机器人技术驱动方法.ppt

第五章 机器人的驱动方式,第一部分 机器人的驱动机构 第二部分 机器人的驱动方法,第五章 机器人的驱动方式,液压驱动器 气压驱动器驱动器种类：电驱动 新型驱动器 重量、功率重量比驱动系统性能：刚度和柔性 减速齿轮的使用,全液压重载机器人,FDP-40型非开挖导向钻机器人,第五章 机器人的驱动方式,电动机 液压驱动器驱动器种类：气压驱动器 形状记忆金属驱动器 磁致伸缩驱动器 重量、功率重量比驱动系统性能：刚度和柔性 减速齿轮的使用,第一部分 驱动机构,一、直线驱动机构 二、旋转驱动机构 三、直线驱动和旋转驱动的 选用和制动,应用范围,直角坐标型（直移型）,第一部分 驱动机构,应用范围,第一部分 驱动机构,圆柱坐标型（回转型）,应用范围,第一部分 驱动机构,球坐标型（俯仰型）,应用范围,第一部分 驱动机构,关节型（屈伸型）,一、直线驱动机构,1、齿轮齿条装置,1、齿轮齿条装置,一、直线驱动机构,1、齿轮齿条装置,一、直线驱动机构,1-齿条 2-齿轮 3-工件齿轮齿条移动式手爪,撑竿跳小车,直角坐标机器人,2、普通丝杠,一、直线驱动机构,3、滚珠丝杠工作原理,一、直线驱动机构,3、滚珠丝杠滚珠的循环方式,一、直线驱动机构,3、滚珠丝杠滚珠的循环方式,一、直线驱动机构,3、滚珠丝杠特点,传动效率高、摩擦损失小 运动具有可逆性 传动精度高 磨损小、寿命长 结构较复杂，成本偏高,一、直线驱动机构,1、齿轮链,由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构，它不但可以传递运动角位移和角速度，而且可以传递力和力矩。,二、旋转驱动机构,1、齿轮链齿轮的种类与应用,二、旋转驱动机构,平面直齿轮,内啮合齿轮传动 两齿轮的转动方向相同,外啮合齿轮传动 两齿轮的转动方向相反,二、旋转驱动机构,平面平行轴斜齿圆柱齿轮传动,二、旋转驱动机构,轮齿与其轴线倾斜一个角度,曲 齿,平面人字齿轮传动,二、旋转驱动机构,由两个螺旋角方向相反的斜齿轮组成,空间（圆）锥齿轮传动,二、旋转驱动机构,用于两相交轴之间的传动,曲 线 齿,空间交错轴斜齿轮传动,二、旋转驱动机构,用于传递两交错轴之间的运动,平面行星齿轮传动,二、旋转驱动机构,空间蜗杆传动,二、旋转驱动机构,用于传递两交错轴之间的运动，其两轴的交错角一般为90,1、齿轮链齿轮传动形式,二、旋转驱动机构,二级传动（同向）,一级传动（反向）,1、齿轮链齿轮传动形式,二、旋转驱动机构,一级传动（同向）,三级传动（反向）,1、齿轮链齿轮传动形式,二、旋转驱动机构,齿轮传动比应满足驱动部件与负载之间的位移、转矩及转速的匹配要求，总传动比公式为：,驱动电机的额定转速,负载所需的最大工作转速,1、齿轮链,二、旋转驱动机构,1、齿轮链,二、旋转驱动机构,1、齿轮链,二、旋转驱动机构,1、齿轮链,二、旋转驱动机构,齿轮机构使用中的两个问题：齿轮链的引入会改变系统的等效转动惯量，减小驱动电机的响应时间，使伺服系统容易控制；在引入齿轮链的同时，由于齿轮间隙误差，会导致机器人的手臂定位误差增加，且引起伺服系统的不稳定性。,1、齿轮链,二、旋转驱动机构,各级传动比的最佳分配原则：最小等效转动惯量原则前小后大 重量最轻原则前大后小 输出轴的转角误差最小原则减速前小后大，且末端尽量大 原则的选择。,1、齿轮链,二、旋转驱动机构,中央空调风管清洗机器人,六脚步行机器人,2、同步皮带,二、旋转驱动机构,带传动机构,链传动机构,2、同步皮带,二、旋转驱动机构,2、同步皮带,二、旋转驱动机构,2、同步皮带特点,二、旋转驱动机构,传动比准确、传动效率高（可达98）；传动平稳、噪音低；能高速传动，线速度可达4080m/s；使用寿命长、维护保养方便；制造工艺复杂，成本高；中心距大；承受冲击；轴上压力小。