机器人应用技术——机器人驱动系统

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1、,机器人应用技术,大连职业技术学院 董春利,Compiled by: Dong Chunli,课前提问,机器人行走机构有哪些部分组成？主要作用有哪些？ 机器人行走机构有哪几类？各有什么特点？ 车轮式行走机构有几种轮行？取决于哪些因素？ 车轮式行走机构的轮数有哪几种？ 四轮式机构的驱动和转向方式有哪几种？ 车轮式行走机构能否实现上楼梯？如何实现？ 履带式行走机构有哪些部分组成？ 履带式行走机构的形状有几种？ 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？ 足式行走机构与履带式行走机构比较有什么优势和劣势？ 足的数目有哪些种类？足的配置有哪些种类？ 足的主平面安排有哪几类？ 足的几何构型有哪

2、几类？ 足的相对方位有哪几类？,dongcl,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,dongcl,机器人应用技术,4.1 机器人的驱动系统概述,一、驱动方式 二、驱动元件 三、驱动机构 四、制动器,Compiled by: Dong Chunli,Compiled by: Dong Chunli,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 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,机器人的驱动方式主要分为直接驱动和间

3、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,1关节与关节驱动 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 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。 关节由回转轴、轴承和驱动机构组成。,Compiled by: Dong Chunli,一、驱动方式,（2）移动关节 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。 一般要求机器

4、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。 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,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 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，控制性能比较好。 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， 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 力矩电机，采用了非线性主要因素的

5、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 Chunli,2. 关节直接驱动方式,Compiled by: Dong Chunli,直接驱动机器人也叫作DD机器人(Direct drive robot)，简称DDR DD机器人一般指驱动电机通过机械接口直接与关节连接 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、驱动方式,2. 关节直接驱动方式,Compiled by: Dong Chunli,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

6、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,2. 关节直接驱动方式,Compiled by: Dong Chunli,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 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,2. 关节直接驱动方式,Compiled by: Dong Chunli,DD机器人目前主要存在的问题 载荷变化

7、、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 对位置、速度的传感元件提出了相当高的要求 需开发小型实用的DD电机 电机成本高,一、驱动方式,2. 关节直接驱动方式,Compiled by: Dong Chunli,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，所以需配以大速比减速装置，进行间接传动 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,2. 关节直接驱动方式,一、驱动方式,3间接驱动方式 间接驱动方式是把驱动器的动力经过减速器或

8、钢丝绳、皮带、平行连杆等装置后传递给关节。 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,（1）带减速器的电机驱动 目前大部分机器人的关节是间接驱动。 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，所以需配以大速比减速装置 ；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。 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。 由于手臂通常采用悬臂梁结构，所以多自由度机器人关

9、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,（2）远距离驱动 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。 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。 远距离驱动的优点在于 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。 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 Chunli,Compiled by: Dong Chunli,二、驱动元件,机器人关节的驱动

10、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，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,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

11、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

12、也比液压元件低。,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,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。

13、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,3. 电机驱动元件,Compiled by: Dong Chunli,驱动元件的特点,二、驱动元件,Compiled by:

14、 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,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缸作为动力源

15、，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,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，还必须增加直线驱动系统

16、。 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,2.旋转驱动机构,Compiled by: Dong Chunli,机器人常用的传动方式,Compiled by: Dong Chunli,Compiled 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，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,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