讲解 | 机器人关节驱动机构和电机动力系统

1.驱动电动机 电动机是机器人驱动系统中的执行元件。机器人常采用的电动机有:步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机。

(1)步进电动机 

经常应用于开环控制系统,特点为具有较大的低速转矩,可不配减速器,直接驱动。主要分为三类:

1)永磁式步进电动机:转子由磁性材料制成,具有低力矩、低速度、低成本的特点,一般用于计算机外围设备(打印机、光驱等)。

2)变磁阻式步进电动机:没有磁性材料,不通电时,没有保持力矩,也称感应式步进电动机。

3)混合式步进电动机:上述两种步进电动机的结合,是目前应用越来越广的一种电动机。 步进电动机驱动多为开环控制,控制简单但功率不大,有较好的制动效果,但在速度很低或大负载情况下,可能产生丢步现象,多用于低精度、小功率机器人系统。

(2)直流伺服电动机 

该类电动机在 20 世纪 80 年代中期以前被广泛使用,优点是易于控制,缺点是需要定期维护,速度不能太高,功率不能太大。

(3)交流伺服电动机 

转子是永磁的,线圈绕在定子上,没有电刷。线圈中通交变电流。转子上装有码盘传感器,检测转子所处的位置,根据转子的位置,控制通电方向。 由于线圈绕在定子上,可以通过外壳散热,可做成大功率电动机。由于没有电刷,可以免维护。目前,该类电动机是机器人上应用最多的电动机。交流伺服电动机结构如图 1.3所示。

和步进电动机相比,伺服电动机有以下几点优势:

1)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。

2)高速性能好,一般额定转速能达到 2000~3000/min。

3)抗过载能力强,能承受三倍于额定转矩的负载,对有瞬间负载波动和要求快速启动的场合特别适用。

4)低速运行平稳,低速运行时不会产生类似于步进电动机的步进运行现象。

5)电动机加减速的动态相应时间短,一般在几十毫秒之内。

6)发热和噪声明显降低。

2.关节减速机构 为了提高机器人控制精度,增大驱动力矩,一般均需配置减速机。

(1)谐波减速机具有传动比大、传动平稳、齿面磨损小而均匀、传动效率和精度高、回差小等优点,常作为机器人手腕关节的减速及传动装置。

(2)RⅤ摆线针轮减速机具有传动速比大、同轴线传动、结构紧凑、效率高、刚度好、转动惯量小的优点,但质量较大,适用于作为机器人的第一级的旋转关节(腰关节)，如下图1.4所示。

机器人是由多轴(关节)组成的,每轴的运动都影响机器人末端的位置和姿态。如何协调各轴的运动,使机器人末端完成要求的轨迹,是需要解决的问题。

(3)滚动螺旋传动(滚珠丝杠)滚动螺旋传动能够实现回转运动与直线运动的相换。在一些机器人的直线传动中有螺旋传动的应用。

3.关节传动机构 大部分机器人的关节是间接驱动的,通常有下列两种形式:

(1)链条、钢带链条和钢带的刚度好,是远程驱动的手段之一，而且能传递较大的力矩。

(2)平行四边形连杆这种方式的特点是能够把驱动器安装在手臂的根部，而且该结构能够使坐标变换运算变得极为简单。