4章机器人驱动系统

第4章机器人的驱动系统4.1机器人的驱动方式4.2液压驱动系统4.3气压驱动系统4.4电气驱动系统4.5新型驱动器4.1机机器人人的驱动动方式4.1..1概概述优点:1）液压压容易达达到较高高的单位位面积压压力（常常用油压压为25～63kg//cm2),体体积较小小，可以以获得较较大的推推力或转转矩。2）液压压系统介介质的可可压缩性性小，工工作平稳稳可靠，，并可得得到较高高的位置置精度。。3）液压压传动中中，力、、速度和和方向比比较容易易实现自自动控制制。4）液压压系统采采用油液液作介质质，具有有防锈性性和自润润滑性能能，可以以提高机机械效率率，使用用寿命长长。不足之处处:1）油液液的粘度度随温度度变化而而变化，，影响工工作性能能，高温温容易引引起燃烧烧爆炸等等危险。。2）液体体的泄漏漏难于克克服，要要求液压压元件有有较高的的精度和和质量，，故造价价较高。。3）需要要相应的的供油系系统，尤尤其是电电液伺服服系统要要求严格格的滤油油装置，，否则会会引起故故障。应用:液压驱动动方式的的输出力力和功率率更大，，能构成成伺服机机构，常常用于大大型机器器人关节节的驱动动液压驱动动的特点点及应用用优点:1）以空空气为工工作介质质，不仅仅易于取取得，而而且用后后可直接接排入大大气，处处理方便便，也不不污染环环境。2）因空空气的粘粘度很小小（约为为油的万万分之一一），在在管道中中流动时时的能量量损失很很小，因因而便于于集中供供气和远远距离输输送，气气动动作作迅速，，调节方方便，维维护简单单，不存存在介质质变质及及补充等等问题。。3）工作作环境适适应性好好，无论论在易燃燃、易爆爆、多尘尘埃、强强磁、辐辐射、振振动等恶恶劣环境境中，还还是在食食品加工工、轻工工、纺织织、印刷刷、精密密检测等等高净化化、无污污染场合合，都具具有良好好的适应应性，且且工作安安全可靠靠，过载载时能自自动保护护。4）气动动元件结结构简单单，成本本低，寿寿命长，，易于实实现标准准化、系系列化和和通用化化。不足之处处:1）由于于空气具具有较大大的可压压缩性，，因而运运动平稳稳性较差差。2）因工工作压力力低（一一般为0.3～～1MPa），，不易获获得较大大的输出出力或力力矩。3）有较较大的排排气噪声声。4）由于于湿空气气在一定定的温度度和压力力条件下下能在气气动系统统的局部部管道和和气动元元件中凝凝结成水水滴，促促使气动动管道和和气动元元件腐蚀蚀和生锈锈，导致致气动系系统工作作失灵。。应用:多用于开开关控制制和顺序序控制的的机器人人中。气动驱动动的特点点及应用用优点:电气驱动动是利用用各种电电动机产产生力和和力矩，，直接或或经过减减速机构构去驱动动机器人人的关节节，从而而获得机机器人的的位置、、速度和和加速度度。因省省去中间间的能量量转换过过程，因因此比液液压和气气压驱动动的效率率高，且且具有无无环境污污染、易易于控制制、运动动精度高高、成本本低等优优点。应应用最广广泛。分类特点点:1）普通通交、直直流电动动机驱动动需加减减速装置置，输出出力矩大大，但控控制性能能差，惯惯性大，，适用于于中型或或重型机机器人。。伺服电电动机和和步进电电动机输输出力矩矩相对小小，控制制性能好好，可实实现速度度和位置置的精确确控制，，适用于于中小型型机器人人。2）交、、直流伺伺服电动动机一般般用于闭闭环控制制系统，，而步进进电动机机则主要要用于开开环控制制系统，，一般用用于速度度和位置置精度要要求不高高的场合合。功率率在1KW以下下的机器器人多采采用电机机驱动。。应用:电动机使使用简单单，且随随着材料料性能的的提高，，电机性性能也逐逐渐提高高。所以以总的看看来，目目前机器器人关节节驱动逐逐渐为电电动式所所代替。。电气驱动动的特点点及应用用液压驱动气动驱动电动驱动输出功率

很大，压力范围为50～140N/cm2

大，压力范围为48～60N/cm2，最大可达100N/cm2

较大控制性能

利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制

气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制

控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂响应速度

很高

较高

很高结构性能及体积

结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大

结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小

伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题液压驱动气动驱动电动驱动安全性

防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险

防爆性能好，高于1000kPa(10个大气压)时应注意设备的抗压性

设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差对环境的影响

液压系统易漏油，对环境有污染

排气时有噪声

无在工业机器人中应用范围

适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人

适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具

适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等效率与成本效率中等（0.3～0.6）；液压元件成本较高

