机器人驱动方法课件

第三章驱动方法液压驱动气压驱动直流电动机驱动步进电动机驱动其他驱动形式第三章驱动方法液压驱动1第一节液压驱动把油压泵产生的工作油的压力能．转变成机械能的装置称为液压执行器。在驱动液压执行器时，作为外围设备，包括：(1)形成液压的液压泵；(2)供给工作油的导管；(3)控制工作油流动的液压控制阀；(4)控制控制阀的控制回路，根据液压执行器输出量的形式的不同，大致可以把它们区分为作直线运动的油压缸和作旋转运动的油压马达。第一节液压驱动把油压泵产生的工作油的压力能．转变成机2机器人驱动方法课件3第一节液压驱动功率——重量比高，低速时输出力大（无论直线驱动还是旋转驱动）,适合微处理器及电子控制，可用于极端恶劣的外部环境。液压系统中存在不可避免的泄漏、噪声和低速不稳定等问题，以及功率单元非常笨重和昂贵。现在大部分机器人是电动的，当然仍有许多工业机器人带有液压驱动器。此外，对于一些需要巨大型机器人和民用服务机器人的特殊应用场合，液压驱动器仍可能是合适的选择。第一节液压驱动功率——重量比高，低速时输出力大（无论直线4一、液压缸一、液压缸5二、液压马达齿轮马达二、液压马达齿轮马达6二、液压马达叶片型马达二、液压马达叶片型马达7二、液压马达柱塞式马达二、液压马达柱塞式马达8三、电液伺服阀

阀芯位移等于挡板位移，它与输入电流成正比。当供油压力和负载压力一定时，输出的负载流量与阀芯位移成正比。三、电液伺服阀阀芯位移等于挡板位移，它与输入9四、液压伺服马达当供油口处于关闭状态，阀芯向右移动(x>0)时供油压力ps经过节流口从左通道流到驱动器活塞左侧并以压力p1使载荷向右(y>0)移动。相反，阀芯向左移动(x<0)时压力p2的液压油供到活塞右侧使负载向左(y<0)移动。四、液压伺服马达当供油口处于关闭状态，阀芯向右移动(x>0)10第二节气压驱动气压驱动器在原理上与液压驱动器相同；由于气动装置的工作压强低，和液压系统相比，功率——重量比低得多；由于空气的可压缩性，在负载作用下会压缩和变形，控制气缸的精确位置很难。因此气动装置通常仅用于插入操作或1/2自由度关节上；结构简单，安全可靠，价格便宜；第二节气压驱动气压驱动器在原理上与液压驱动器相同；11液压驱动与气压驱动之对比液压驱动适于搬运较重的物体不适于高速移动适于确定高精度位置气压驱动适于搬运较轻的物体适于高速移动不适于确定高精度位置液压驱动与气压驱动之对比液压驱动气压驱动12第三节电气驱动利用各种电动机产生的力或力矩，直接或经过减速机构去驱动机器人的关节，以获得所要求的位置、速度和加速度；无环境污染、易于控制、运动精度高、成本低、驱动效率高；一般负载1000N（相当100kgf）以下的工业机器人大多采用电伺服驱动系统。第三节电气驱动利用各种电动机产生的力或力矩，直接或经过减13机器人对关节驱动电机的主要要求

1）快速性。电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。响应指令信号的时间愈短，电伺服系统的灵敏性愈高，快速响应性能愈好。2）起动转矩惯量比大。在驱动负载的情况下，要求机器人的伺服电动机的起动转矩大，转动惯量小。3）控制特性的连续性和直线性。随着控制信号的变化，电动机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比。4）调速范围宽。能使用于1：1000～10000的调速范围。5）体积小、质量小、轴向尺寸短。6）能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受过载。机器人对关节驱动电机的主要要求1）快速性。电动机从获得指令14工业机器人驱动系统中所用电动机

