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1、1 1 1 1机器人技术中国石油大学机械设计系机器人驱动技术你现在浏览的是第一页，共44页驱动方式驱动方式:电力驱动、电力驱动、液压驱动液压驱动、气压驱动、气压驱动、新型驱动等。新型驱动等。电力驱动比例越来越大电力驱动比例越来越大大力量、防爆、精度不高场合大力量、防爆、精度不高场合液压及气动液压及气动你现在浏览的是第二页，共44页71液压驱动液压驱动应用：简易经济型、重型机器人。应用：简易经济型、重型机器人。一、液压系统一、液压系统优优点点：技技术术成成熟熟，动动力力强强，快快速速响响应应，直直接接驱驱动动，防爆，压力高。力量大，上百公斤防爆，压力高。力量大，上百公斤7MPa。缺点：易漏油，油
2、品清洁度要求。缺点：易漏油，油品清洁度要求。你现在浏览的是第三页，共44页你现在浏览的是第四页，共44页你现在浏览的是第五页，共44页你现在浏览的是第六页，共44页你现在浏览的是第七页，共44页节流阀节流阀控制流量，控制速度控制流量，控制速度换向阀换向阀二位二通，二位四通，三位四通二位二通，二位四通，三位四通溢流阀溢流阀控制压力、多余液流溢出。控制压力、多余液流溢出。蓄能器蓄能器稳定压力。稳定压力。油泵油泵油马达：可反向互换作用。常用柱塞油马达：可反向互换作用。常用柱塞泵、齿轮泵、叶片泵。泵、齿轮泵、叶片泵。泵泵液体。离心泵、往复泵液体。离心泵、往复泵常用于非油液常用于非油液体体压缩机压缩机气
3、体。气体。工作原理工作原理液压泵由电动机带动，从油箱中吸油，液压泵由电动机带动，从油箱中吸油，然后将具有压力能的油液输送到管路，油液通过节然后将具有压力能的油液输送到管路，油液通过节流阀和管路流流阀和管路流至换向阀，换向阀的阀芯有不同的工至换向阀，换向阀的阀芯有不同的工作位置。作位置。你现在浏览的是第八页，共44页你现在浏览的是第九页，共44页你现在浏览的是第十页，共44页你现在浏览的是第十一页，共44页二、伺服控制液压系统（二、伺服控制液压系统（servocontrolled）伺服控制伺服控制随动控制（反馈控制），闭环控制系随动控制（反馈控制），闭环控制系统统传感器在线检测，准确控制连续轨迹
4、、速度。传感器在线检测，准确控制连续轨迹、速度。结构复杂，成本高，精度高。结构复杂，成本高，精度高。机器人常用闭环控制系统。机器人常用闭环控制系统。你现在浏览的是第十二页，共44页核心：电液伺服阀。核心：电液伺服阀。工作原理：工作原理：通通过过电电液液转转换换元元件件对对液液动动机机进进行行方方向向、位位置置、速速度控制。度控制。产生与电流成比例关系的液流流量。产生与电流成比例关系的液流流量。该液流驱动油缸或油马达运动。该液流驱动油缸或油马达运动。你现在浏览的是第十三页，共44页你现在浏览的是第十四页，共44页72气压驱动气压驱动工作原理：与液压驱动相似。工作原理：与液压驱动相似。用途：主要用
5、于继电接触器或可编程控制器用途：主要用于继电接触器或可编程控制器PLC控制的开环控制系统。控制的开环控制系统。你现在浏览的是第十五页，共44页优优点点：介介质质为为空空气气，易易获获易易排排，无无污污染染，空空气气粘粘度度小小，压压力力损损失失小小，可可远远距距离离输输送送，集集中中供供气气，比比液液压压响响应应更更快快，动动作作迅迅速速，可可适适合合恶恶劣劣环环境境工工作作。空空气压缩性可过载保护。气压缩性可过载保护。缺缺点点：阻阻尼尼性性差差、驱驱动动功功率率小小，空空气气压压缩缩性性使使得得精确定位困难，难于进行伺服控制。精确定位困难，难于进行伺服控制。主要用于开环控制。主要用于开环控制
