机器人驱动器调研报告

有关机器人驱动器的调研报告摘要：在当代发展中，机器人的重要性不停体现，在各个领域内都有着机器人的身影。而机器人驱动器是维持机器人运动并实现多个运动必不可少的部分。本文重要介绍多个机器人驱动器的原理、特点以及应用，为机器人驱动研究提供参考。核心词：机器人 驱动器 原理特点应用ResearchReportonRobotDriverAbstract：Inmoderndevelopment,theimportanceoftherobotcontinuestoreflect,presentingtherobotfigureinallareas.Therobotdriveristheessentialparttomaintainthemovementoftherobotandachieveallkindsofmovements.Thispapermainlyintroducestheprinciple,characteristicsandapplicationofvariousrobotdrivers,andprovidesreferenceforrobotdrivingresearch.Keywords：robot，robotdriver，principle，characteristic，application目录TOC\o"1-3"\h\u41221前言 2209092电机驱动 2317612.1普通电机驱动 2147812.2步进电机驱动 3275502.3直线电机驱动 4289283液压驱动 4155444气压驱动 5325535磁致伸缩驱动 5234166压电驱动 6241537静电驱动 6179828形状记忆合金驱动器 6217989光驱动器 719481参考文献 80前言随着各学科的进步，机器人驱动的方式不停发展，方式多样。重要分为三大类：电气驱动、流体驱动、新型驱动。而新型驱动方式根据原理不同，又能分为六种：磁致伸缩驱动、压电驱动、形状记忆合金驱动、静电驱动、光驱动等。ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>王炜</Author><Year></Year><RecNum>47</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[1]</style></DisplayText><record><rec-number>47</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="p5dxrxttwxzeppezfw6vd5xnrere9v9vsrp5">47</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>王炜</author><author>秦现生</author></authors></contributors><auth-address>西北工业大学;</auth-address><titles><title>仿肌肉驱动器及其在仿生机器人中的应用</title><secondary-title>微特电机</secondary-title></titles><periodical><full-title>微特电机</full-title></periodical><pages>56-60</pages><number>06</number><keywords><keyword>仿肌肉驱动器</keyword><keyword>仿生机器人</keyword><keyword>仿生控制</keyword></keywords><dates><year></year></dates><isbn>1004-7018</isbn><call-num>31-1428/TM</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"王炜,#47"1]1电机驱动1.1普通电机驱动a)原理:直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将变化，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也变化，产生的洛伦兹力方向不变，因此电机能保持一种方向转动。b)特点:交流电机普通不能进行调速或难以进行无级调速，即使是多速电机，也只能进行有限的有级调速；直流电机能实现无级调速，低速性能好，运行平稳，转速和转矩容易控制。换相器需要经常维护，电极刷易磨损，噪音大。实现了位置,速度和力矩的闭环控制;克服了步进电机失步的问题;高速性能好,抗过载能力强,低速运行平稳,动态响应时间短,发热和噪声明显减少。c)应用:应用于机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、自动化生产线等对工艺精度、加工效率和工作可靠性等规定相对较高的设备。其中在机器人领域西南科技大学设计一款普通电机驱动的侦测型机器人。在这款机器人中，将两台直流电机布置在两侧履带，一台直流电机布置在两侧前摆臂，实现机器人前后左右转动，同时对左右履带电机做闭环锁零控制，确保运动可靠性；在底盘上布置3台电机，确保机器人在上下楼梯时在斜坡上能够停靠；云台升降采用电机带动，实现云台的转动。如图1-1所示。ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>于舰</Author><Year></Year><RecNum>45</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[2;3]</style></DisplayText><record><rec-number>45</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="p5dxrxttwxzeppezfw6vd5xnrere9v9vsrp5">45</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>于舰</author></authors><tertiary-authors><author>时献江,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>基于DSP的四足液压机器人伺服驱动器的设计与研究</title></titles><keywords><keyword>液压伺服系统</keyword><keyword>DSP</keyword><keyword>CAN总线</keyword><keyword>前馈PID</