1）步进电动机：多适用于对精度、速度要求不高的小型简易机器人开环系统中。2）交流伺服电动机

3）直流伺服电动机

交流伺服电动机、直流伺服电动机均采用位置闭环控制，一般应用于高精度、高速度的机器人驱动系统中。

交流伺服电动机由于采用电子换向，无换向火花，在易燃易爆环境中得到了广泛的使用。

工业机器人驱动系统中所用电动机1）步进电动机：多适用于对精15驱动系统中所用传感器速度传感器多采用测速发电机和旋转变压器；位置传感器多用光电码盘和旋转变压器。近年来，国外机器人制造厂家已经在使用一种集光电码盘及旋转变压器功能为一体的混合式光电位置传感器，伺服电动机可与位置及速度检测器、制动器、减速机构组成伺服电动机驱动单元。驱动系统中所用传感器速度传感器多采用测速发电机和旋转变压器；163.1直流伺服电动机及其驱动组成：一般直流电动机和位置反馈、速度反馈形成的整体；优点：启动转矩大、体积小、重量轻、转速易控制、效率高；缺点：有电刷和换向器，需要定期维修、更换电刷，使用寿命短，噪声大；小惯量直流伺服电动机大惯量宽调速直流电动机3.1直流伺服电动机及其驱动组成：一般直流电动机和位置17一、伺服电机的选择直流伺服电动机驱动一、伺服电机的选择直流伺服电动机驱动18二、总传动比的选择直流伺服电动机驱动“电”与“机”的匹配问题二、总传动比的选择直流伺服电动机驱动“电”与“机”的匹配问题19三、直流伺服电机的驱动直流伺服电机的机械特性控制电压电机结构常数每极磁通电枢回路电阻负载转矩转速电机转速的控制：“调压调速”（★）“调磁调速”三、直流伺服电机的驱动直流伺服电机的机械特性控制电压电机结构20三、直流伺服电机的驱动

直流伺服电机常采用PWM方式驱动。它利用大功率晶体管的开关作用，将恒定的直流电源电压斩成一定频率的方波电压，并加在直流电动机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压来控制电动机的转速。

PWM伺服驱动器具有调速范围宽、低速特性好、响应快、效率高、过载能力强等特点，在工业机器人中常作为直流伺服电动机驱动器。三、直流伺服电机的驱动直流伺服电机常采用P21速度伺服驱动器的构成来自微机控制指令电压测速度代表实际转速速度伺服驱动器的构成来自微机控制指令电压测速度代表实际转速22位置伺服驱动器测转角位置电压控制信号位置伺服驱动器测转角位置电压控制信号233.2同步式交流伺服电动机驱动器同直流伺服电动机驱动系统相比，同步式交流伺服电动机驱动器具有转矩转动惯量比高、无电刷及换向火花等优点，在工业机器人中得到广泛应用。同步式交流伺服电动机驱动器通常采用电流型脉宽调制（PWM）相逆变器和具有电流环为内环、速度环为外环的多闭环控制系统，以实现对三相永磁同步伺服电动机的电流控制。1）矩形波电流驱动的永磁交流伺服系统。

2）正弦波电流驱动的永磁交流伺服系统。3.2同步式交流伺服电动机驱动器同直流伺服电动机驱动系统243.3步进电动机驱动电脉冲信号相应的角位移；输出角与脉冲严格成比例，且在时间上同步；转速取决于脉冲信号的频率；容易实现正、反转和启、停控制；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；能提供较大的低速转矩，可直接驱动机器人关节而无需减速装置。3.3步进电动机驱动电脉冲信号相25一、步进电机的工作原理

当绕组中不通电时，转子中的永磁体总是试图减少磁路中的磁组，转子将趋向使磁组最小的位置，即转子中有一个齿和定子对齐。

当绕组中的各相通电时，转子将被吸引着一步步转动。转子每走一步所转过的角度称步距角。AAAABBBBDDDDCCCC一、步进电机的工作原理当绕组中不通电时，转子中的永26二、步进电机的脉冲分配把指令脉冲按一定规律分成几路电平信号去控制步进电机的几个定子绕组。（1）环形分配器（2）软件分配法步进电机驱动系统组成二、步进电机的脉冲分配把指令脉冲按一定规律分成几路电平信号去27三、步进电机的驱动线路加速电容改善电流波形前沿泄放二极管三、步进电机的驱动线路加速电容改善电流波形前沿泄放二极管283.4直接驱动所谓直接驱动（DD）系统，就是电动机与其所驱动的负载直接耦合在一起，中间不存在任何减速机构。同传统的电动机伺服驱动相比，DD驱动减少了减速机构，从而减少了系统传动过程中减速机构所产生的间隙和松动，极大地提高了机器人的精度，同时也减少了由于减速机构的摩擦及传送转矩脉动所造成的机器人控制精度降低。而DD驱动由于具有上述优点，所以机械刚性好，可以高速高精度动作，且具有部件少、结构简单、容易维修、可靠性高等特点，在高精度、高速工业机器人应用中越来越引起人们的重视。3.4直接驱动所谓直接驱动（DD）系统，就是电动机与其29第五节其他驱动器超声波电机超声波电机与传统的电磁式电机不同，它是利用压电陶瓷的逆压电效应，将超声振动作为动力源的一种新型电机，它由振动部分和移动部分所组成，靠振动部分和移动部分之间的摩擦力来驱动。

