病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程第第6 6章章 驱动控制驱动控制机器人的子系统主要包括：机器人的子系统主要包括：1 处理子系统处理子系统 工作环境、人、将执行的任务环境、其它机器人及工作工作环境、人、将执行的任务环境、其它机器人及工作运动单元；运动单元；2 规划子系统规划子系统 概念的形成、传感信息处理及集成、世界模型的建立、概念的形成、传感信息处理及集成、世界模型的建立、任务模型建立及规划、轨迹规划、避碰、夹持规划等任务模型建立及规划、轨迹规划、避碰、夹持规划等3 控制子系统控制子系统 力学模型、处理模型、坐标传递、开闭环控制等力学模型、处理模型、坐标传递、开闭环控制等 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程4 电气子系统电气子系统 电机、计算机、接口、传感器、动力源等；电机、计算机、接口、传感器、动力源等；5 机械子系统机械子系统 机械臂、手爪、腕、移动车、驱动器、连杆、关节、齿机械臂、手爪、腕、移动车、驱动器、连杆、关节、齿轮、齿条、链条等；轮、齿条、链条等；6 传感子系统传感子系统 内部的：位置、速度、加速度、力、力矩等；内部的：位置、速度、加速度、力、力矩等； 外部的：视觉、接触觉、声觉、化学等。
外部的：视觉、接触觉、声觉、化学等 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程机器人各子系统主要功能为：机器人各子系统主要功能为：1 处理子系统处理子系统 将机器人执行的任务细化成一系列机器人所能够执行的将机器人执行的任务细化成一系列机器人所能够执行的步骤2 规划子系统规划子系统 包含建模、理解处理和规划智能处理过程包含建模、理解处理和规划智能处理过程在建模阶段在建模阶段，，来自传感器的数据用该任务的数学模型融合并形成一个参考来自传感器的数据用该任务的数学模型融合并形成一个参考模型使用这个参考模型，模型使用这个参考模型，理解处理阶段理解处理阶段选择策略以执行该选择策略以执行该任务规划阶段规划阶段将这些策略转换成机器人控制程序将这些策略转换成机器人控制程序3 控制子系统控制子系统 执行上述转换的程序执行上述转换的程序 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程4 电气子系统电气子系统 对于电动驱动器，将来自控制子系统的驱动器数据输入对于电动驱动器，将来自控制子系统的驱动器数据输入给电气子系统。
而一般的液压和气动驱动器一般是由电动控给电气子系统而一般的液压和气动驱动器一般是由电动控制阀控制，也可以用电动驱动器控制方法实现这个子系统制阀控制，也可以用电动驱动器控制方法实现这个子系统也包含计算机、接口和动力源也包含计算机、接口和动力源5 机械子系统机械子系统 这些驱动器驱动机械子系统中的机构以使该机器人在一这些驱动器驱动机械子系统中的机构以使该机器人在一定环境下工作并完成给定的任务定环境下工作并完成给定的任务6 传感子系统传感子系统 机器人和环境参数由传感子系统监测传感器信息被用机器人和环境参数由传感子系统监测传感器信息被用于控制回路的反馈控制，探测危险环境、确定任务是否被正于控制回路的反馈控制，探测危险环境、确定任务是否被正确执行等确执行等 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程§6.1 §6.1 机器人机械系统及构成机器人机械系统及构成（（一）机器人操作臂一）机器人操作臂 模仿人类手臂运动的操模仿人类手臂运动的操作器叫做作器叫做关节臂关节臂 关节臂中所有的关节都关节臂中所有的关节都是是转动关节转动关节。
如图所示的如图所示的PUMA机器机器人就是一种最为普通的关人就是一种最为普通的关节臂 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程（（二）腕部结构二）腕部结构 机器人手臂具有机器人手臂具有3个自由度以到达个自由度以到达空间任意位置，为了描述完整的空间空间任意位置，为了描述完整的空间姿态，要求手腕也要有姿态，要求手腕也要有3个自由度以个自由度以实现空间任意姿态典型的实现空间任意姿态典型的3自由度自由度旋转式机器人手腕类似于人的手，通旋转式机器人手腕类似于人的手，通常用航海术语描述：常用航海术语描述：ROLL(滚动滚动)；；PITCH(俯仰俯仰)；；YAW(偏转偏转)手腕中很少采用滑动关节很少采用滑动关节 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 由由于于手手腕腕设设计计的的复复杂杂性性，，许许多多低低价价值值的的机机器器人人手手腕腕只只有有两两个个自自由由度度典典型型两两个个自自由由度度的的手手腕腕由由圆圆锥锥差差动动齿齿轮轮组组成成，，它它可可以以完完成成R O L L (滚滚动动)、、PITCH(俯仰俯仰)两个动作。
