1、工業(yè)機器人應用技術(shù),機器人驅(qū)動系統(tǒng)概述,1,機器人驅(qū)動系統(tǒng)比較,2,機器人液壓驅(qū)動系統(tǒng),3,機器人氣壓驅(qū)動系統(tǒng),4,機器人電氣驅(qū)動系統(tǒng),4,本模塊主要介紹機器人的驅(qū)動系統(tǒng)，內(nèi)容包括機器人的直接驅(qū)動方式與間接驅(qū)動方式，液壓、氣壓、電動驅(qū)動的元件與特點，液壓驅(qū)動系統(tǒng)的組成與工作原理，液壓驅(qū)動系統(tǒng)的主要設備；氣壓驅(qū)動系統(tǒng)的組成與工作原理，氣壓驅(qū)動系統(tǒng)的主要設備；直流電動機與直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)原理與參數(shù)，步進電動機的結(jié)構(gòu)原理。,學習完本模塊的內(nèi)容后，學生應能夠了解機器人的驅(qū)動方式，掌握不同類型機器人驅(qū)動元件的性能與特點，能夠熟練地分析機器人的驅(qū)動機構(gòu)和驅(qū)動方式；掌握機器人的液壓驅(qū)動系統(tǒng)的組成，熟悉液

2、壓驅(qū)動系統(tǒng)主要設備的工作機理；能夠分析液壓驅(qū)動系統(tǒng)的流程，能夠找出液壓驅(qū)動系統(tǒng)的故障環(huán)節(jié)。掌握機器人的氣壓驅(qū)動系統(tǒng)的組成，熟悉氣壓驅(qū)動系統(tǒng)主要設備的工作機理；能夠分析氣壓驅(qū)動系統(tǒng)的流程，能夠找出氣壓驅(qū)動系統(tǒng)的故障環(huán)節(jié)。了解伺服系統(tǒng)與伺服電動機的要點，掌握直流電動機與直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)原理，掌握步進電動機的結(jié)構(gòu)原理。,學習單元一 機器人的驅(qū)動系統(tǒng),機器人中連接運動部分的機構(gòu)稱為關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)有轉(zhuǎn)動型和移動型，分別稱為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)。 （1)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。 轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)就是在機器人中簡稱為關(guān)節(jié)，是機器人的連接部分，它既連接各機構(gòu)，又傳遞各機構(gòu)間的回轉(zhuǎn)運動（擺動），用于基座與臂部、臂部與臂部、臂部與手部等

3、連接部位。關(guān)節(jié)由回轉(zhuǎn)軸、軸承和驅(qū)動機構(gòu)組成。,一、驅(qū)動方式,圖4-1 轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的形式,一、驅(qū)動方式,驅(qū)動機構(gòu)與回轉(zhuǎn)軸同軸式。驅(qū)動機構(gòu)與回轉(zhuǎn)軸同軸式的驅(qū)動機構(gòu)直接驅(qū)動回轉(zhuǎn)軸，有較高的定位精度。但是，為減輕重量，要選擇小型減速器并增加臂部的剛性。它適用于水平多關(guān)節(jié)型機器人。 驅(qū)動機構(gòu)與回轉(zhuǎn)軸正交式。重量大的減速機構(gòu)安放在基座上，通過臂部的齒輪、鏈條傳遞運動。這種形式適用于要求臂部結(jié)構(gòu)緊湊的場合。,一、驅(qū)動方式,外部驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動臂部的形式。外部驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動臂部的形式適合于傳遞大轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運動，采用的傳動機構(gòu)有滾珠絲杠、液壓缸和氣缸。 驅(qū)動電動機安裝在關(guān)節(jié)內(nèi)部的形式。驅(qū)動電動機安裝在關(guān)節(jié)內(nèi)部的形式稱為