效率低（0.15～0.2）气源方便，结构简单，成本低

效率较高（0.5左右）成本高维修及使用

方便，但油液对环境温度有一定要求

方便

较复杂几种驱动动方式的的比较4.1..2驱驱动系统统性能1．刚度度和柔性性刚度是材材料对抗抗变形的的阻抗，，他可以以是梁在在负载作作用下抗抗弯曲的的刚度，，或汽缸缸中气体体在负载载作用下下抗压缩缩的阻抗抗，甚至至是瓶中中的酒在在木塞作作用下抗抗压缩的的阻抗。。系统的的刚度越越大，则则使它变变形所须须的负载载也越大大。相反反，系统统柔性越越大，则则在负载载作用下下就越容容易变形形。2.重重量、功功率-重重量比和和工作压压强驱动系统统的重量量以及功功率-重重量比至至关重要要，例如如电子系系统的功功率-重重量比属属中等水水平。在在同样功功率情况况下，步步进机通通常比伺伺服电机机要重，，因此它它具有较较低的功功率-重重量比。。电机的的电压越越高，功功率-重重量比越越高。气气动功率率-重量量比最低低，而液液压系统统具有最最高的功功率-重重量比。。4.1..3驱驱动系统统驱动方方式1．直线线驱动方方式机器人采采用的直直线驱动动包括直直角坐标标机构的的X、Y、Z向向驱动，，圆柱坐坐标结构构的径向向驱动和和垂直升升降驱动动，以及及球坐标标结构的的径向伸伸缩驱动动。直线线运动可可以直接接由气缸缸或液压压缸和活活塞产生生，也可可以采用用齿轮齿齿条、丝丝杠、螺螺母等传传动方式式把旋转转运动转转换成直直线运动动。2.旋旋转驱动动方式多数普通通电机和和伺服电电机都能能够直接接产生旋旋转运动动，但其其输出力力矩比所所需要的的力矩小小，转速速比所需需要的转转速高。。因此，，需要采采用各种种传动装装置把较较高的转转速转换换成较低低的转速速，并获获得较大大的力矩矩。有时时也采用用直线液液压缸或或直线气气缸作为为动力源源，这就就需要把把直线运运动转换换成旋转转运动。。这种运运动的传传递和转转换必须须高效率率地完成成，并且且不能有有损于机机器人系系统所需需要的特特性，特特别是定定位精度度、重复复精度和和可靠性性。运动动的传递递和转换换可以选选择齿轮轮链传动动、同步步皮带传传动和谐谐波齿轮轮等传动动方式。。4.2液液压驱驱动系统统4.2..1液液压伺服服系统的的组成和和特点1.液液压伺服服系统的的组成液压伺服服系统有有液压源源、驱动动器、伺伺服阀、、传感器器和控制制器等组组成。如如图所示示。2.液液压伺服服控制系系统的工工作特点点1）在系系统的输输出和输输入之间间存在反反馈连接接，从而而组成闭闭环控制制系统。。2）系统统的主反反馈是负负反馈。。3）系统统的输入入信号的的功率很很小，而而系统的的输出功功率可以以达到很很大。4.2..2电电液伺服服系统1、电液液伺服系系统的组组成电液伺服服系统通通过电气气传动方方式，将将电气信信号输入入系统来来操纵有有关的液液压控制制元件动动作，控控制液压压执行元元件，使使其跟随随输入信信号而动动作。这这类伺服服系统中中，电液液两部分分都采用用电液伺伺服阀作作为转换换元件。。1－电放放大器2－－电液伺伺服阀3－－液压缸缸4－机械械手手臂臂5－齿轮轮齿条机机构6－电位位器7－步步进电机机下图所示示为机械械手手臂臂伸缩运运动的电电液伺服服系统原原理图其具体工工作过程程如下：当数控装装置发出出一定数数量的脉脉冲时，，步进电电机就会会带动电电位器的的动触头头转动。。假设此此时顺时时针转过过一定的的角度ββ，这是是电位器器输出电电压为u，经放放大器放放大后输输出电流流i，使使电液伺伺服阀产产生一定定的开口口量。这这时，电电液伺服服阀处于于左位，，压力油油进入液液压缸左左腔，活活塞杆右右移，带带动机械械手手臂臂右移，，液压缸缸右腔的的油液经经电液伺伺服阀返返回油箱箱。此时时，机械械手手臂臂上的齿齿条带动动齿轮也也顺时针针移动，，当其转转动角度度α＝ββ时，动动触头回回到电位位器的中中位，电电位器输输出电压压为零，，相应放放大器输输出电流流为零，，电液伺伺服阀回回到中位位，液压压油路被被封锁，，手臂即即停止运运动。当当数控装装置发出出反向脉脉冲时，，步进电电动机逆逆时针方方向转动动，和前前面正好好相反，，机械手手就会手手臂缩回回。