机器人驱动方法

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,*,第三章 驱动方法,液压驱动,气压驱动,直流电动机驱动,步进电动机驱动,其他驱动形式,第一节,液,液,压,压驱动,把油压泵,产,产生的工,作,作油的压,力,力能转,变,变成机械,能,能的装置,称,称为液压,执,执行器。,在,在驱动液,压,压执行器,时,时，作为,外,外围设备,，,，包括：(1),形,形成液压,的,的液压泵,；,；,(2)供,给,给工作油,的,的导管；,(3)控,制,制工作油,流,流动的液,压,压控制阀,；,；,(4)控,制,制控制阀,的,的控制回,路,路，,根据液压,执,执行器输,出,出量的形,式,式的不同,，,，大致可,以,以把它们,区,区分为作,直,直线运动,的,的油压缸,和,和作旋转,运,运动的油,压,压马达。,第一节 液,压,压驱动,功率重量,比,比高，低速时,输,输出力大（无,论,论直线驱动还,是,是旋转驱动）, 适合微处,理,理器及电子控,制,制，可用于极,端,端恶劣的外部,环,环境。,液压系统中存,在,在不可避免的,泄,泄漏、噪声和,低,低速不稳定等,问,问题，以及功,率,率单元非常笨,重,重和昂贵。,现在大部分机,器,器人是电动的,，,，当然仍有许,多,多工业机器人,带,带有液压驱动,器,器。此外，对,于,于一些需要巨,大,大型机器人和,民,民用服务机器,人,人的特殊应用,场,场合，液压驱,动,动器仍可能是,合,合适的选择。,一、液压缸,二、液压马达,齿轮马达,二、液压马达,叶片型马达,二、液压马达,柱塞式马达,三、电液伺服,阀,阀,阀芯位移等于,挡,挡板位移，它,与,与输入电流成,正,正比。当供油,压,压力和负载压,力,力一定时，输,出,出的负载流量,与,与阀芯位移成,正,正比。,四、液压伺服,马,马达,当供油口处于,关,关闭状态，阀,芯,芯向右移动(x0)时供,油,油压力,p,s,经过节流口从,左,左通道流到驱,动,动器活塞左侧,并,并以压力p,1,使载荷向右(y0)移动,。,。,相反，阀芯向,左,左移动(x0)时压力p,2,的液压油供,到,到活塞右侧,使,使负载向左(y0),移,移动。,第二节,气,气压驱动,气压驱动器,在,在原理上与,液,液压驱动器,相,相同；,由于气动装,置,置的工作压,强,强低，和液,压,压系统相比,，,，功率,重,重量比低得,多,多；,由于空气的,可,可压缩性，,在,在负载作用,下,下会压缩和,变,变形，控制,气,气缸的精确,位,位置很难。,因,因此气动装,置,置通常仅用,于,于插入操作,或,或1/2自,由,由度关节上,；,；,结构简单，,安,安全可靠，,价,价格便宜；,液压驱动与,气,气压驱动之,对,对比,液压驱动,适于,搬,搬运,较,较重,的,的物,体,体,不适,于,于高,速,速移,动,动,适于,确,确定,高,高精,度,度位,置,置,气压,驱,驱动,适于,搬,搬运,较,较轻,的,的物,体,体,适于,高,高速,移,移动,不适,于,于确,定,定高,精,精度,位,位置,第三,节,节,电,电,气,气驱,动,动,利用,各,各种,电,电动,机,机产,生,生的,力,力或,力,力矩,，,，直,接,接或,经,经过,减,减速,机,机构,去,去驱,动,动机,器,器人,的,的关,节,节，,以,以获,得,得所,要,要求,的,的位,置,置、,速,速度,和,和加,速,速度,；,；,无环,境,境污,染,染、,易,易于,控,控制,、,、运,动,动精,度,度高,、,、成,本,本低,、,、驱,动,动效,率,率高,；,；,一般,负,负载1000N（,相,相当100kgf,）,）以,下,下的,工,工业,机,机器,人,人大,多,多采,用,用电,伺,伺服,驱,驱动,系,系统,。,机器,人,人对,关,关节,驱,驱动,电,电机,的,的主,要,要要,求,求,1）,快,快速,性,性。,电,电动,机,机从,获,获得,指,指令,信,信号,到,到完,成,成指,令,令所,要,要求,的,的工,作,作状,态,态的,时,时间,应,应短,。,。响,应,应指,令,令信,号,号的,时,时间,愈,愈短,，,，电,伺,伺服,系,系统,的,的灵,敏,敏性,愈,愈高,，,，快,速,速响,应,应性,能,能愈,好,好。,2）,起,起动,转,转矩,惯,惯量,比,比大,。,。在,驱,驱动,负,负载,的,的情,况,况下,，,，要,求,求机,器,器人,的,的伺,服,服电,动,动机,的,的起,动,动转,矩,矩大,，,，转,动,动惯,量,量小,。