新型驱动方式在机器人中的应用

新型驱动方式在机器人中的应用

李武林

机自1207 1210310606

一，机器人传统驱动方式。

机器人的驱动方式有液压驱动、气压驱动、直流电机驱动、步进电机驱动等，这几类驱动方式是目前多数机器人驱动所采用的方式.

（1）液压驱动：机器人的驱动需要将来自电、液、气等多种能源的能量转化成关节的直线运动或旋转运动装置——驱动器。其中，液压/气压驱动器相比于电气驱动器而言具有功率密度大和易于实现力控制的优点。流体动力系统更能满足机器人低速大扭矩的应用需求。机器人技术的发展给用于机器人运动控制的驱动技术提出了新的挑战:节能化、智能化、轻量化和微型化。节能化、轻量化和微型化有待于液压/气压元件结构设计的创新来实现,智能化有待于液压/气压控制方法的创新来实现。

（2）电伺服驱动系统。所采用的关节驱动电动机主要是AC伺服电动机，步进电动机和DC伺服电动机。其中,交流伺服电动机、直流伺服电动机、直接驱动电动机（DD)均采用位置闭环控制，一般应用于高精度、高速度的机器人驱动系统中。步进电动机驱动系统多适用于对精度、速度要求不高的小型简易机器人开环系统中。交流伺服电动机由于采用电子换向,无换向火花,在易燃易爆环境中得到了广泛的使用。

(3)除了单一的驱动方式,也可以是两个或者两个以上驱动方式结合在一起对机器人进

行驱动，比如以微电机控制伺服油缸结构为基础的驱动器,其中,高性能四足仿生机器人的核心技术之一是高功率密度液压动力单元、伺服单元等关键部件的设计技术,高功率密度液压动力单元的研制是保证“四足仿生机器人”实现高动态性、高适应性和高负载能力的基础。针对高功率密度驱动的轻量化、低功耗的目标,基于简捷化、一体化、超高压、低泄漏、负载匹配的设计思路,提出了微电机控制伺服油缸结构原理,以首创的螺旋阀口技术解决了微电机控制伺服阀中电机旋转运动与阀芯直线运动的直接转换问题,微电机替代传统伺服阀的先导级,降低了加工难度且具有无零位油耗、油质要求低等突出优点,使开发超高压、一体化的液压伺服元件成为可能。

二，机器人新型驱动方式

随着科学技术的发展，愈来愈多的新的驱动方式出现，在机器人驱动上得到愈来愈多的应用。

（1）人工肌肉驱动

人造肌肉在智能材料上属于“聚台胶体”，它可以在电激励和化学激励下产生膨胀、收缩和一种类似橡胶的物质发挥机械传动、齿轮和滑轮的作用。美国standford研究所研究所研制的扑翼机就是由人造肌内驱动，看上去像橡胶软管，两端带有电针;佐治亚理工学院的MAV“Entomopter”计划研究组所使用的是一种被称做“往复式化学肌肉(RCM)”它在化学能的驱动下．可以为机器人提供驱动，通过直接转换，RCM甚至还可以为该机器人上微系统提供少量电能。

（2）压电驱动

智能材料在微型机器人领域受到了越来越广泛的应用，而压电材料作为其中的一份子，在这领域的发展越来越迅速。利用Ⅱ电材料的Ⅲ电效应。将其制为传感器与驱动器，根据外界条件的变化而改变机器人所需的驱动力。压电材料用于智能结构的驱动器时，以双面粘贴压电驱动器的结构进行分析，结构模型如图1所示．压电片通过有限厚度的胶层与主体结构固结。

（3）静电驱动

静电驱动由于能量密度低，相对于其他驱动方式来说应用的比较少。但是，随着尺寸的微小化，静电换能显示出其优越之处．静电驱动由于具有电压驱动、易于集成和控制的特点，同时随著半导体微细加工技术的发展，特别是牺牲层刻蚀技术的开发，为静电致动器的研究提供了可能的技术背景，使静电致动在微型致动嚣的研究开发中占据了突出的位置。圈2为其中一种的胸腔式静电驱动机构简图。

（4）电致伸缩材料的驱动

在外电场的作用下电介质所产生的与场强=次方成正比的应变，称为电致伸缩(Electristriction)．目前还在研究阶段。电致伸缩器的优点电致伸缩器实际上就是两部分，“伸”和“缩”。通过这两种方法．来实现机器人机构在一定角度的上下运动。使用电致伸缩器很好的减小了驱动器的启动功率．也减小了整个系统的冲击载荷。具有较高的灵活性。虽然优点根多。但也有着它最显著的缺陷．就是对于环境要求高。电致伸缩器就其本质而言，是一种往复式直线运动驱动