机械手手手臂伸缩缩运动伺伺服系统统方框图图2.电电液伺服服阀的工工作原理理（1）原原理图图如如图图为喷嘴嘴挡板式式电液伺伺服阀的的工作原原理图。。喷嘴挡挡板式电电液伺服服由电磁磁和液压压两部分分组成，，电磁部部分是一一个动铁铁式力矩矩马达，，液压部部分为两两级。第第一级是是双喷嘴嘴挡板阀阀，称前前置级（（先导级级）；第第二级是是四边滑滑阀，称称功率放放大级（（主阀））。1-永久久磁铁2、4-导磁磁体3-衔铁铁5--挡板6-喷喷嘴7-固定定节流孔孔8--滤油器器9-滑滑阀10-阀阀体11-反反馈弹簧簧杆12-弹弹簧管13--线圈（2）前前置级工工作原理理由双喷嘴嘴挡板阀阀构成的的前置级级如图所所示，它它由两个个固定节节流孔、、两个喷喷嘴和1个挡板板组成。。两个对对称配置置的喷嘴嘴共用一一个挡板板，挡板板和喷嘴嘴之间形形成可变变节流口口，挡板板一般由由扭轴或或弹簧支支承，且且可绕支支点偏转转，挡板板的由力力矩马达达驱动。。当挡板板上没有有作用输输入信号号时，挡挡板处于于中间位位置———零位，，与两喷喷嘴之距距均为x0，此此时两喷喷嘴控制制腔的压压力P1与P2相等。。当挡板板转动时时，两个个控制腔腔的压力力一边升升高，另另一边降降低，就就有负载载压力PL(PL=P1-P2)输输出。双双喷嘴挡挡板阀有有四个通通道(一一个供油油口，一一个回油油口和两两个负载载口)，，有四个个节流口口(两个个固定节节流孔和和两个可可变节流流孔)，，是一种种全桥结结构。（3）喷喷嘴挡板板阀特点点喷嘴挡板板阀的优优点是结结构简单单，加工工方便，，运动部部件惯性性小，反反应快，，精度和和灵敏度度高；缺缺点是无无功损耗耗大，抗抗污染能能力较差差。喷嘴嘴挡板阀阀常用作作多级放放大伺服服控制元元件中的的前置级级。4.2..3电电液比例例控制阀阀电液比例例阀是一一种按输输入的电电气信号号连续地地、按比比例地对对油液的的压力、、流量或或方向进进行远距距离控制制的阀。。电液比比例控制制阀可以以分为电电液比例例压力阀阀（如比比例溢流流阀、比比例减压压阀等））、电液液比例流流量阀（（如比例例调速阀阀）和电电液比例例方向阀阀（如比比例换向向阀）三三大类。。1.比比例电磁磁铁比例电磁磁铁是一一种直流流电磁铁铁，与普普通换向向阀用电电磁铁的的不同主主要在于于，比例例电磁铁铁的输出出推力与与输入的的线圈电电流基本本成比例例。这一一特性使使比例电电磁铁可可作为液液压阀中中的信号号给定元元件。如如图为比比例电磁磁铁结构构图。。1—轭铁铁2——线圈3—限限位环4—隔隔磁环5—壳壳体6—内盖盖7——盖8—调节节螺钉9—弹簧簧10—衔铁铁11—(隔隔磁)支支承环12——导向套套2．电液液比例溢溢流阀用比例电电磁铁取取代先导导型溢流流阀导阀阀的手调调装置（（调压手手柄），，便成为为先导型型比例溢溢流阀，，如图所所示。a）结构构图b））符号1-阀座座2--先导锥锥阀3-轭铁铁4--衔铁5-弹弹簧6-推杆杆7--线圈；；8-弹弹簧9-先导导阀先导型比比例溢流流阀的工工作原理理简图3.比比例方向向节流阀阀用比例电电磁铁取取代电磁磁换向阀阀中的普普通电磁磁铁，便便构成直直动型比比例方向向节流阀阀，如图图所示示。由于于使用了了比例电电磁铁，，阀芯不不仅可以以换位，，而且换换位的行行程可以以连续地地或按比比例地变变化，因因而连通通油口间间的通流流面积也也可以连连续地或或按比例例地变化化，所以以比例方方向节流流阀不仅仅能控制制执行元元件的运运动方向向，而且且能控制制其速度度。部分比例例电磁铁铁前端还还附有位位移传感感器（或或称差动动变压器器），这这种比例例电磁铁铁称为行行程控制制比例电电磁铁。。位移传传感器能能准确地地测定电电磁铁的的行程，，并向放放大器发发出电反反馈信号号。电放放大器将将输入信信号和反反馈信号号加以比比较后，，再向电电磁铁发发出纠正正信号以以补偿误误差，因因此阀芯芯位置的的控制更更加精确确。带位移传传感器的的直动型型比例方方向节流流阀4.2..4摆摆动缸缸摆动式液液压缸也也称摆动动马达。。