两个动作Mini-Mover 5机器人臂的机器人臂的2自由度腕自由度腕Hobert Motoman 机器人腕机器人腕Cincinnati Milacron 机器人腕机器人腕T3 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 由由于于手手腕腕设设计计的的复复杂杂性性，，许许多多低低价价值值的的机机器器人人手手腕腕只只有有两两个个自自由由度度典典型型两两个个自自由由度度的的手手腕腕由由圆圆锥锥差差动动齿齿轮轮组组成成，，它它可可以以完完成成R O L L (滚滚动动)、、PITCH(俯仰俯仰)两个动作两个动作Mini-Mover 5机器人臂的机器人臂的2自由度腕自由度腕Hobert Motoman 机器人腕机器人腕Cincinnati Milacron 机器人腕机器人腕T3 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程IBM 7665机器人腕结构机器人腕结构Puma 机器人腕机器人腕Cincinnati Milacron 机器人腕机器人腕 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程（（三）末端执行器三）末端执行器 工业机器人的夹持器（末端执行器）可以工业机器人的夹持器（末端执行器）可以粗略地比作人的手，最简单的夹持器是一个粗略地比作人的手，最简单的夹持器是一个带有绕一个公共轴转动的两个手爪的钳子，带有绕一个公共轴转动的两个手爪的钳子，当这样两个手爪相距较近且当（当这样两个手爪相距较近且当（1）所夹持）所夹持的物体要求一定压力以保持物体不致掉落下的物体要求一定压力以保持物体不致掉落下来；（来；（2）对于多指手爪，每一个与物体接）对于多指手爪，每一个与物体接触的关节与物体间都要产生一个作用力，所触的关节与物体间都要产生一个作用力，所有作用于夹持物体上的合力等于零有作用于夹持物体上的合力等于零—多指手多指手爪夹持物体的基本判断准则。
爪夹持物体的基本判断准则 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程末端执行器关键部件：末端执行器关键部件： （（1）末端工具；）末端工具； （（2）手爪快速更换装置；）手爪快速更换装置； （（3）控制功能部分控制功能部分齿轮齿条平行手爪夹持器齿轮齿条平行手爪夹持器柔性工具连接器柔性工具连接器 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程§ 6.2 § 6.2 驱动器驱动器1 驱动器的概念驱动器的概念 如果连杆及关节相当于人的骨骼，那么驱动器相当于人如果连杆及关节相当于人的骨骼，那么驱动器相当于人体肌肉，它通过移动或转动连杆来改变机器人的构型体肌肉，它通过移动或转动连杆来改变机器人的构型2 驱动器的特征驱动器的特征 足够的功率、轻便、经济、精确、灵敏、可靠且便于维足够的功率、轻便、经济、精确、灵敏、可靠且便于维护3 常用驱动器常用驱动器 电动机、伺服电机、步进电机、直接驱动电动机、液压电动机、伺服电机、步进电机、直接驱动电动机、液压驱动器、气动驱动器、形状记忆金属驱动器、磁致伸缩驱动驱动器、气动驱动器、形状记忆金属驱动器、磁致伸缩驱动器。
器 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程6.2.1 驱动系统的性能驱动系统的性能（一）（一）重量、功率重量、功率-重量比和工作压强重量比和工作压强 驱动系统的重量及功率驱动系统的重量及功率-重量比至关重要，我们可以利用功重量比至关重要，我们可以利用功率率/重量来评价一个驱动系统重量来评价一个驱动系统 气动系统的功率气动系统的功率-重量比最低重量比最低 电子系统的功率电子系统的功率-重量比属中等水平重量比属中等水平 同样功率情况下，步进电机通常比伺服电机重，具有较低同样功率情况下，步进电机通常比伺服电机重，具有较低的功率的功率-重量比（电机压力越高，功率重量比（电机压力越高，功率-重量比也越高）重量比也越高） 液压系统具有最高的液压系统具有最高的 注意：对液压系统，重量由液压驱动器和液压功率源两部分注意：对液压系统，重量由液压驱动器和液压功率源两部分（驱动器起到驱动机器人关节的作用，而后者起到提供能量的（驱动器起到驱动机器人关节的作用，而后者起到提供能量的作用）组成。
