直線驅動組織

1. 齒輪齒條設備

一般,齒條是固定不動的，當齒輪傳動時, 齒輪軸連同拖板沿齒條方向做直線運動, 這樣, 齒輪的旋轉運動就變換成為拖板的直線運動, 如圖2.70所示。拖板是由導桿或導軌支承的。 該設備的回差較大。

圖 2.70 齒輪齒條設備

2. 一般絲杠  

一般絲杠驅動是由一個旋轉的精細絲杠驅動一個螺母沿絲杠軸向移動。 因為一般絲杠的沖突力較大, 功率低, 慣性大, 在低速時簡略發作匍匐現象, 并且精度低, 回差大, 因而在機器人上很少選用。

3. 滾珠絲杠

在機器人上經常選用滾珠絲杠, 這是因為滾珠絲杠的沖突力很小且運動呼應速度快。因為滾珠絲杠在絲杠螺母的螺旋槽里放置了許多滾珠,傳動進程中所受的沖突力是滾動沖突, 可極大地減小沖突力,因而傳動功率高,消除了低速運動時的匍匐現象。在裝置時施加必定的預緊力,可消除回差。

如圖2.71所示, 滾珠絲杠里的滾珠從鋼套管中出來, 進入經過研磨的導槽, 滾動2～3圈今后, 回來鋼套管。 滾珠絲杠的傳動功率能夠到達90%, 所以只需求運用極小的驅動力, 并選用較小的驅動連接件就能夠傳遞運動。

圖 2.71 滾球絲杠副

2.5.2 旋轉驅動組織

1. 齒輪鏈

齒輪鏈是由兩個或兩個以上的齒輪組成的傳動組織。它不但能夠傳遞運動角位移和角速度, 并且能夠傳遞力和力矩。 現以具有兩個齒輪的齒輪鏈為例, 闡明其傳動變換聯系。其間一個齒輪裝在輸入軸上, 另一個齒輪裝在輸出軸上, 如圖2.72所示。

圖 2.72 齒輪鏈組織

運用齒輪鏈組織應留意兩個問題：

一是齒輪鏈的引進會改動體系的等效滾動慣量, 然后使驅動電機的呼應時刻減小, 這樣伺服體系就愈加簡略操控。輸出軸滾動慣量變換到驅動電機上, 等效滾動慣量的下降與輸入輸出齒輪齒數的平方成正比。

二是在引進齒輪鏈的一起, 因為齒輪空隙差錯, 將會導致機器人手臂的定位差錯添加; 并且, 假設不采納一些補救措施, 齒隙差錯還會引起伺服體系的不穩定性。

一般， 齒輪鏈滾動有以下幾種類型， 如圖2.73所示。

其間圓柱齒輪的傳動功率約為90%， 因為結構簡略， 傳動功率高，圓柱齒輪在機器人規劃中最常見；

斜齒輪傳動功率約為80%， 斜齒輪能夠改動輸出軸方向； 錐齒輪傳動功率約為70%， 錐齒輪能夠使輸入軸與輸出軸不在同一個平面， 傳動功率低； 蝸輪蝸桿傳動功率約為70%，蝸輪蝸桿組織的傳動比大， 傳動平穩， 可完成自鎖， 但傳動功率低， 制造本錢高， 需求光滑； 行星輪系傳動功率約為80%，傳動比大， 但結構雜亂。

圖 2.73 常用的齒輪鏈

(a) 圓柱齒輪; (b) 斜齒輪; (c) 錐齒輪; (d) 蝸輪蝸桿; (e) 行星輪系

2. 同步皮帶

同步皮帶類似于工廠的風扇皮帶和其他傳動皮帶, 所不同的是這種皮帶上具有許多型齒, 它們和相同具有型齒的同步皮帶輪齒相嚙合。

作業時, 它們相當于柔軟的齒輪, 具有柔性好, 價格便宜兩大長處。別的, 同步皮帶還被用于輸入軸和輸出軸方向不一致的狀況。

這時, 只需同步皮帶滿足長,使皮帶的扭角差錯不太大, 則同步皮帶仍能夠正常作業。在伺服體系中, 假設輸出軸的方位選用碼盤丈量, 則輸入傳動的同步皮帶能夠放在伺服環外面, 這對體系的定位精度和重復性不會有影響, 重復精度能夠到達1 mm以內。 此外, 同步皮帶比齒輪鏈價格低得多, 加工也簡略得多。 有時, 齒輪鏈和同步皮帶結合起來運用更為便利。

