機器人驅動器調研分析報告

相關機器人驅動器調研匯報摘要：在現代發(fā)展中，機器人關鍵性不停表現，在各個領域內全部有著機器人身影。而機器人驅動器是維持機器人運動并實現多種運動必不可少部分。本文關鍵介紹多種機器人驅動器原理、特點和應用，為機器人驅動研究提供參考。關鍵詞：機器人 驅動器 原理特點應用ResearchReportonRobotDriverAbstract：Inmoderndevelopment,theimportanceoftherobotcontinuestoreflect,presentingtherobotfigureinallareas.Therobotdriveristheessentialparttomaintainthemovementoftherobotandachieveallkindsofmovements.Thispapermainlyintroducestheprinciple,characteristicsandapplicationofvariousrobotdrivers,andprovidesreferenceforrobotdrivingresearch.Keywords：robot，robotdriver，principle，characteristic，application目錄TOC\o"1-3"\h\u41221前言 2209092電機驅動 2317612.1一般電機驅動 2147812.2步進電機驅動 3275502.3直線電機驅動 4289283液壓驅動 4155444氣壓驅動 5325535磁致伸縮驅動 5234166壓電驅動 6241537靜電驅動 6179828形狀記憶合金驅動器 6217989光驅動器 719481參考文件 80序言伴隨各學科進步，機器人驅動方法不停發(fā)展，方法多樣。關鍵分為三大類：電氣驅動、流體驅動、新型驅動。而新型驅動方法依據原理不一樣，又能分為六種：磁致伸縮驅動、壓電驅動、形狀記憶合金驅動、靜電驅動、光驅動等。ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>王煒</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>王煒</author><author>秦現生</author></authors></contributors><auth-address>西北工業(yè)大學;</auth-address><titles><title>仿肌肉驅動器及其在仿生機器人中應用</title><secondary-title>微特電機</secondary-title></titles><periodical><full-title>微特電機</full-title></periodical><pages>56-60</pages><number>06</number><keywords><keyword>仿肌肉驅動器</keyword><keyword>仿生機器人</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"王煒,#47"1]1電機驅動1.1一般電機驅動a)原理:直流電機里邊固定有環(huán)狀永磁體，電流經過轉子上線圈產生安培力，當轉子上線圈和磁場平行時，再繼續(xù)轉受到磁場方向將改變，所以此時轉子末端電刷跟轉換片交替接觸，從而線圈上電流方向也改變，產生洛倫茲力方向不變，所以電機能保持一個方向轉動。b)特點:交流電機通常不能進行調速或難以進行無級調速，即使是多速電機，也只能進行有限有級調速；直流電機能實現無級調速，低速性能好，運行平穩(wěn)，轉速和轉矩輕易控制。換相器需要常常維護，電極刷易磨損，噪音大。實現了位置,速度和力矩閉環(huán)控制;克服了步進電機失步問題;高速性能好,抗過載能力強,低速運行平穩(wěn),動態(tài)響應時間短,發(fā)燒和噪申顯著降低。c)應用:應用于機床、印刷設備、包裝設備、紡織設備、激光加工設備、機器人、自動化生產線等對工藝精度、加工效率和工作可靠性等要求相對較高設備。其中在機器人領域西南科技大學設計一款一般電機驅動偵測型機器人。在這款機器人中，將兩臺直流電機部署在兩側履帶，一臺直流電機部署在兩側前擺臂，實現機器人前后左右轉動，同時對左右履帶電機做閉環(huán)鎖零控制，確保運動可靠性；在底盤上部署3臺電機，確保機器人在上下樓梯時在斜坡上能夠?？浚辉婆_升降采取電機帶動，實現云臺轉動。圖1-1所表示。ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>于艦</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>于艦</author></authors><tertiary-authors><author>時獻江,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>基于DSP四足液壓機器人伺服驅動器設計和研究</title></titles><keywords><keyword>液壓伺服系統(tǒng)</keyword><keyword>DSP</keyword><keyword>CAN總線</keyword><keyword>前饋PID</keyword></keywords><dates><year></year></dates><publisher>哈爾濱理工大學</publisher><work-type>碩士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite><Cite><Author>楊煬</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>楊煬</author></authors><tertiary-authors><author>徐殿國,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>微小型高性能電機伺服驅動器設計</title></titles><keywords><keyword>仿人機器人</keyword><keyword>伺服驅動器</keyword><keyword>永磁同時電機</keyword><keyword>高功率密度</keyword></keywords><dates><year></year></dates><publisher>哈爾濱工業(yè)大學</publisher><work-type>碩士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"于艦,#45"2;\o"楊煬,#46"3]圖1-1機器人結構{!!!INVALIDCITATION!!!,#0;于艦,#45;楊煬,#46;閆磊,#44;徐小龍,#43}2.2步進電機驅動a）原理:步進電動機是一個將電脈沖信號轉換成角位移或線位移機電元件。步進電動機輸入量是脈沖序列，輸出量則為對應增量位移或步進運動。正常運動情況下，它每轉一周含有固定步數；做連續(xù)步進運動時，其旋轉轉速和輸入脈沖頻率保持嚴格對應關系，不受電壓波動和負載改變影響。b）特點:(1)反應式步進電動機(VR)。反應式步進電動機結構簡單，生產成本低，步距角?。坏珓討B(tài)性能差。(2)永磁式步進電動機(PM)。永磁式步進電動機出力大，動態(tài)性能好；但步距角大.(3)混合式步進電動機(HB)?；旌鲜讲竭M電動機綜合了反應式、永磁式步進電動機二者優(yōu)點，它步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是現在性能最高步進電動機。它有時也稱作永磁感應子式步進電動機。c)應用:伴隨微電子和計算機技術發(fā)展,步進電機廣泛應用于數控領域和電子計算機外圍設備中,同時也在軍用儀器和醫(yī)療設備得到廣泛應用.另外也用于部分特殊用途機器人驅動器。ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>魯有宏</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>魯有宏</author></authors></contributors><auth-address>華東工學院</auth-address><titles><title>步進電機電子驅動器及其在機器人中利用</title><secondary-title>電氣傳動</secondary-title></titles><periodical><full-title>電氣傳動</full-title></periodical><pages>46-51+63</pages><number>01</number><keywords><keyword>機器人</keyword><keyword>步進電機</keyword><keyword>電子驅動器</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"魯有宏,1987#48"4]如意大利SUPERSIGMA機器人，波蘭華沙航空工程和利用機械技術大學研究機構研究制造機器人等。2.3直線電機驅動a）原理：在直線電機中通入三相電流后，會在氣隙中產生磁場，假如不考慮端部效應，磁場在直線方向呈正弦分布，只是這個磁場是平移而不是旋轉，所以稱為行波磁場。行波磁場和磁極相互作用便產生電磁推力，驅動動子沿定子作往復直線運動。b)特點：因為系統(tǒng)中取消了部分時間響應常數大機械傳動件，所以系統(tǒng)動態(tài)響應性能大大提升，反應靈敏；經過直線位置檢測反饋控制，大大提升定位精度；因為“直接驅動”，避免了運動滯后現象，提升了傳動剛度；能實現開啟時瞬間達成高速，高速運行時又能瞬間準停；行程長度不受限制，運動平靜，噪聲低，效率高。c)應用：最常見有管道內壁清潔機器人，另外在包含生產流水線系統(tǒng)高速機器人，包含單軸機械手，工作滑臺等。其中工作滑臺和直線移動直線電機相連，而且工作滑臺連接有四軸機械手，在流水線生產過程中，直線電機帶動滑臺移動，確保機械手范圍和生產線相對靜止，實現一個相對靜止工作環(huán)境。3液壓驅動a）原理：因為液壓油液含有不可壓縮性，依靠液體介質靜壓力，完成能量積壓，傳輸，進而實現機械傳動。