同时对于液压系统来说，工作压强越高，功率越作用）组成同时对于液压系统来说，工作压强越高，功率越大，维护越困难，越易产生危险大，维护越困难，越易产生危险 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程（二）刚度和柔性（二）刚度和柔性定义定义 刚度是材料对抗变形的阻抗，柔度正好与之相对刚度越刚度是材料对抗变形的阻抗，柔度正好与之相对刚度越大，使它变形所需的负载越大，柔性越大，在负载作用下越大，使它变形所需的负载越大，柔性越大，在负载作用下越容易变形容易变形影响刚度和柔度的因素影响刚度和柔度的因素 弹性模量越大，刚度越大如液压系统弹性模量大，刚性弹性模量越大，刚度越大如液压系统弹性模量大，刚性好；气动系统很容易压缩，柔性好好；气动系统很容易压缩，柔性好对系统的影响对系统的影响 刚性系统对变化负载和压力响应快，精度高，在负载作用刚性系统对变化负载和压力响应快，精度高，在负载作用下弯曲或变形小，对位置保持精度高但刚性系统易损坏下弯曲或变形小，对位置保持精度高但刚性系统易损坏 我们必须在这两个矛盾的性能之间进行平衡。
我们必须在这两个矛盾的性能之间进行平衡 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程（三）减速齿轮的使用（三）减速齿轮的使用 液压活塞只做很小的移动便可输出全部的力因此没液压活塞只做很小的移动便可输出全部的力因此没有必要用减速齿轮链来增大力矩并使操作速度降低因此，有必要用减速齿轮链来增大力矩并使操作速度降低因此，将驱动装置直接安装在机器人连赶上，就能简化设计、降将驱动装置直接安装在机器人连赶上，就能简化设计、降低系统重量和成本、降低关节的转动惯量和间隙、提高系低系统重量和成本、降低关节的转动惯量和间隙、提高系统的可靠性和降低噪声统的可靠性和降低噪声 电机通常以很高速度旋转，显然人们不希望机器臂的电机通常以很高速度旋转，显然人们不希望机器臂的速度也这么高，因此必须设置减速齿轮同时也增加了成速度也这么高，因此必须设置减速齿轮同时也增加了成本和零件数，以及间隙和旋转体的转动惯量而且因为连本和零件数，以及间隙和旋转体的转动惯量而且因为连杆可以转动很小的角度，因此使用齿轮也增加了系统的分杆可以转动很小的角度，因此使用齿轮也增加了系统的分辨率。
辨率 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程我们假设通过一组减速比为我们假设通过一组减速比为N的减速齿轮将惯量为的减速齿轮将惯量为 的的负载连在惯量负载连在惯量 （包括减速齿轮的惯量（包括减速齿轮的惯量)的电机上，如的电机上，如下图所示：下图所示： 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程电机及负载上的力矩及速度比为：电机及负载上的力矩及速度比为：列出系统的力矩平衡方程，可得：列出系统的力矩平衡方程，可得：式中式中 和和 分别为电机和负载的粘性摩擦系数分别为电机和负载的粘性摩擦系数从方程可以看出，负载在电机轴上的有效转动惯量从方程可以看出，负载在电机轴上的有效转动惯量与减速比的平方成反比，即：与减速比的平方成反比，即： 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 因此，电机仅因此，电机仅“感觉到感觉到”负载实际惯量的负载实际惯量的一部分例如，假设关节使用了减速比为一部分。
例如，假设关节使用了减速比为10的的减速器，那么折合到电机轴上的转动惯量仅为减速器，那么折合到电机轴上的转动惯量仅为实际转动惯量实际转动惯量1/100，因此电机可以快速加速因此电机可以快速加速 在直接驱动系统中，无论是电气驱动还是在直接驱动系统中，无论是电气驱动还是液压驱动，电机都必须承受全部惯性负载当液压驱动，电机都必须承受全部惯性负载当减速比很大时，可以忽略机器人控制系统中负减速比很大时，可以忽略机器人控制系统中负载转动惯量的影响载转动惯量的影响 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程例例 如下图所示，一电机连接到一质量均匀分布的机如下图所示，一电机连接到一质量均匀分布的机械臂上，在机械臂末端有一集中质量块，该电机的转械臂上，在机械臂末端有一集中质量块，该电机的转子转动惯量为子转动惯量为 ，最大力矩为，最大力矩为 忽略系统忽略系统中减速齿轮对的惯量和粘性摩擦，分别对减速比为：中减速齿轮对的惯量和粘性摩擦，分别对减速比为：(a)3, (b)30两种情况，计算折算到电机轴上的总惯两种情况，计算折算到电机轴上的总惯量和可能达到的最大角速度。