3. 諧波齒輪 

盡管諧波齒輪已面世多年, 但直到最近人們才開端廣泛地運用它。現在, 機器人的旋轉關節有60％～70％都運用諧波齒輪。

諧波齒輪傳動組織由剛性齒輪、 諧波發作器和柔性齒輪三個首要零件組成, 如圖2.74所示。 作業時, 剛性齒輪固定設備, 各齒均布于圓周, 具有外齒形的柔性齒輪沿剛性齒輪的內齒滾動。

柔性齒輪比剛性齒輪少兩個齒, 所以柔性齒輪沿剛性齒輪每轉一圈就反方向轉過兩個齒的相應轉角。 諧波發作器具有橢圓形概括, 裝在諧波發作器上的滾珠用于支承柔性齒輪, 諧波發作器驅動柔性齒輪旋轉并使之發作塑性形。滾動時, 柔性齒輪的橢圓形端部只要少量齒與剛性齒輪嚙合, 只要這樣, 柔性齒輪才干相對于剛性齒輪自由地轉過必定的視點。

假定剛性齒輪有100個齒, 柔性齒輪比它少2個齒, 則當諧波發作器轉50圈時, 柔性齒輪轉1圈, 這樣只占用很小的空間就可得到1∶50的減速比。

因為一起嚙合的齒數較多, 因而諧波發作器的力矩傳遞才干很強。在3個零件中, 盡管任何2個都能夠選為輸入元件和輸出元件, 但一般總是把諧波發作器裝在輸入軸上, 把柔性齒輪裝在輸出軸上, 以取得較大的齒輪減速比。

圖 2.74 諧波齒輪傳動

直線驅動和旋轉驅動的選用和制動

1. 驅動辦法的選用

在廉價的核算機面世以前, 操控旋轉運動的首要困難之一是核算量大, 所以, 其時以為選用直線驅動辦法比較好。 直流伺服電機是一種較抱負的旋轉驅動元件, 但需求經過較貴重的伺服功率放大器來進行精確的操控。例如,在1970年,尚沒有牢靠的大功率晶體管, 需求用許多大功率晶體管并聯, 才干驅動一臺大功率的伺服電機。

今日, 電機驅動和操控的費用現已大大地下降, 大功率晶體管現已廣泛運用, 只需選用幾個晶體管就能夠驅動一臺大功率伺服電機。相同, 微型核算機的價格也越來越便宜,核算機費用在機器人總費用中所占的份額大大下降,有些機器人在每個關節或自由度中都選用一個微處理器。

因為上述原因,許多機器人公司在制造和規劃新機器人時, 都選用了旋轉關節。但是也有許多狀況選用直線驅動更為適宜, 因而，直線氣缸仍是現在一切驅動設備中最廉價的動力源, 凡能夠運用直線氣缸的當地, 仍是應該選用它。別的，有些要求精度高的當地也要選用直線驅動。

2. 制動器

許多機器人的機械臂都需求在各關節處設備制動器, 其效果是: 在機器人中止作業時, 堅持機械臂的方位不變; 在電源發作毛病時, 保護機械臂和它周圍的物體不發作磕碰。

假設齒輪鏈、諧波齒輪組織和滾珠絲杠等元件的質量較高,一般其沖突力都很小, 在驅動器中止作業的時分, 它們是不能接受負載的。假設不選用某種外部固定設備, 如制動器、夾緊器或止擋設備等,一旦電源封閉, 機器人的各個部件就會在重力的效果下滑落。因而, 為機器人規劃制動設備是十分必要的。

制動器一般是按失效抱閘辦法作業的, 即要松開制動器就必須接通電源, 不然, 各關節不能發作相對運動。

這種辦法的首要意圖是在電源出現毛病時起保護效果， 其缺陷是在作業期間要不斷通電使制動器松開。

假設需求的話， 也能夠選用一種省電的辦法, 其原理是: 需求各關節運動時, 先接通電源, 松開制動器, 然后接通另一電源, 驅動一個擋銷將制動器鎖在放松狀況。 這樣， 所需求的電力僅僅是把擋銷放到位所花費的電力。

為了使關節定位精確, 制動器必須有滿足的定位精度。制動器應當盡可能地放在體系的驅動輸入端, 這樣使用傳動鏈速比, 能夠減小制動器的細微滑動所引起的體系振蕩, 確保在承載條件下仍具有較高的定位精度。在許多實踐使用中, 許多機器人都選用了制動器。

