工业机器人的传动机构及驱动方式

齿轮链是由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构。它不但可以传递运动角位移和角速度, 而且可以传递力和力矩。

直线驱动机构

1. 齿轮齿条装置

通常,齿条是固定不动的，当齿轮传动时, 齿轮轴连同拖板沿齿条方向做直线运动, 这样, 齿轮的旋转运动就转换成为拖板的直线运动, 如图2.70所示。拖板是由导杆或导轨支承的。 该装置的回差较大。

图 2.70 齿轮齿条装置

2. 普通丝杠

普通丝杠驱动是由一个旋转的精密丝杠驱动一个螺母沿丝杠轴向移动。 由于普通丝杠的摩擦力较大, 效率低, 惯性大, 在低速时容易产生爬行现象, 而且精度低, 回差大, 因此在机器人上很少采用。

3. 滚珠丝杠

在机器人上经常采用滚珠丝杠, 这是因为滚珠丝杠的摩擦力很小且运动响应速度快。由于滚珠丝杠在丝杠螺母的螺旋槽里放置了许多滚珠,传动过程中所受的摩擦力是滚动摩擦, 可极大地减小摩擦力,因此传动效率高,消除了低速运动时的爬行现象。在装配时施加一定的预紧力,可消除回差。

如图2.71所示, 滚珠丝杠里的滚珠从钢套管中出来, 进入经过研磨的导槽, 转动2～3圈以后, 返回钢套管。 滚珠丝杠的传动效率可以达到90%, 所以只需要使用极小的驱动力, 并采用较小的驱动连接件就能够传递运动。

滚球丝杠副

旋转驱动机构

1. 齿轮链

齿轮链是由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构。它不但可以传递运动角位移和角速度, 而且可以传递力和力矩。 现以具有两个齿轮的齿轮链为例, 说明其传动转换关系。其中一个齿轮装在输入轴上, 另一个齿轮装在输出轴上, 如图所示。

齿轮链机构

使用齿轮链机构应注意两个问题。一是齿轮链的引入会改变系统的等效转动惯量, 从而使驱动电机的响应时间减小, 这样伺服系统就更加容易控制。输出轴转动惯量转换到驱动电机上, 等效转动惯量的下降与输入输出齿轮齿数的平方成正比。 二是在引入齿轮链的同时, 由于齿轮间隙误差, 将会导致机器人手臂的定位误差增加; 而且, 假如不采取一些补救措施, 齿隙误差还会引起伺服系统的不稳定性。

通常， 齿轮链转动有以下几种类型， 如图2.73所示。 其中圆柱齿轮的传动效率约为90%， 因为结构简单， 传动效率高，圆柱齿轮在机器人设计中最常见； 斜齿轮传动效率约为80%， 斜齿轮可以改变输出轴方向； 锥齿轮传动效率约为70%， 锥齿轮可以使输入轴与输出轴不在同一个平面， 传动效率低； 蜗轮蜗杆传动效率约为70%，蜗轮蜗杆机构的传动比大， 传动平稳， 可实现自锁， 但传动效率低， 制造成本高， 需要润滑； 行星轮系传动效率约为80%，传动比大， 但结构复杂。

常用的齿轮链

(a) 圆柱齿轮;  (b) 斜齿轮;  (c) 锥齿轮;  (d) 蜗轮蜗杆;  (e) 行星轮系

2. 同步皮带

同步皮带类似于工厂的风扇皮带和其他传动皮带, 所不同的是这种皮带上具有许多型齿, 它们和同样具有型齿的同步皮带轮齿相啮合。 工作时, 它们相当于柔软的齿轮, 具有柔性好, 价格便宜两大优点。另外, 同步皮带还被用于输入轴和输出轴方向不一致的情况。这时, 只要同步皮带足够长,使皮带的扭角误差不太大, 则同步皮带仍能够正常工作。在伺服系统中, 如果输出轴的位置采用码盘测量, 则输入传动的同步皮带可以放在伺服环外面, 这对系统的定位精度和重复性不会有影响, 重复精度可以达到1 mm以内。 此外, 同步皮带比齿轮链价格低得多, 加工也容易得多。 有时, 齿轮链和同步皮带结合起来使用更为方便。

