第2章 机器人本体的机械结构.ppt

日本东京大学研制的“HRP-2”服务机器人 爬墙机器人 1.液压驱动 机器人的驱动系统采用液压驱动，有以下几个优点： 1）液压容易达到较高的单位面积压力（常用油压为25～63kg/cm2),体积较小，可以获得较大的推力或转矩； 2）液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度； 3）液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制； 4）液压系统采用油液作介质，具有防锈性和自润滑性能，可以提高机械效率，使用寿命长。 液压传动系统的不足之处是： 1）油液的粘度随温度变化而变化，影响工作性能，高温容易引起燃烧爆炸等危险； 2）液体的泄漏难于克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价较高； 3）需要相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置，否则会引起故障。 液压驱动方式的输出力和功率更大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动。 2.气压驱动 与液压驱动相比，气压驱动的特点是： 1）压缩空气粘度小，容易达到高速（1m/s）； 2）利用工厂集中的空气压缩机站供气，不必添加动力设备； 3）空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业； 4）气动元件工作压力低，故制造要求也比液压元件低。 它的不足之处是： 1）压缩空气常用压力为4～6kg/cm2，若要获得较大的出力，其结构就要相对增大； 2）空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要达到准确的位置控制很困难； 3）压缩空气的除水问题是一个很重要的问题，处理不当会使钢类零件生绣，导致机器人失灵。此外，排气还会造成噪声污染。 气动式驱动多用于开关控制和顺序控制的机器人中。 3.电机驱动 电机驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。 普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人。伺服电动机和步进电动机输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人。 交、直流伺服电动机一般用于闭环控制系统，而步进电动机则主要用于开环控制系统，一般用于速度和位置精度要求不高的场合。功率在1KW以下的机器人多采用电机驱动。 电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电机性能也逐渐提高。所以总的看来，目前机器人关节驱动逐渐为电动式所代替。 驱动方式的特点 成本较高。 程序复杂、运动轨迹要求严格的机器人。 体积效小 维修使用较复杂。 容易与CPU连接，控制性能好，响应快，可精确定位，但控制系统复杂。 输出力较小或较大 步进电动机 伺服电动机 成本低。 速度低，持重大的机器人。 需要减速装置，体积较大。 维修使用方便。 控制性能较差，惯性大，不易精确定位 输出力较大 异步电动机 直流电动机 电 机 驱 动 结构简单，能源方便，成本低。 中、小型机器人。 体积较大 维修简单，能在高温、粉尘等恶劣环境中使用，泄漏无影响。 可高速，冲击较严重，精确定位困难。气体压缩性大，阻尼效果差，低速不易控制，不易与CPU连接。 气压压力低，输出力较小，如需要输出力大时，其结构尺寸过大。 气 压 驱 动 液压元件成本较高，油路比较复杂。 中、小型及重型机器人。 在输出力相同的情况下，体积比气压驱动方式小。 维修方便，液体对温度变化敏感，油液泄漏易着火。 油液不可压缩，压力、流量均容易控制，可无极调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制 压力高，可获得大的输出力。 液 压 驱 动 制造成本 使用范围 结构体积 维修使用 控制性能 输出力 特 点 驱动方式 二、驱动机构 驱动机构分为旋转驱动方式和直线驱动方式。 1.直线驱动机构 机器人采用的直线驱动包括直角坐标结构的X、Y、Z向驱动，圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动，以及球坐标结构的径向伸缩驱动。直线运动可以直接由气缸或液压缸和活塞产生，也可以采用齿轮齿条、丝杠、螺母等传动方式把旋转运动转换成直线运动。 2.旋转驱动机构 多数普通电机和伺服电机都能够直接产生旋转运动，但其输出力矩比所需要的力矩小，转速比所需要的转速高。因此，需要采用各种传动装置把较高的转速转换成较低的转速，并获得较大的力矩。有时也采用直线液压缸或直线气缸作为动力源，这就需要把直线运动转换成旋转运动。这种运动的传递和转换必须高效率地完成，并且不能有损于机器人系统所需要的特性，特别是定位精度、重复精度和可靠性