当前机器人电动驱动,市场上的机器人主要使用三种驱动方法机器人电动驱动,即液压驱动,气动驱动和电动机驱动。这三种驱动方法中的每一种都有自己的特征:
1.电动机驱动是利用各种电动机产生的力或转矩直接驱动机器人的关节,或者通过诸如减速的机构来驱动机器人的关节,以获得所需的位置,速度,加速度和其机器人电动驱动他指标。具有环保,整洁,控制方便,运动精度高,维护成本低,驱动效率高的优点。电机有四种类型:步进电机,直流伺服电机,交流伺服电机和线性电机。
2.液压驱动器使用液体作为介质来传递力,并使用液压泵使液压系统产生的压力驱动执行器运动。
液压驱动模式是成熟的驱动模式。它具有易于控制的压力和流量,高刚性,不可压缩的液压油,简单稳定的调速,方便的操作和控制以及广泛的无级调速(调速范围高达2000:1),并且具有以下优点:较小的驱动力或扭矩可获得更大的动力。然而,由于流体流动阻力,温度变化,杂质,泄漏等的影响,工件的稳定性和定位精度不准确,并且还造成环境污染并增加机器人电动驱动了维护技术要求。因此,它经常用于需要较大输出力和低运动速度的场合。在电驱动技术成熟之前,液压驱动是最广泛使用的驱动方法。
3.气动驱动器使用空气作为工作介质,并使用气源发生器将压缩空气的压力能转换为机械能,以驱动执行器以完成预定的运动定律。气动驱动具有节能简单,时间短,动作快,柔软,重量轻,产量/质量比高,安装维护方便,安全,成本低,对环境无污染的优点。然而,由于空气的可压缩性,要实现高精度,快速响应的位置和速度控制并不容易,而且还会降低驱动系统的刚性。
电动机是机器人驱动系统中机器人电动驱动的执行元件。机器人常采用的电动机有机器人电动驱动: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机器人电动驱动,特点为具有较大的低速转矩机器人电动驱动,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有以下几点优势:
1)实现了位置、速度和力矩的闭环控制,客服了步进电动机失步的问题。
2)高速性能好,一般额定转速能达到2000~3000r/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起动的场合特别适用。
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。
机器人关节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。
(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。
一般有电动驱动,液压驱动、气压驱动等方式。小微型机器人一是电动驱动。工业用机器人一般是电控液压驱动或电控气压驱动。
液压驱动系统:由于液压技术是一种比较成熟的技术。它具有动力大、力(或力矩)与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适于在承载能力大,惯量大以及在防焊环境中工作的这些机器人中应用。但液压系统需进行能量转换(电能转 换成液压能),速度控制多数情况下采用节流调速,效率比电动驱动系统低。液压系统的液体泄泥会对环境产生污染,工作噪声也较高。因这些弱点,近年来,在负荷为100kz以下的机器人中往往被电动系统所取代。
气动驱动系统:具有速度快、系统结构简单,维修方便、价格低等特点。适于在中、小负荷的机器人中采用。但因难于实现伺服控制,多用于程序控制的机械人中,如在上、下料和冲压机器人中应用较多。
电动驱动系统:由于低惯量,大转矩交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器(交流变频器、直流脉冲宽度调制器)的广泛采用,这类驱动系统在机器人中被大量选用。这类系统不需能量转换,使用方便,控制灵活。大多数电机后面需安装精密的传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的环境中,成本也较上两种驱动系统的高。但因这类驱动系统优点比较突出,因此在机器人中被广泛的选用。