keyword></keywords><dates><year></year></dates><publisher>哈尔滨理工大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite><Cite><Author>杨炀</Author><Year></Year><RecNum>46</RecNum><record><rec-number>46</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="p5dxrxttwxzeppezfw6vd5xnrere9v9vsrp5">46</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>杨炀</author></authors><tertiary-authors><author>徐殿国,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>微小型高性能电机伺服驱动器设计</title></titles><keywords><keyword>仿人机器人</keyword><keyword>伺服驱动器</keyword><keyword>永磁同时电机</keyword><keyword>高功率密度</keyword></keywords><dates><year></year></dates><publisher>哈尔滨工业大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"于舰,#45"2;\o"杨炀,#46"3]图1-1机器人构造{!!!INVALIDCITATION!!!,#0;于舰,#45;杨炀,#46;闫磊,#44;徐小龙,#43}2.2步进电机驱动a）原理:步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。步进电动机的输入量是脉冲序列，输出量则为对应的增量位移或步进运动。正常运动状况下，它每转一周含有固定的步数；做持续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。b）特点:(1)反映式步进电动机(VR)。反映式步进电动机构造简朴，生产成本低，步距角小；但动态性能差。(2)永磁式步进电动机(PM)。永磁式步进电动机出力大，动态性能好；但步距角大.(3)混合式步进电动机(HB)。混合式步进电动机综合了反映式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是现在性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。c)应用:随着微电子和计算机技术的发展,步进电机广泛应用于数控领域和电子计算机的外围设备中,同时也在军用仪器和医疗设备得到广泛应用.另外也用于某些特殊用途的机器人驱动器。ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>鲁有宏</Author><Year>1987</Year><RecNum>48</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[4]</style></DisplayText><record><rec-number>48</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="p5dxrxttwxzeppezfw6vd5xnrere9v9vsrp5">48</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>鲁有宏</author></authors></contributors><auth-address>华东工学院</auth-address><titles><title>步进电机电子驱动器及其在机器人中的运用</title><secondary-title>电气传动</secondary-title></titles><periodical><full-title>电气传动</full-title></periodical><pages>46-51+63</pages><number>01</number><keywords><keyword>机器人</keyword><keyword>步进电机</keyword><keyword>电子驱动器</keyword></keywords><dates><year>1987</year></dates><isbn>1001-2095</isbn><call-num>12-1067/TP</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"鲁有宏,1987#48"4]如意大利的SUPERSIGMA机器人，波兰华沙航空工程和运用机械技术大学研究机构研究制造的机器人等。2.3直线电机驱动a）原理：在直线电机中通入三相电流后，会在气隙中产生磁场，如果不考虑端部效应，磁场在直线方向呈正弦分布，只是这个磁场是平移而不是旋转的，因此称为行波磁场。行波磁场与磁极互相作用便产生电磁推力，驱动动子沿定子作往复直线运动。b)特点：由于系统中取消了某些时间响应常数大的机械传动件，因此系统动态响应性能大大提高，反映敏捷；通过直线位置检测反馈控制，大大提高定位精度；由于“直接驱动”，避免了运动滞后现象，提高了传动刚度；能实现启动时瞬间达成高速，高速运行时又能瞬间准停；行程长度不受限制，运动安静，噪声低，效率高。c)应用：最常见的有管道内壁清洁机器人，另外在涉及生产流水线系统高速机器人，涉及单轴机械手，工作滑台等。其中工作滑台与直线移动的直线电机相连，并且工作滑台连接有四轴机械手，在流水线生产过程中，直线电机带动滑台移动，确保机械手的范畴与生产线的相对静止，实现一种相对静止的工作环境。3液压驱动a）原理：由于液压油液含有不可压缩性，依靠液体介质的静压力，完毕能量的积压，传递，进而实现机械传动。b）特点：获得较大的功率重量比，构造简朴紧凑，刚性好，定位精度高，平稳，能有效避免过载现象发生；油液容易泄露，油液粘度多变，对环境温度规定高，油液中容易混入杂质。c）应用：适于在承载能力大，惯量大以及在防旱环境中工作的机器人中应用。山东大学提出一种液压驱动四足机器人，实现在复杂地形环境下携带大负载进行作业，含有快速响应的能力。液压驱动系统刚度好，精度高，响应快，易于在大的速度范畴内工作，能够明显增强机器人的负载能力，在获物载运量和快速性方面更具优势。