圖2.75為三菱裝置機器人Movemaster EX RV-M1的肩部制動閘設備圖。圖 2.75 三菱裝置機器人肩部制動閘設備圖

工業機器人的傳動

工業機器人的傳動設備與一般機械的傳動設備的選用和核算大致相同。 但工業機器人的傳動體系要求結構緊湊、 重量輕、滾動慣量和體積小, 要求消除傳動空隙, 進步其運動和方位精度。工業機器人傳動設備除齒輪傳動、蝸桿傳動、 鏈傳動和行星齒輪傳動外, 還常用滾珠絲桿、 諧波齒輪、鋼帶、 同步齒形帶和繩輪傳動。表2.1為工業機器人常用傳動辦法的比較與剖析。

表2.1 工業機器人常用傳動辦法的比較與剖析

新式的驅動辦法

1. 磁致彈性驅動

鐵磁資料和亞鐵磁資料因為磁化狀況的改動, 其長度和體積都要發作細小的改動, 這種現象稱為磁致彈性。

20世紀60年代發現某些稀土元素在低溫時磁伸率達3000×10-6～10 000×10-6,人們開端重視研討有適用價值的大磁致彈性資料。

研討發現,TbFe2(鋱鐵)、SmFe2(釤鐵)、DyFe2(鏑鐵)、 HoFe2(鈥鐵)、TbDyFe2(鋱鏑鐵)等稀土－鐵系化合物不只磁致彈性值高, 并且居里點高于室溫, 室溫磁致彈性值為1000×10-6～2500×10-6, 是傳統磁致彈性資料如鐵、鎳等的10～100倍。 這類資料被稱為稀土超磁致彈性資料(Rear Earth Giant MagnetoStrictive Materials, 縮寫為RE-GMSM)。

這一現象已用于制造具有微英寸量級位移才干的直線電機。為使這種驅動器作業, 要將被磁性線圈掩蓋的磁致彈性小棒的兩頭固定在兩個架子上。當磁場改動時, 會導致小棒縮短或擴展, 這樣其間一個架子就會相對于另一個架子發作運動。一個與此類似的概念是用壓電晶體來制造具有毫微英寸量級位移的直線電機。

美國波士頓大學現已研制出了一臺運用壓電微電機驅動的機器人——“機器螞蟻”。 “機器螞蟻”的每條腿是長1 mm或不到1 mm的硅桿， 經過不帶傳動設備的壓電微電機來驅動各條腿運動。這種“機器螞蟻”可用在實驗室中收集放射性的塵埃以及從活著的病人體中收取患病的細胞。

2. 形狀回憶金屬

有一種特別的形狀回憶合金叫做Biometal(生物金屬), 它是一種專利合金, 在到達特定溫度時縮短大約4%。 經過改動合金的成分能夠規劃合金的改變溫度, 但規范樣品都將溫度設在90℃左右。

在這個溫度鄰近, 合金的晶格結構會從馬氏體狀況改動到奧氏體狀況,并因而變短。但是,與許多其他形狀回憶合金不同的是,它變冷時能再次回到馬氏體狀況。假設線材上負載低的話,上述進程能夠繼續改動數十萬個循環。

完成這種改變的常用熱源來自于當電流經過金屬時,金屬因自身的電阻而發作的熱量。結果是,來自電池或許其他電源的電流容易就能使生物金屬線縮短。

這種線的首要缺陷在于它的總應變僅發作在一個很小的溫度范圍內,因而除了在開關狀況下以外, 要精確操控它的拉力很困難,一起也很難操控位移。

圖 2.76 形狀回憶金屬制造的結尾操作器

3. 靜電驅動器

圖2.77是一個帶有電阻器移動子的三相靜電驅動器的作業原理圖。

圖 2.77 三相靜電驅動器作業原理

這種執行器有下列特征:

  (1) 因為移動子中沒有電極, 所以不用斷定與定子的相對方位, 定子電極的距離能夠非常小。

  (2) 因為驅動時會發作浮力,所以沖突力小,在中止時因為存在著吸引力和沖突力, 因而能夠取得比較大的堅持力。

  (3) 因為結構簡略, 所以能夠完成以薄膜為基礎的大面積多層化結構。

  根據上述各點, 把這種執行器作為完成人工筋肉的一種辦法, 受到了人們的重視。

4. 超聲波電機

超聲波電機的作業原理是用超聲波鼓勵彈性體定子，使其表面構成橢圓運動， 因為其上與轉子(或滑塊)觸摸， 在沖突的效果下轉子取得推力輸出。如圖2.78所示， 能夠以為定子依照角頻率ω0，進行超聲波振蕩， 在預壓W效果下， 轉子被推進。