量和可能达到的最大角速度 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程解：该例非常类似于机器人臂和伺服电机驱动器，该解：该例非常类似于机器人臂和伺服电机驱动器，该手臂和集中质量块在旋转中心上的总转动惯量为：手臂和集中质量块在旋转中心上的总转动惯量为： 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程§6.3 §6.3 液压驱动器液压驱动器特点：特点： 功率功率-重量比高，低速时出力大，适合微处理器及电子重量比高，低速时出力大，适合微处理器及电子控制，常用于极端恶劣的外部环境存在泄漏问题，功控制，常用于极端恶劣的外部环境存在泄漏问题，功率单元非常笨重昂贵率单元非常笨重昂贵相关计算：相关计算： 直线液压缸能输出巨大的力，其大小为直线液压缸能输出巨大的力，其大小为F=P×A磅，式磅，式中中A代表活塞的有效面积，代表活塞的有效面积，P为工作压强例如，工作压为工作压强例如，工作压强为强为1000psi，也就是液压缸每平方英寸产生，也就是液压缸每平方英寸产生1000磅的磅的力。
对于旋转液压缸，其原理是相同的，只是输出的是力对于旋转液压缸，其原理是相同的，只是输出的是力矩：力矩： 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 式中式中p是液体压强，是液体压强，t是旋转液压缸的厚度或宽度，是旋转液压缸的厚度或宽度，r1和和r2分分别是旋转液压缸的内径和外径别是旋转液压缸的内径和外径 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程液压系统中的所需液体的流速和容量为：液压系统中的所需液体的流速和容量为： 式中式中dx表示期望的位移，表示期望的位移， 是期望的活塞速度显是期望的活塞速度显然，通过控制流入液压缸的液体容量，就可以控制然，通过控制流入液压缸的液体容量，就可以控制总位移通过控制液体流入的流速，就可控制活塞总位移通过控制液体流入的流速，就可控制活塞的速度伺服阀可用来控制液体的容量和速度伺服阀可用来控制液体的容量和速度 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程液压系统的组成部分：液压系统的组成部分：直线或旋转液压缸和活塞直线或旋转液压缸和活塞——产生驱动关节的力和力矩产生驱动关节的力和力矩高压液压泵高压液压泵——提供高压液体提供高压液体电机电机——驱动液压泵驱动液压泵冷却系统冷却系统——系统散热系统散热储液箱储液箱——储存系统所用的液体储存系统所用的液体伺服阀伺服阀——控制流向活塞的液量和流速控制流向活塞的液量和流速安全阀安全阀——系统的安全保障系统的安全保障连接管路连接管路——将高压液输送至活塞或流回储液箱将高压液输送至活塞或流回储液箱传感器传感器——控制控制液压缸的运动控制控制液压缸的运动 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程液压系统及它的组成部件示意图液压系统及它的组成部件示意图 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 下图是平衡阀，也就是说两边的压强相等，于是即使它下图是平衡阀，也就是说两边的压强相等，于是即使它两边压强很高，也只需要很小的力就可以使滑柱运动。
两边压强很高，也只需要很小的力就可以使滑柱运动 滑柱上下运动，就滑柱上下运动，就打开了注液口和回液打开了注液口和回液口，根据阀门开度大口，根据阀门开度大小可对注入液体的流小可对注入液体的流速进行控制，根据阀速进行控制，根据阀门开度大小可对注入门开度大小可对注入液体的流速进行控制，液体的流速进行控制，同时也就控制了活塞同时也就控制了活塞速度 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 依据阀门打开的时间，可以控制注入液压缸的总依据阀门打开的时间，可以控制注入液压缸的总液量，即活塞的总行程液量，即活塞的总行程 q=Cx以及以及q(dt)=d(vol)=A(dy) 式中式中q是流速，是流速，C为常数，为常数，x代表滑柱的位移，代表滑柱的位移，A为活塞的面积，为活塞的面积，y为活塞的位移，我们将两式联立，为活塞的位移，我们将两式联立，并设并设d/dt为为D,则有：则有： Cx(dt)=A(dy)和和 上式表明液压伺服电机是一个积分器上式表明液压伺服电机是一个积分器 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 柱阀由伺服电机控制，伺服电机的柱阀由伺服电机控制，伺服电机的控制指控制指令令来自于来自于控制器控制器，，控制器控制器通过控制伺服电机通过控制伺服电机的的电流大小电流大小以及以及电流的持续时间电流的持续时间以达到控制以达到控制滑柱位置滑柱位置的目的。