这种机器人由液压放大元件和执行元件构成直接控制负载的液压拖动系统，并采用阀控液压缸系统驱动。机器人再辅以位置控制和速度控制，能够有效弥补阀控液压缸系统非线性、不拟定性的特点。4气压驱动a）原理：以压缩机为动力源，压缩空气为工作介质，来进行能量传递和控制的驱动方式。b）特点：由于压缩空气的粘性小，流速大，因此快速性好；气源方便，普通工厂都有空气压缩站提供；废气直接排入大气不会造成污染；通过调节气量可实现无级变速；由于空气的可压缩性，气压系统含有较好的缓冲作用；构造简朴，刚性好，成本低；基于空气的压缩性，气压驱动很难确保很高的定位精度；向大气排放废气时，会产生噪声；因压缩空气含冷凝水，使得气压系统易锈蚀。c）应用：最常见的有生产线上气动助力机械手；在智能软体机器人领域也有重大应用，如“小章鱼”机器人是世界上第一种完全软体的且自我驱动的机器，3D打印软体四足机器人等，作为气动业全球领先厂商的德国Festo会选推出类似各类昆虫机器人。图3-1自驱动软体“小章鱼”原理：世界上第一种完全软体自驱动机器人，用“气动”替代“电动”。“小章鱼”依靠体内的化学反映供能，在这个化学反映里，少量的过氧化氢转变成大量气体，这些气体流入“小章鱼”的手臂，给手臂充气而引发运动。图3-2“小章鱼”电子振荡器模拟电路上图模拟了简朴的电子振荡器，以控制过氧化氢反映的时机，实现自我驱动。5磁致伸缩驱动a）原理：磁性体的外部一旦加上磁场，则磁性体的外形尺寸发生变化（焦耳效应），这种现象称为磁致伸缩现象。此时，如果磁性体在磁化方向上的长度增大，则称为正磁致伸缩；相反，则称为负磁致伸缩。从外部对磁性体施加压力，则磁性体的磁化状态会发生变化（维拉利效应），则称为逆磁致伸缩现象。ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>刘慧芳</Author><Year></Year><RecNum>52</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[5]</style></DisplayText><record><rec-number>52</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="p5dxrxttwxzeppezfw6vd5xnrere9v9vsrp5">52</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>刘慧芳</author></authors><tertiary-authors><author>贾振元,</author><author>王福吉,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>超磁致伸缩材料力传感执行器核心技术研究</title></titles><keywords><keyword>超磁致伸缩材料</keyword><keyword>磁致伸缩正逆耦合效应</keyword><keyword>力传感执行器</keyword><keyword>解祸</keyword></keywords><dates><year></year></dates><publisher>大连理工大学</publisher><work-type>博士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"刘慧芳,#52"5]b）优点：分辨率高（微米级）、反映速度快（微秒级）、输出力大、产生位移大、体积小、驱动电压低、传动无间隙等；稳定性好，可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化，无疲劳，无过热失效问题。缺点：磁滞特性、预压力特性（预压力时会得到更大的磁致伸缩系数，同时系数与场强的非线性更强）、弹性模量非线性（与预压力有关）、温度特性（对伸缩率影响大）、涡流特性（高频时对工作性能影响大）。c）应用：伺服阀、转动式步进马达（扭矩输出12.2N·m，精度高达800微弧度）。超磁致伸缩执行器（较成熟）产生的微位移实现高分辨率的微进给、小尺寸非圆车削、深孔与异形孔加工、机床的振动主动控制等微小驱动场合。ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>李永</Author><Year></Year><RecNum>51</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[6]</style></DisplayText><record><rec-number>51</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="p5dxrxttwxzeppezfw6vd5xnrere9v9vsrp5">51</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>李永</author></authors><tertiary-authors><author>林明星,</author><author>张承瑞,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>超磁致伸缩致动器驱动系统核心技术研究</title></titles><keywords><keyword>超磁致伸缩致动器</keyword><keyword>非线性动态模型</keyword><keyword>广义预测控制</keyword><keyword>半桥斩波</keyword><keyword>模型降阶</keyword></keywords><dates><year></year></dates><publisher>山东大学</publisher><work-type>博士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"李永,#51"6]6压电驱动a）原理：含氟聚合物聚偏氟乙烯（PVDF），当受到外界冲击或振动时，压电材料原子层的偶极子的排列次序被打乱，并试图恢复原有状态，从而产生电子流进而产生电荷；相反，当给压电薄膜接通变化的电压信号，会使的薄膜的上下运动或振动，从而产生动力。b）优点：有更加好的柔韧性，压电振子能够在更高频率下运行，更合用于交变载荷，寿命更长。缺点：变形较小（多层，压电堆叠），变形非线性，大变形时受外界影响较大，驱动器用材料及新工艺、大行程高精度（几毫米）、较高电场（大变形）时的非线性、迟滞和蠕变（控制系统优化）。c）应用：水听器（水下传声器，声信号转换为电信号），动态称重，用于管道监测的双压电薄膜驱动微机器人。