当它通通入压力力油时，，它的主主轴输出出小于360°°的摆动动运动。。图（a）所示示为单叶叶片式摆摆动缸,,它的摆摆动角度度较大,,可达300°°，当摆摆动缸进进出油口口压力为为P1和和P2,,输入流流量为q时,它它的输出出转矩T和角速速度ω为为：（4.1）（4.2）式中b——叶片的的宽度；；R1、、R2——叶片底底部、顶顶部的回回转半径径图4.10（b）所示示为双叶叶片式摆摆动缸,,它的摆摆动角度度和角速速度为单单叶片式式的一半半,而输输出角度度是单叶叶片式的的两倍。。4.3气气压驱驱动系统统4.3..1气气压驱动动回路1．气压压驱动回回路的组组成气压驱动动回路主主要由气源装置置、执行行元件、、控制元元件及辅助元件件四部分组组成。2．气压压驱动回回路工作作原理如图为典典型的气气压驱动动回路——气动剪剪切机系系统的工工作原理理图。结构原理理图工作原理理图4.3..2气气源装装置气源装置置由两部部分组成成，一是是空气压压缩机把把大气压压状态下下的空气气升压提提供给气气压传动动系统，，二是气气源净化化装置将将空气压压缩机所所提供的的含有大大量杂质质的压缩缩空气进进行净化化。1.空空气压缩缩机空气压缩缩机按其其压力大大小分为为低压（（0.2～1..0MPa）、、中压（（1.0～10MPa）、高高压（＞＞10MPa））三类；；按工作作原理为为容积式式（通过过缩小单单位质量量气体体体积的方方法获得得压力））和速度度式（通通过提高高单位质质量气体体的速度度并使动动能转化化为压力力能来获获得压力力）。常见容积积式空气气压缩机机按其结结构分为为：活塞塞式、叶叶片式和和螺杆式式，其中中最常用用的是活活塞式。。常见的的速度式式空气压压缩机按按结构分分为：离离心式、、轴流式式和混流流式等。。所谓容容积式是是周期第第改变气气体容积积的方法法，即通通过缩小小气体的的体积，，使单位位体积内内的气体体分子的的密度增增加，形形成压缩缩空气。。而速度度式则是是先让气气体分子子得到一一个很高高的速度度，然后后又让它它停滞下下来，将将动能转转化为静静压能，，是其他他的压力力提高。。1-排气气阀2-汽汽缸3-活活塞4-活活塞杆5、6-十字字头与滑滑道7-连杆杆8--曲柄9-吸气气阀10-弹弹簧下图为往往复活塞塞式空气气压缩机机工作原原理图，，其工作作过程如如下：当活塞3向右运运动时，，左腔压压力低于于大气压压力，吸吸气阀9被打开开，空气气在大气气压力作作用下进进入气缸缸2内，，这个过过程称为为“吸气气过程””。当活塞向向左移动动时，吸吸气阀9在缸内内压缩气气体的作作用下关关闭，缸缸内气体体被压缩缩，这个个过程称称为“压压缩过程程”。当气缸内内空气压压力增高高到略高高于输气气管内压压力后，，排气阀阀1被打打开，压压缩空气气进入输输气管道道，这个个过程称称为“排排气过程程”。2.气气源净化化装置气源净化化装置包包括后冷冷却器、、油水分分离器、、储气罐罐、干燥燥器、过过滤器等等。（1）后后冷却器器后冷却器器安装在在空气压压缩机出出口处的的管道上上，它对对150℃左右右的压缩缩空气降降温降到到40~~50℃℃，并并使混入入压缩空空气的水水汽和油油气凝聚聚成水滴滴和油滴滴。后冷却器器按结构构形式分分有蛇管管式、列列管式、、散热片片式和管管套式；；按冷却却方式分分有风冷冷式和水水冷式。。列管式冷冷却器套管式冷冷却器（2）油油水分离离器油水分离离器主要要是用来来压缩空空气中凝凝聚的水水分、油油分和灰灰尘等杂杂质，是是压缩空空气得到到初步净净化。其其按结构构形式分分有环形形回转式式、撞击击折回式式、离心心旋转式式、水浴浴式及以以上形式式的组合合等。当压缩空空气由入入口进入入分离器器壳体后后，气流流先受到到隔板阻阻挡而被被撞击折折回向下下（见图图中箭头头所示流流向）；；之后又又上升产产生环形形回转。。这样凝凝聚在压压缩空气气中的油油滴、水水滴等杂杂质受惯惯性力作作用而分分离析出出，沉降降于壳体体底部，，由放水水阀定期期排出。。撞击折回回式油水水分离器器（3）储气罐罐储气罐的的主要作作用是：：1）储存一一定数量量的压缩缩空气，，以备发发生故障障或临时时需要应应急使用用。