3. 谐波齿轮

虽然谐波齿轮已问世多年, 但直到最近人们才开始广泛地使用它。 目前, 机器人的旋转关节有60％～70％都使用谐波齿轮。 谐波齿轮传动机构由刚性齿轮、 谐波发生器和柔性齿轮三个主要零件组成, 如图2.74所示。 工作时, 刚性齿轮固定安装, 各齿均布于圆周, 具有外齿形的柔性齿轮沿刚性齿轮的内齿转动。柔性齿轮比刚性齿轮少两个齿, 所以柔性齿轮沿刚性齿轮每转一圈就反方向转过两个齿的相应转角。 谐波发生器具有椭圆形轮廓, 装在谐波发生器上的滚珠用于支承柔性齿轮, 谐波发生器驱动柔性齿轮旋转并使之发生塑性形。转动时, 柔性齿轮的椭圆形端部只有少数齿与刚性齿轮啮合, 只有这样, 柔性齿轮才能相对于刚性齿轮自由地转过一定的角度。

假设刚性齿轮有100个齿, 柔性齿轮比它少2个齿, 则当谐波发生器转50圈时, 柔性齿轮转1圈, 这样只占用很小的空间就可得到1∶50的减速比。 由于同时啮合的齿数较多, 因此谐波发生器的力矩传递能力很强。在3个零件中, 尽管任何2个都可以选为输入元件和输出元件, 但通常总是把谐波发生器装在输入轴上, 把柔性齿轮装在输出轴上, 以获得较大的齿轮减速比。

谐波齿轮传动

直线驱动和旋转驱动的选用和制动

1. 驱动方式的选用

在廉价的计算机问世以前, 控制旋转运动的主要困难之一是计算量大, 所以, 当时认为采用直线驱动方式比较好。 直流伺服电机是一种较理想的旋转驱动元件, 但需要通过较昂贵的伺服功率放大器来进行精确的控制。例如,在1970年,尚没有可靠的大功率晶体管, 需要用许多大功率晶体管并联, 才能驱动一台大功率的伺服电机。

今天, 电机驱动和控制的费用已经大大地降低, 大功率晶体管已经广泛使用, 只需采用几个晶体管就可以驱动一台大功率伺服电机。同样, 微型计算机的价格也越来越便宜,计算机费用在机器人总费用中所占的比例大大降低,有些机器人在每个关节或自由度中都采用一个微处理器。

由于上述原因,许多机器人公司在制造和设计新机器人时, 都选用了旋转关节。然而也有许多情况采用直线驱动更为合适, 因此，直线气缸仍是目前所有驱动装置中最廉价的动力源, 凡能够使用直线气缸的地方, 还是应该选用它。另外，有些要求精度高的地方也要选用直线驱动。

2. 制动器

许多机器人的机械臂都需要在各关节处安装制动器, 其作用是: 在机器人停止工作时, 保持机械臂的位置不变; 在电源发生故障时, 保护机械臂和它周围的物体不发生碰撞。 假如齿轮链、谐波齿轮机构和滚珠丝杠等元件的质量较高,一般其摩擦力都很小, 在驱动器停止工作的时候, 它们是不能承受负载的。如果不采用某种外部固定装置, 如制动器、夹紧器或止挡装置等,一旦电源关闭, 机器人的各个部件就会在重力的作用下滑落。因此, 为机器人设计制动装置是十分必要的。

制动器通常是按失效抱闸方式工作的, 即要松开制动器就必须接通电源, 否则, 各关节不能产生相对运动。  这种方式的主要目的是在电源出现故障时起保护作用，   其缺点是在工作期间要不断通电使制动器松开。假如需要的话， 也可以采用一种省电的方法, 其原理是: 需要各关节运动时, 先接通电源, 松开制动器, 然后接通另一电源, 驱动一个挡销将制动器锁在放松状态。 这样， 所需要的电力仅仅是把挡销放到位所花费的电力。 

为了使关节定位准确, 制动器必须有足够的定位精度。 制动器应当尽可能地放在系统的驱动输入端, 这样利用传动链速比, 能够减小制动器的轻微滑动所引起的系统振动, 保证在承载条件下仍具有较高的定位精度。在许多实际应用中, 许多机器人都采用了制动器。

