講解 | 機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)

1.驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)?電動(dòng)機(jī)是機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。機(jī)器人常采用的電動(dòng)機(jī)有:步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)。

(1)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)?

經(jīng)常應(yīng)用于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng),特點(diǎn)為具有較大的低速轉(zhuǎn)矩,可不配減速器,直接驅(qū)動(dòng)。主要分為三類(lèi):

1)永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī):轉(zhuǎn)子由磁性材料制成,具有低力矩、低速度、低成本的特點(diǎn),一般用于計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備(打印機(jī)、光驅(qū)等)。

2)變磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī):沒(méi)有磁性材料,不通電時(shí),沒(méi)有保持力矩,也稱(chēng)感應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

3)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī):上述兩種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)合,是目前應(yīng)用越來(lái)越廣的一種電動(dòng)機(jī)。?步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)多為開(kāi)環(huán)控制,控制簡(jiǎn)單但功率不大,有較好的制動(dòng)效果,但在速度很低或大負(fù)載情況下,可能產(chǎn)生丟步現(xiàn)象,多用于低精度、小功率機(jī)器人系統(tǒng)。

(2)直流伺服電動(dòng)機(jī)?

該類(lèi)電動(dòng)機(jī)在 20 世紀(jì) 80?年代中期以前被廣泛使用,優(yōu)點(diǎn)是易于控制,缺點(diǎn)是需要定期維護(hù),速度不能太高,功率不能太大。

(3)交流伺服電動(dòng)機(jī)?

轉(zhuǎn)子是永磁的,線圈繞在定子上,沒(méi)有電刷。線圈中通交變電流。轉(zhuǎn)子上裝有碼盤(pán)傳感器,檢測(cè)轉(zhuǎn)子所處的位置,根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置,控制通電方向。?由于線圈繞在定子上,可以通過(guò)外殼散熱,可做成大功率電動(dòng)機(jī)。由于沒(méi)有電刷,可以免維護(hù)。目前,該類(lèi)電動(dòng)機(jī)是機(jī)器人上應(yīng)用最多的電動(dòng)機(jī)。交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖 1.3所示。

和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相比,伺服電動(dòng)機(jī)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì):

1)實(shí)現(xiàn)了位置、速度和力矩的閉環(huán)控制,克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問(wèn)題。

2)高速性能好,一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到 2000~3000/min。

3)抗過(guò)載能力強(qiáng),能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載,對(duì)有瞬間負(fù)載波動(dòng)和要求快速啟動(dòng)的場(chǎng)合特別適用。

4)低速運(yùn)行平穩(wěn),低速運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象。

5)電動(dòng)機(jī)加減速的動(dòng)態(tài)相應(yīng)時(shí)間短,一般在幾十毫秒之內(nèi)。

6)發(fā)熱和噪聲明顯降低。

2.關(guān)節(jié)減速機(jī)構(gòu)?為了提高機(jī)器人控制精度,增大驅(qū)動(dòng)力矩,一般均需配置減速機(jī)。

(1)諧波減速機(jī)具有傳動(dòng)比大、傳動(dòng)平穩(wěn)、齒面磨損小而均勻、傳動(dòng)效率和精度高、回差小等優(yōu)點(diǎn),常作為機(jī)器人手腕關(guān)節(jié)的減速及傳動(dòng)裝置。

(2)RⅤ擺線針輪減速機(jī)具有傳動(dòng)速比大、同軸線傳動(dòng)、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、剛度好、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的優(yōu)點(diǎn),但質(zhì)量較大,適用于作為機(jī)器人的第一級(jí)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(腰關(guān)節(jié))，如下圖1.4所示。

機(jī)器人是由多軸(關(guān)節(jié))組成的,每軸的運(yùn)動(dòng)都影響機(jī)器人末端的位置和姿態(tài)。如何協(xié)調(diào)各軸的運(yùn)動(dòng),使機(jī)器人末端完成要求的軌跡,是需要解決的問(wèn)題。

(3)滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)(滾珠絲杠)滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)的相換。在一些機(jī)器人的直線傳動(dòng)中有螺旋傳動(dòng)的應(yīng)用。

3.關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)?大部分機(jī)器人的關(guān)節(jié)是間接驅(qū)動(dòng)的,通常有下列兩種形式:

(1)鏈條、鋼帶鏈條和鋼帶的剛度好,是遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)的手段之一，而且能傳遞較大的力矩。

(2)平行四邊形連桿這種方式的特點(diǎn)是能夠把驅(qū)動(dòng)器安裝在手臂的根部，而且該結(jié)構(gòu)能夠使坐標(biāo)變換運(yùn)算變得極為簡(jiǎn)單。