第6章 驱动器课件.pdf

Robotics第6章驱动器1驱动器的概念如果连杆及关节相当于人的骨骼，那么驱动器相当于人体肌 肉，它通过移动或转动连杆来改变机器人的构型。2驱动器的特征足够的功率、轻便、经济、精确、灵敏、可靠且便于维护。3常用驱动器电动机、伺服电机、步进电机、直接驱动电动机、液压驱动 器、气动驱动器、形状记忆金属驱动器、磁致伸缩驱动器。3沙小次网，*号Robotics6驱动系统的性能一、重量、功率重量比和工作压强驱动系统的重量及功率重量比至关重要，我们可以利用 功率/重量来评价一个驱动系统。气动系统的功率重量比最低。电子系统的功率.重量比属中等水平。同样功率情况下，步进电机通常比伺服电机重，具有较低 的功率重量比（电机压力越高，功率重量比也越高）。液压系统具有最高的功率-重量比。注意：对液压系统，重量由液压驱动器和液压功率源两部 分（驱动器起到驱动机器人关节的作用，而后者起到提供能 量的作用）组成。同时对于液压系统来说，工作压强越高，功率越大，维护越困难，越易产生危险。3沙小次网，*号Robotics二、刚度和柔性定义：刚度是材料对抗变形的阻抗，柔度正好与之相对。刚度越大，使它变形所需的负载越大，柔性越大，在负载作用下越容易变 形。影响刚度和柔度的因素：弹性模量越大，刚度越大。如液压系统弹性模量大，刚性好；气动系统很容易压缩，柔性好。对系统的影响：刚性系统对变化负载和压力响应快，精度高，在负载作用下的 弯曲或变形小，对位置保持的精度高。但刚性系统易损坏。必须在这两个矛盾的性能之间进行平衡。3沙小次网，*号Robotics三、减速齿轮的使用液压活塞只做很小的移动便可输出全部的力。因此没有 必要用减速齿轮链来增大力矩并使操作速度降低。因此，将 驱动装置直接安装在机器人连赶上，就能简化设计、降低系 统重量和成本、降低关节的转动惯量和间隙、提高系统的可 靠性和降低噪声。电机通常以很高速度旋转，显然人们不希望机器臂的速 度也这么高，因此必须设置减速齿轮。同时也增加了成本和 零件数，以及间隙和旋转体的转动惯量。而且因为连杆可以 转动很小的角度，因此使用齿轮也增加了系统的分辨率。3沙小次网，*号Robotics假设通过了组减速比为N的减速齿轮将惯量为乙的负载 连在惯量“包括减速齿轮的惯量）的电机上，如下图 所示：3沙小次网，*号Robotics电机及负载上的力矩及速度比为：3=NTm.1.1.2”以及上犷公列出系统的力矩平衡方程，可得：1 1T /机4t+b 0 H-T=10+b 0 H-(/4+Z?/4)ru Hl nl ill nb XT”/r 丫、i I L L 7N N 1=/3+么办+1(/寓+6)式中 超和bl分别为电机和负载的粘性摩擦系数。从方 程可以看出，负载在电机轴上的有效转动惯量与减速比的 平方成反比,即：1 1/有效=9/以及/总二丁【1+/加3比东次网，*号Robotics因此，电机仅“感觉到”负载实际惯量的一部分。例如，假设关节使用了减速比为10的减速器，那么折 合到电机轴上的转动惯量仅为实际转动惯量1/10 0,因此电机可以快速加速。在直接驱动系统中，无论是电气驱动还是液压驱 动，电机都必须承受全部惯性负载。当减速比很大 时，可以忽略机器人控制系统中负载转动惯量的影 响。3沙小次网，*号Robotics例 如下图所示，一电机连接到一质量均匀分布的机械臂上,在机械臂末端有一集中质量块，该电机的转子转动惯量为 0.0153/,最大力矩为 8N-m。忽略系统中减速齿 轮对的惯量和粘性摩擦，分别对减速比为：(a)3,(b)30两种 情况，计算折算到电机轴上的总惯量和可能达到的最大角速 度。Z3沙小次网，*号Robotics解：该例非常类似于机器人臂和伺服电机驱动器，该手臂和集 中质量块在旋转中心上的总转动惯量为：/负载总=/臂+/质量=gm臂F+机质量产=-(3池.5)2+(2)(0.5)2=0.75依 m1 1(。)