工业机器人的传动

工业机器人的传动装置与一般机械的传动装置的选用和计算大致相同。 但工业机器人的传动系统要求结构紧凑、 重量轻、转动惯量和体积小, 要求消除传动间隙, 提高其运动和位置精度。工业机器人传动装置除齿轮传动、蜗杆传动、 链传动和行星齿轮传动外, 还常用滚珠丝杆、 谐波齿轮、钢带、 同步齿形带和绳轮传动。表2.1为工业机器人常用传动方式的比较与分析。

表2.1 工业机器人传动方式的比较与分析

新型的驱动方式

1. 磁致伸缩驱动

铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变, 其长度和体积都要发生微小的变化, 这种现象称为磁致伸缩。20世纪60年代发现某些稀土元素在低温时磁伸率达3000×10-6～10 000×10-6,人们开始关注研究有适用价值的大磁致伸缩材料。 研究发现,TbFe2(铽铁)、SmFe2(钐铁)、DyFe2(镝铁)、 HoFe2(钬铁)、TbDyFe2(铽镝铁)等稀土－铁系化合物不仅磁致伸缩值高, 而且居里点高于室温, 室温磁致伸缩值为1000×10-6～2500×10-6, 是传统磁致伸缩材料如铁、镍等的10～100倍。 这类材料被称为稀土超磁致伸缩材料(Rear Earth Giant MagnetoStrictive Materials, 缩写为RE-GMSM)。

这一现象已用于制造具有微英寸量级位移能力的直线电机。为使这种驱动器工作, 要将被磁性线圈覆盖的磁致伸缩小棒的两端固定在两个架子上。当磁场改变时, 会导致小棒收缩或伸展, 这样其中一个架子就会相对于另一个架子产生运动。一个与此类似的概念是用压电晶体来制造具有毫微英寸量级位移的直线电机。

美国波士顿大学已经研制出了一台使用压电微电机驱动的机器人——“机器蚂蚁”。 “机器蚂蚁”的每条腿是长1 mm或不到1 mm的硅杆， 通过不带传动装置的压电微电机来驱动各条腿运动。这种“机器蚂蚁”可用在实验室中收集放射性的尘埃以及从活着的病人体中收取患病的细胞。

2. 形状记忆金属

有一种特殊的形状记忆合金叫做Biometal(生物金属), 它是一种专利合金, 在达到特定温度时缩短大约4%。 通过改变合金的成分可以设计合金的转变温度, 但标准样品都将温度设在90℃左右。 在这个温度附近, 合金的晶格结构会从马氏体状态变化到奥氏体状态,并因此变短。然而,与许多其他形状记忆合金不同的是,它变冷时能再次回到马氏体状态。如果线材上负载低的话,上述过程能够持续变化数十万个循环。实现这种转变的常用热源来自于当电流通过金属时,金属因自身的电阻而产生的热量。结果是,来自电池或者其他电源的电流轻易就能使生物金属线缩短。这种线的主要缺点在于它的总应变仅发生在一个很小的温度范围内,因此除了在开关情况下以外, 要精确控制它的拉力很困难,同时也很难控制位移。

图 2.76 形状记忆金属制作的末端操作器

3. 静电驱动器

下图是一个带有电阻器移动子的三相静电驱动器的工作原理图。

三相静电驱动器工作原理

这种执行器有下列特征:

(1) 因为移动子中没有电极, 所以不必确定与定子的相对位置, 定子电极的间距可以非常小。

(2) 因为驱动时会产生浮力,所以摩擦力小,在停止时由于存在着吸引力和摩擦力, 因此可以获得比较大的保持力。

(3) 因为构造简单, 所以可以实现以薄膜为基础的大面积多层化结构。

基于上述各点, 把这种执行器作为实现人工筋肉的一种方法, 受到了人们的关注。

4. 超声波电机

超声波电机的工作原理是用超声波激励弹性体定子，使其表面形成椭圆运动， 由于其上与转子(或滑块)接触， 在摩擦的作用下转子获得推力输出。如图2.78所示， 可以认为定子按照角频率ω0，进行超声波振动， 在预压W作用下， 转子被推动。