4、直接驅(qū)動形式。,一、驅(qū)動方式,一、驅(qū)動方式,滾動導軌按滾動體分為球、圓柱滾子和滾針。 滾動導軌按軌道分為圓軸式、平面式和滾道式。 滾動導軌按滾動體是否循環(huán)分為循環(huán)式和非循環(huán)式。 這些滾動導軌各有特點，裝有滾珠的滾動導軌適用于中小載荷和小摩擦的場合，裝有滾柱的滾動導軌適用于重載和高剛性的場合。受輕載滾柱的特性接近于線性彈簧，呈硬彈簧特性；滾珠的特性接近于非線性彈簧，剛性要求高時應施加一定的預緊力。,一、驅(qū)動方式,機器人中軸承起著相當重要的作用，用于轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的軸承有多種形式，球軸承是機器人結(jié)構(gòu)中最常用的軸承。球軸承能承受徑向和軸向載荷，摩擦較小，對軸和軸承座的剛度不敏感。圖4-2（a）所示為普通向

5、心球軸承，圖4-2（b）所示為向心推力球軸承。這兩種軸承的每個球和滾道之間只有兩點接觸（一點與內(nèi)滾道，另一點與外滾道）。為實現(xiàn)預載，此種軸承必須成對使用。圖4-2（c）所示為四點接觸球軸承。該軸承的滾道是尖拱式半圓，球與每個滾道兩點接觸，該軸承通過兩內(nèi)滾道之間適當?shù)倪^盈量實現(xiàn)預緊。因此，四點接觸球軸承的優(yōu)點是無間隙，能承受雙向軸向載荷，尺寸小，承載能力和剛度比同樣大小的一般球軸承高1.5倍；缺點是價格較高。,一、驅(qū)動方式,圖4-2 基本耐磨球軸承,一、驅(qū)動方式,一、驅(qū)動方式,高輸出轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動器有油缸式液壓裝置和力矩電動機等，其中液壓裝置在結(jié)構(gòu)和摩擦等方面的非線性因素很強，所以很難體現(xiàn)出直接驅(qū)動

6、的優(yōu)點。因此，在20世紀80年代所開發(fā)的力矩電動機采用了非線性的軸承機械系統(tǒng)，得到了優(yōu)良的逆向驅(qū)動能力（以關(guān)節(jié)一側(cè)帶動驅(qū)動器的輸出軸）。,圖4-3 使用力矩電動機的直接驅(qū)動方式的關(guān)節(jié)機構(gòu)實例,一、驅(qū)動方式,使用這樣的直接驅(qū)動方式的機器人通常稱為DD機器人(direct drive robot，DDR)。DD機器人驅(qū)動電動機通過機械接口直接與關(guān)節(jié)連接，驅(qū)動電動機和關(guān)節(jié)之間沒有速度和轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換。 日本、美國等工業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)開發(fā)出性能優(yōu)異的DD機器人。美國Adept公司研制出帶有視覺功能的四自由度平面關(guān)節(jié)型DD機器人。日本大日機工公司研制成功了五自由度關(guān)節(jié)型DD600V機器人，其性能指標為：最大工

7、作范圍為1.2 m，可搬重量為5 kg，最大運動速度為8.2 m/s，重復定位精度為0.05 mm。,一、驅(qū)動方式,一、驅(qū)動方式,一、驅(qū)動方式,中小型機器人一般采用普通的直流伺服電動機、交流伺服電動機或步進電動機作為機器人的執(zhí)行電動機，由于電動機速度較高，輸出轉(zhuǎn)矩又大于驅(qū)動關(guān)節(jié)所需要的轉(zhuǎn)矩，所以必須使用帶減速器的電動機驅(qū)動。但是，間接驅(qū)動帶來了機械傳動中不可避免的誤差，引起沖擊振動，影響機器人系統(tǒng)的可靠性，并增加關(guān)節(jié)重量和尺寸。由于手臂通常采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，因而多自由度機器人關(guān)節(jié)上安裝減速器會使手臂根部關(guān)節(jié)驅(qū)動器的負載增大。,一、驅(qū)動方式,一、驅(qū)動方式,二、驅(qū)動元件,液壓驅(qū)動的輸出力和功率很大，