超聲波電機的負載特性與DC電機類似， 相對于負載添加， 轉速有筆直下降的趨勢，將超聲波電機與DC電機進行比較， 它的特色有： ① 可望到達低速、 高功率； ② 相同的尺度， 能得到大的轉矩； ③ 能堅持大轉矩； ④ 無電磁噪聲； ⑤ 易操控； ⑤ 外形的自由度大等。

圖 2.78 超聲波電機的作業原理圖2.5.6 驅動傳動辦法的使用   1. Movemaster EX RV-M1的驅動傳動

圖2.79為三菱裝置機器人Movemaster EX RV-M1的驅動傳動簡圖。

該機器人選用電動辦法驅動, 有5個自由度, 分別為腰部旋轉、肩部旋轉、肘部的滾動、手腕的俯仰與翻轉。各關節均由直流伺服電機驅動,其間,腰部旋轉部分與腕關節的翻轉為直接驅動。為了減小慣性矩,肩關節、肘關節和腕關節的俯仰都選用同步帶傳動。實驗室常用的結尾操作器(在零件裝置時有開閉動作)選用直流電機驅動。

圖 2.79 三菱裝置機器人內部結構簡圖

1) 腰部滾動(J1軸)

(1) 腰部(J1軸)由基座內的電機①和調諧齒輪②驅動。

(2) J1軸限位(極限)開關③裝在基座頂部。

2) 肩部(J2軸)旋轉

  (1) 肩部(J2軸)由肩關節處的調諧齒輪⑥驅動, 由連接在J2軸電機④上的同步帶⑤帶動旋轉。

  (2) 電磁制動閘⑦裝在調諧齒輪⑥的輸入軸上, 以防止斷電時肩部因為自重而下轉。

(3) J2軸限位開關⑧裝在肩殼內上臂處。

3) 肘部擴展(J3軸)

  (1) J3軸電機⑨的滾動由同步帶B10傳送至調諧齒輪B21。

  (2) 調諧齒輪B21上J3軸輸出軸的滾動由J3軸的驅動連桿傳送至肘部的軸上,然后帶動前臂擴展。

  (3) 電磁制動閘B12裝在調諧齒輪B21的輸入軸上。

   (4) J3軸限位開關B13設備在肩殼內上臂處。

4) 腕部俯仰(J4軸)

  (1) J4軸的電機B14設備在前臂內。J4軸同步帶B15將該電機的滾動傳送到調諧齒輪B16上,然后帶動腕殼旋轉。

 (2) J4軸的限位開關B17設備在前臂下側。

5) 腕部滾動(J5軸)

  (1) J5軸電機B18和J5軸調諧齒輪B19設備在腕殼內的同一軸上, 由它們帶動手爪設備法蘭旋轉。

   (2) J5軸的限位開關B20設備在前臂下。

2. PUMA 562機器人傳動

   圖2.80為PUMA 562機器人的外形圖。 該機器人有6個自由度, 其傳動辦法如圖2.80所示。由圖可看出:

  電機1經過兩對齒輪Z1、 Z2、 Z3、 Z4傳動帶動立柱反轉。

  電機2經過聯軸器、 一對圓錐齒輪Z5、 Z6和一對圓柱齒輪Z7、 Z8帶動齒輪Z9, 齒輪Z9繞與立柱固聯的齒輪Z10滾動, 于是構成了大臂相對于立柱的反轉。

  電機3經過兩個聯軸器和一對圓錐齒輪Z1、 Z2、 兩對圓柱齒輪Z13、 Z14, Z15、 Z16(Z16固聯于小臂上)驅動小臂相對于大臂反轉。

圖 2.79 PUMA 562機器人的傳動示意圖

電機4先經過一對圓柱齒輪Z17、 Z18、 兩個聯軸器和另一對圓柱齒輪Z19、Z20(Z20固聯于手腕的套筒上)驅動手腕相對于小臂反轉。

  電機5經過聯軸器、 一對圓柱齒輪Z21、 Z22、一對圓錐齒輪Z23、 Z24(Z24固聯于手腕的球殼上)驅動手腕相對于小臂(亦即相對于手腕的套筒)搖擺。

  電機6經過聯軸器、 兩對圓錐齒輪Z25、 Z26, Z27、 Z28和一對圓柱齒輪Z29、 Z30驅動機器人的機械接口(法蘭盤)相對于手腕的球殼反轉。