（5）新型平面直线驱动

为解决机器人在精密装配等操作时有效定位精度问题 ,国内外提出一种宏微操作器相结合的概念，并取得可喜进展。在机器人微驱动末端操作器中 ,二自由度平面直线电动机系统是核心部件之一,它具有体积小、重量轻、力能指标高等特点，国内外关于直线电动机的研究十分活跃，电机种类众多。其中新型二自由度平面直线驱动系统应用越来越广泛。这种二自由度电机由于X及Y方向采用共同永磁体结构，与传统电机系统比较具有较高的性能体积比，应用于实际操作器系统，中取得良好的效果。如下图为永磁体驱动电机示意图。

（6）气动橡胶驱动

橡胶驱动器具有重量轻、结构简单、柔韧性好等特点，显示出了巨大的应用发展潜力。 目前用开关阀实现的气动伺服控制已成为流体动力控制领域竞相研究的对象。以普通开关阀为电-气转换元件的气动脉宽调制系统是一种廉价的、有很大实用价值的新型电-气开关／伺服控制系统。利用开关阀PWM调制对其实现快速、精确的位置控制。因此，气动橡胶驱动在机器人驱动中应用有一定的意义。

（7）形状记忆合金

形状记忆合金(Shape Memory)是指具有形状记忆效应即记忆在高温相状态下形状的合金，如TiNi、cu—zn—Al等。不管在低温状态下如何变形，达到一定温度就恢复到在高温相状态下的形状。从记忆效应的动作特征来说，有单程效应双程效应之分。单程是指SMA在恢复高温相态形状之后，降温后并不能回到低温相态时的形状。而双程则是可逆的。由于目前材料本身的原 因，SMA驱动器基本上是利用单程记忆效应工作的。加 热时，S MA丝发生热弹性马氏体相变，其相变恢复力使驱动器的活动部分反时钟转动。冷却SMA由母相状 态变为马氏体态，在偏置弹簧作用下，驱动器活动部分又回到初始状态。这种丝

材结构恢复力大，功率重量比相当高。但动作幅度受其可恢复变形量的。因此一般需加行程放大器。将 SMA弹簧代替SMA丝所 做成的驱动器转动角度大，但形状恢复力小，适合行程大而驱动力小的情况。

(a)单程记忆效应。形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。

（b)双程记忆效应。某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应

（c)全程记忆效应。加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。

形状记忆合金由于具有许多优异的性能，形状记忆合金作为低温配合连接在液压系统中及体积较小的工业产品中应用。另一种连接件的形状是焊接的网状金属丝，用于制造导体的金属丝编织层的安全接头。这种接件已经用于密封装置、电气连接装置、电子工程机械装置，并能在-65~300℃可靠地工作。已开出的密封系统装置可在严酷的环境中用作电气件连接。

将形状记忆合金制作成一个可打开和关闭快门的弹簧，用于制造精密控制装置，一旦由于震动、碰撞等原因变形，只需加热即可排除故障。在机械制造过程中，各种冲压和机械操作常需将零件从一台机器转移到另一台机器上，现在利用形状记忆合金开发了一种取代手动或液压夹具，这种装置叫驱动汽缸，它具有效率高灵活，装夹力大等特点。因此，基于形状记忆合金的这些特点及效应，可以把它应用在机器人驱动方式的控制环节以及提供驱动动力的液压、气压等驱动器上，以实现对机器人驱动的更好效果的功能。可以应用

在:

1机械手：

形状记忆元件具有感温和驱动的双重功能,因此可以用形状记忆元件制作机器人、机械手,通过温度变化使其动作。

2 SMA既作人造肌肉又兼作驱动器结构材料，因此可应用于人造肌肉驱动器上。

三，总结。

在传统机器人驱动的基础下，越来越多的新型驱动方式得到发展，有人工肌肉、压电驱动、静电驱动、电致伸缩材料的驱动、新型平面直线驱动、气动橡胶驱动、形状记忆合金等等。这些方式能够根据机器人的整体要求进行驱动。

参考文献:

[1]：杨汝清，桑子刚.机器人形状记忆合金（SMA)驱动器及其控制探讨.中国科学院沈阳自动化研究所。

[2]:钟惠英，金晓怡，杨超.微型仿生飞行机器人扑翼驱动机构的研究.上海工程技术大学。

[3]都明宇.基于气动橡胶驱动器的蠕动机器人设计与智能控制研究.浙江工业大学.

[4]王静.机器人液压/气压驱动新方法研究.上海交通大学.

[5]黄丽琴.形状记忆合金的应用.上海电机学院.