8、能構(gòu)成伺服機構(gòu)，常用于大型機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動。美國Unimation公司生產(chǎn)的Unimate型機器人采用了直線液壓缸作為驅(qū)動元件。Versatran機器人也使用直線液壓缸作為圓柱坐標式機器人的垂直驅(qū)動元件和徑向驅(qū)動元件。,二、驅(qū)動元件,(1)液壓容易達到較高的單位面積壓力（常用油壓為2563 kg/cm2），體積較小。 (2)可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩；功率/重量比大，可以減小執(zhí)行裝置的體積。 (3)介質(zhì)可壓縮性小，剛度高，工作平穩(wěn)、可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高精度的位置控制。 (4)在液壓傳動中，通過流量控制可以實現(xiàn)無級變速，比較容易實現(xiàn)自動控制。 (5)液壓系統(tǒng)采用油液作為介質(zhì)，具有防銹和自潤滑性能

9、，可以提高機械效率，使用壽命長。,二、驅(qū)動元件,(1)油液的黏度隨溫度變化而變化，影響工作性能，高溫容易引起油液燃燒、爆炸等危險。 (2)液體的泄漏難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量，故造價較高。 (3)需要相應的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴格的濾油裝置，否則會引起故障。 (4)必須對油的污染進行控制，穩(wěn)定性較差。 (5)液壓油源和進油、回油管路等附屬設備占空間較大，造價較高。,二、驅(qū)動元件,二、驅(qū)動元件,二、驅(qū)動元件,交、直流伺服電動機一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進電動機則主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于對速度和位置精度要求不高的場合。 電動機使用簡單，且隨著材料性能的提高，電動機性

10、能也逐漸提高。所以總的看來，目前機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動逐漸為電動機驅(qū)動所代替。,二、驅(qū)動元件,電動機驅(qū)動可分為普通交流電動機驅(qū)動，交、直流伺服電動機驅(qū)動和步進電動機驅(qū)動。 普通交、直流電動機驅(qū)動需加減速裝置，輸出轉(zhuǎn)矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機器人。伺服電動機和步進電動機輸出轉(zhuǎn)矩相對較小，控制性能好，可實現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機器人。,二、驅(qū)動元件,二、驅(qū)動元件,二、驅(qū)動元件,三、驅(qū)動機構(gòu),多數(shù)普通電動機和伺服電動機都能夠直接產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，但其輸出轉(zhuǎn)矩比所需要的轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)速比所需要的轉(zhuǎn)速高。因此，需要采用各種傳動裝置把較高的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成較低的轉(zhuǎn)速，以獲得較大的轉(zhuǎn)矩。 有時也

11、采用直線液壓缸或直線氣缸作為動力源，這就需要把直線運動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動。 由于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動具有旋轉(zhuǎn)軸強度高、摩擦小、可靠性好等優(yōu)點，因此在結(jié)構(gòu)設計中較多采用。,三、驅(qū)動機構(gòu),在行走機構(gòu)關(guān)節(jié)中，完全采用旋轉(zhuǎn)驅(qū)動實現(xiàn)關(guān)節(jié)伸縮時，旋轉(zhuǎn)運動雖然也能轉(zhuǎn)化得到直線運動，但在高速運動時，關(guān)節(jié)伸縮的加速度不能忽視，它可能產(chǎn)生振動。為了提高著地點選擇的靈活性，還必須增加直線驅(qū)動系統(tǒng)。 因此，許多情況采用直線驅(qū)動更為合適。直線氣缸仍是目前所有驅(qū)動裝置中最廉價的動力源，凡能夠使用直線氣缸的地方，還是應該選用它。有些要求精度高的地方也要選用直線驅(qū)動。,三、驅(qū)動機構(gòu),學習單元二 機器人驅(qū)動系統(tǒng)的比較,學習單元三 機器人液壓驅(qū)