超声波电机的负载特性与DC电机相似， 相对于负载增加， 转速有垂直下降的趋势，将超声波电机与DC电机进行比较， 它的特点有： ① 可望达到低速、 高效率； ② 同样的尺寸， 能得到大的转矩； ③ 能保持大转矩； ④ 无电磁噪声； ⑤ 易控制； ⑤ 外形的自由度大等。

图 2.78  超声波电机的工作原理图2.5.6 驱动传动方式的应用 　　1. Movemaster EX RV-M1的驱动传动 

图2.79为三菱装配机器人Movemaster EX RV-M1的驱动传动简图。 该机器人采用电动方式驱动, 有5个自由度, 分别为腰部旋转、肩部旋转、肘部的转动、手腕的俯仰与翻转。各关节均由直流伺服电机驱动,其中,腰部旋转部分与腕关节的翻转为直接驱动。为了减小惯性矩,肩关节、肘关节和腕关节的俯仰都采用同步带传动。实验室常用的末端操作器(在零件装配时有开闭动作)采用直流电机驱动。 

  图 2.79 三菱装配机器人内部结构简图

1) 腰部转动(J1轴)

(1) 腰部(J1轴)由基座内的电机①和调谐齿轮②驱动。

(2) J1轴限位(极限)开关③装在基座顶部。

2) 肩部(J2轴)旋转

(1) 肩部(J2轴)由肩关节处的调谐齿轮⑥驱动, 由连接在J2轴电机④上的同步带⑤带动旋转。

(2) 电磁制动闸⑦装在调谐齿轮⑥的输入轴上, 以防止断电时肩部由于自重而下转。

(3) J2轴限位开关⑧装在肩壳内上臂处。

3) 肘部伸展(J3轴)

(1) J3轴电机⑨的转动由同步带B10传送至调谐齿轮B21。

(2) 调谐齿轮B21上J3轴输出轴的转动由J3轴的驱动连杆传送至肘部的轴上,从而带动前臂伸展。

(3) 电磁制动闸B12装在调谐齿轮B21的输入轴上。

(4) J3轴限位开关B13安装在肩壳内上臂处。

4) 腕部俯仰(J4轴)

(1) J4轴的电机B14安装在前臂内。J4轴同步带B15将该电机的转动传送到调谐齿轮B16上,从而带动腕壳旋转。

(2) J4轴的限位开关B17安装在前臂下侧。

5) 腕部转动(J5轴)

(1) J5轴电机B18和J5轴调谐齿轮B19安装在腕壳内的同一轴上, 由它们带动手爪安装法兰旋转。

(2) J5轴的限位开关B20安装在前臂下。

2. PUMA 562机器人传动

图2.80为PUMA 562机器人的外形图。 该机器人有6个自由度, 其传动方式如图2.80所示。由图可看出:

电机1通过两对齿轮Z1、 Z2、 Z3、 Z4传动带动立柱回转。

电机2通过联轴器、 一对圆锥齿轮Z5、 Z6和一对圆柱齿轮Z7、 Z8带动齿轮Z9, 齿轮Z9绕与立柱固联的齿轮Z10转动, 于是形成了大臂相对于立柱的回转。

电机3通过两个联轴器和一对圆锥齿轮Z1、 Z2、 两对圆柱齿轮Z13、 Z14,  Z15、Z16(Z16固联于小臂上)驱动小臂相对于大臂回转。

图 2.79 PUMA 562机器人的传动示意图

电机4先通过一对圆柱齿轮Z17、 Z18、 两个联轴器和另一对圆柱齿轮Z19、Z20(Z20固联于手腕的套筒上)驱动手腕相对于小臂回转。

电机5通过联轴器、 一对圆柱齿轮Z21、 Z22、一对圆锥齿轮Z23、 Z24(Z24固联于手腕的球壳上)驱动手腕相对于小臂(亦即相对于手腕的套筒)摆动。

电机6通过联轴器、 两对圆锥齿轮Z25、 Z26,  Z27、 Z28和一对圆柱齿轮Z29、 Z30驱动机器人的机械接口(法兰盘)相对于手腕的球壳回转。