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1、机器人技术基础机器人技术基础机器人技术基础机器人技术基础机器人的动力驱动系统（1）驱动系统概述机器人技术基础机器人技术基础目 录/CONTENTS01 动力驱动系统简介02 驱动方式比较机器人技术基础机器人技术基础一、动力驱动系统简介1.动力驱动系统的作用 动力驱动系统是用来使机器人发出动作的动力机构。驱动器能将一些电能、液压能和气压能转化为机械能，也就是机器人的动力。机器人的运动主要分为关节转动和直线移动，因此动力驱动系统也可以通过各种方式提供对应的运动。机器人技术基础机器人技术基础一、动力驱动系统简介2.机器人驱动系统的要求1）驱动装置的质量尽可能要轻。单位质量的输出功率要高，效率高。2）
2、反应速度要快。要求力质量比和力矩转动惯量比要大。3）动作平滑，不产生冲击。4）控制灵活，位移偏差和速度偏差小。5）安全可靠。6）操作维修方便。机器人技术基础机器人技术基础一、动力驱动系统简介3.机器人驱动方式 直接驱动方式是指驱动器的输出轴和机器人手臂的关节轴直接相连的方式。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。然而，为了直接驱动手臂的关节，驱动器的输出转矩必须很大。此外，由于不能忽略动力学对手臂运动的影响，控制系统还必须考虑到手臂的动力学问题。直接驱动直接驱动机器人技术基础机器人技术基础一、动力驱动系统简介3.机器人驱动方式 使用这
3、样的直接驱动方式的机器人通常称为DD机器人(direct drive robot，DDR)。DD机器人驱动电动机通过机械接口直接与关节连接，驱动电动机和关节之间没有速度和转矩的转换。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。直接驱动直接驱动机器人技术基础机器人技术基础一、动力驱动系统简介3.机器人驱动方式直接驱动直接驱动 高输出转矩的驱动器有油缸式液压装置和力矩电动机等，其中液压装置在结构和摩擦等方面的非线性因素很强，所以很难体现出直接驱动的优点。因此，在20世纪80年代所开发的力矩电动机采用了非线性的轴承机械系统，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）。图图4
4、-1 4-1 直接驱动的关节实例直接驱动的关节实例机器人技术基础机器人技术基础一、动力驱动系统简介3.机器人驱动方式 间接驱动方式是把驱动器的动力经过减速器、钢丝绳、传送带或平行连杆等机械传动装置后传递给关节。间接驱动方式包含带减速器的电动机驱动和远距离驱动f方式两种。目前绝大部分机器人的关节是间接驱动。间接驱动间接驱动机器人技术基础机器人技术基础一、动力驱动系统简介3.机器人驱动方式 中小型机器人一般采用普通的直流伺服电动机、交流伺服电动机或步进电动机，由于电动机速度较高，输出转矩又小于驱动关节所需要的转矩，所以必须使用带减速器的电动机驱动。但是，间接驱动带来了机械传动中不可避免的误差，引起
5、冲击振动，影响机器人系统的可靠性，并增加关节重量和尺寸。由于手臂通常采用悬臂梁结构，因而多自由度机器人关节上安装减速器会使手臂根部关节驱动器的负载增大。间接驱动间接驱动机器人技术基础机器人技术基础一、动力驱动系统简介3.机器人驱动方式 远距离驱动将驱动器与关节分离，目的在于减少关节体积、减轻关节重量。一般来说,驱动器的输出转矩都远远小于驱动关节所需要的转矩,因而也需要通过减速器来增大驱动力。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位置。由于机器人手臂都采用悬臂梁结构,因而远距离驱动是减轻位于手臂根部关节驱动器负载的一种措施。间接驱动间接驱动机器人技术基础机
6、器人技术基础一、动力驱动系统简介4.驱动元件 驱动元件是执行装置，就是按照信号的指令，将来自电、液压和气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的装置。按照利用的能源来分，驱动元件主要分为电动执行装置、液压执行装置和气压执行装置。按关节运动方式分，机器人关节的驱动又可分为直线驱动装置、旋转驱动装置和行走驱动装置。机器人技术基础机器人技术基础一、动力驱动系统简介4.驱动元件 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的活塞产生，也可以采用齿轮齿条、丝杠螺母等传动方式把旋
7、转运动转换成直线运动。直线驱动机构直线驱动机构机器人技术基础机器人技术基础一、动力驱动系统简介4.驱动元件 旋转驱动机构旋转驱动机构 多数普通电动机和伺服电动机都能够直接产生旋转运动，但其输出转矩比所需要的转矩小，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，以获得较大的转矩。有时也采用直线液压缸或直线气缸作为动力源，这就需要把直线运动转换成旋转运动。由于旋转驱动具有旋转轴强度高、摩擦小、可靠性好等优点，因此在结构设计中较多采用。机器人技术基础机器人技术基础一、动力驱动系统简介4.驱动元件 在行走机构关节中，完全采用旋转驱动实现关节伸缩时，旋转运动虽然也能转化得
