制制腔的压压力P1与P2相等。当挡板板转动时时，两个个控制腔腔的压力力一边升升高，另另一边降降低，就就有负载载压力PL(PL=P1-P2)输输出。双双喷嘴挡挡板阀有有四个通通道(一一个供油油口，一一个回油油口和两两个负载载口)，有四个个节流口口(两个个固定节节流孔和和两个可可变节流流孔)，是一种种全桥结结构。,（3）喷喷嘴挡板板阀特点点,喷嘴挡板板阀的优优点是结结构简单单，加工工方便，运动部部件惯性性小，反反应快，精度和和灵敏度度高；缺缺点是无无功损耗耗大，抗抗污染能能力较差差。喷嘴嘴挡板阀阀常用作作多级放放大伺服服控制元元件中的的前置级级。,4.2.3电电液比例例控制阀阀,电液比例例阀是一一种按输输入的电电气信号号连续地地、按比比例地对对油液的的压力、流量或或方向进进行远距距离控制制的阀。电液比比例控制制阀可以以分为电电液比例例压力阀阀（如比比例溢流流阀、比比例减压压阀等）、电液液比例流流量阀（如比例例调速阀阀）和电电液比例例方向阀阀（