第八章機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)這里所說(shuō)的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)就是機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行裝置。執(zhí)行裝置就是按照電信號(hào)的指令，將來(lái)自電、液壓和氣壓等各種能源的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)等方式的機(jī)械能的裝置。按利用的能源來(lái)分類，主要可分為電動(dòng)執(zhí)行裝置、液壓執(zhí)行裝置和氣動(dòng)執(zhí)行裝置。第八章機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)這里所說(shuō)的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)就是1新型執(zhí)行裝置：

壓電執(zhí)行裝置：利用在壓電陶瓷等材料上施加電壓而產(chǎn)生變形的壓電效應(yīng)。形狀記憶合金執(zhí)行裝置：利用鎳鈦合金等材料具有的形狀隨溫度變化，溫度恢復(fù)時(shí)形狀也恢復(fù)的形狀記憶性質(zhì)。新型執(zhí)行裝置：28.1直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)（DCmotor）1.直流電機(jī)工作原理止口左手定則直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)換向器將直流轉(zhuǎn)換成電樞繞組中的交流，從而使電樞產(chǎn)生一個(gè)恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩。T=BILr換向器電刷8.1直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)（DCmotor）1.直流電機(jī)工作原3直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性控制電壓電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)每極磁通電樞回路電阻負(fù)載轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制：“調(diào)壓調(diào)速”（★）“調(diào)磁調(diào)速”直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性控制電壓電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)每極電樞回路電阻負(fù)42.矩頻特性曲線：電流控制曲線和電壓控制曲線。3.直流電機(jī)的控制方式改變電壓或電流控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)距。其中，KE為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，KF為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。PWM(PulseWidthModulation)控制是利用脈寬調(diào)制器對(duì)大功率晶體管開(kāi)關(guān)放大器的開(kāi)關(guān)時(shí)間進(jìn)行控制，將直流電壓轉(zhuǎn)換成某一頻率的矩形波電壓，加到直流電機(jī)的電樞兩端，通過(guò)對(duì)矩形波脈沖寬度的控制，改變電樞兩端的平均電壓達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。2.矩頻特性曲線：電流控制曲線和電壓控制曲線。3.直流電5優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速方便（可無(wú)級(jí)調(diào)速），調(diào)速范圍寬，低速性能好（啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)電流?。?，運(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速容易控制。4.直流電機(jī)的特點(diǎn)書(shū)籍是進(jìn)步的階梯缺點(diǎn)：換相器需經(jīng)常維護(hù)，電刷極易磨損，必須經(jīng)常更換，噪音比交流電機(jī)大。優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速方便（可無(wú)級(jí)調(diào)速），調(diào)速范圍寬，低68.2交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)（ACmotor）1.工作原理ACservomotor止口8.2交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)（ACmotor）1.工作原理AC7同步電機(jī)：所謂同步是指轉(zhuǎn)子速度與定子磁場(chǎng)速度相同。若電網(wǎng)的頻率不變，則穩(wěn)態(tài)時(shí)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒為常數(shù)而與負(fù)載的大小無(wú)關(guān)?？捎米靼l(fā)電機(jī)。n=ns=60f/p異步電機(jī)：所謂異步是指轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和定子間存在速度差（不是角度差）。只用于電動(dòng)機(jī)。n=60f/p(1-s)

同步電機(jī)和異步電機(jī)的定子繞組是相同的，它們的定子繞組是相同的，主要區(qū)別在于轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)。同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有直流勵(lì)磁繞組，所以需要外加勵(lì)磁電源，通過(guò)滑環(huán)引入直流電流；而異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子是短路的繞組，靠電磁感應(yīng)產(chǎn)生電流。相比之下，同步電機(jī)較復(fù)雜，造價(jià)高。同步電機(jī)：所謂同步是指轉(zhuǎn)子速度與定子磁場(chǎng)速度82.矩頻特性曲線2.矩頻特性曲線9

同步電機(jī)的特點(diǎn)：體積小。用途：要求響應(yīng)速度快的中等速度以下的工業(yè)機(jī)器人；機(jī)床領(lǐng)域。伺服電機(jī)的精度由編碼器的精度決定。3.交流電機(jī)的特點(diǎn)

