授课章节工业机器人的驱动装置——液压驱动式授课形式讲授授课时间第周周（月日）第至节
教学目标
知识目标：掌握工业机器人液压驱动的特点
能力目标：能正确认识工业机器人中液压驱动的应用
素质目标：提高自学意识
教学重点液压驱动的特点
教学难点液压驱动的原理
教学过程
方法手段
时间分配导
入
一、提问：谈谈你认识哪些使用液压驱动的机器？3分钟
讨论
重
点
讲
解
及
任
务
分
析
一、液压驱动的工作原理
液压驱动将油压泵产生的工作油的压力能，转
变成机械能。
二、液压驱动式特点
液压驱动系统具有控制精度较高、可无极调
速、反应灵敏、可实现连续轨迹控制；
操作力大、功率体积比大，适合于大负载、低
速驱动。
但液压驱动系统对密封的要求较高，且不宜在
高温或低温的场合工作，要求的制作精度较高，快
速反应的伺服阀成本也非常高，漏夜以及复杂的维
护也限制了液压驱动机器人的应用。
三、液压驱动式的应用
液压驱动的关节式机器人；
自重式手爪；
飞机模拟驾驶舱，其利用液压驱动驾驶舱下的并
联式STEWART平台的运动。
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练
习
作
业
一目前机器人的主要驱动方式及其特点 根据能量转换方式，将驱动器划分为液压驱动、气压驱动、电气驱动和新型驱动装置。在选择机器人驱动器时，除了要充分考虑机器人的工作要求，如工作速度、最大搬运物重、驱动功率、驱动平稳性、精度要求外，还应考虑到是否能够在较大的惯性负载条件下，提供足够的加速度以满足作业要求。 A液压驱动特点 液压驱动所用的压力为5～320kgf/cm2. a）优点 1能够以较小的驱动器输出较大的驱动力或力矩，即获得较大的功率重量比。 2可以把驱动油缸直接做成关节的一部分，故结构简单紧凑，刚性好。 3由于液体的不可压缩性，定位精度比气压驱动高，并可实现任意位置的开停。 4液压驱动调速比较简单和平稳，能在很大调整范围内实现无级调速。 5使用安全阀可简单而有效的防止过载现象发生。 6液压驱动具有润滑性能好、寿命长等特点。 B）缺点 1油液容易泄漏。这不仅影响工作的稳定性与定位精度，而且会造成环境污染。
2因油液粘度随温度而变化，且在高温与低温条件下很难应用。 3因油液中容易混入气泡、水分等，使系统的刚性降低，速度特性及定位精度变坏。 4需配备压力源及复杂的管路系统，因此成本较高。 C)适用范围 液压驱动方式大多用于要求输出力较大而运动速度较低的场合。在机器人液压驱动系统中，近年来以电液伺服系统驱动最具有代表性。 B气压驱动的特点 气压驱动在工业机械手中用的较多。使用的压力通常在0.4-0.6Mpa，最高可达1Mpa。 a）优点 1快速性好，这是因为压缩空气的黏性小，流速大，一般压缩空气在管路中流速可达180m/s，而油液在管路中的流速仅为2.5-4.5 m/s。 2气源方便，一般工厂都有压缩空气站供应压缩空气，亦可由空气压缩机取得。 3废气可直接排入大气不会造成污染，因而在任何位置只需一根高压管连接即可工作，所以比液压驱动干净而简单。 4通过调节气量可实现无级变速。 5由于空气的可压缩性，气压驱动系统具有较好的缓冲作用。
工业机器人用电机驱动系统 机器人电动伺服驱动系统是利用各种电动机产生的力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构。 对工业机器人关节驱动的电动机，要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。特别是像机器人末端执行器（手爪）应采用体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过载能力。这是伺服电动机在工业机器人中应用的先决条件。 一、机器人对关节驱动电机的主要要求规纳如下 1.快速性 电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。响应指令信号的时间愈短，电伺服系统的灵敏性愈高，快速响应性能愈好，一般是以伺服电动机的机电时间常数的大小来说明伺服电动机快速响应的性能。 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动机的起动转矩大，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，电动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。 4.调速范围宽。 能使用于1：1000～10000的调速范围。 5.体积小、质量小、轴向尺寸短。 6.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，并能在短时间内承受过载。 目前，由于高起动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在工业机器人中得到广泛应用，一般负载1000N（相当100kgf）以下的工业机器人大多采用电伺服驱动系统。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。机器人关节驱动电动机的功率范围一般为0.1～10kW。工业机器人驱动系统中所采用的电动机。
题目 1、工业串联机器人常用的驱动方式、传动系统、传感器类型 比较 2、智能移动机器人的驱动方式、传动系统、传感器类型 比较 3、现在机器人的控制系统、控制结构 概述 机器人问世已有几十年 但没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发 展 另一原因主要是因为机器人涉及到了人的概念 成为一个难以回答的哲学问 题。也许正是由于机器人定义的模糊 才给了人们充分的想象和创造空间。 美国机器人协会 RIA) 一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的 通过程序动作来执行各种任务 并具有编程能力的多功能操作机。 美国家标准局 一种能够进行编程并在自动控制下完成某些操作和移动作业 任务或动作的机械装置。 1987年国际标准化组织(ISO)对工业机器人的定义 “工业机器人是一种具 有自动控制的操作和移动功能 能完成各种作业的可编程操作机。 日本工业标准局 一种机械装置 在自动控制下 能够完成某些操作或者动 作功能。 英国 貌似人的自动机 具有智力的和顺从于人的但不具有人格的机器。 中国 我国科学家对机器人的定义是 “机器人是一种自动化的机器 这种 机器具备一些与人或生物相似的智能能力 如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力 是一种具有高度灵活性的自动化机器”。 尽管各国定义不同 但基本上指明了作为“机器人”所具有的二个共同点 (1) 是一种自动机械装置 可以在无人参与下 自动完成多种操作或动作功 能 即具有通用性。 (2)可以再编程 程序流程可变 即具有柔性(适应性 。 机器人是20世纪人类伟大的发明 比尔?盖茨预言 机器人即将重复PC机 崛起的道路 彻底改变这个时代的生活方式。 机器人学集中了机械工程、材料科学、电子技术、计算机技术、自动控制理 论及人工智能等多学科的最新研究成果 代表了机电一体化的最高成就 是当代 科学技术发展最活跃的领域之一。 概述 驱动方式 现代工业机器人的驱动方式主要有三种 气动驱动、液压驱动和电动驱动。 气动驱动 机器人气动驱动系统以压缩空气为动力源。气动驱动机器人具有气源方便 系统结构简单 动作快速灵活 不污染环境以及维护方便、价格便宜、适合在恶劣工况 高温、有毒、多粉尘 条件下工作等特点。常用于冲床上下料 小零件装配、食品包装及电子元件输送等作业中。由于气体可压缩 遇阻时具有容让性 因此也常用作机器人手爪的驱动源。 气动驱动系统的组成 1 气源 气动机器人可直接使用工厂压缩空气站的气源 或自行设置气源