b）特點：取得較大功率重量比，結構簡單緊湊，剛性好，定位精度高，平穩(wěn)，能有效預防過載現象發(fā)生；油液輕易泄露，油液粘度多變，對環(huán)境溫度要求高，油液中輕易混入雜質。c）應用：適于在承載能力大，慣量大和在防旱環(huán)境中工作機器人中應用。山東大學提出一個液壓驅動四足機器人，實現在復雜地形環(huán)境下攜帶大負載進行作業(yè)，含有快速響應能力。液壓驅動系統(tǒng)剛度好，精度高，響應快，易于在大速度范圍內工作，能夠顯著增強機器人負載能力，在獲物載運量和快速性方面更具優(yōu)勢。這種機器人由液壓放大元件和實施元件組成直接控制負載液壓拖動系統(tǒng)，并采取閥控液壓缸系統(tǒng)驅動。機器人再輔以位置控制和速度控制，能夠有效填補閥控液壓缸系統(tǒng)非線性、不確定性特點。4氣壓驅動a）原理：以壓縮機為動力源，壓縮空氣為工作介質，來進行能量傳輸和控制驅動方法。b）特點：因為壓縮空氣粘性小，流速大，所以快速性好；氣源方便，通常工廠全部有空氣壓縮站提供；廢氣直接排入大氣不會造成污染；經過調整氣量可實現無級變速；因為空氣可壓縮性，氣壓系統(tǒng)含有很好緩沖作用；結構簡單，剛性好，成本低；基于空氣壓縮性，氣壓驅動極難確保很高定位精度；向大氣排放廢氣時，會產生噪聲；因壓縮空氣含冷凝水，使得氣壓系統(tǒng)易銹蝕。c）應用：最常見有生產線上氣動助力機械手；在智能軟體機器人領域也有重大應用，如“小章魚”機器人是世界上第一個完全軟體且自我驅動機器，3D打印軟體四足機器人等，作為氣動業(yè)全球領先廠商德國Festo會選推出類似各類昆蟲機器人。圖3-1自驅動軟體“小章魚”原理：世界上第一個完全軟體自驅動機器人，用“氣動”替換“電動”?！靶≌卖~”依靠體內化學反應供能，在這個化學反應里，少許過氧化氫轉變成大量氣體，這些氣體流入“小章魚”手臂，給手臂充氣而引發(fā)運動。圖3-2“小章魚”電子振蕩器模擬電路上圖模擬了簡單電子振蕩器，以控制過氧化氫反應時機，實現自我驅動。5磁致伸縮驅動a）原理：磁性體外部一旦加上磁場，則磁性體外形尺寸發(fā)生改變（焦耳效應），這種現象稱為磁致伸縮現象。此時，假如磁性體在磁化方向上長度增大，則稱為正磁致伸縮；相反，則稱為負磁致伸縮。從外部對磁性體施加壓力，則磁性體磁化狀態(tài)會發(fā)生改變（維拉利效應），則稱為逆磁致伸縮現象。ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>劉慧芳</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>劉慧芳</author></authors><tertiary-authors><author>賈振元,</author><author>王福吉,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>超磁致伸縮材料力傳感實施器關鍵技術研究</title></titles><keywords><keyword>超磁致伸縮材料</keyword><keyword>磁致伸縮正逆耦合效應</keyword><keyword>力傳感實施器</keyword><keyword>解禍</keyword></keywords><dates><year></year></dates><publisher>大連理工大學</publisher><work-type>博士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"劉慧芳,#52"5]b）優(yōu)點：分辨率高（微米級）、反應速度快（微秒級）、輸出力大、產生位移大、體積小、驅動電壓低、傳動無間隙等；穩(wěn)定性好，可靠性高，其磁致伸縮性能不隨時間而改變，無疲憊，無過熱失效問題。缺點：磁滯特征、預壓力特征（預壓力時會得到更大磁致伸縮系數，同時系數和場強非線性更強）、彈性模量非線性（和預壓力相關）、溫度特征（對伸縮率影響大）、渦流特征（高頻時對工作性能影響大）。c）應用：伺服閥、轉動式步進馬達（扭矩輸出12.2N·m，精度高達800微弧度）。超磁致伸縮實施器（較成熟）產生微位移實現高分辨率微進給、小尺寸非圓車削、深孔和異形孔加工、機床振動主動控制等微小驅動場所。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>張承瑞,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>超磁致伸縮致動器驅動系統(tǒng)關鍵技術研究</title></titles><keywords><keyword>超磁致伸縮致動器</keyword><keyword>非線性動態(tài)模型</keyword><keyword>廣義估計控制</keyword><keyword>半橋斬波</keyword><keyword>模型降階</keyword></keywords><dates><year></year></dates><publisher>山東大學</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壓電驅動a）原理：含氟聚合物聚偏氟乙烯（PVDF），當受到外界沖擊或振動時，壓電材料原子層偶極子排列次序被打亂，并試圖恢復原有狀態(tài)，從而產生電子流進而產生電荷；相反，當給壓電薄膜接通改變電壓信號，會使薄膜上下運動或振動，從而產生動力。