/总=炉/+(=-(0.75)+0.015=0.098.m21 9S)900 Q75)+0.。15=0.015 8依小a=LL=_=S2rad/s2m 臬 0.098瓦=Z=506rad/m 九 0.0158最大角加速度为530md/沙尔座2净 Robotics6.2液压驱动器特点：功展-重量比高，低速时出力大，适合微处理器及电子 控制，常用于极端恶劣的外部环境。存在泄漏问题，功 率单元非常笨重昂贵。相关计算：直线液压缸能输出巨大的力，其大小为F=PxA磅，式 中A代表活塞的有效面积，P为工作压强。例如，工作压 强为lOOOpsi,也就是液压缸每平方英寸产生1000磅的 力。对于旋转液压缸，其原理是相同的，只是输出的是 力矩：3沙小次网，*号RoboticsdA=t-dr2 p-r-dA=p r t dr=pt f r-dr=ptr2-1)式中p是液体压强，t是旋转液压缸的厚度或宽度，rl和r2分另U 是旋转液压缸的内径和外径。旋叶一出油进油3沙小次网，*号Robotics液压系统中的所需液体的流速和容量为:d(yol)=qdxQ=d(Vol)7nd2 dx 7id2.-=-=-Xdt 4 力 4式中dx表示期望的位移，土是期望的活塞速度。显然，通过控 制流入液压缸的液体容量，就可以控制总位移。通过控制液 体流入的流速，就可控制活塞的速度。伺服法可用来控制液 体的容量和速度。3沙小次网，*号Robotics液压系统的组成部分：直线或旋转液压缸和活塞产生驱动关节的力和力矩高压液压泵-提供高压液体电机-驱动液压泵冷却系统-系统散热储液箱-储存系统所用的液体伺服阀-控制流向活塞的液量和流速安全阀-系统的安全保障连接管路将高压液输送至活塞或流回储液箱传感器-控制控制液压缸的运动3沙小次网，*号Robotics伺服电机传感器控制器回流伺服阀源流压力置 液动装液压系统及它的组成部件示意图 4东座*净 Robotics下图是平衡阀，也就是说两边的压强相等，于是即使它两边 压强很高，也只需要很小的力就可以使滑柱运动。滑柱上下运动，就打 开了注液口和回液 口，根据阀门开度大A回 小可对注入液体的流“速进行控制，根据阀一注入 门开度大小可对注入 液体的流速进行控A回流 制，同时也就控制了 活塞速度。3比东次网，*号Robotics依据阀门打开的时间，可以控制注入液压缸的总液量，即活 塞的总行程。q=Cx以及 q(dt)=d(vol)=A(dy)式中q是流速，C为常数，x代表滑柱的位移，A为活塞的面 积，y为活塞的位移，我们将两式联立，并设d/dt为D,则有：Cx(dt)=A(dy)和上式表明液压伺服电机是一个积分器O3沙小次网，*号Robotics柱阀由伺服电机控制，伺服电机的控制指令来自于控制 器，控制器通过控制伺服电机的电流大小以及电流的持续时 间以达到控制滑柱位置的目的。于是，对机器人来说，当控制器计算出关节的移动量和 移动速度时，控制器就设定伺服电机的控制电流和电流的持 续时间，它们用来控制柱阀的位置和运动速度，也就控制了 液体流动及注入液压缸的流速，进而由液压缸来驱动关节。传感器向控制器提供反馈信息以实现精确性和连续性的控 制。下图给出了当柱阀向上或向下移动时液体的流向，可以 看出，只要柱阀简单移动一下就可控制活塞的运动。0Robotics柱阀在打开位置的示意图活塞运动方向取决于所打开的回流/柱入口4 J.感彳Robotics具有比例反馈液压系统方块图3沙小次网，*号Robotics关于粘度的几点说明：1）液压系统对杂质或粘度敏感2）粘度会随温度变化3）粘度会影响阀的相应快慢关于阀的构造：假设将阀切成薄片，每层都有相应的旁路通道和开口，我们 可以用不同的方法来制造和组装这些薄片，使它们连成一个 零件，如下图所示：Robotics液压驱动的其他设计方案:1）以IBM7565机器人制造系统为例，机器人的三个线性关 节分别由直线液压电机驱动。