12、動系統(tǒng),學習單元三 機器人液壓驅(qū)動系統(tǒng),一、液壓伺服系統(tǒng)的組成及工作特點,圖4-4 液壓伺服系統(tǒng)的組成,一、液壓伺服系統(tǒng)的組成及工作特點,(1)在液壓伺服系統(tǒng)的輸入和輸出之間存在反饋連接，從而組成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋介質(zhì)可以是機械的、電氣的、氣動的、液壓的或它們的組合形式。 (2)系統(tǒng)的主反饋是負反饋，即反饋信號與輸入信號相反，用二者比較得到的偏差信號來控制液壓源，控制輸入液壓元件的流量，使其向減小偏差的方向移動，即以偏差來減小偏差。 (3)系統(tǒng)輸入信號的功率很小，但系統(tǒng)的輸出功率卻可以很大，因此它是一個功率放大裝置，功率放大所需的能量由液壓源提供。液壓源提供能量的大小是根據(jù)伺服系統(tǒng)偏差大小自

13、動進行控制的。,一、液壓伺服系統(tǒng)的組成及工作特點,電液伺服系統(tǒng)通過電氣傳動方式，用電氣信號輸入系統(tǒng)來操作有關(guān)的液壓驅(qū)動元件動作，控制液壓執(zhí)行元件，使其跟隨輸入信號而動作。在這類伺服系統(tǒng)中，電、液兩部分都采用電液伺服閥作為轉(zhuǎn)換元件。,二、電液伺服系統(tǒng),圖4-5 機械手手臂伸縮運動的電液伺服系統(tǒng)原理圖,二、電液伺服系統(tǒng),具體工作過程為：當數(shù)控裝置發(fā)出一定數(shù)量的脈沖時，步進電動機就會帶動電位器的動觸頭轉(zhuǎn)動。假設順時針轉(zhuǎn)過一定的角度，這時電位器輸出電壓為u，經(jīng)放大器放大后輸出電流i，使電液伺服閥產(chǎn)生一定的開口量。這時，電液伺服閥處于左位，壓力油進入液壓缸左腔，活塞桿右移，帶動機械手手臂右移，液壓缸右側(cè)

14、的油液經(jīng)電液伺服閥返回油箱。此時，機械手手臂上的齒條帶動齒輪也順時針移動，當其轉(zhuǎn)動角度=時，動觸頭回到電位器的中位，電位器輸出電壓為零，相應放大器輸出電流為零，電液伺服閥回到中位，液壓油路被封鎖，手臂即停止運動。當數(shù)控裝置發(fā)出反向脈沖時，步進電動機逆時針方向旋轉(zhuǎn)，與前述過程相反，機械手手臂就會縮回。,二、電液伺服系統(tǒng),圖4-6 機械手手臂伸縮運動的伺服系統(tǒng)框圖,二、電液伺服系統(tǒng),三、液壓驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理,圖4-7 液壓驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理 1油箱； 2液壓泵； 3溢流閥； 4換向閥； 5液壓缸； 6節(jié)流閥,四、液壓驅(qū)動系統(tǒng)的主要設備,液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的、做直線往復運動或擺動運動的液

15、壓執(zhí)行元件。它結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。用液壓缸來實現(xiàn)往復運動時，可免去減速裝置，且沒有傳動間隙，運動平穩(wěn)，因此在各種機械的液壓系統(tǒng)中得到廣泛應用。,用電磁閥控制的直線液壓缸是最簡單和最便宜的開環(huán)液壓驅(qū)動裝置。在直線液壓缸的操作中，可以通過受控節(jié)流口調(diào)節(jié)流量，在機械部件到達運動終點時實現(xiàn)減速，使停止過程得到控制。 無論是直線液壓缸或旋轉(zhuǎn)液壓電動機，它們的工作原理都是基于高壓油對活塞或葉片的作用。液壓油是經(jīng)控制閥被送到液壓缸的一端的，在開環(huán)系統(tǒng)中，閥是由電磁鐵控制的；在閉環(huán)系統(tǒng)中，閥則是用電液伺服閥來控制的。,四、液壓驅(qū)動系統(tǒng)的主要設備,圖4-8 直線液壓缸中閥的控制,四、液壓驅(qū)動系統(tǒng)的主要設備,圖4