,二、旋转驱动机构,2、同步皮带应用,仪器、仪表计算机行业汽车行业纺织机械粮食机械机床石油机械,二、旋转驱动机构,2、同步皮带设计计算,查图,查表,二、旋转驱动机构,2、同步皮带设计计算,二、旋转驱动机构,2、同步皮带设计计算,3、谐波齿轮结构,二、旋转驱动机构,二、旋转驱动机构,3、谐波齿轮工作原理,3、谐波齿轮传动比,二、旋转驱动机构,二、旋转驱动机构,3、谐波齿轮工作特点,传动比大承载能力大传动精度高传动平稳基本上无冲击振动传动效率较高结构简单、体积小、质量小,二、旋转驱动机构,3、谐波齿轮应用,航空航天工业机器人化工、冶金起重运输汽车行业纺织机械粮食机械机床,1、驱动方式的选用,三、直线驱动和旋转驱动的选用和制动,直线驱动：直线气缸是最廉价的动力源。旋转关节：目前机器人设计中首选驱动方式。,2、制动器,作用：在机器人停止工作时，保持机械臂的位置不变，在电源发生故障时，保护机械臂和它周围的物体不发生碰撞。工作方式：失效抱闸。,三、直线驱动和旋转驱动的选用和制动,进口机器人焊接手,2、制动器,三、直线驱动和旋转驱动的选用和制动,码垛机器人,微型机器人脊椎内诊治疾病,第二部分 驱动方法,一、液压驱动器 二、气压驱动器 三、电驱动器,直流电动机驱动步进电动机驱动直流电源和功率放大器,形状记忆合金驱动器电磁致伸缩驱动器压电效应驱动器人工肌肉,四、新型驱动器,一、液压驱动,1、液压驱动的概念,一、液压驱动,1、液压驱动的概念,医疗手术台专用标准举升系统,2、液压驱动系统的特点优点,单位面积压力高，体积小，具有大的推力或转矩；可压缩性小，工作平稳可靠，位置精度高；力、速度和方向易实现自动控制；具有防锈性和润滑性能，寿命长。,一、液压驱动,2、液压驱动系统的特点缺点,油液的粘度随温度变化，影响工作性能，高温易燃烧爆炸；易泄漏，造价高；需要相应的供油系统及滤油装置。,一、液压驱动,2、液压驱动系统的应用,一、液压驱动,Unimation机器人,Versatran机器人,3、液压装置的构成,一、液压驱动,4、液压油缸,一、液压驱动,4、液压油缸往复式单杆型油缸,一、液压驱动,单活塞杆液压缸只有一端有活塞杆。如图所示是一种单活塞液压缸。其两端进出口油口A和B都可通压力油或回油，以实现双向运动，故称为双作用缸。,4、液压油缸往复式双杆型油缸,一、液压驱动,双活塞杆液压缸的两端都有活塞伸出，如图所示。其组成与单活塞杆液压缸基本相同。缸筒与缸盖用法兰连接，活塞与缸筒内壁之间采用间隙密封。,4、液压油缸往复式双杆型油缸,一、液压驱动,4、液压油缸,一、液压驱动,往复式双杆型油缸,4、液压马达,一、液压驱动,齿轮马达,4、液压马达,一、液压驱动,齿轮马达,4、液压马达,一、液压驱动,叶片马达,4、液压马达,一、液压驱动,径向柱塞式马达,4、液压马达,一、液压驱动,径向柱塞式马达,T-马达的输出力矩V-旋转一周排出工作油体积p-出入口压力差-转子角速度Q-工作油流量W-马达输出功率,5、液压伺服系统,一、液压驱动,液压伺服系统基本结构,5、液压伺服系统,一、液压驱动,液压伺服系统基本结构,6、电液伺服阀喷嘴挡板伺服阀,一、液压驱动,6、电液伺服阀射流管伺服阀,一、液压驱动,7、摆动油缸,一、液压驱动,7、摆动油缸,一、液压驱动,7、液压伺服马达,一、液压驱动,滑阀伺服马达,二、气压驱动,1、气压驱动的概念,二、气压驱动,2、气压驱动的应用,可调缓冲中型系列气缸,德国FESTO气缸,二、气压驱动,2、气压驱动的应用,活塞式气动马达,叶片式气动马达,二、气压驱动,采用双气缸的气动卸料机构,2、气压驱动的应用,气动夹紧装置,气动攻丝机,二、气压驱动,2、气压驱动的应用,二、气压驱动,2、气压驱动的应用,六个自由度多功能气动搬运机械手,2、气压驱动系统的特点优点,二、气压驱动,粘度小，易达到高速；利用集中站供气，不必添加动力设备；无污染，安全，可高温作业；工作压力低，制造要求比液压元件低。