2）消除由由于空气气压缩机机断续排排气而对对系统引引起的压压力脉动动，保证证输出气气流的连连续性和和平稳性性。3）进一步步分离压压缩空气气中的油油、水等等杂质。。立式储气气罐结构构图贮气罐一一般采用用圆筒状状焊接结结构，有有立式和和卧式两两种，以以立式居居多。高高度为其其直径的的2～3倍，同同时应使使进气管管在下，，出气管管在上，，并尽可可能加大大两管之之间的距距离，以以利于进进一步分分离空气气中的油油水。在选择储储气罐的的容积V时，一一般都是是以空气气压缩机机每分钟钟的排气气量Q为为依据选选择的。。即:当Q＜6.0m3/min时时，取V=0..2Q((m3)当Q=6.0～～30m3//min时，取取V=0.15Q(m3))当Q＞30m3/min时时，取V=0..1Q((m3)（4）干干燥器经过后冷冷却器、、油水分分离器和和贮气罐罐后得到到初步净净化的压压缩空气气，已满满足一般般气压传传动的需需要。但但压缩空空气中仍仍含一定定量的油油、水以以及少量量的粉尘尘。如果果用于精精密的气气动装置置、气动动仪表等等，上述述压缩空空气还必必须进行行干燥处处理。压压缩空气气干燥方方法主要要采用吸吸附法和和冷却法法。如图为吸吸附式干干燥器结结构图，，其外壳壳呈筒形形，其中中分层设设置栅板板、吸附附剂、滤滤网等。。湿空气气从管1进入干干燥器，，通过吸吸附剂21、过过滤网20、上上栅板19和下下部吸附附层16后，因因其中的的水分被被吸附剂剂吸收而而变得很很干燥。。然后，，再经过过铜丝网网15，，下栅板板14和和过滤网网12，，干燥、、洁净的的压缩空空气便从从输出管管8排出出。1—湿空空气进气气管2—顶盖盖3、、5、10—法法兰4、6——再生空空气排气气管7—再生生空气进进气管8—干干燥空气气输出管管9——排水管管11、22—密封封座12、15、20—钢钢丝过虑虑网13—毛毛毡14—下下栅板16、、21吸吸附剂层层17—支撑撑板18—筒筒体19—上上栅板5）过滤滤器过滤器的的作用是是进一步步滤除压压缩空气气中的杂杂质。常常用的过过滤器有有一次性性过滤器器（也称称简易过过滤器，，滤灰效效率为50~70%））；二次次过滤器器（滤灰灰效率为为70~~99%%）。在在要求高高的特殊殊场合，，还可使使用高效效率的过过滤器。。如图所示示为一种种一次性性过滤器器，气流流由切线线方向进进入筒内内，在离离心力的的作用下下分离出出液滴，，然后气气体由下下而上通通过多片片钢板、、毛、毡毡、硅胶胶、焦炭炭、滤网网等过滤滤吸附材材料，干干燥清洁洁的空气气从筒顶顶输出。。1—10蜜孔网2—280目目细铜丝丝网3—焦碳碳4—硅胶胶等4.3..3气气动驱驱动器1.气气缸气缸是气气动系统统的执行行元件之之一。2.气气动马达达气动马达达也是气气动执行行元件的的一种。。它的作作用相当当于电动动机或液液压马达达。即输输出力矩矩，拖动动机构作作旋转运运动。（1）气动马马达的分分类气马达按按结构形形式可分分为：叶叶片式气气马达、、活塞式式气马达达和齿轮轮式气马马达等。。（2）气气动马达达工作原原理如图为叶叶片式气气动马达达。与液液压叶片片马达相相似，主主要包括括一个径径向装有有3~10个叶叶片的转转子，偏偏心安装装在定子子内，转转子两侧侧有前后后盖板，，叶片在在转子的的槽内可可径向滑滑动，叶叶片底部部通有压压缩空气气，转子子转动是是靠离心心力和叶叶片底部部气压将将叶片紧紧压在定定子内表表面上。。定子内内有半圆圆形的切切沟，提提供压缩缩空气及及排出废废气。。4.4电电气驱驱动系统统机器人电电动伺服服驱动系系统是利利用各种种电动机机产生的的力矩和和力，直直接或间间接地驱驱动机器器人本体体以获得得机器人人的各种种运动的的执行机机构。机器人对对关节驱驱动电机机的要求求如下：1）快速速性2））起动转转矩惯量量比大3）控制制特性的的连续性性和直线线性4）调速速范围宽宽，能使使用于1：1000～～10000的的调速范范围。5）体积积小、质质量小、、轴向尺尺寸短。。6）能经经受得起起苛刻的的运行条条件，可可进行十十分频繁繁的正反反向和加加减速运运行，并并能在短短时间内内承受过过载。