6、。设备：气缸、气马达设备：气缸、气马达你现在浏览的是第十六页，共44页73电力驱动电力驱动一、普通交流及直流电动机一、普通交流及直流电动机特特点点：输输出出力力及及力力矩矩大大，控控制制性性能能差差，惯惯性性大大，不不易易准准确确定定位位，需需减减速速传传动动，成成本本低低，维维护护使使用用方方便便，用于速度低、抓重大的专用机器人。用于速度低、抓重大的专用机器人。你现在浏览的是第十七页，共44页1、三相交流电机、三相交流电机（1）交流发电机）交流发电机电刷电刷你现在浏览的是第十八页，共44页（2）三相交流异步电动机）三相交流异步电动机你现在浏览的是第十九页，共44页交流电机性能（与直流电机相比
7、）交流电机性能（与直流电机相比）同功率下，体积小、重量轻，价格低同功率下，体积小、重量轻，价格低启动转矩小启动转矩小调速性调速性A)调频。改变频率调频。改变频率n=60f（1s)/pB)改变定子磁极对数。改变定子磁极对数。C)改变转子电路电阻。改变转子电路电阻。你现在浏览的是第二十页，共44页（3）三相交流同步电动机三相交流同步电动机恒定转速要求情况恒定转速要求情况下下你现在浏览的是第二十一页，共44页2、直流电机（电动机可与发电机互换）、直流电机（电动机可与发电机互换）直流发电机直流发电机整流子整流子你现在浏览的是第二十二页，共44页直流电机性能（与交流电机相比）直流电机性能（与交流电机相比
8、）同功率下，体积大、重量大，价格高同功率下，体积大、重量大，价格高启动转矩大启动转矩大调速性调速性A)改变磁通改变磁通B)改改变变外外电电压压U-需需连连续续可可调调直直流流电电源源，C)改改变电枢电阻变电枢电阻R你现在浏览的是第二十三页，共44页二、控制电机二、控制电机1、步进电机、步进电机原理：原理：电脉冲信号电脉冲信号步进电机步进电机角位移或线位移。角位移或线位移。组成：定子、转子。组成：定子、转子。都由硅钢片等导磁材料组都由硅钢片等导磁材料组成。成。你现在浏览的是第二十四页，共44页某相通电，产生磁场，转子总是试图转到磁阻最小某相通电，产生磁场，转子总是试图转到磁阻最小处。图处。图8-
9、15每步转每步转30。你现在浏览的是第二十五页，共44页如果如果A相先通电，然后相先通电，然后A、B再同时通电，电流相等再同时通电，电流相等则转则转15。你现在浏览的是第二十六页，共44页步进微步。如果每次两相通电，电流不相等时，每步进微步。如果每次两相通电，电流不相等时，每步可转角度与两相电流比例有关，准确控制两相步可转角度与两相电流比例有关，准确控制两相电流，就可以实现步进电机微步距。例如每转可电流，就可以实现步进电机微步距。例如每转可超过超过4000步。步。你现在浏览的是第二十七页，共44页位移控制：输出位移与输入脉冲数成正比。位移控制：输出位移与输入脉冲数成正比。转速控制：脉冲频率决定
10、输出转速。转速控制：脉冲频率决定输出转速。步进电机应用：在负载能力范围内，输出位移及步进电机应用：在负载能力范围内，输出位移及速度不受电压、负载、温度、压力等参数影响。速度不受电压、负载、温度、压力等参数影响。能够正转、反转、速停、无级调速。高精度设能够正转、反转、速停、无级调速。高精度设备。备。本质上是一种低速电机，一旦到达指定位置后就本质上是一种低速电机，一旦到达指定位置后就能保持在那里。最佳工作转速能保持在那里。最佳工作转速50100r/min。低速转动时振动和噪声大，同样功率输出尺寸大低速转动时振动和噪声大，同样功率输出尺寸大于直流电机。输出转矩小。于直流电机。输出转矩小。你现在浏览的