b）優(yōu)點：有愈加好柔韌性，壓電振子能夠在更高頻率下運行，更適適用于交變載荷，壽命更長。缺點：變形較?。ǘ鄬樱瑝弘姸询B），變形非線性，大變形時受外界影響較大，驅動器用材料及新工藝、大行程高精度（幾毫米）、較高電場（大變形）時非線性、遲滯和蠕變（控制系統(tǒng)優(yōu)化）。c）應用：水聽器（水下傳聲器，聲信號轉換為電信號），動態(tài)稱重，用于管道監(jiān)測雙壓電薄膜驅動微機器人。7靜電驅動a）原理：靜電驅動是利用靜電間庫侖力，經過通入步進電壓使得固定和可動部件電容周期不一樣，從而產生相對運動一個驅動方法。靜電驅動器利用電荷間吸力和排斥力相互作用次序驅動電極而產生平移或旋轉運動。因靜電作用屬于表面力，它和元件尺寸二次方成正比，在微小尺寸改變時，能夠產生很大能量。b）特點：靜電驅動器含有高靈敏度、高精度、響應速度快、結構設計加工簡單等特點，可和控制電路實現單片集成，但驅動范圍相對較小，輸出驅動力遠小于電機。c）應用：靜電驅動器是微機電系統(tǒng)(MEMS）中一個關鍵驅動裝置，大量應用于微泵、微馬達、微諧振器、加速度計等微器件中。ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>謝蛟</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>謝蛟</author></authors><tertiary-authors><author>謝進,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>諧振式微靜電驅動系統(tǒng)非線性分析和控制</title></titles><keywords><keyword>MEMS</keyword><keyword>微靜電驅動結構</keyword><keyword>剛度</keyword><keyword>非線性</keyword><keyword>諧振器</keyword></keywords><dates><year></year></dates><publisher>西南交通大學</publisher><work-type>碩士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"謝蛟,#50"7]8形狀記憶合金驅動器a)原理:形狀記憶效應是指發(fā)生馬氏體相變合金形變后，又回復到形變前固有形狀現象。形狀記憶合金驅動器利用高溫和低溫相互轉變過程中產生變形或回復力達成驅動目標。現在常見形狀記憶合金驅動器有溫控和磁控兩種。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>鄧荊江</author></authors></contributors><auth-address>長江大學機械工程學院;江漢石油管理局技術監(jiān)督處;</auth-address><titles><title>形狀記憶合金驅動器研究現實狀況及展望</title><secondary-title>機械研究和應用</secondary-title></titles><periodical><full-title>機械研究和應用</full-title></periodical><pages>187-190</pages><number>06</number><keywords><keyword>智能材料</keyword><keyword>形狀記憶合金</keyword><keyword>驅動器</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)特點：和磁致伸縮驅動器和壓電驅動器相比，形狀記憶何家勁驅動器含有較大驅動行程，較高工作和斷裂能力。溫控形狀記憶合金驅動器含有很高能量密度，但響應頻率低。相反，磁控形狀記憶合金驅動器能量密度是磁致伸縮驅動器和壓電驅動器幾倍到幾十倍，但仍有較大響應頻率。具體參數以下表。材料溫控形狀記憶合金驅動器磁控形狀記憶合金驅動器磁致伸縮驅動器壓電驅動器最大形變（%）860.20.2最大頻率(Hz)5100005000050000能量密度(kJm3)300090272工作應力(N/mm2)150/5050斷裂應力(N/mm2)900/700600總而言之，形狀記憶合金驅動器含有驅動快速、驅動力大、高阻尼、抗疲憊效應、抗腐蝕能力、結構簡單、不噪音、驅動電壓低等特點。但溫控驅動器響應頻率較低，磁控驅動器含有磁致非線性問題。c）應用：壓電驅動器因壓電效應雙向性，所以兼有傳感和實施雙重功效，用途廣泛?？捎糜跈C器人等定位裝置、緊固件等連接裝置、流體閥門、振動裝置等等。9光驅動器a）原理：光驅動依據驅動介質不一樣分固體光驅動和流體光驅動。固體光驅動關鍵是應用光致形變材料在光照下形變來輸出驅動力；而流體光驅動則是在光照條件下結構不對稱梯度場，從而形成微流驅動馬達。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</