4.交流電機(jī)的控制方式改變定子繞組上的電壓或頻率，即電壓控制或頻率控制方式。特點(diǎn)：無(wú)電刷和換向器，無(wú)產(chǎn)生火花的危險(xiǎn)；比直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜、價(jià)格高。異步電機(jī)的特點(diǎn)：轉(zhuǎn)子慣量很小，響應(yīng)速度很快。用途：中等功率以上的伺服系統(tǒng)。同步電機(jī)的特點(diǎn)：體積小。用途：要求響應(yīng)速度快108.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)（steppingmotor）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要用于開(kāi)環(huán)位置控制系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：控制較容易，維修也較方便，而且控制為全數(shù)字化。缺點(diǎn)：由于開(kāi)環(huán)控制，所以精度不高。8.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)（steppingmotor）11

步進(jìn)電機(jī)有三種：永磁式PM（permanentmagnet）；反應(yīng)式（也稱可變磁阻式）VR（variablereluctance），在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家80年代已被淘汰；混合式HB（hybrid），混合式是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，混合式步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。簡(jiǎn)單說(shuō)：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。1.工作原理步進(jìn)電機(jī)有三種：永磁式PM（permanen12PM式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子是永磁體，定子是繞組，在定子電磁鐵和轉(zhuǎn)子永磁體之間的排斥力和吸引力的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，步距角一般為7.5o~90o。VR式步進(jìn)電機(jī)用齒輪狀的鐵心作轉(zhuǎn)子，定子是電磁鐵，上面有繞組。在定子磁場(chǎng)中，轉(zhuǎn)子始終轉(zhuǎn)向磁阻最小的位置。步距角一般為0.9o~15o。HB式步進(jìn)電機(jī)是PM式和VR式的復(fù)合形式。在永磁體轉(zhuǎn)子和電磁鐵定子的表面上加工出許多軸向齒槽，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的原理與PM式相同，轉(zhuǎn)子和定子的形狀與VR式相似，步距角一般為0.9o~15o。PM式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子是永磁體，定子是繞組，在定13

相數(shù)：產(chǎn)生不同N、S對(duì)磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。

2.相關(guān)術(shù)語(yǔ)

失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。

拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)。四相四拍運(yùn)行方式：AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用θ表示。一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步距角的3-5%，且不累積。相數(shù)：產(chǎn)生不同N、S對(duì)磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。14保持轉(zhuǎn)距（HOLDINGTORQUE）或靜轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)各相通電但沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。是電機(jī)選型時(shí)最重要的參數(shù)之一。通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。比如，當(dāng)說(shuō)2Nm的步進(jìn)電機(jī)時(shí)，在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下一般是指保持轉(zhuǎn)矩為2Nm的步進(jìn)電機(jī)。定位轉(zhuǎn)矩是指電機(jī)各相繞組不通電且處于開(kāi)路狀態(tài)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。由于混合式電機(jī)轉(zhuǎn)子上有永磁材料產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。一般定位轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)小于保持轉(zhuǎn)距。是否存在定位轉(zhuǎn)距是混合式步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的重要標(biāo)志。DETENTTORQUE

在國(guó)內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)一的翻譯。保持轉(zhuǎn)距（HOLDINGTORQUE）或靜15細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的原理驅(qū)動(dòng)器細(xì)分后的主要優(yōu)點(diǎn)：