每个直线电机由一组共四个 小液压活塞组成，它们沿波浪式表面按一定次序缩进或伸 出。RoboticsIBM7565机器人的直线液压电机3沙小次网，*号Robotics2）另外一种驱动器模仿了生物肌肉，当球胆中的压力增大 时，球胆变圆，使抗剪护套膨胀并变短。3比东次网，*号Robotics 6.3气 动装置原理：使用压缩空气做气源驱动直线或旋转气缸，并用人工或 电磁阀进行控制。特点：1）“套性负载低（压缩空气和运动的驱动器分离）2）功率-重量低（气动装置的工作压强低）主要问题：气动装置就常仅用于插入操作，驱动器要么完全向前要 么完全退后，此外，气动装置也可以用在全开或全关的 1/2自由度关节，但是要控制气缸的精确位置非常困难。3沙小次网，*号Robotics 6.4电 动机原理：带电的导线放入磁场时将会产生力，力的方向垂直于由磁场和 电流方向所成的平面。若导线有一旋转中心点，那么产生的转 矩将使导线绕该旋转中心旋转。改变磁场或电流的方向可使它 绕旋转中心连续旋转。-11电流Robotics拿哈.速*，2号电动机类型：直流电动机可逆交流电动机无刷直流电动机步进电动机按磁场的产生分类:永磁电机励磁电机Robotics散热问题：热量是其尺寸和功率的决定性因素，主要由绕组电阻产生，还 包括各种损耗。热量大小与电流和电阻值有密切的关系。热途径：下图给出了直流电机和交流电机的散热路径。2沙小次网，*号Robotics常见电机介绍一直流电机原理：用固定永磁体产生静止磁场，通过连续改变转子中的电流方向 使转子持续旋转。力矩计算公式为：_T M rotor缺点：惯量高，尺寸大。常用盘式或空心杯电机。如下图所示盘式 电机圆盘转子3沙小次网，*号Robotics二交流电机原理：在直流电机的基础上将转子改为永磁体，定子内设置绕 组，取消所有换向器。斗争点,额超速、电源频率（60Hz）固定，更容易散热，功率很 大。三无刷直流电机交流电机和直流电机的混合体，使用开关直流波形，但不一定是60Hz。可以工作在任意速度，需要一个反馈 来决定何时改变电流方向。有控制电路控制运行。若直接 接在直流电源上则不会运转。3比东次网，*号Robotics四直接驱动电机在无刷直流电机或步进电机的基础上被设计成在低速时能 输出很大的力矩并具有很高的分辨率。无需减速齿轮，但 是很贵而且很笨重。五伺服电机定义：通过改变电流（或相应的电压），可以在期望点上维持转速-力矩的平衡的系统叫做伺服电机。输出力矩:T=IKt=TL+Tf+nKD=IKTKt为力矩常数，Tf为摩擦力矩，nKD为粘性阻尼力矩，TL 为负载力矩。3沙小次网，*号Robotics原理：伺服电机是指带有反馈的直流电机、交流电机、无刷电 机或者步进电机，他们通过控制以期望的转速（和相应地期望 转矩）运动到达期望转角。反馈：伺服电机的反馈环节离不开各种传感器，包括编码器、旋转变压器、电位器和转速计等。器他器码其感 编或传了输出期望位置 与速度伺服电机控 制器原理图3比东次网，*号Robotics六步进电机特性：不需要反馈，直接接通电源不会旋转，不转时力矩最大，即 使没有通电也有一个残留力矩，叫做爪级(detent)力矩，没 通电业 要转为步进电机需要额外的力矩。构造：由永磁转子和定子组成。工作原理：步进电机的工作原理如下图所示4、宏网，大咨Robotics，便设步进电机的 钉子上有两组线 圈和一俞永久磁 铁作为转子，当 给定子线圈加电 时，永磁转子将 旋转到定磁场一 致的方向。3沙小次网，*号Robotics除非磁场旋 转，否则转 子就停留在 该位置。切 断当前线圈 中的电流，对下一组线 圈通电，转 子将再次转 至和新磁场 方向一致的 方向，(b)3沙小次网，*号Robotics每次旋转的角度都等于步矩角，步矩角可以从180。到小至不到 1变化（本例是90。）o接 着，当切断第二组线圈时，第一 组线圈再一次接通，但是极性相 反，这将使转子沿同样的方向又 转了 一步。