机器人驱动器调研分析报告.doc

关于机器人驱动器调研报告
摘要：在当代发展中，机器人重要性不断体现，在各个领域内均有着机器人身影。而机器人驱动器是维持机器人运动并实现各种运动必不可少某些。本文重要简介各种机器人驱动器原理、特点以及应用，为机器人驱动研究提供参照。
核心词：机器人 驱动器 原理 特点 应用

Research Report on Robot Driver
Abstract：In modern development，the importance of the robot continues to reflect，presenting the robot figure in all areas. The robot driver is the essential part to maintain the movement of the robot and achieve all kinds of movements. This paper mainly introduces the principle，characteristics and application of various robot drivers，and provides reference for robot driving research.
Key words：robot，robot driver，principle，characteristic，application
目 录
1前 言 2
2电机驱动 2
2.1普通电机驱动 2
2.2步进电机驱动 3
2.3直线电机驱动 4
3液压驱动 4
4气压驱动 5
5磁致伸缩驱动 5
6压电驱动 6
7静电驱动 6
8形状记忆合金驱动器 6
9光驱动器 7
参照文献 8

0 前言
随着各学科进步，机器人驱动方式不断发展，方式多样。重要分为三大类：电气驱动、流体驱动、新型驱动。而新型驱动方式依照原理不同，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。[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，电流通过转子上线圈产生安培力，当转子上线圈与磁场平行时，再继续转受到磁场方向将变化，因而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变化，产生洛伦兹力方向不变，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，虽然是多速电机，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，运营平稳，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,低速运营平稳,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，实现机器人先后左右转动，同步对左右履带电机做闭环锁零控制，保证运动可靠性；在底盘上布置3台电机，保证机器人在上下楼梯时在斜坡上可以停靠；云台升降采用电机带动，实现云台转动。如图1-1所示。[2；3]

图1-1 机器人构造{!!！INVALID CITATION !!!， #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机电元件。步进电动机输入量是脉冲序列，输出量则为相应增量位移或步进运动。正常运动状况下，它每转一周具备固定步数；做持续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲频率保持严格相应关系，不受电压波动和负载变化影响。
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长处，它步距角小，出力大，动态性能好，是当前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:随着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,同步也在军用仪器和医疗设备得到广泛应用.此外也用于某些特殊用途机器人驱动器。[4] 如意大利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，因而称为行波磁场。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到高速，高速运营时又能瞬间准停；行程长度不受限制，运动安静，噪声低，效率高。
c)应用：最常用有管道内壁清洁机器人，此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，保证机械手范畴与生产线相对静止，实现一种相对静止工作环境。
3液压驱动
a）原理：由于液压油液具备不可压缩性，依托液体介质静压力，完毕能量积压，传递，进而实现机械传动。
b）特点：获得较大功率重量比，构造简朴紧凑，刚性好，定位精度高，平稳，能有效防止过载现象发生；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机器人中应用。山东大学提出一种液压驱动四足机器人，实当前复杂地形环境下携带大负载进行作业，具备迅速响应能力。液压驱动系统刚度好，精度高，响应快，易于在大速度范畴内工作，可以明显增强机器人负载能力，在获物载运量和迅速性方面更具优势。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，可以有效弥补阀控液压缸系统非线性、不拟定性特点。
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，来进行能量传递和控制驱动方式。
b）特点：由于压缩空气粘性小，流速大，因此迅速性好；气源以便，普通工厂均有空气压缩站提供；废气直接排入大气不会导致污染；通过调节气量可实现无级变速；由于空气可压缩性，气压系统具备较好缓冲作用；构造简朴，刚性好，成本低；基于空气压缩性，气压驱动很难保证很高定位精度；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：最常用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：世界上第一种完全软体自驱动机器人，用“气动”代替“电动”。“小章鱼”依托体内化学反映供能，在这个化学反映里，少量过氧化氢转变成大量气体，这些气体流入“小章鱼”手臂，给手臂充气而引起运动。