工业机器器人电动动机驱动动原理图图如图所所示，为为工业机机器人电电动机驱驱动原理理图，工工业机器器人电动动伺服系系统的一一般结构构为三个个闭环控控制，即即电流环环、速度度环和位位置环伺服电机机是指带有有反馈的的直流电电机、交交流电机机、无刷刷电机、、或者步步进电机机，它们们通过控控制以期期望的转转速（和和相应地地期望转转矩）运运动到达达期望转转角。为为此，反反馈装置置向伺服服电机控控制器电电路发送送信号，，提供电电机的角角度和速速度。如如果负荷荷增大，，则转速速就会比比期望转转速低，，电流就就会增加加直到转转速和期期望值相相等。如如果信号号显示数数度比期期望值高高，电流流就会相相应的减减小。如如果还使使用了位位置反馈馈，那么么位置信信号用于于在转子子到达期期望的角角位置时时关掉电电机。如如图所示示为伺服服电机驱驱动原理理框图。。4.4..1步步进电电机驱动动步进电动动机是将将电脉冲冲信号变变换为相相应的角角位移或或直线位位移的元元件，它它的角位位移和线线位移量量与脉冲冲数成正正比。作作为一种种开环数数字控制制系统，，在小型型机器人人中得到到较广泛泛的应用用。但由由于其存存在过载载能力差差、调速速范围相相对较小小、低速速运动有有脉动、、不平衡衡等缺点点，一般般只应用用于小型型或简易易型机器器人中。。步进电动动机驱动动器，主主要包括括脉冲发发生器、、环形分分配器和和功率放放大等几几大部分分，其原原理框图图如图所所示。1.步步进电机机工作原原理如图所示示为步进进电机工工作的基基本原理理步进电机机的定子子上有两两组线圈圈和一对对永久磁磁铁作为为转子，，当给定定子线圈圈加电时时永磁转转子（或或磁阻式式步进电电机中的的软铁心心转子））将旋转转到与定定子磁场场一致的的方向，，如图a所示。除除非磁场场旋转，，否则转转子就停停留在该该位置。。切断当前前线圈中中的电流流，对下下一组线线圈通电电，转子子将再次次转至和和新磁场场方向一一致的方方向，如如图b所示。当当切断第第二组线线圈时，，第一组组线圈在在一次接接通，但但是极性性相反，，这将使使转子沿沿同样的的方向又又转了一一步。这这个过程程在关断断一组线线圈并接接通另一一组线圈圈时保持持继续，，经过四四步就使使转子转转回到原原来的初初始位置置。在第一部部结束时时，不是是切断第第一组线线圈并接接通第二二组线圈圈，而是是接通两两组线圈圈的电源源。此时时，转子子将仅旋旋转45度，和和最小磁磁阻方向向一致，，如图c所示。按照力矩矩产生原原理分类类———激磁式反反应式混混合合式按照定子子数目分分类———单定子双双定定子多多定子子按照定子子励磁相相数分类类———三相四四相五五相相六六相按照各相相绕组的的分布规规律分类类———径向分相相(垂垂轴式))轴向分相相(顺顺轴式))2．步进进电机常常用类型型三相反应应式步进进电动机机单三拍拍方式工工作原理理图4.4..2直直流伺伺服电动动机驱动动机器人对对直流伺伺服电机机的基本本要求：宽广的调调速范围围机械特性性和调速速特性均均为线性性无自转现现象（控控制电压压降到零零时，伺伺服电动动机能立立即自行行停转））快速响应应好1.直直流伺服服电机的的特点（1）稳稳定性（（2）可可控性好好（3））响应迅迅速（4）控控制功率率低，损损耗小（（5）转转矩大2.直直流伺服服电机的的分类及及结构（1）分分类按励磁方方式，直直流伺服服电动机机分为电电磁式直直流伺服服电动机机（简称称直流伺伺服电动动机）和和永磁式式直流伺伺服电动动机。电电磁式直直流伺服服电动机机如同普普通直流流电动机机，分分为串砺砺式、并并励式和和他励式式。直流伺服服电动机机按其电电枢结构构形式不不同，分分为普通通电枢型型、印制制绕组盘盘式电枢枢型、线线绕盘式式电枢型型、空心心杯绕组组电枢型型和无槽槽电枢型型（无换换向器和和电刷））。1）印制制绕组直直流伺服服电机（（盘形转转子、盘盘形定子子轴向粘粘接柱状状磁钢，，转子转转动惯量量小，无无齿槽效效应，无无饱和效效应，输输出转矩矩大）。。