16、-9 旋轉(zhuǎn)液壓電動機,液壓電動機又稱為旋轉(zhuǎn)液壓電動機，是液壓系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)式執(zhí)行元件，如圖4-9所示。,四、液壓驅(qū)動系統(tǒng)的主要設備,四、液壓驅(qū)動系統(tǒng)的主要設備,四、液壓驅(qū)動系統(tǒng)的主要設備,單向閥只允許油液向某一方向流動，而反向截止，這種閥也稱為止回閥，如圖4-10所示。,圖4-10 單向閥,四、液壓驅(qū)動系統(tǒng)的主要設備,(1)滑閥式換向閥。滑閥式換向閥是靠閥芯在閥體內(nèi)做軸向運動，使相應的油路接通或斷開的換向閥。其換向原理如圖4-11所示。當閥芯處于圖4-11(a)所示位置時，P與B，A與T相連，活塞向左運動；當閥芯處于圖4-11(b)所示位置時，P與A，B與T相連，活塞向右運動。,圖4-11 換向閥

17、的換向原理,四、液壓驅(qū)動系統(tǒng)的主要設備,(2)手動換向閥。手動換向閥用于手動換向。 (3)機動換向閥。機動換向閥用于機械運動中，作為限位裝置限位換向，如圖4-12所示。,圖4-12 機動換向閥 1行程擋塊； 2滾輪； 3閥體； 4閥芯； 5彈簧,四、液壓驅(qū)動系統(tǒng)的主要設備,學習單元四 機器人氣壓驅(qū)動系統(tǒng),(4)電磁換向閥。電磁換向閥用于在電氣裝置或控制裝置發(fā)出換向命令時，改變流體方向，從而改變機械運動狀態(tài)。三位四通電磁換向閥如圖4-13所示。,圖4-13 三位四通電磁換向閥 1閥體； 2閥芯； 3定位器； 4彈簧； 5擋塊； 64t桿；7環(huán)； 8線圈； 9銜鐵； 10導套； 11插頭,四、液壓

18、驅(qū)動系統(tǒng)的主要設備,氣源裝置是獲得壓縮空氣的裝置，其主體部分是空氣壓縮機，它將原動機供給的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的壓力能。 氣壓驅(qū)動系統(tǒng)中的氣源裝置為氣動系統(tǒng)提供符合使用要求的壓縮空氣，它是氣壓傳動系統(tǒng)的重要組成部分。由空氣壓縮機產(chǎn)生的壓縮空氣必須經(jīng)過降溫、凈化、減壓、穩(wěn)壓等一系列處理后，才能供給控制元件和執(zhí)行元件使用。用過的壓縮空氣排向大氣時，會產(chǎn)生噪聲，應采取措施，降低噪聲，改善勞動條件和環(huán)境質(zhì)量。,一、氣源裝置,壓縮空氣站的設備一般包括產(chǎn)生壓縮空氣的空氣壓縮機和使氣源凈化的輔助設備。,圖4-14 壓縮空氣站設備組成及布置示意圖 1空氣壓縮機； 2后冷卻器； 3油水分離器； 4、7貯氣罐； 5干燥器； 6過濾器,一、氣源裝置,在圖4-14中，空氣壓縮機用于產(chǎn)生壓縮空氣，一般由電動機帶動。其吸氣口裝有空氣過濾器，以減少進入空氣壓縮機的雜質(zhì)量。后冷卻器用于降溫冷卻壓縮空氣，使凈化的水凝結(jié)出來。油水分離器用于分離并排出降溫冷卻的水滴、油滴、雜質(zhì)等。貯氣罐用于儲存壓縮空氣，穩(wěn)定壓縮空氣的壓力，并除去部分油分和水分。干燥器用于進一步吸收或排除壓縮空氣中的水分和油分，使之成為干燥空氣。過濾器用于進一步過