伺服电机一般安装在机器人的“关节”处,机器人的关节驱动离不开伺服系统,关节越多,机器人的柔性和度越高,所要使用的伺服电机的数量就越多。
机器人对关节驱动电机的要求非常严格,因而对电动伺服驱动系的要求也很严格,主要有以下几个方面:
1、快速响应性,电伺服系统的灵敏性愈高,快速响应性能愈好;
2、起动转矩惯量比大,在驱动负载的情况下,要求机器人的伺服电机的起动转钜大,转动惯量小;
3、控制特性的连续性和直线性,随着控制信号的变化,电机的转速能连续变化,有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比,调速范围宽,能使用1:1000~10000的调速范围;
4、体积小、质量小、轴向尺寸短,以配合机器人的体形;
5、能经受得起苛刻的运行条件,可进行十分频繁的正反向和加减速运行。
机器人每个关节处的电机都是用于驱动运动,为机器人的手臂提供了准确的角度。构建机器人的电机可以有很多不同类型,事实上,机器人中的电机选择是构建机器人的一个重要方面。机器人中常用的电机类型有伺服电机、直流电机、步进电机、交流电机等。下面将先来了解一下机器人对电机的使用要求,再来简单介绍一下机器人常用的电机类型。
机器人对电机的使用要求
1、良好的响应性能:应该要缩短电机从接收指令信号到完成指令所需的工作时间。电机伺服系统对指令信号的响应时间越短,其灵敏度就越高,快速响应性能也就越好。通常会用电机的机电时间常数来表示电机的快速响应性能。
2、启动转矩惯量比大:启动转矩是在启动时产生的一个比额定转矩大1.7到2.2倍的转矩,可以解决转子的静摩擦力和电机驱动负载时所产生的阻力。而转动惯量指的是刚体围绕轴旋转时的惯性量,主要决定了电机的机械响应速度。在驱动负载的状态下,机器人的电机的启动转矩要大,而转动惯量要小。
3、能实现控制性能的连续性和直线性:由于控制信号的变化,电机的旋转速度可以连续性发生变化,有的时候还需要旋转速度与控制信号成正比或者类似于成正比。
4、速度范围广、经得起恶劣的运行条件:对于机器人来说,电机的速度范围要在1:1000到10000之间。要经得起恶劣的运行条件,可以进行比较频繁的正反转和加减速操作,并且可以在较短的时间内承受过载。
机器人常用的电机类型
1、伺服电机:伺服电机是在机器人中用来控制角度、线速度以及位置的另一个重要部件。微控制器发出的电信号决定了运动量,从而决定了伺服轴所需要的位置。伺服电机的位置通常由PWM信号来进行控制。伺服电机接收来自微控制器的PWM信号。伺服电机虽然是一种高速电机,但也会有一些缺点,那便是成本高且不能准确地进行控制旋转。
2、直流电机:直流电机是依靠直流电力进行运行的电机。它的工作原理是将一个载流导体放置在磁场中,受到的力使其相对于初始位置进行旋转。实际上,直流电机是由提供磁通的励磁绕组和充当导体的电枢所组成,一般可分为有刷直流电机和无刷直流电机,有刷直流电机是当前比较常用的电机,因为它们易于小型化,并且提供了良好的旋转控制和高效率。另一方面,无刷直流电机具有维护方便、使用寿命长以及噪音低等优点,但它们要比有刷直流电机更加昂贵。
3、步进电机:步进电机是所有电机中较为复杂的一种电机。简而言之,电机是以度数为增量旋转,并且是由脉冲控制的,根据制造商或者型号的不同,每个步骤的确切转弯度数也会有所不同。步进电机主要有双极和单极这两种类型,双极型是有两个线圈的电机,而单极型是两个带有中心抽头线圈的电机。与直流电机不同,步进电机的转矩是随速度而降低的。
4、交流电机:交流电机是由交流电流驱动的,当线圈在磁铁两极之间旋转时,它会断开磁力线,产生交流电流,交流电流可以通过导线进行长时间的传输。交流电机又可分为异步和同步这两种类型,异步型基本上是由绕线定子和转子组成,电源连接到电线,电流在线圈中感应到电磁场,足够强的电磁场为转子运动提供了动力。同步型是一种与交流线路频率同步运行的恒速电机,通常被用于需要准确恒速的地方。
浏览以上文章可以了解到机器人通常会使用伺服电机、直流电机、步进电机、交流电机等来进行驱动运动,其中的直流电机、交流电机基本都采用了位置闭环控制,一般用于高精度、高速的机器人驱动系统,步进电机大多数用于对精度和速度要求不高的小型机器人的开环系统