的目的 于是，对机器人来说，当控制器计算出关于是，对机器人来说，当控制器计算出关节的节的移动量移动量和和移动速度移动速度时，控制器就设定伺时，控制器就设定伺服电机的服电机的控制电流控制电流和和电流的持续时间电流的持续时间，它们，它们用来控制柱阀的用来控制柱阀的位置位置和和运动速度运动速度，也就控制，也就控制了了液体流动液体流动及及注入液压缸的流速注入液压缸的流速，进而由液，进而由液压缸来驱动压缸来驱动关节关节传感器向控制器提供传感器向控制器提供反馈反馈信息信息以实现精确性和连续性的控制以实现精确性和连续性的控制 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 柱阀在打开位置的示意图柱阀在打开位置的示意图活塞运动方向取决于所打开的回流活塞运动方向取决于所打开的回流/柱入口柱入口 下图给出了当柱阀向上或向下移动时液体的流下图给出了当柱阀向上或向下移动时液体的流向，可以看出，只要柱阀简单移动一下就可控制活向，可以看出，只要柱阀简单移动一下就可控制活塞的运动塞的运动 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 如果我们在如果我们在阀上增加电子阀上增加电子或机械反馈，或机械反馈，就可给伺服阀就可给伺服阀提供反馈。
提供反馈具有比例反馈液压系统方块图具有比例反馈液压系统方块图 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程液压驱动的其他设计方案：液压驱动的其他设计方案： 1）以）以IBM7565机器人制造系统为例，机器人的机器人制造系统为例，机器人的三个线性关节分别由直线液压电机驱动每个直线三个线性关节分别由直线液压电机驱动每个直线电机由一组共四个小液压活塞组成，它们沿波浪式电机由一组共四个小液压活塞组成，它们沿波浪式表面按一定次序缩进或伸出表面按一定次序缩进或伸出 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程IBM7565机器人的直线液压电机机器人的直线液压电机 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 2）另外一种驱动器模仿了生物肌肉，当球胆中的）另外一种驱动器模仿了生物肌肉，当球胆中的压力增大时，球胆变圆，使抗剪护套膨胀并变短压力增大时，球胆变圆，使抗剪护套膨胀并变短 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程原理：原理： 使用压缩空气做气源驱动直线或旋转气缸，并用人工或使用压缩空气做气源驱动直线或旋转气缸，并用人工或电磁阀进行控制。
电磁阀进行控制 特点：特点： 1）惯性负载低（压缩空气和运动的驱动器分离））惯性负载低（压缩空气和运动的驱动器分离） 2）功率）功率-重量低（气动装置的工作压强低）重量低（气动装置的工作压强低）主要问题：主要问题： 气动装置通常仅用于插入操作，驱动器要么完全向前要气动装置通常仅用于插入操作，驱动器要么完全向前要么完全退后，此外，气动装置也可以用在全开或全关的半么完全退后，此外，气动装置也可以用在全开或全关的半自由度关节，但是要控制气缸的精确位置非常困难自由度关节，但是要控制气缸的精确位置非常困难§6.4 §6.4 气动装置气动装置 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程原理：原理： 带电的导线放入磁场时将会产生力，力的方向垂直带电的导线放入磁场时将会产生力，力的方向垂直于由磁场和电流方向所成的平面若导线有一旋转中于由磁场和电流方向所成的平面若导线有一旋转中心点，那么产生的转矩将使导线绕该旋转中心旋转心点，那么产生的转矩将使导线绕该旋转中心旋转改变磁场或电流的方向可使它绕旋转中心连续旋转。
改变磁场或电流的方向可使它绕旋转中心连续旋转§6.5 §6.5 电动机电动机 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程电动机类型：电动机类型：●直流电动机直流电动机●可逆交流电动机可逆交流电动机●无刷直流电动机无刷直流电动机●步进电动机步进电动机按磁场的产生分类：按磁场的产生分类：●永磁电机永磁电机●励磁电机励磁电机 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程常见电机介绍常见电机介绍一一 直流电机直流电机原理：原理： 用固定永磁体产生静止磁场，通过连续改变转子中的电用固定永磁体产生静止磁场，通过连续改变转子中的电流方向使转子持续旋转流方向使转子持续旋转反之，如果转子在磁场中旋转，则产生直流电，成为反之，如果转子在磁场中旋转，则产生直流电，成为发电机力矩计算公式：力矩计算公式：缺点：缺点：惯量高，尺寸大惯量高，尺寸大为克服上述缺为克服上述缺点，常用盘式点，常用盘式或空心杯电机或空心杯电机右图所示为盘右图所示为盘式电机式电机 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程二二 交流电机交流电机原理：原理：在直流电机的基础上将转子改为永磁体，定子内设置绕组，在直流电机的基础上将转子改为永磁体，定子内设置绕组，取消所有换向器。
