2.3　驱动系统

驱动系统是向机械结构系统提供动力的装置。机器人的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电气驱动及新型驱动。工业机器人出现的初期，由于其运动大多采用曲柄机构和连杆机构等，因此大多采用液压与气压驱动方式。但随着对作业高速度的要求，以及作用日益复杂化，目前电气驱动的机器人所占的比例越来越大。但在需要出力很大的应用场合，或运动精度不高、有防爆要求的场合，液压、气压驱动仍获得满意的应用。

电气驱动是目前使用最多的一种驱动方式，其特点是无环境污染、运动精度高、电源取用方便，响应快，驱动力大，信号检测、传递、处理方便，并可以采用多种灵活的控制方式，驱动电机一般采用步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机，也有采用直接驱动电机的。

液压驱动可以获得很大的抓取能力，传动平稳，结构紧凑，防爆性好，动作也较灵敏，但对密封性要求高，不宜在高、低温现场工作。

气压驱动的机器人结构简单，动作迅速，空气来源方便，价格低，但由于空气可压缩而使工作速度稳定性差，抓取力小。

随着应用材料科学的发展，一些新型材料开始应用于机器人的驱动，如形状记忆合金驱动、压电效应驱动、人工肌肉及光驱动等。

2.3.1　液压驱动

液压驱动是以高压油作为工作介质。驱动可以是闭环的或是开环的，可以是直线的或是旋转的。图2-32是用伺服阀控制的液压缸的简化原理图。

开环控制能实现点到点的精确控制，但中间不能停留，因为它从一个位置运动，碰到一个挡块后才停下来。

（1）直线液压缸

用电磁阀控制的直线液压缸是最简单和最便宜的开环液压驱动装置。在直线液压缸的操作中，通过受控节流口调节流量，可以在达到运动终点前实现减速，使停止过程得到控制。也有许多设备是用手动阀控制，在这种情况下，操作员就成了闭环系统中的一部分，因而不再是一个开环系统。汽车起重机和铲车就是这种类型。

大直径的液压缸是很贵的，但能在小空间内输出很大的力。工作压力通常达14MPa，所以每1cm2面积就可输出1400N的力。

无论是直线液压缸或旋转液压马达，它们的工作原理都是基于高压对活塞或对叶片的作用。液压油是经控制阀被送到液压缸的一端，见图2-32。在开环系统中，阀是由电磁铁来控制的；在闭环系统中，则是用电液伺服阀或手动阀来控制的。最大众化的Unimation机器人使用液压驱动已有多年。

（2）旋转执行元件

图2-33是一种旋转式执行元件。它的壳体用铝合金制成，转子是钢制的，密封圈和防尘圈分别防止油的外泄和保护轴承。在电液阀的控制下，液压油经进油孔流入，并作用于固定在转子的叶片上，使转子转动。固定叶片防止液压油短路。通过一对消隙齿轮带动的电位器和一个解算器给出位置信息。电位器给出粗略值，精确位置由解算器测定。这样，解算器的高精度小量程就由低精度大量程的电位器予以补偿。当然，整个的精度不会超过驱动电位器和解算器的齿轮系的精度。

（3）液压驱动的优缺点

用于控制液流的电液伺服阀相当昂贵，而且需要经过过滤的高洁净度油，以防止伺服阀堵塞。使用时，电液伺服阀是用一个小功率的电气伺服装置（力矩电动机）驱动的。力矩电动机比较便宜，但这点便宜并不能弥补伺服阀本身的昂贵，也不能弥补系统污染这一缺陷。因压力高，总是存在漏油的危险，14MPa的压力会迅速地用油膜覆盖很大面积，所以这是一个必须重视的问题。这样一来，所需的管件就很贵，并需要良好的维护，以保证其可靠性。

由于液压缸提供了精确的直线运动，因此在机器人上尽可能使用直线驱动元件。然而液压马达的结构设计也很精良，尽管其价格要高一些，同样功率的液压马达要比电动机尺寸小，当关节式机器人的关节上必须装液压马达时，这就是一个优点。但为此却要把液压油送到回转关节上。目前新设计的电动机尺寸已变得紧凑，重量也减小，这是因为用了新的磁性材料。尽管较贵，但电动机还是更可靠些，而且维护工作量小。

液压驱动超过电动机驱动的根本优点是它的本质安全性。在像喷漆这样的环境中，对安全性提出了严格的要求。

因为存在着电弧和引爆的可能性，要求在易爆区域中所带电压不超过9V，液压系统不存在电弧问题，而且在用于易爆气体中时，无例外总是选用液压驱动。如采用电动机，就要密封，但目前电动机的成本和质量对需要这种功率的情况是不允许的。

2.3.2　气压驱动

有不少机器人制造厂家用气动系统制造了很灵活的机器人。在原理上，它们很像液压驱动，但细节差别很大。它的工作介质是高压空气。在所有的驱动方式中，气压驱动是最简单的，在工业上应用很广。气动执行元件既有直线气缸，也有旋转气动马达。

多数的气压驱动是完成挡块间的运动。由于空气的可压缩性，实现精确控制是困难的。即使将高压空气施加到活塞的两端，活塞和负载的惯性仍会使活塞继续运动，直到它碰到机械挡块，或者空气压力最终与惯性力平衡为止。