,。,3）,控,控制,特,特性,的,的连,续,续性,和,和直,线,线性,。,。随,着,着控,制,制信,号,号的,变,变化,，,，电,动,动机,的,的转,速,速能,连,连续,变,变化,，,，有,时,时还,需,需转,速,速与,控,控制,信,信号,成,成正,比,比或,近,近似,成,成正,比,比。,4）,调,调速,范,范围,宽,宽。,能,能使,用,用于1：1000,10000,的,的调,速,速范,围,围。,5）,体,体积,小,小、,质,质量,小,小、,轴,轴向,尺,尺寸,短,短。,6）,能,能经,受,受得,起,起苛,刻,刻的,运,运行,条,条件,，,，可,进,进行,十,十分,频,频繁,的,的正,反,反向,和,和加,减,减速,运,运行,，,，并,能,能在,短,短时,间,间内,承,承受,过,过载,。,。,工业,机,机器,人,人驱,动,动系,统,统中,所,所用,电,电动,机,机,1）,步,步进,电,电动,机,机：,多,多适,用,用于,对,对精,度,度、,速,速度,要,要求,不,不高,的,的小,型,型简,易,易机,器,器人,开,开环,系,系统,中,中,。,。,2）,交,交流,伺,伺服,电,电动,机,机,3）,直,直流,伺,伺服,电,电动,机,机,交流,伺,伺服,电,电动,机,机、,直,直流,伺,伺服,电,电动,机,机均,采,采用,位,位置,闭,闭环,控,控制,，,，一,般,般应,用,用于,高,高精,度,度、,高,高速,度,度的,机,机器,人,人驱,动,动系,统,统中,。,。,交流,伺,伺服,电,电动,机,机由,于,于采,用,用电,子,子换,向,向，,无,无换,向,向火,花,花，,在,在易,燃,燃易,爆,爆环,境,境中,得,得到,了,了广,泛,泛的,使,使用,。,。,驱动,系,系统,中,中所,用,用传,感,感器,速度,传,传感,器,器多,采,采用,测,测速,发,发电,机,机和,旋,旋转,变,变压,器,器；,位,位置,传,传感,器,器多,用,用光,电,电码,盘,盘和,旋,旋转,变,变压,器,器。,近,近年,来,来，,国,国外,机,机器,人,人制,造,造厂,家,家已,经,经在,使,使用,一,一种,集,集光,电,电码,盘,盘及,旋,旋转,变,变压,器,器功,能,能为,一,一体,的,的混,合,合式,光,光电,位,位置,传,传感,器,器，,伺,伺服,电,电动,机,机可,与,与位,置,置及,速,速度,检,检测,器,器、,制,制动,器,器、,减,减速,机,机构,组,组成,伺,伺服,电,电动,机,机驱,动,动单,元,元。,3.1,直,直流,伺,伺服,电,电动,机,机及,其,其驱,动,动,组成,：,：一,般,般直,流,流电,动,动机,和,和位,置,置反,馈,馈、,速,速度,反,反馈,形,形成,的,的整,体,体；,优点,：,：启,动,动转,矩,矩大,、,、体,积,积小,、,、重,量,量轻,、,、转,速,速易,控,控制,、,、效,率,率高,；,；,缺点,：,：有,电,电刷,和,和换,向,向器,，,，需,要,要定,期,期维,修,修、,更,更换,电,电刷,，,，使,用,用寿,命,命短,，,，噪,声,声大,；,；,小惯量直流伺服,电,电动机,大惯量宽调速直,流,流电动机,一、伺服电机的,选,选择,直流伺服电动机,驱,驱动,二、总传动比的,选,选择,直流伺服电动机,驱,驱动,“电”与“机”,的,的匹配问题,三、直流伺服电,机,机的驱动,直流伺服电机的,机,机械特性,控制电压,电机结构常数,每极,磁通,电枢回路电阻,负载转矩,转速,电机转速的控制,：,：“调压调速”（,）,“调磁调速”,三、直流伺服电,机,机的驱动,直流伺服电机常,采,采用PWM方式,驱,驱动。它利用大,功,功率晶体管的开,关,关作用，将恒定,的,的直流电源电压,斩,斩成一定频率的,方,方波电压，并加,在,在直流电动机的,电,电枢上，通过对,方,方波脉冲宽度的,控,控制，改变电枢,的,的平均电压来控,制,制电动机的转速,。,。,PWM伺服驱动,器,器具有调速范围,宽,宽、低速特性好,、,、响应快、效率,高,高、过载能力强,等,等特点，在工业,机,机器人中常作为,直,直流伺服电动机,驱,驱动器。,速度伺服驱动器,的,的构成,来自微机,控制指令电压,测速度,代表实际转速,位置伺服驱动器,测转角位置,电压控制信号,3.2 同步,式,式交流伺服电动,机,机驱动器,同直流伺服电动,机,机驱动系统相比,，,，同步式交流伺,服,服电动机驱动器,具,具有转矩转动惯,量,量比高、无电刷,及,及换向火花等优,点,点，在工业机器,人,人中得到广泛应,用,用。