这个过程在关断一组 线圈并接通另一组线圈时保持继 续，经过四步就使转子转回到原 来的初始位置。现在假设在第一 步结束时，不是切断第一组线圈 并接通第二组线圈，而是一接通两 组线圈的电源。此时，转子将仅 旋转45。，和最小磁阻方向一 致。Robotics此后，如果关断第一组线圈的电源，而第二组线 圈的电源继续保持接通状态，转子将再次转过45。这叫做半步运行，包括一个八拍运动序列。当然，如果开关次序是相反的，转子就以相反的 方向旋转。在整步运行时，大多数工业步进电机的步 距角在1.8。7.5。之间。显然，为了减少步距，可以 增加极数，然而，极数有物理上的限制。为了进一步 增加每转的步数，在转子和定子上加工数量不同的持 久可以产生全尺相似的效果。例如，在转子上加工50 个齿，在定子上加工40个齿将产生18。的步距角，即 每转步进200步。3沙小次网，*号Robotics1.杯状电机结构特点：结构扁平，常用于 垂向间隙小的场 合。杯状电 机定子 和转 子：3比东次网，*号Robotics定子由四个杯 罩组成人I A2-L.%单个杯罩4个杯罩交错部分_ _ 1_ 3 _ _I线圈工线圈8结构：中心抽头式的结构允许通 过让不同的半边线圈通电 来改变磁场极性线圈线圈A线圈42拿沙金座网，2春Robotics线圈通电顺序步数A1A2B1B2杯罩1杯罩2杯罩3杯罩41通断通断NSNS2断通通断SNNS3断通断通SNSN4通断断通NSSN通电序 列变换 对应的 磁极极 性变换杯罩23沙小次网，*号Robotics2.混合式步进电机结构：通常由两个绕组组成 极上都加工有小齿。带有四个磁极，定子和转子磁混合式步进电机混合式步进电机转子拿沙东座外A GRobotics工作原理：假设对一个绕阻激磁，转子将转向磁阻最小的路径，如果 切断一个磁阻电流并且接通第二组绕阻，转子旋转30。，继续同样的通电序列将使转子旋转。如果反方向改变序列 将使转子朝相反的方向旋转。控制序列越快将使转子旋转 越快。所以通过控制通电序列的方向及速度，就可以控制 转子的运动和角速度。（。）S）2沙东次网，*号Robotics3.单极、双极合双绕组步进电机步进电机 的驱动电3比东次网，*号Robotics4.微步距步进电机电机在变序过程中，逐渐的接通或关断每个线圈，该 过程可分为很多小步，可达250步。如果线圈A接通 99%,而线圈B接通1%,转子就微微转向磁阻最小点，相对于上步移动了一个微步距；下一步则A接通98%,B 接通2%,转子有转动一个微步距，直到两个绕组电流相 同为止。因此，微步距电机可以按任意角速度驱动来达 到任意期望角位移，并可随时停止。电压的分级由电子电路实现，将电压每级分割的很 细，步距向较小，反电动势疑小。由此步进电机的底能 明显提高，输出力矩更大，无丢步现象且最大转速也更 高。但是微步进需要更复杂的驱动器，该驱动器要求较 高的精度和较好的电流分辨率，成本较高。3沙小次网，*号Robotics步进电机的速 度一力矩特性步进电 机的过 压保护利用齐纳管来.增加最大速度（C）+V+V3沙小次网，*号Robotics5.步进电机的控制方法(1)用微处理器直接驱动步进电机nlig三碧小电流输出1大电流输出-XIn誓三簿Robotics 用专用集成电路（脉冲分配器）来控制步进电机的运动输入电源线圈1 O线圈2 O步进 电机线圈3 o线圈4。123 456785 V脉冲分配器3沙小次网，*号Robotics输入电源Q步进 电机VA-|o12345678方向控制微处 理器161514131211109%用脉冲分配器驱动带微处理器的步进电机3沙小次网，*号Robotics 6.5 生物金属（Biometal）特性：在某一温度，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。变冷时，能再次回到马氏体状态。