第五节其他驱动器超声波电机30USM已应用于以下科学和工业领域：

USM已应用于以下科学和工业领域：31第五节其他驱动器压电执行器（电致伸缩效应）罗歇尔盐（四水合酒石酸钾钠）钛酸钡压电陶瓷蠕动机构第五节其他驱动器压电执行器（电致伸缩效应）蠕动机构32第五节其他驱动器磁致伸缩驱动器

当一片称做Terfenol-D的材料放在磁铁附近时，这种特殊的稀土金属材料将产生微小的形变，这种现象称做磁致伸缩效应。为使这种驱动器工作，要将被磁性线圈覆盖的磁致伸缩小棒的两端固定在两个架子上。当磁场改变时，会导致小棒收缩或伸展，这样其中一个架子就会相对于另一个架子产生运动。第五节其他驱动器磁致伸缩驱动器33第五节其他驱动器形状记忆金属

有一种特殊的形状记忆合金叫做Biometal（生物金属），在90℃左右，合金的晶格结构会从马氏体状态变化到奥氏体状态，并因此变短。然而，与许多其他形状记忆合金不同的是，它变冷时能再次回到马氏体状态。如果线材上负载低的话，上述过程能够持续变化数十万个循环。第五节其他驱动器形状记忆金属34第三章驱动方法液压驱动气压驱动直流电动机驱动步进电动机驱动其他驱动形式第三章驱动方法液压驱动35第一节液压驱动把油压泵产生的工作油的压力能．转变成机械能的装置称为液压执行器。在驱动液压执行器时，作为外围设备，包括：(1)形成液压的液压泵；(2)供给工作油的导管；(3)控制工作油流动的液压控制阀；(4)控制控制阀的控制回路，根据液压执行器输出量的形式的不同，大致可以把它们区分为作直线运动的油压缸和作旋转运动的油压马达。第一节液压驱动把油压泵产生的工作油的压力能．转变成机36机器人驱动方法课件37第一节液压驱动功率——重量比高，低速时输出力大（无论直线驱动还是旋转驱动）,适合微处理器及电子控制，可用于极端恶劣的外部环境。液压系统中存在不可避免的泄漏、噪声和低速不稳定等问题，以及功率单元非常笨重和昂贵。现在大部分机器人是电动的，当然仍有许多工业机器人带有液压驱动器。此外，对于一些需要巨大型机器人和民用服务机器人的特殊应用场合，液压驱动器仍可能是合适的选择。第一节液压驱动功率——重量比高，低速时输出力大（无论直线38一、液压缸一、液压缸39二、液压马达齿轮马达二、液压马达齿轮马达40二、液压马达叶片型马达二、液压马达叶片型马达41二、液压马达柱塞式马达二、液压马达柱塞式马达42三、电液伺服阀

阀芯位移等于挡板位移，它与输入电流成正比。当供油压力和负载压力一定时，输出的负载流量与阀芯位移成正比。三、电液伺服阀阀芯位移等于挡板位移，它与输入43四、液压伺服马达当供油口处于关闭状态，阀芯向右移动(x>0)时供油压力ps经过节流口从左通道流到驱动器活塞左侧并以压力p1使载荷向右(y>0)移动。相反，阀芯向左移动(x<0)时压力p2的液压油供到活塞右侧使负载向左(y<0)移动。四、液压伺服马达当供油口处于关闭状态，阀芯向右移动(x>0)44第二节气压驱动气压驱动器在原理上与液压驱动器相同；由于气动装置的工作压强低，和液压系统相比，功率——重量比低得多；由于空气的可压缩性，在负载作用下会压缩和变形，控制气缸的精确位置很难。因此气动装置通常仅用于插入操作或1/2自由度关节上；结构简单，安全可靠，价格便宜；第二节气压驱动气压驱动器在原理上与液压驱动器相同；45液压驱动与气压驱动之对比液压驱动适于搬运较重的物体不适于高速移动适于确定高精度位置气压驱动适于搬运较轻的物体适于高速移动不适于确定高精度位置液压驱动与气压驱动之对比液压驱动气压驱动46第三节电气驱动利用各种电动机产生的力或力矩，直接或经过减速机构去驱动机器人的关节，以获得所要求的位置、速度和加速度；无环境污染、易于控制、运动精度高、成本低、驱动效率高；一般负载1000N（相当100kgf）以下的工业机器人大多采用电伺服驱动系统。第三节电气驱动利用各种电动机产生的力或力矩，直接或经过减47机器人对关节驱动电机的主要要求

1）快速性。电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。响应指令信号的时间愈短，电伺服系统的灵敏性愈高，快速响应性能愈好。2）起动转矩惯量比大。在驱动负载的情况下，要求机器人的伺服电动机的起动转矩大，转动惯量小。3）控制特性的连续性和直线性。随着控制信号的变化，电动机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比。4）调速范围宽。能使用于1：1000～10000的调速范围。5）体积小、质量小、轴向尺寸短。6）能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受过载。机器人对关节驱动电机的主要要求1）快速性。电动机从获得指令48工业机器人驱动系统中所用电动机