取消所有换向器特点：特点：额定转速额定转速(转子极数和电源频率的函数转子极数和电源频率的函数)、电源频率、电源频率(60Hz)固定由于其更容易散热，所以功率可以很大由于其更容易散热，所以功率可以很大三三 无刷直流电机无刷直流电机 交流电机和直流电机的混合体，使用开关直流波形，交流电机和直流电机的混合体，使用开关直流波形，但不一定是但不一定是60Hz可以工作在任意速度，需要一个反馈可以工作在任意速度，需要一个反馈来决定何时改变电流方向由控制电路控制运行，若直接来决定何时改变电流方向由控制电路控制运行，若直接接在直流电源上则不会运转接在直流电源上则不会运转 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程四四 直接驱动电机直接驱动电机 在无刷直流电机或步进电机的基础上被设计成在低速时在无刷直流电机或步进电机的基础上被设计成在低速时能输出很大的力矩并具有很高的分辨率一般可直接用在能输出很大的力矩并具有很高的分辨率一般可直接用在关节上，无需减速齿轮，但是很贵而且很笨重关节上，无需减速齿轮，但是很贵而且很笨重五五 伺服电机伺服电机 定义：定义：通过改变电流（或相应的电压），可以在期望点通过改变电流（或相应的电压），可以在期望点上维持转速上维持转速-力矩的平衡的系统叫做伺服电机。
力矩的平衡的系统叫做伺服电机输出力矩：输出力矩： KT为力矩常数，为力矩常数，Tf为摩擦力矩，为摩擦力矩，nKD为粘性阻尼力矩为粘性阻尼力矩, TL为负载力矩为负载力矩 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程原理：原理：伺服电机是指带有反馈的直流电机、交流电机、无刷电伺服电机是指带有反馈的直流电机、交流电机、无刷电机或者步进电机，他们通过控制以期望的转速（和相应地期望机或者步进电机，他们通过控制以期望的转速（和相应地期望转矩）运动到达期望转角转矩）运动到达期望转角反馈：反馈：反馈装置向伺服电机控制器发送信号，提供电机的角度反馈装置向伺服电机控制器发送信号，提供电机的角度和速度伺服电机的反馈环节离不开各种传感器，包括编码器、和速度伺服电机的反馈环节离不开各种传感器，包括编码器、旋转变压器、电位器和转速计等旋转变压器、电位器和转速计等伺服电机控伺服电机控制器原理图制器原理图 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程六六 步进电机步进电机 每次转动步进角度已知，一般使用时不需每次转动步进角度已知，一般使用时不需要反馈。
要反馈 大多数步进电机可以通过不同的连接方式大多数步进电机可以通过不同的连接方式运动于不同的工作模式下运动于不同的工作模式下 步进电机直接接通电源不会旋转只有当步进电机直接接通电源不会旋转只有当电流通过不同的绕组使磁场旋转时，步进电电流通过不同的绕组使磁场旋转时，步进电机才会旋转机才会旋转 步进电机通电而不旋转时，本身力矩最大，步进电机通电而不旋转时，本身力矩最大，叫做叫做保持力矩保持力矩 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程（一）、工作原理（一）、工作原理 步进电机定子上有两组线圈，转子为一对步进电机定子上有两组线圈，转子为一对永磁体当给定子线圈加电时，转子将旋转永磁体当给定子线圈加电时，转子将旋转到与定子磁场一致的方向（到与定子磁场一致的方向（注意极性、两组注意极性、两组同时通电半步状态、开关次序决定的方向同时通电半步状态、开关次序决定的方向） 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程每次旋转的角度都等于步矩角，每次旋转的角度都等于步矩角，步矩角可以从步矩角可以从180°到小至不到到小至不到1°变化（本例是变化（本例是90°）。
接着，当）接着，当切断第二组线圈时，第一组线圈切断第二组线圈时，第一组线圈再一次接通，但是极性相反，这再一次接通，但是极性相反，这将使转子沿同样的方向又转了一将使转子沿同样的方向又转了一步这个过程在关断一组线圈并步这个过程在关断一组线圈并接通另一组线圈时保持继续，经接通另一组线圈时保持继续，经过四步就使转子转回到原来的初过四步就使转子转回到原来的初始位置现在假设在第一步结束始位置现在假设在第一步结束时，不是切断第一组线圈并接通时，不是切断第一组线圈并接通第二组线圈，而是接通两组线圈第二组线圈，而是接通两组线圈的电源此时，转子将仅旋转的电源此时，转子将仅旋转45°，和最小磁阻方向一致和最小磁阻方向一致 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 此后，此后，如果关断第一组线圈的电源，而如果关断第一组线圈的电源，而 第二第二组线圈的电源继续保持接通状态，转子将再次转组线圈的电源继续保持接通状态，转子将再次转过过45°这叫做半步运行这叫做半步运行，包括一个八拍运动序列包括一个八拍运动序列 当然，如果开关次序是相反的，转子就以相当然，如果开关次序是相反的，转子就以相反的方向旋转。