缺点：应变发生在一个很小的温度范围，除了在开关情况下，精确控制拉力很困难，同时也很难控制位移。带有生物金属线驱动 器的三指末端执行器2比东次网，*号Robotics 6.6减 速器通过大一时学习的机械设计基础课程，我们知道最常用的 减速器是行星齿轮系（示意图如下）。3比东次网，*号Robotics另外一种减速器叫做谐波驱动齿轮系谐波驱动凸轮谐波驱动齿轮 系示意图最后的齿轮 带轮3比东次网，*号Robotics最后一种章动齿轮系尺寸非常相近的齿轮在它们的边缘上相对摇动，结果是每转一 圈，一个齿轮就会稍稍落后另一个齿轮一点，这样就得到了很 大的转速比。3比东次网，*号Robotics 6.7设 计项目考虑到每一种驱动器的优缺点、能力和限制，并依据所能用 到的资源为机器人设计驱动器。不管选择哪一种系统，都必须 考虑所需的零件，如何运行和控制这些驱动器，它们的成本、重量、鲁棒性和可用性。还必须考虑如何把驱动器与关节和连 杆连接起来，需要多大的速比，等等。另外，还要确保所选择 的驱动器能输出期望的力矩或力。此外，还必须设计驱动器的控制器，并对其进行编程。步进 电机可很容易地采用简单的微处理器来对其进行编程和控制，简单的微处理器可以具备或者不具备脉冲分配器芯片、商用步 进驱动器、脉冲产生电路以及驱动器芯片。根据功能，驱动器 或控制器可以控制步进电机的速度和位移。对于伺服电机，必 须使用伺服控制器（商用伺服控制器价格昂贵）。但3比东次网，*号Robotics是，只需一定的努力，自己就可以设计并组装出伺服控制器。请注意，设计一个控制伺服电机位置的控制器相对容易，通过 一个简单的反馈元件如电位器或编码器就能实现。然而，如果 要控制机器人的速度（这就是为什么使用伺服电机的原因），则伺服控制器的设计就会变得相当复杂。此外，还必须选择一款合适的微处理器，要求其具有足够 的计算能力来计算运动学方程，还要有足够的输入输出端口以 便实现与电机的通讯。将机器人机械部分与驱动器以及微处理 器集成起来就完成了机器人的设计。当机器人完成编程后，就 能正常工作了。下面几章将学习更多关于传感器的知识，那时 将需要的传感器信息也集成到机器人中去。拿哈尔盛收，士咨Robotics案例机器人电机选用示意图松下伺服电机及驱动器拿哈V座网工士咨Robotics技术参数MSMA系歹!J(小惯量)MQMA系歹J(小惯 量)额定功率(KW)0.030.050.10.20.40.750.10.20.4额定转矩(NM)0.0950.160.320.641.32.40.320.641.3最大转矩(NM)0.280.480.951.913.87.10.951.913.82机量 超惯不带制动 器0.0160.0250.0620.170.361.310.090.340.640.0250.0350.0720.180.371.32带制器0.0200.0300.0660.200.391.390.122.420.720.0290.0400.0760.210.401.40额定转速(rpm)300030003比东次网，*号Robotics最高转速（rpm）500045005000制动器DC 24V电源（外备）无极性编码器2500P/R增量式、17位增量式、17位绝对式使用环境温度（使用时）：040。C（无冰冻）；（保存时）：2080。C（无结露）湿度：（使用、保存时）：85%RH以下（无结无露）耐振：2500P/R增量式5G以下；17位增量式：2.5G以下；17位绝对式：2.5G 以下防护等级IP65（插头及轴端除外）重量 Ik g 增量式/17 位编码器无 制动器0.270.340.561.01.63.20.651.31.80.330.400.621.11.73.3增量式/17 位编码0.470.530.761.42.03.90.92.02.5Robotics人机交互管理运动控制控制系统状态检测外部信号里机器人运动控制器设计Robotics运动控制器实物图