,同步式交流伺服,电,电动机驱动器通,常,常采用电流型脉,宽,宽调制（PWM,）,）相逆变器和具,有,有电流环为内环,、,、速度环为外环,的,的多闭环控制系,统,统，以实现对三,相,相永磁同步伺服,电,电动机的电流控,制,制。,1）矩形波电流,驱,驱动的永磁交流,伺,伺服系统。2,）,）正弦波电流驱,动,动的永磁交流伺,服,服系统。,3.3 步,进,进电动机驱动,电脉冲信号,相,相应的角位,移,移；,输出角与脉冲严,格,格成比例，且在,时,时间上同步；,转速取决于脉冲,信,信号的频率；,容易实现正、反,转,转和启、停控制,；,；,输出转角的精度,高,高，无累积误差,；,；,直接用数字信号,控,控制，与计算机,接,接口方便；,能提供较大的低,速,速转矩，可直接,驱,驱动机器人关节,而,而无需减速装置,。,。,一、步进电机的,工,工作原理,当绕组中不通电,时,时，转子中的永,磁,磁体总是试图减,少,少磁路中的磁组,，,，转子将趋向使,磁,磁组最小的位置,，,，即转子中有一,个,个齿和定子对齐,。,。,当绕组中的各相,通,通电时，转子将,被,被吸引着一步步,转,转动。 转子每,走,走一步所转过的,角,角度称步距角。,A,A,A,A,B,B,B,B,D,D,D,D,C,C,C,C,二、步进电机的,脉,脉冲分配,把指令脉冲按一,定,定规律分成几路,电,电平信号去控制,步,步进电机的几个,定,定子绕组。,（1）环形分配,器,器,（2）软件分配,法,法,步进电机驱动系,统,统组成,三、步进电机的,驱,驱动线路,加速电容,改善电流波形前,沿,沿,泄放二极管,3.4 直,接,接驱动,所谓直接驱动（DD）系统，就,是,是电动机与其所,驱,驱动的负载直接,耦,耦合在一起，中,间,间不存在任何减,速,速机构。,同传统的电动机,伺,伺服驱动相比，DD驱动减少,了,了减速机构，从,而,而减少了系统传,动,动过程中减速机,构,构所产生的间隙,和,和松动，极大地,提,提高了机器人的,精,精度，同时也减,少,少了由于减速机,构,构的摩擦及传送,转,转矩脉动所造成,的,的机器人控制精,度,度降低。而DD,驱,驱动由于具有上,述,述优点，所以机,械,械刚性好，可以,高,高速高精度动作,，,，且具有部件少,、,、结构简单、容,易,易维修、可靠性,高,高等特点，在高,精,精度、高速工业,机,机器人应用中越,来,来越引起人们的,重,重视。,第五节 其他,驱,驱动器,超声波电机,超声波电机与传,统,统的电磁式电机,不,不同，它是利用,压,压电陶瓷的逆压,电,电效应，将超声,振,振动作为动力源,的,的一种新型电机,，,，它由振动部分,和,和移动部分所组,成,成，靠振动部分,和,和移动部分之间,的,的摩擦力来驱动,。,。,USM,已,已应用,于,于以下,科,科学和,工,工业领,域,域：,第五节,其,其,他,他驱动,器,器,压电执,行,行器（,电,电致伸,缩,缩效应,）,）,罗歇尔,盐,盐（四,水,水合酒,石,石酸钾,钠,钠）,钛酸钡,压电陶,瓷,瓷,蠕动机,构,构,第五节,其,其,他,他驱动,器,器,磁致伸,缩,缩驱动,器,器,当一片,称,称做Terfenol-D,的,的材,料,料放在,磁,磁铁附,近,近时，,这,这种特,殊,殊的稀,土,土金属,材,材料将,产,产生微,小,小的形,变,变，这,种,种现象,称,称做磁,致,致伸缩,效,效应。,为,为使这,种,种驱动,器,器工作,，,，要将,被,被磁性,线,线圈覆,盖,盖的磁,致,致伸缩,小,小棒的,两,两端固,定,定在两,个,个架子,上,上。当,磁,磁场改,变,变时，,会,会导致,小,小棒收,缩,缩或伸,展,展，这,样,样其中,一,一个架,子,子就会,相,相对于,另,另一个,架,架子产,生,生运动,。,。,第五节,其,其,他,他驱动,器,器,形状记,忆,忆金属,有一种,特,特殊的,形,形状记,忆,忆合金,叫,叫做Biometal （,生,生物金,属,属），,在,在90, 左,右,右，合,金,金的晶,格,格结构,会,会从马,氏,氏体状,态,态变化,到,到奥氏,体,体状态,，,，并因,此,此变短,。,。然而,，,，与许,多,多其他,形,形状记,忆,忆合金,不,不同的,是,是，它,变,变冷时,能,能再次,回,回到马,氏,氏体状,态,态。如,果,果线材,上,上负载,低,低的话,，,，上述,过,过程能,够,够持续,变,变化数,十,十万个,循,循环。,