在整步运行时，大多数工业步进反的方向旋转在整步运行时，大多数工业步进电机的步距角在电机的步距角在1.8°～～7.5°之间显然，之间显然，为了减为了减少步距，可以增加极数少步距，可以增加极数，然而，极数有物理上的，然而，极数有物理上的限制为了进一步增加每转的步数，在转子和定限制为了进一步增加每转的步数，在转子和定子上加工数量不同的持久可以产生卡尺相似的效子上加工数量不同的持久可以产生卡尺相似的效果例如，果例如，在转子上加工在转子上加工5050个齿，在定子上加工个齿，在定子上加工4040个齿将产生个齿将产生1.8°1.8°的步距角，即每转步进的步距角，即每转步进200200步 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程（一）（一） 杯状电机杯状电机 杯状电机定子和转子杯状电机定子和转子结构特点：结构特点：结构扁平，常用于垂向间隙小的场合结构扁平，常用于垂向间隙小的场合 转子是带有相间条状转子是带有相间条状N极、极、S极磁体的圆柱形，通极磁体的圆柱形，通常由嵌入磁铁与塑料制成常由嵌入磁铁与塑料制成杯状电机转子示意图杯状电机转子示意图 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程定子由四个定子由四个杯罩组成杯罩组成结构：结构：中心抽头式的结构允中心抽头式的结构允许通过让不同的半边许通过让不同的半边线圈通电来改变磁场线圈通电来改变磁场极性极性 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程线圈通电顺序线圈通电顺序通电序通电序列变换列变换对应的对应的磁极极磁极极性变换性变换 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程（二）（二） 混合式步进电机混合式步进电机结构：结构：通常由两个绕组组成，带有四个磁极，定子通常由两个绕组组成，带有四个磁极，定子和转子磁极上都加工有小齿。
和转子磁极上都加工有小齿混合式步进电机混合式步进电机混合式步进电机转子混合式步进电机转子 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程工作原理：工作原理： 混合式步进电机其工作原理为：对每一步，转子只能旋混合式步进电机其工作原理为：对每一步，转子只能旋转大小等于定子、转子分度偏差的角度转大小等于定子、转子分度偏差的角度 当定子磁极有当定子磁极有40个齿、而转子上有个齿、而转子上有50个齿时，一步为：个齿时，一步为： 如图转子仅有如图转子仅有3个齿、定子仅有个齿、定子仅有4个齿，转子一步个齿，转子一步30°，，继续同样的通电序列将使转子旋转继续同样的通电序列将使转子旋转 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 如果反方向改变序列将使转子朝相反的方如果反方向改变序列将使转子朝相反的方向旋转控制序列越快将使转子旋转越快控制序列越快将使转子旋转越快所以通过控制通电序列的方向及速度，就可所以通过控制通电序列的方向及速度，就可以控制转子的运动和角速度。
以控制转子的运动和角速度步进电机的步进电机的速度速度——力力矩特性矩特性 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程（三）步进电机的速度（三）步进电机的速度—力矩特性力矩特性 只要电机负载小于它能输出的力矩，电只要电机负载小于它能输出的力矩，电机就不会丢步，给一个脉冲走一步如果机就不会丢步，给一个脉冲走一步如果负载过大负载过大，或者，或者给定转速给定转速超过电机能力，超过电机能力，步进电机将会步进电机将会丢步丢步，以后所有位置都错误，以后所有位置都错误 高速时性能差高速时性能差的原因是：第一，运行每的原因是：第一，运行每一步，转子必须先加速、恒速、再减速；一步，转子必须先加速、恒速、再减速；第二，定子交替磁场的变化，过快产生的第二，定子交替磁场的变化，过快产生的反电势磁通有阻止转子旋转的趋势反电势磁通有阻止转子旋转的趋势 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 （四）微步距步进电机（四）微步距步进电机 不是突然接通或关断线圈，而是按照一不是突然接通或关断线圈，而是按照一定规律逐渐达到最大电流或下降到零。