2）线绕绕盘式直直流伺服服电机（（盘形转转子、定定子轴向向粘接柱柱状磁钢钢，转子子转动惯惯量小，，控制性性能优于于其他直直流伺服服电机，，效率高高，输出出转矩大大）。3）杯型型电枢永永磁直流流电机（（空心杯杯转子，，转子转转动惯量量小，适适用于增增量运动动伺服系系统）。。4）无刷刷直流伺伺服电机机（定子子为多相相绕组，，转子为为永磁式式，可带带转子位位置传感感器，无无火花干干扰，寿寿命长，，噪声低低）。（2）结结构如图为电电磁式直直流伺服服电动机机结构，，其中包包括三个个主要部部分。1）定子子：定子子磁极磁磁场由定定子的磁磁极产生生。根据据产生磁磁场的方方式，直直流伺服服电机可可分为永永磁式和和他激式式。永磁磁式磁极极由永磁磁材料制制成，他他激式磁磁极由冲冲压硅钢钢片叠压压而成，，外绕线线圈通以以直流电电流便产产生恒定定磁场。。2）转子子：又称称为电枢枢，由硅硅钢片叠叠压而成成，表面面嵌有线线圈，通通以直流流电时，，在定子子磁场作作用下产产生带动动负载旋旋转的电电磁转矩矩。3）电刷刷和换向向片：为为使所产产生的电电磁转矩矩保持恒恒定方向向，转子子能沿固固定方向向均匀的的连续旋旋转，电电刷与外外加直流流电源相相接，换换向片与与电枢导导体相接接。3.直直流伺服服电动机机调试的的方法在电枢控控制方式式下，直直流伺服服电机的的主要静静态特性性是机械械特性和和调节特特性。（1）机机械特性性直流伺服服电机的的机械特特性公式式如下：：n0—电机的的理想空空载转速速；R——电枢枢电阻；；Ce—直流电电机电动动势结构构常数φ—磁通；；T—转矩；；CT—转矩结结构常数数直流电机机机械特特性直流电机机调节特特性4.4..3交交流伺服服电动机机驱动直流伺服服电动的的缺点1)接接触式换换向器不不但结构构复杂、、制造费费时、价价格昂贵贵，而且且运行中中容易产产生火花花，以及及换向器器的机械械强度不不高，电电刷易于于磨损等等，需要要经常维维护检修修2)对对环境的的要求比比较高，，不适用用于化工工、矿山山等周围围环境中中有粉尘尘、腐蚀蚀性气体体和易爆爆易燃气气体的场场合。交流伺服服电动的的优点结构简单单、制造造方便、、价格低低廉。坚坚固耐用用、惯量量小、运运行可靠靠、很少少需要维维护、可可用于恶恶劣环境境等。交流伺服服电机的的分类交流伺服服电机分分为两种种：同步步型和感感应型。。（1）异异步型交交流电机机异步型交交流伺服服电动机机指的是是交流感感应电动动机。它它有三相相和单相相之分，，也有鼠鼠笼式和和线绕式式，通常常多用鼠鼠笼式三三相感应应电动机机。（2）同同步型交交流电机机同步型交交流伺服服电动机机虽较感感应电动动机复杂杂，但比比直流电电动机简简单。它它的定子子与感应应电动机机一样，，都在定定子上装装有对称称三相绕绕组。而而转子却却不同，，按不同同的转子子结构又又分电磁磁式及非非电磁式式两大类类。非电电磁式又又分为磁磁滞式、、永磁式式和反应应式多种种。2.异异步交流流伺服电电机的基基本原理理1）转子子导条切切割旋转转磁场磁磁力线，，产生感感应电势势，使转转子导条条有电流流流过。。2）有电电流流过过的导条条在磁场场中受到到的电磁磁力对转转轴形成成电磁力力矩，使使转子跟跟着旋转转磁场转转动。3）转子子的转动动方向与与磁铁的的转动方方向相同同，转子子转速与与磁铁的的转速成成正比。。4）由于于转子自自身阻转转矩以及及负载阻阻转矩的的影响，，转子的的转速要要小于磁磁铁转动动转速，，故称异异步电动动机。异步交流流电机工工作原理理图异步交流流电机结结构图3.交交流伺服服电机的的调速方方法异步交流流电机转转速的基基本公式式：其中：n—电动机机转速，，单位r/min；f—电源电电压频率率，单位位：Hz；p—电动机机磁极对对数；s—转差率率，S=n0-n/n0n0—电动机机定子旋旋转磁场场转速（（同步转转速），，单位：：r/min；由上式可可见，改改变异步步电动机机转速的的方法有有三种：：1）改变变极对数数P,但但一般般交流电电动机磁磁极对数数不能改改变，磁磁极对数数可变的的电动机机称为多多速电动动机。因因为磁极极对数只只能成对对出现，，所以转转速只能能成倍改改变，因因此只能能实现有有级变速速，速度度不能平平滑调节节。