图3-2 “小章鱼”电子振荡器模仿电路
上图模仿了简朴电子振荡器，以控制过氧化氢反映时机，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变化（维拉利效应），则称为逆磁致伸缩现象。[5]
b）长处：辨别率高（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。
缺陷：磁滞特性、预压力特性（预压力时会得到更大磁致伸缩系数，同步系数与场强非线性更强）、弹性模量非线性（与预压力关于）、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）产生微位移实现高辨别率微进给、小尺寸非圆车削、深孔与异形孔加工、机床振动积极控制等微小驱动场合。[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顺序被打乱，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电压信号，会使薄膜上下运动或振动，从而产生动力。
b）长处：有更好柔韧性，压电振子可以在更高频率下运营，更合用于交变载荷，寿命更长。
缺陷：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：静电驱动是运用静电间库仑力，通过通入步进电压使得固定与可动部件电容周期不同，从而产生相对运动一种驱动方式。静电驱动器运用电荷间吸力和排斥力互相作用顺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，在微小尺寸变化时，可以产生很大能量。
b）特点：静电驱动器具备高敏捷度、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。[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，又回答到形变前固有形状现象。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变形或者回答力达到驱动目。当前惯用形状记忆合金驱动器有温控和磁控两种。[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具备较大驱动行程，较高工作和断裂能力。温控形状记忆合金驱动器具备非常高能量密度，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。详细参数如下表。
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（%）
8
6
0.2
0.2
最大频率(Hz)
5
10000
50000
50000
能量密度(kJm3)
3000
90
27
2
工作应力(N/mm2)
150
/
50
50
断裂应力(N/mm2)
900
/
700
600
综上所述，形状记忆合金驱动器具备驱动迅速、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，磁控驱动器具备磁致非线性问题。
c）应用：压电驱动器因压电效应双向性，因而兼有传感和执行双重功能，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：光驱动依照驱动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梯度场，从而形成微流驱动马达。[9]
b）特点：流体光驱动依照形成梯度场不同可分为光生浓度梯度型、电梯度场驱动型、热场梯度型和光梯度场驱动，详细对例如下表。
类型
原理
光生浓度梯度型
光照使马达内部化学反映，使溶质产生浓度梯度差
电梯度场驱动型
光照电解电解质，正负离子非均匀分布形成微电梯度场
热场梯度型
光照使马达不同区域热场分布不均
光梯度场驱动
各区域光强不同，使得内部物质形成梯度场

光驱动器最大特点是具备运动远程可控性，同步其不受电磁干扰影响。但当前光能运用率低、控制难、对外界环境敏感。
c）应用：固体光驱动器可作为微型夹持装置，而流体光驱动器在将来生物临床领域有重大意义。

参照文献
[1] 王炜，秦现生. 仿肌肉驱动器及其在仿生机器人中应用[J]. 微特电机，，(06)：56-60.
[2] 于舰. 基于DSP四足液压机器人伺服驱动器设计与研究[D]. 哈尔滨理工大学，.
[3] 杨炀. 微小型高性能电机伺服驱动器设计[D]. 哈尔滨工业大学，.
[4] 鲁有宏. 步进电机电子驱动器及其在机器人中运用[J]. 电气传动，1987，(01)：46-51+63.
[5] 刘慧芳. 超磁致伸缩材料力传感执行器核心技术研究[D]. 大连理工大学，.
[6] 李永. 超磁致伸缩致动器驱动系统核心技术研究[D]. 山东大学，.
[7] 谢蛟. 谐振式微静电驱动系统非线性分析与控制[D]. 西南交通大学，.
[8] 徐小兵，邓荆江. 形状记忆合金驱动器研究现状及展望[J]. 机械研究与应用，，(06)：187-190.
[9] 董任峰，任碧野，蔡跃鹏. 光驱动微纳马达运动机理及其性能[J]. 科学通报，，(Z1)：152-167.