定规律逐渐达到最大电流或下降到零 例如：对一步进电机，开始假设线圈例如：对一步进电机，开始假设线圈A接通，线圈接通，线圈B关断；在整步运行时，下一关断；在整步运行时，下一序列就是序列就是A关断，关断，B接通 如果将这样一个过程分为如果将这样一个过程分为100步，下一步，下一过程是线圈过程是线圈A接通接通99%，线圈，线圈B接通接通1%于是转子微微转一小点，于是转子微微转一小点，1%的步距角的步距角然后依次变化然后依次变化1%，直至，直至A关断，关断，B接通 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程优点优点：： 微步距磁通变化不是突然的，反电动势微步距磁通变化不是突然的，反电动势较小较小—性能提高（输出力矩更大、无丢步性能提高（输出力矩更大、无丢步现象、最大转速更高）现象、最大转速更高）缺点缺点：： 驱动器成本较高驱动器成本较高 微步距一般不是将每步分成若干线性微步距一般不是将每步分成若干线性等分，而是按正弦波考虑等分，而是按正弦波考虑 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程（五）步进电机控制（五）步进电机控制 1、微处理器直接驱动、微处理器直接驱动—微处理器直接控制加微处理器直接控制加在绕组上的电压。
在绕组上的电压 其实质是通过顺序开其实质是通过顺序开关输出端口来控制步进关输出端口来控制步进电机绕组中的电流根电机绕组中的电流根据绕组通电序列不同，据绕组通电序列不同，步进电机可以朝正反两步进电机可以朝正反两个方向旋转此时需要个方向旋转此时需要四个输出端口驱动步进四个输出端口驱动步进电机 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 2、专用集成电路控制步进电机运动如、专用集成电路控制步进电机运动如图所示，微处理器给脉冲分配器图所示，微处理器给脉冲分配器11脚提供脉脚提供脉冲串，脉冲分配器自动为每个脉冲产生控制冲串，脉冲分配器自动为每个脉冲产生控制步进电机的序列为了控制旋转方向，脉冲步进电机的序列为了控制旋转方向，脉冲分配器第分配器第14引脚的电平必须由高到低或由低引脚的电平必须由高到低或由低到高 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程§6.6 电机的微处理器控制电机的微处理器控制 微处理器微处理器—数字设备（数字设备（-0.8V—低即低即“0”；；+2.4V—高即高即“1”）。
只能读入或输出）只能读入或输出“0” 和和“1” 必须使用模数转换器（必须使用模数转换器（ADC）和数模转换器）和数模转换器（（DAC）） 每每4个二进制位称做字（个二进制位称做字（word），每），每8个二进制位称个二进制位称做节（做节（byte）随位数增加，变量数以）随位数增加，变量数以2n增加 读读0~5V；；有一个二进制位端口有一个二进制位端口：：0或或5V；； 有两个二进制位端口有两个二进制位端口：：0、、1.67、、3.34、、5V；； 有四个二进制位端口有四个二进制位端口：：0、、0.33、、0.67┄ ┄ 、、5V 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程脉宽调制脉宽调制 用基本连续的电压控制伺服电机，需要许多输用基本连续的电压控制伺服电机，需要许多输出口或位来得到高的分辨率直接做代价昂贵，出口或位来得到高的分辨率直接做代价昂贵，在需要量大时难以实现在需要量大时难以实现 脉宽调制：通过改变开关的时间，改变平均有脉宽调制：通过改变开关的时间，改变平均有效电压即调节开通时间占空比）效电压。
即调节开通时间占空比）由于端口开关频率比电机转由于端口开关频率比电机转子自然频率快许多，所以对子自然频率快许多，所以对电机性能几乎没有影响电机性能几乎没有影响 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程§6.7 §6.7 形状记忆合金形状记忆合金特性：特性：在某一温度，合金的晶格结构会从马氏体状态在某一温度，合金的晶格结构会从马氏体状态变化到奥氏体状态，并因此变短变冷时，能再次回变化到奥氏体状态，并因此变短变冷时，能再次回到马氏体状态到马氏体状态缺点：缺点：应变发生在一个很小的温度范围，除了在开关应变发生在一个很小的温度范围，除了在开关情况下，精确控制拉力很困难，同时也很难控制位移情况下，精确控制拉力很困难，同时也很难控制位移带有生物金属线驱动带有生物金属线驱动器的三指末端执行器器的三指末端执行器 。