机器人驱动器调研分析报告

相关机器人驱动器调研汇报摘要：在现代发展中，机器人关键性不停表现，在各个领域内全部有着机器人身影。而机器人驱动器是维持机器人运动并实现多种运动必不可少部分。本文关键介绍多种机器人驱动器原理、特点和应用，为机器人驱动研究提供参考。关键词：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 2317612.1一般电机驱动 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 719481参考文件 80序言伴随各学科进步，机器人驱动方法不停发展，方法多样。关键分为三大类：电气驱动、流体驱动、新型驱动。而新型驱动方法依据原理不一样，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1.1一般电机驱动a)原理:直流电机里边固定有环状永磁体，电流经过转子上线圈产生安培力，当转子上线圈和磁场平行时，再继续转受到磁场方向将改变，所以此时转子末端电刷跟转换片交替接触，从而线圈上电流方向也改变，产生洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。b)特点:交流电机通常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，转速和转矩轻易控制。换相器需要常常维护，电极刷易磨损，噪音大。实现了位置,速度和力矩闭环控制;克服了步进电机失步问题;高速性能好,抗过载能力强,低速运行平稳,动态响应时间短,发烧和噪申显著降低。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要求相对较高设备。其中在机器人领域西南科技大学设计一款一般电机驱动侦测型机器人。在这款机器人中，将两台直流电机部署在两侧履带，一台直流电机部署在两侧前摆臂，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；在底盘上部署3台电机，确保机器人在上下楼梯时在斜坡上能够停靠；云台升降采取电机带动，实现云台转动。图1-1所表示。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四足液压机器人伺服驱动器设计和研究</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机器人结构{!!!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:步进电动机是一个将电脉冲信号转换成角位移或线位移机电元件。步进电动机输入量是脉冲序列，输出量则为对应增量位移或步进运动。正常运动情况下，它每转一周含有固定步数；做连续步进运动时，其旋转转速和输入脉冲频率保持严格对应关系，不受电压波动和负载改变影响。b）特点:(1)反应式步进电动机(VR)。反应式步进电动机结构简单，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应式、永磁式步进电动机二者优点，它步距角小，出力大，动态性能好，是现在性能最高步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。c)应用:伴随微电子和计算机技术发展,步进电机广泛应用于数控领域和电子计算机外围设备中,同时也在军用仪器和医疗设备得到广泛应用.另外也用于部分特殊用途机器人驱动器。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利用</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SUPERSIGMA机器人，波兰华沙航空工程和利用机械技术大学研究机构研究制造机器人等。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，假如不考虑端部效应，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，所以称为行波磁场。行波磁场和磁极相互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：因为系统中取消了部分时间响应常数大机械传动件，所以系统动态响应性能大大提升，反应灵敏；经过直线位置检测反馈控制，大大提升定位精度；因为“直接驱动”，避免了运动滞后现象，提升了传动刚度；能实现开启时瞬间达成高速，高速运行时又能瞬间准停；行程长度不受限制，运动平静，噪声低，效率高。c)应用：最常见有管道内壁清洁机器人，另外在包含生产流水线系统高速机器人，包含单轴机械手，工作滑台等。其中工作滑台和直线移动直线电机相连，而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，确保机械手范围和生产线相对静止，实现一个相对静止工作环境。3液压驱动a）原理：因为液压油液含有不可压缩性，依靠液体介质静压力，完成能量积压，传输，进而实现机械传动。b）特点：取得较大功率重量比，结构简单紧凑，刚性好，定位精度高，平稳，能有效预防过载现象发生；油液轻易泄露，油液粘度多变，对环境温度要求高，油液中轻易混入杂质。c）应用：适于在承载能力大，惯量大和在防旱环境中工作机器人中应用。山东大学提出一个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，含有快速响应能力。液压驱动系统刚度好，精度高，响应快，易于在大速度范围内工作，能够显著增强机器人负载能力，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实施元件组成直接控制负载液压拖动系统，并采取阀控液压缸系统驱动。机器人再辅以位置控制和速度控制，能够有效填补阀控液压缸系统非线性、不确定性特点。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，来进行能量传输和控制驱动方法。