7静电驱动a）原理：静电驱动是运用静电间的库仑力，通过通入步进电压使得固定与可动部件的电容周期不同，从而产生相对运动的一种驱动方式。静电驱动器运用电荷间的吸力和排斥力互相作用次序驱动电极而产生平移或旋转的运动。因静电作用属于表面力，它和元件尺寸的二次方成正比，在微小尺寸变化时，能够产生很大的能量。b）特点：静电驱动器含有高敏捷度、高精度、响应速度快、构造设计加工简朴等特点，可与控制电路实现单片集成，但驱动范畴相对较小，输出驱动力远不大于电机。c）应用：静电驱动器是微机电系统(MEMS）中一种重要的驱动装置，大量应用于微泵、微马达、微谐振器、加速度计等微器件中。ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>谢蛟</Author><Year></Year><RecNum>50</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[7]</style></DisplayText><record><rec-number>50</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="p5dxrxttwxzeppezfw6vd5xnrere9v9vsrp5">50</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>谢蛟</author></authors><tertiary-authors><author>谢进,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>谐振式微静电驱动系统的非线性分析与控制</title></titles><keywords><keyword>MEMS</keyword><keyword>微静电驱动构造</keyword><keyword>刚度</keyword><keyword>非线性</keyword><keyword>谐振器</keyword></keywords><dates><year></year></dates><publisher>西南交通大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"谢蛟,#50"7]8形状记忆合金驱动器a)原理:形状记忆效应是指发生马氏体相变的合金形变后，又回复到形变前固有形状的现象。形状记忆合金驱动器运用高温和低温互相转变过程中产生的变形或者回复力达成驱动的目的。现在惯用的形状记忆合金驱动器有温控和磁控两种。ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>徐小兵</Author><Year></Year><RecNum>57</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[8]</style></DisplayText><record><rec-number>57</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="p5dxrxttwxzeppezfw6vd5xnrere9v9vsrp5">57</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>徐小兵</author><author>邓荆江</author></authors></contributors><auth-address>长江大学机械工程学院;江汉石油管理局技术监督处;</auth-address><titles><title>形状记忆合金驱动器的研究现状及展望</title><secondary-title>机械研究与应用</secondary-title></titles><periodical><full-title>机械研究与应用</full-title></periodical><pages>187-190</pages><number>06</number><keywords><keyword>智能材料</keyword><keyword>形状记忆合金</keyword><keyword>驱动器</keyword></keywords><dates><year></year></dates><isbn>1007-4414</isbn><call-num>62-1066/TH</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"徐小兵,#57"8]b)特点：与磁致伸缩驱动器和压电驱动器相比，形状记忆何家劲驱动器含有较大的驱动行程，较高的工作和断裂能力。温控形状记忆合金驱动器含有非常高的能量密度，但响应频率低。相反，磁控形状记忆合金驱动器的能量密度是磁致伸缩驱动器和压电驱动器的几倍到几十倍，但仍有较大的响应频率。具体参数以下表。材料温控形状记忆合金驱动器磁控形状记忆合金驱动器磁致伸缩驱动器压电驱动器最大形变（%）860.20.2最大频率(Hz)5100005000050000能量密度(kJm3)300090272工作应力(N/mm2)150/5050断裂应力(N/mm2)900/700600总而言之，形状记忆合金驱动器含有驱动快速、驱动力大、高阻尼、抗疲劳效应、抗腐蚀能力、构造简朴、不噪音、驱动电压低等特点。但温控驱动器响应频率较低，磁控驱动器含有磁致非线性问题。c）应用：压电驱动器因压电效应的双向性，因而兼有传感和执行双重功效，用途广泛。可用于机器人等的定位装置、紧固件等的连接装置、流体阀门、振动装置等等。9光驱动器a）原理：光驱动根据驱动的介质不同分固体光驱动和流体光驱动。固体光驱动重要是应用光致形变材料在光照下的形变来输出驱动力；而流体光驱动则是在光照条件下构造不对称的梯度场，从而形成微流驱动马达。ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>董任峰</Author><Year></Year><RecNum>62</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[9]</style></DisplayText><record><rec-number>62</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="p5dxrxttwxzeppezfw6vd5xnrere9v9vsrp5">62</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>董任峰</author><author