2）改变变转差率率S,适适合于绕绕线式异异步电动动机。在在转子绕绕组回路路中串入入电阻使使电动机机机械特特性变软软，转差差率增大大。串入入的电阻阻越大，，转速越越低，但但调速范范围窄，，不易控控制。3）改变变交流频频率f,,目前高高性能的的调试系系统大多多采用变变频调试试，能够够实现宽宽范围的的无级调调速，且且转速与与频率成成正比。。4．变频频调速（1）原原理及构构成主电路是是给异步步电动机机提供调调压调频频电源的的电力变变换部分分，变频频器的主主电路大大体上可可分为两两类：电电压型是是将电压压源的直直流变换换为交流流的变频频器，直直流回路路的滤波波是电容容。电流流型是将将电流源源的直流流变换为为交流的的变频器器，其直直流回路路滤波是是电感。。它由三三部分构构成，将将工频电电源变换换为直流流功率的的“整流流器”，，吸收在在变流器器和逆变变器产生生的电压压脉动的的“平波波回路””，以及及将直流流功率变变换为交交流功率率的“逆逆变器””。（2）优优点1）电机机运行平平稳。采采用变频频调速，，可使电电机的工工作磁场场接近圆圆形旋转转磁场。。2）较高高的效率率和功率率因数。。采用变变频调速速可使电电机的转转差率很很小，损损耗小、、效率较较高3）调速速范围宽宽：频率率可以在在低于和和高于电电源频率率的范围围内调节节。4）开环环精度较较高：采采用数字字控制时时，变频频调速能能够得到到较高的的开环控控制精度度。（3）分分类1）按变变换的环环节分类类交-直--交变频频器；；交交-交变变频器2）按直直流电源源性质分分类电压型变变频器；；电电流型变变频器3）按主主电路工工作方法法可分为为电压型型变频器器、电流流型变频频器。4）按照照工作原原理分类类可以分分为V//f控制制变频器器、转差差频率控控制变频频器和矢矢量控制制变频器器等。5）按照照变频调调压方法法可以分分为PAM控制制变频器器、PWM控制制变频器器和高载载频PWM控制制变频器器。6）按照照用途分分类可以分为为通用变变频器、、高性能能专用变变频器、、高频变变频器、、单相变变频器和和三相变变频器等等。此外外，变频频器还可可以按输输出电压压调节方方式分类类，按控控制方式式分类，，按主开开关元器器件分类类，按输输入电压压高低等等方式分分类。4.5新新型驱驱动器4.5..1压压电驱驱动器压电效应应的原理理是，如如果对压压电材料料施加压压力，它它便会产产生电位位差（称称之为正正压电效效应），，反之施施加电压压，则产产生机械械应力（（称为逆逆压电效效应）。。压电驱动动器是利利用逆压压电效应应，将电电能转变变为机械械能或机机械运动动，实现现微量位位移的执执行装置置。压电电材料具具有很多多优点：：易于微微型化、、控制方方便、低低压驱动动、对环环境影响响小以及及无电磁磁干扰等等。如图是一一种典型型的应用用于微型型管道机机器人的的足式压电电微执行行器，有一个个压电双双晶薄片片及其上上两侧分分别贴置置的两片片类鳍型型弹性体体足构成成。压电电双晶片片在电压压信号作作用下产产生周期期性的定定向弯曲曲，将使使弹性体体与管道道两侧接接触处的的动态摩摩擦力不不同，从从而推动动执行器器向前运运动。4.5..2形形状记记忆合金金驱动器器1.形形状记忆忆合金的的定义及及特点定义：状记忆合合金是一一种特殊殊的合金金，一旦旦使它记记忆了任任何形状状，即使使产生变变形，但但当加热热到某一一适当温温度时，，它就能能恢复到到变形前前的形状状。利用用这种驱驱动器的的技术即即为形状状记忆合合金驱动动技术。。特点：1）变形形量大。。2）变位位方向自自由度大大。3）变位位可急剧剧发生。。应用：它具有位位移较大大、功率率重量比比高、变变位迅速速、方向向自由的的特点。。特别适适用于小小负载高高速度、、高精度度的机器器人装配配作业、、显微镜镜内样品品移动装装置、反反应堆驱驱动装置置、医用用内窥镜镜、人工工心脏、、探测器器、保护护器等产产品上。。2．形状状记忆合合金驱动动器的特特点优点：形状记忆忆合金微微驱动器器除具有有高的功功率/重重量比这这一特点点外，它它还具有有结构简简单、无无污染、、无噪声声、具有有