,2、气压驱动系统的特点缺点,二、气压驱动,要获得较大的出力，其结构要相对增大；工作平稳性差，速度控制困难，准确的位置控制难；很难解决除水问题，零件易生锈；噪声污染。,3、气压驱动系统的构成,二、气压驱动,3、气压驱动系统的构成,二、气压驱动,单作用双作用,单作用双作用,单活塞杆双活塞杆,机械耦合（无杆气缸）磁性耦合（磁性气缸）绳索、钢索,有活塞杆无活塞杆,单活塞双活塞,活塞式膜片式,平膜式皮囊,汽缸,4、汽缸分类,二、气压驱动,4、汽缸普通汽缸,二、气压驱动,4、汽缸普通汽缸,二、气压驱动,汽缸的平均耗气量：,4、汽缸无杆汽缸,二、气压驱动,4、汽缸手指汽缸,二、气压驱动,5、气动马达,二、气压驱动,6、气动控制阀,二、气压驱动,气动控制阀是用来控制和调节压缩空气的压力、流量和方向的，使气动执行元件获得要求的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作。控制阀按其作用和功能分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀三大类。,6、气动控制阀,二、气压驱动,6、气动控制阀,二、气压驱动,7、气压驱动的控制结构,二、气压驱动,7、气压驱动的控制结构,二、气压驱动,动力电动机,伺服电动机,三、电机驱动,三、电机驱动,直流电动机 一个方向或反向连续旋转、运动连续平滑、没有位置控制能力；步进电动机 通过脉冲实现步进、单向旋转、每给一个脉冲实现一个步距、自身有一定的位置控制能力。,三、电机驱动,一般直流电动机和位置反馈、速度反馈形成一个整体，即直流伺服电机。直流电动机可利用继电器开关或采用功率放大器来实现驱动控制。直流伺服电动机具有启动转矩大、体积小、重量轻、转速易控制、效率高等优点，其可达到很大的力矩/重量比，远高于步进电机。,一、伺服电机的选择 二、电机的转矩特性 三、总传动比的选择,三、电机驱动直流电动机驱动,一、伺服电机的选择,1.初选电机能够提供负载所需要的瞬时转矩和转速电机的热定额问题，通常以负载的均方根功率作为确定电机发热功率的基础,一、伺服电机的选择,1.初选电机,工作在峰值下：,工作在变载荷下：,额定功率：,负载峰值力矩,负载峰值转速,传动装置的效率,负载均方根力矩,负载均方根转速,一、伺服电机的选择,2.发热校核 在一定转速下，负载的均方根力矩是与伺服电机处于连续工作时的热定额相对应的。,绕组电流,等效稳恒电流,一、伺服电机的选择,2.发热校核 与等效电流对应的等效转矩为：,电机转矩与折算到电机轴上的负载力矩平衡，等效转矩为：,折算到电机轴上的负载力矩,一、伺服电机的选择,2.发热校核 负载的均方根力矩与电机的热定额相对应：,电机额定转矩应满足：,一、伺服电机的选择,3.转矩过载校核 转矩过载校核公式：,折算到电机轴上的负载力矩的最大值,过载转矩,电机额定转矩,电机的转矩过载系数,二、电机的转矩特性,直流伺服电动机,二、电机的转矩特性,1.直流伺服电机的转矩特性,电磁式直流伺服电机,二、电机的转矩特性,1.直流伺服电机的转矩特性,永磁式直流伺服电机,二、电机的转矩特性,1.直流伺服电机的转矩特性,电枢电压：,反电势：,转矩：,反电势常数,电枢转速,电机转矩常数,信号系数,励磁电压,控制电压,二、电机的转矩特性,1.直流伺服电机的转矩特性,得,堵转状态或启动状态：,空载状态：,f,电机的阻尼系数,二、电机的转矩特性,1.直流伺服电机的转矩特性,直流伺服电机的转矩转速特性曲线,二、电机的转矩特性,交流伺服电动机,二、电机的转矩特性,2.交流伺服电机的转矩特性,鼠笼转子交流伺服电机,二、电机的转矩特性,2.交流伺服电机的转矩特性,空心杯转子交流伺服电机,二、电机的转矩特性,2.