（1）完全消除了電機(jī)的低頻振蕩。（2）同時(shí)也提高了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。（3）提高了電機(jī)的分辨率。通過(guò)改變相鄰（A，B）電流的大小，以改變合成磁場(chǎng)的夾角來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的。細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的原理驅(qū)動(dòng)器細(xì)分后的主要優(yōu)點(diǎn)：通163.運(yùn)行矩頻特性4.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，成本低；控制精度受步距角限制，高負(fù)載或高速度時(shí)易失步，低速運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象。起動(dòng)曲線運(yùn)行曲線在這個(gè)輸出轉(zhuǎn)矩區(qū)間，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的輸入脈沖頻率必須緩慢增加3.運(yùn)行矩頻特性4.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)起動(dòng)曲線運(yùn)行曲線在171、實(shí)現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問(wèn)題；2、高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到2000～3000轉(zhuǎn)；3、抗過(guò)載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對(duì)有瞬間負(fù)載波動(dòng)和要求快速起動(dòng)的場(chǎng)合特別適用；4、低速運(yùn)行平穩(wěn)，低速運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生類似于步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象。適用于有高速響應(yīng)要求的場(chǎng)合；5、電機(jī)加減速的動(dòng)態(tài)相響應(yīng)間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)；6、發(fā)熱和噪音明顯降低。伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)比較伺服電機(jī)的優(yōu)勢(shì)：1、實(shí)現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問(wèn)18超聲波電機(jī)（一種未來(lái)很有希望的電機(jī)）特點(diǎn)：超聲波電機(jī)具有體積小，重量輕，不用制動(dòng)器，速度和位置控制靈敏度高，轉(zhuǎn)子慣性小，響應(yīng)性能好，沒(méi)有電磁噪聲等普通電機(jī)不具備的優(yōu)點(diǎn)。工作原理：當(dāng)給壓電陶瓷施加一定方向的電壓時(shí)，各部分產(chǎn)生的應(yīng)變方向相反（在正電壓作用下，+的部分伸長(zhǎng)，-的部分壓縮），+、-部分交替相接。在交流電壓的作用下，壓電陶瓷就會(huì)沿圓周方向產(chǎn)生交替的伸縮變形，定子彈性體的上下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生駐波。此外，由于重疊在一起的兩片壓電陶瓷的相位差為90O，所以，在形成駐波的同時(shí)也會(huì)在水平方向形成行波。這樣，在駐波和行波的合成波的作用下，使定子作橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡的振動(dòng)。這樣，裝在定子上的轉(zhuǎn)子在摩擦力的作用下就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。同樣也有直線運(yùn)動(dòng)的超聲波電機(jī)。超聲波電機(jī)（一種未來(lái)很有希望的電機(jī)）特點(diǎn)：19直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)（directdrive:DD）

優(yōu)點(diǎn)：不用齒輪減速器直接驅(qū)動(dòng)，因此具有無(wú)間隙、摩擦小、機(jī)械剛度高等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的位置控制和微小力控制。這是什么？

種類：直流力矩電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、VR式電機(jī)等。缺點(diǎn)：因?yàn)闆](méi)有減速機(jī)構(gòu)，所以容易受載荷的影響。直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)（directdrive:DD）優(yōu)點(diǎn)：不用208.4液壓驅(qū)動(dòng)液壓缸液壓馬達(dá)8.4液壓驅(qū)動(dòng)液壓缸液壓馬達(dá)21優(yōu)點(diǎn)：

（1）容易獲得比較大的扭矩和功率；

（2）功率/重量比大，可以減小執(zhí)行裝置的體積；

（3）剛度高，能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高精度的位置控制；

（4）通過(guò)流量控制可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。缺點(diǎn)：

（1）必須對(duì)油的溫度和污染進(jìn)行控制，穩(wěn)定性較差；

（2）有因漏油而發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)；

（3）液壓油源和進(jìn)油、回油管路等附屬設(shè)備占空間較大。液壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：

（1）容易獲得比較大的扭矩和功率；

（2）功228.5氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行裝置的種類：氣缸、氣動(dòng)馬達(dá)。8.5氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行裝置的種類：氣缸、氣動(dòng)馬達(dá)。23優(yōu)點(diǎn)：（1）利用氣缸可以實(shí)現(xiàn)高速直線運(yùn)動(dòng)；（2）利用空氣的可壓縮性容易實(shí)現(xiàn)力控制和緩沖控制；

（3）無(wú)火災(zāi)危險(xiǎn)和環(huán)境污染；

（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低。缺點(diǎn)：（1）

由于空氣的可壓縮性，高精度的位置控制和速度控制都比較困難，驅(qū)動(dòng)剛性比較差；

（2）雖然撞停等簡(jiǎn)單動(dòng)作速度較高，但在任意位置上停止的動(dòng)作速度很慢；（3）噪音大；氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：（1）利用氣缸可以實(shí)現(xiàn)高速直線運(yùn)動(dòng)；缺點(diǎn)：（1）由248.6機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有減速裝置、力(力矩)和速度傳遞轉(zhuǎn)換裝置。常用的有螺旋傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、桿機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)和諧波傳動(dòng)等，此外還有一種新型的減速機(jī)構(gòu)RV傳動(dòng)裝置，以及作為傳動(dòng)的重要保障裝置的導(dǎo)向部件。8.6機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有減速裝置、力(力矩)和速度傳遞25目前，機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)有60%~70%都使用諧波齒輪。諧波齒輪由剛性齒輪、諧波發(fā)生器和柔性齒輪組成。（1）諧波齒輪減速器假設(shè)剛性齒輪由100個(gè)齒，柔性齒輪比它少2個(gè)齒，則