b）特点：因为压缩空气粘性小，流速大，所以快速性好；气源方便，通常工厂全部有空气压缩站提供；废气直接排入大气不会造成污染；经过调整气量可实现无级变速；因为空气可压缩性，气压系统含有很好缓冲作用；结构简单，刚性好，成本低；基于空气压缩性，气压驱动极难确保很高定位精度；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个完全软体且自我驱动机器，3D打印软体四足机器人等，作为气动业全球领先厂商德国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：世界上第一个完全软体自驱动机器人，用“气动”替换“电动”。“小章鱼”依靠体内化学反应供能，在这个化学反应里，少许过氧化氢转变成大量气体，这些气体流入“小章鱼”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单电子振荡器，以控制过氧化氢反应时机，实现自我驱动。5磁致伸缩驱动a）原理：磁性体外部一旦加上磁场，则磁性体外形尺寸发生改变（焦耳效应），这种现象称为磁致伸缩现象。此时，假如磁性体在磁化方向上长度增大，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，则磁性体磁化状态会发生改变（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实施器关键技术研究</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>力传感实施器</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）、反应速度快（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改变，无疲惫，无过热失效问题。缺点：磁滞特征、预压力特征（预压力时会得到更大磁致伸缩系数，同时系数和场强非线性更强）、弹性模量非线性（和预压力相关）、温度特征（对伸缩率影响大）、涡流特征（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）。超磁致伸缩实施器（较成熟）产生微位移实现高分辨率微进给、小尺寸非圆车削、深孔和异形孔加工、机床振动主动控制等微小驱动场所。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关键技术研究</title></titles><keywords><keyword>超磁致伸缩致动器</keyword><keyword>非线性动态模型</keyword><keyword>广义估计控制</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，压电材料原子层偶极子排列次序被打乱，并试图恢复原有状态，从而产生电子流进而产生电荷；相反，当给压电薄膜接通改变电压信号，会使薄膜上下运动或振动，从而产生动力。b）优点：有愈加好柔韧性，压电振子能够在更高频率下运行，更适适用于交变载荷，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，用于管道监测双压电薄膜驱动微机器人。7静电驱动a）原理：静电驱动是利用静电间库仑力，经过通入步进电压使得固定和可动部件电容周期不一样，从而产生相对运动一个驱动方法。静电驱动器利用电荷间吸力和排斥力相互作用次序驱动电极而产生平移或旋转运动。因静电作用属于表面力，它和元件尺寸二次方成正比，在微小尺寸改变时，能够产生很大能量。b）特点：静电驱动器含有高灵敏度、高精度、响应速度快、结构设计加工简单等特点，可和控制电路实现单片集成，但驱动范围相对较小，输出驱动力远小于电机。c）应用：静电驱动器是微机电系统(MEMS）中一个关键驱动装置，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非线性分析和控制</title></titles><keywords><keyword>MEMS</keyword><keyword>微静电驱动结构</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合金形变后，又回复到形变前固有形状现象。形状记忆合金驱动器利用高温和低温相互转变过程中产生变形或回复力达成驱动目标。现在常见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研究现实状况及展望</title><secondary-title>机械研究和应用</secondary-title></titles><periodical><full-title>机械研究和应用</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：和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驱动行程，较高工作和断裂能力。温控形状记忆合金驱动器含有很高能量密度，但响应频率低。相反，磁控形状记忆合金驱动器能量密度是磁致伸缩驱动器和压电驱动器几倍到几十倍，但仍有较大响应频率。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、抗疲惫效应、抗腐蚀能力、结构简单、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双向性，所以兼有传感和实施双重功效，用途广泛。可用于机器人等定位装置、紧固件等连接装置、流体阀门、振动装置等等。9光驱动器a）原理：光驱动依据驱动介质不一样分固体光驱动和流体光驱动。固体光驱动关键是应用光致形变材料在光照下形变来输出驱动力；而流体光驱动则是在光照条件下结构不对称梯度场，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>任碧野</