交流伺服电机的转矩特性,永磁式交流伺服电机,二、电机的转矩特性,2.交流伺服电机的转矩特性,输出转矩：,堵转转矩,阻尼系数,信号系数,1堵转转矩,1阻尼系数,2空载转速,二、电机的转矩特性,2.交流伺服电机的转矩特性,交流伺服电机的转矩转速特性曲线,斜率Ms/0,斜率Ms/20,三、总传动比的选择,1.负载力矩特性峰值力矩：对应于电机最严重的工作情况，如电机启动；,折算到电机轴负载峰值力矩,负载峰值力矩,负载峰值摩擦力矩,电机轴转动惯量,传动装置折算到电机轴转动惯量,负载转动惯量,负载轴的峰值角加速度,传动效率,三、总传动比的选择,1.负载力矩特性峰值力矩：对应于电机最严重的工作情况，如电机启动；均方根力矩：对应于电机长期连续地在变负荷下工作的情况。,折算到电机轴负载均方根力矩,三、总传动比的选择,1.负载力矩特性峰值力矩：对应于电机最严重的工作情况，如电机启动；均方根力矩：对应于电机长期连续地在变负荷下工作的情况。,三、总传动比的选择,1.负载力矩特性转矩特性和均方根的力矩特性,三、总传动比的选择,2.“折算峰值力矩最小”的最佳总传动比,峰值力矩最小值,三、总传动比的选择,3.“折算均方根力矩最小”的最佳总传动比,三、电机驱动步进电动机驱动,步进电机的特点：输出角与输入脉冲严格成比例，且在时间上同步；易实现正反转和启停控制，启停时间短；输出转角的精度高，无累积误差；直接用数字信号控制，与计算机接口方便；维修方便，寿命长。,永磁式步进电动机的结构和原理,三、电机驱动步进电动机驱动,永磁铁,通电绕组,反应式步进电动机的结构原理,三、电机驱动步进电动机驱动,定子通电绕组,转子转向磁阻最小的位置,混合式步进电动机结构,三、电机驱动步进电动机驱动,步进电机的相序,三、电机驱动步进电动机驱动,步进电机的两种脉冲序列,为了用步进电机获得高的定位精度，需要有位置信息，可以采用位置反馈装置来实现。,三、电机驱动步进电动机驱动,步进电机三相六拍分配器原理图,三、电机驱动步进电动机驱动,步进电机单相功率放大线路图,三、电机驱动步进电动机驱动,1、整流电路,三、电机驱动直流电源和动率放大器,2、稳压电路,三、电机驱动直流电源和动率放大器,3、功率放大电路,三、电机驱动直流电源和动率放大器,功率放大器的伏安特性,3、功率放大电路比例式功率放大器开关式功率放大器脉冲调制功率放大器晶闸管功率放大器,三、电机驱动直流电源和动率放大器,四、新型驱动器,1、静电驱动器2、形状记忆合金驱动器3、电磁致伸缩驱动器4、压电效应驱动器5、人工肌肉6、超声波电机,1、静电驱动器,1、静电驱动器,2、形状记忆合金驱动器,形状记忆合金：一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性变形，达到屈服点，就产生塑性变形，应力消除后留下永久变形。但有些材料，在发生了塑性变形后，经过合适的热过程，能够回复到变形前的形状，这种现象叫做形状记忆效应（SME）。具有形状记忆效应的金属一般是两种以上金属元素组成的合金，称为形状记忆合金（SMA）。,2、形状记忆合金驱动器,2、形状记忆合金驱动器,2、形状记忆合金驱动器,六足微小型机器人,手爪,用背部的金属纤维振动翅膀,2、形状记忆合金驱动器,移动跳跃机器人“KOHARO”,3、电磁致伸缩驱动器,磁致伸缩材料：当某些铁磁材料置于磁场中时，其几何尺寸会发生变化，这种现象称之为磁致伸缩效应。具有磁致伸缩效应的金属，称之为磁致伸缩材料。目前磁致伸缩智能材料的主流是稀土磁致伸缩材料，稀土超磁致伸缩材料是近期才发展起来的一种新型功能材料。,3、电磁致伸缩驱动器,4、压电效应驱动器,4、压电效应驱动器,5、人工肌肉,比利时,Lucy,气动肌肉驱动，身高150cm，重30kg，每条腿6个自由度，采用12个气动肌肉控制，总共拥有23个自由度,6、超声波电机,