1）步进电动机：多适用于对精度、速度要求不高的小型简易机器人开环系统中。2）交流伺服电动机

3）直流伺服电动机

交流伺服电动机、直流伺服电动机均采用位置闭环控制，一般应用于高精度、高速度的机器人驱动系统中。

交流伺服电动机由于采用电子换向，无换向火花，在易燃易爆环境中得到了广泛的使用。

工业机器人驱动系统中所用电动机1）步进电动机：多适用于对精49驱动系统中所用传感器速度传感器多采用测速发电机和旋转变压器；位置传感器多用光电码盘和旋转变压器。近年来，国外机器人制造厂家已经在使用一种集光电码盘及旋转变压器功能为一体的混合式光电位置传感器，伺服电动机可与位置及速度检测器、制动器、减速机构组成伺服电动机驱动单元。驱动系统中所用传感器速度传感器多采用测速发电机和旋转变压器；503.1直流伺服电动机及其驱动组成：一般直流电动机和位置反馈、速度反馈形成的整体；优点：启动转矩大、体积小、重量轻、转速易控制、效率高；缺点：有电刷和换向器，需要定期维修、更换电刷，使用寿命短，噪声大；小惯量直流伺服电动机大惯量宽调速直流电动机3.1直流伺服电动机及其驱动组成：一般直流电动机和位置51一、伺服电机的选择直流伺服电动机驱动一、伺服电机的选择直流伺服电动机驱动52二、总传动比的选择直流伺服电动机驱动“电”与“机”的匹配问题二、总传动比的选择直流伺服电动机驱动“电”与“机”的匹配问题53三、直流伺服电机的驱动直流伺服电机的机械特性控制电压电机结构常数每极磁通电枢回路电阻负载转矩转速电机转速的控制：“调压调速”（★）“调磁调速”三、直流伺服电机的驱动直流伺服电机的机械特性控制电压电机结构54三、直流伺服电机的驱动

直流伺服电机常采用PWM方式驱动。它利用大功率晶体管的开关作用，将恒定的直流电源电压斩成一定频率的方波电压，并加在直流电动机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压来控制电动机的转速。

PWM伺服驱动器具有调速范围宽、低速特性好、响应快、效率高、过载能力强等特点，在工业机器人中常作为直流伺服电动机驱动器。三、直流伺服电机的驱动直流伺服电机常采用P55速度伺服驱动器的构成来自微机控制指令电压测速度代表实际转速速度伺服驱动器的构成来自微机控制指令电压测速度代表实际转速56位置伺服驱动器测转角位置电压控制信号位置伺服驱动器测转角位置电压控制信号573.2同步式交流伺服电动机驱动器同直流伺服电动机驱动系统相比，同步式交流伺服电动机驱动器具有转矩转动惯量比高、无电刷及换向火花等优点，在工业机器人中得到广泛应用。同步式交流伺服电动机驱动器通常采用电流型脉宽调制（PWM）相逆变器和具有电流环为内环、速度环为外环的多闭环控制系统，以实现对三相永磁同步伺服电动机的电流控制。1）矩形波电流驱动的永磁交流伺服系统。

2）正弦波电流驱动的永磁交流伺服系统。3.2同步式交流伺服电动机驱动器同直流伺服电动机驱动系统583.3步进电动机驱动电脉冲信号相应的角位移；输出角与脉冲严格成比例，且在时间上同步；转速取决于脉冲信号的频率；容易实现正、反转和启、停控制；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；能提供较大的低速转矩，可直接驱动机器人关节而无需减速装置。3.3步进电动机驱动电脉冲信号相59一、步进电机的工作原理

当绕组中不通电时，转子中的永磁体总是试图减少磁路中的磁组，转子将趋向使磁组最小的位置，即转子中有一个齿和定子对齐。

当绕组中的各相通电时，转子将被吸引着一步步转动。转子每走一步所转过的角度称步距角。AAAABBBBDDDDCCCC一、步进电机的工作原理当绕组中不通电时，转子中的永60二、步进电机的脉冲分配把指令脉冲按一定规律分成几路电平信号去控制步进电机的几个定子绕组。（1）环形分配器（2）软件分配法步进电机驱动系统组成二、步进电机的脉冲分配把指令脉冲按一定规律分成几路电平信号去61三、步进电机的驱动线路加速电容改善电流波形前沿泄放二极管三、步进电机的驱动线路加速电容改善电流波形前沿泄放二极管623.