11、是第二十八页，共44页2、伺服电机、伺服电机特点：特点：（1）转转矩矩转转速速大大小小及及方方向向受受控控制制绕绕组组上上信信号号电电压压控控制。制。（2）快速启动与停止（细长，惯性小）。）快速启动与停止（细长，惯性小）。（3）无自转，信号为零，立刻停转。）无自转，信号为零，立刻停转。你现在浏览的是第二十九页，共44页（1）直流伺服电机（应用减少）直流伺服电机（应用减少）电刷电刷原理：与直流电机相同。原理：与直流电机相同。你现在浏览的是第三十页，共44页输入电流（或电压）连续可变。输入电流（或电压）连续可变。激磁回路激磁回路你现在浏览的是第三十一页，共44页转矩及转速受输入电流（电压）信号控制
12、。转矩及转速受输入电流（电压）信号控制。特点：成本低，机器人初期大量采用。电刷易产生特点：成本低，机器人初期大量采用。电刷易产生火花，并对无线电设备干扰。正被交流伺服（无火花，并对无线电设备干扰。正被交流伺服（无刷）电机取代。刷）电机取代。你现在浏览的是第三十二页，共44页（2）交流伺服电机）交流伺服电机（逐步取代直流伺服电机）（逐步取代直流伺服电机）无刷。无刷。90年代起，异军突起。年代起，异军突起。直流电机致命弱点直流电机致命弱点整流子。整流子。成本低廉机器人采用直流伺服电机。成本低廉机器人采用直流伺服电机。你现在浏览的是第三十三页，共44页（3）舵机）舵机最简单的舵机最简单的舵机直流电机
13、直流电机180:1减速器。减速器。转动范围一般特定为转动范围一般特定为60，脉冲比例调制，脉冲比例调制（PPM）。）。你现在浏览的是第三十四页，共44页使用电机一定要研究电机的机械特性和调节特性！使用电机一定要研究电机的机械特性和调节特性！直流电机转矩、转速和功率间的关系你现在浏览的是第三十五页，共44页你现在浏览的是第三十六页，共44页你现在浏览的是第三十七页，共44页你现在浏览的是第三十八页，共44页你现在浏览的是第三十九页，共44页3、直接驱动伺服系统、直接驱动伺服系统DD电机电机直接驱动电机：电动机与负载直接耦直接驱动电机：电动机与负载直接耦合。无传动装置。合。无传动装置。传统电机问题
14、：传统电机问题：转速高、转矩低。因此需减速装置进行降速增矩。转速高、转矩低。因此需减速装置进行降速增矩。而低转速电机磁极对数多，体积大，重量大，减而低转速电机磁极对数多，体积大，重量大，减速器是恒功率减速。速器是恒功率减速。你现在浏览的是第四十页，共44页交流电机变频调速或直流电机可控硅调速，通交流电机变频调速或直流电机可控硅调速，通常是恒转矩调速，亦即转速下降后，转矩恒定，常是恒转矩调速，亦即转速下降后，转矩恒定，不是恒功率。不是恒功率。绝大多数机器是要求低转速、大转矩。因此绝大多数机器是要求低转速、大转矩。因此交流电机变频调速或直流电机可控硅调速时，交流电机变频调速或直流电机可控硅调速时，
15、当转速很低时，工作状况很差。当转速很低时，工作状况很差。你现在浏览的是第四十一页，共44页 DD电机的研制关键是实现电机低速高转矩化。电机的研制关键是实现电机低速高转矩化。直接驱动优势与缺点：直接驱动优势与缺点：省略减速传动系统，机械效率提高，刚度增大，间省略减速传动系统，机械效率提高，刚度增大，间隙消除，惯性减小。隙消除，惯性减小。电机直接安装在各关节处，增大了关节重量。电机直接安装在各关节处，增大了关节重量。你现在浏览的是第四十二页，共44页新型驱动：新型驱动：静电驱动、压电驱动、形状记忆合金驱动器、人工肌静电驱动、压电驱动、形状记忆合金驱动器、人工肌肉、光驱动等。肉、光驱动等。SMA微小型机器人你现在浏览的是第四十三页，共44页本章结束！本章结束！你现在浏览的是第四十四页，共44页