8、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。为了提高着地点选择的灵活性，还必须增加直线驱动系统。因此，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。行走驱动机构行走驱动机构机器人技术基础机器人技术基础二、机器人驱动系统的比较 根据能量转换方式，将驱动器划分为液压驱动、气压驱动、电气驱动和新型驱动装置。前三种在目前来说比较常见，但它们又各有优缺点，下面就来比较一下液压驱动、气压驱动、电气驱动各自的优缺点。机器人技术基础机器人技术基础二、机器人驱动系统的比较1.液
9、压驱动元件 液压驱动的输出力和功率很大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动。美国Unimation公司生产的Unimate型机器人采用了直线液压缸作为驱动元件。Versatran机器人也使用直线液压缸作为圆柱坐标式机器人的垂直驱动元件和径向驱动元件。机器人技术基础机器人技术基础二、机器人驱动系统的比较1.液压驱动元件 (1)液压容易达到较高的单位面积压力，体积较小。(2)可以获得较大的推力或转矩；功率/重量比大，可以减小执行装置的体积。(3)介质可压缩性小，刚度高，工作平稳、可靠，能够实现高速、高精度的位置控制。(4)在液压传动中，通过流量控制可以实现无级变速，比较容易实现自动控制。(
10、5)液压系统采用油液作为介质，具有防锈和自润滑性能，可以提高机械效率，使用寿命长。优点优点机器人技术基础机器人技术基础二、机器人驱动系统的比较1.液压驱动元件 (1)油液的黏度随温度变化而变化，影响工作性能，高温容易引起油液燃烧、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。(4)液压油源和进油、回油管路等附属设备占空间较大，造价较高。缺点缺点机器人技术基础机器人技术基础二、机器人驱动系统的比较2.气压驱动元件 气压驱动在轻载工业机械手中用的较多。它与液压驱动非常类似，但也有不同
11、之处气压驱动的优点13压缩空气黏度小，容易达到高速(1 m/s)。利用工厂集中的空气压缩机站供气，不必添加动力设备。空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业。气动元件工作压力低，故制造要求也比液压元件低。机器人技术基础机器人技术基础二、机器人驱动系统的比较2.气压驱动元件2)采用气压驱动元件的缺点13压缩空气常用压力为0.40.6 MPa，若要获得较大的力，其结构就要相对增大。压缩空气的除水问题处理不当会使钢类零件生锈，导致机器人失灵。排气还会造成噪声污染。压缩空气常用压力为0.40.6 MPa，若要获得较大的力，其结构就要相对增大。空气压缩性大，工作稳定性差，速度控制困难，要达到
12、准确的位置控制很困难。机器人技术基础机器人技术基础二、机器人驱动系统的比较3.电动驱动元件 电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电动机性能也逐渐提高。所以总的看来，目前机器人关节驱动逐渐为电动机驱动所代替。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，一般用于对速度和位置精度要求不高的场合。机器人技术基础机器人技术基础二、机器人驱动系统的比较3.电动驱动元件 电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电动机性能也逐渐提高。所以总的看来，目前机器人关节驱动逐渐为电动机驱动所代替。电动驱动比液压及气动驱动效率高，使用方便且成本低。电气驱动大致可分为普通电机驱动（交流电机
13、、直流电机、伺服电机）、步进电机驱动和直线电机驱动三类。机器人技术基础机器人技术基础二、机器人驱动系统的比较3.电动驱动元件 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，一般用于对速度和位置精度要求不高的场合。电动驱动的主要特点就是控制性能好,适合于高精度机器人，与液压驱动系统相比,有较高的柔性。且不会泄漏,适用于洁净的场所。可做到无火花,适用于防爆场合。缺点在于刚度低，需要减速、停止时须设计辅助装置。机器人技术基础机器人技术基础二、机器人驱动系统的比较 随着机器人技术的发展，出现了利用新工作原理制造的新型的驱动器，如磁致伸缩驱动器磁致伸缩驱动器、压电驱动器、静电驱动器、形状记忆合金驱动器、超声波驱动器、人工肌肉、光驱动器等。3.新型驱动元件机器人技术基础机器人技术基础THE ENDTHANKS