用气压伺服实现高精度是困难的，但在能满足精度的场合下，气压驱动在所有的机器人中是重量最轻、成本最低的。可以用机械挡块实现点位操作中的精确定位，0.12mm的精度很容易达到。气缸与挡块相加的缓冲器可以使气缸在运动终点减速，以防止碰坏设备。操作简单是气动系统的主要优点之一。由于它简单、明了、易于编程，因此可以完成大量点位搬运操作的任务。点位搬运是指从一个地点抓起一件东西，移动到另一指定地点放下来。

一种新型的气动马达——用微处理器直接控制的一种叶片马达，能携带215.6N的负载而又获得较高的定位精度（1mm）。这一技术的主要优点是成本低。与液压驱动和电动机驱动的机器人相比，如能达到高精度、高可靠性，气压驱动是很有竞争力的。

气压驱动的最大优点是有积木性。由于工作介质是空气，很容易给各个驱动装置接上许多压缩空气管道，并利用标准构件组建起一个任意复杂的系统。

气动系统的动力源由高质量的空气压缩机提供。这个气源可经过一个公用的多路接头为所有的气动模块所共享。安装在多路接头上的电磁阀控制通向各个气动元件的气流量。在最简单的系统中，电磁阀由步进开关或零件传感开关所控制。可将几个执行元件进行组装，以提供3～6个单独的运动。

气动机器人也可像其他机器人一样示教，点位操作可用示教盒控制。

2.3.3　电气驱动

电气驱动系统在机器人驱动中占有越来越重要的地位，电动机是机器人驱动系统中的执行元件。

（1）机器人伺服执行机构

机器人运动控制的核心与基础是其伺服执行机构及其控制系统。随着微电子技术的迅速发展，过去主要用于恒速运转的交流驱动技术，终于在20世纪90年代，可以逐步取代高性能的直流驱动，使得机器人的伺服执行机构的最高速度、容量、使用环境及维护修理等条件得到大幅度的改善，从而实现了机器人对伺服电机的轻薄短小、安装方便、高效率、高控制性能、无维修的要求。目前，国际上的工业机器人90％以上均采用交流伺服电机作为执行机构。机器人采用的交流伺服电机也常被称作直流无刷伺服电机，它与直流伺服电机的构造基本上是相同的，不同点仅是整流子部分。

（2）直流（DC）伺服电机的基本工作原理

如图2-34所示，由于永磁铁N、S的作用，当N、S之间的导体通过电刷和整流子有电流流过时，根据弗莱明左手法则，产生如图2-34所示的转矩。当导体转子回转到90°时，由于整流子的作用，电流反向，转子继续回转。按图2-35所示的结构，在通电瞬间，转子电流与磁通正交，故转子以最大转矩旋转。在旋转过程中，转矩逐渐减小，到90°时为0。本来转矩为0，转子应该停止旋转，可实际上由于转子的惯性作用，转子将继续旋转，一旦超过90°，则由于换流的作用，转矩又开始增大。因此，图2-35所示的直流电机是一个转矩变化激烈的电机。为了保证电机保持一定的最大转矩，实际应用的直流伺服电机往往要设置数十个整流子，并在设计中保证磁通总是与电流正交。

（3）交流（AC）伺服电机的基本工作原理

如图2-35所示，将DC伺服电机的整流子换成滑环，并在A端电刷接电源“+”极，B端接“-”极，则与DC伺服电机一样，转子转矩的产生使转子旋转。如果保持这个状态，则因无整流子，转子要停止旋转。如果能够在适当的时刻，改变外部电源的电流方向，则可以维持转子的继续旋转。如果将外部电源变成交流，三相绕组为定子，永久磁铁安置在转子上，则转子可实现与交流频率相应的回转速度不断旋转。这样，与电源频率同步，让转子不断旋转的电机即是AC同步伺服电机，人们也常常称这种电机为DC无刷伺服电机。它的特点是必须随时根据转子的位置改变电源极性。

如图2-36所示，目前的AC伺服电机（又称DC无刷伺服电机）基本采用这种旋转磁场结构。DC伺服电机依靠整流子数目的增加来减小其转矩的波动，而AC伺服电机则是将电机定子作为三相绕组。各相电流是通过正弦波变换实现的。

图2-37（a）、（b）是三相同步电机的截面图。U+、U-、V+、V-、W+、W-是各相绕组的始端与终端。将图2-37（c）所示的三相交流电源接通时，在时刻A，仅U相为正，V相、W相均为负。各绕组的电流方向如图2-37（a）所示，根据电流而诱发的磁通合成向量产生在从N指向S方向上。此时，在与磁通成正交的位置上，若有转子磁场，则在顺时针方向上，转子产生回转转矩。同样，在时刻B所产生的磁通[见图2-37（b）]正好在顺时针方向的60°处。

如上所述，只要让三相正弦电流流过电机定子上的绕组，就可以得到连续的回转磁场。只要能够做到让转子的任意回转位置总能与其正弦波相位正交，就可以得到平滑的转矩，获得高效率的AC伺服电机。因此，转子位置检测及其相位正交控制，成为AC伺服电机控制的关键。

表2-1给出了三种驱动系统的驱动性能对比。