开题报告
目录 摘要............................................................................................................................................................... ４Abstract ......................................................................................................................................................... ６引言............................................................................................................................................................... ７第一章机械手设计要求分析..................................................................................................................... ７ 1.1 设计目的和要求........................................................................................................................... ７ 1.2.机械手简介与分析....................................................................................................................... ７第二章液压系统设计............................................................................................................................... ８ 2.1. 根据工作要求确定一个工作循环周期的运动过程 ................................................................. ８ 2.2 据工作循环过程确定系统工况分析图，确保工作运动中的动作连续性 ................................ ９ 2.3 拟订液压系统的工作原理图........................................................................................................ ９ 2.4 根据整个系统的液压元件需求选择标准的液压元件 ............................................................ １０ 2.5 液压缸尺寸的确定及安全强度的校核 .................................................................................. １０第三章. 集成块的设计............................................................................................................................ １２ 3.1设计分析..................................................................................................................................... １２ 3.2 根据具体的要求进行设计计算............................................................................................... １３ 3.3 下面为集成块的设计步骤........................................................................................................ １５ 3.4 液压集成块的加工工艺.......................................................................................................... １７第四章液压集成块CAD技术............................................................................................................... １８结束语....................................................................................................................................................... ２０致谢........................................................................................................................................................... ２１参考文献................................................................................................................................................... ２２
5、简述液压驱动器、气压驱动器和电气驱动器特点及应用场合 答：A液压驱动特点 液压驱动所用的压力为5～320kgf/cm2。 a）优点 1.能够以较小的驱动器输出较大的驱动力或力矩，即获得较大的功率重量比。 2.可以把驱动油缸直接做成关节的一部分，故结构简单紧凑，刚性好。 3.由于液体的不可压缩性，定位精度比气压驱动高，并可实现任意位置的开停。 4.液压驱动调速比较简单和平稳，能在很大调整范围内实现无级调速。 5.使用安全阀可简单而有效的防止过载现象发生。 6液压驱动具有润滑性能好、寿命长等特点。 b）缺点 1.油液容易泄漏。这不仅影响工作的稳定性与定位精度，而且会造成环境污染。 2.因油液粘度随温度而变化，且在高温与低温条件下很难应用。 3.因油液中容易混入气泡、水分等，使系统的刚性降低，速度特性及定位精度变坏。 4.需配备压力源及复杂的管路系统，因此成本较高。 c)适用范围 液压驱动方式大多用于要求输出力较大而运动速度较低的场合。在机器人液压驱动系统中，近年来以电液伺服系统驱动最具有代表性。 B气压驱动的特点 气压驱动在工业机械手中用的较多。使用的压力通常在0.4-0.6Mpa，最高可达1Mpa。 a）优点 1.快速性好，这是因为压缩空气的黏性小，流速大，一般压缩空气在管路中流速可达180m/s，而油液在管路中的流速仅为 2.5-4.5 m/s。 2.气源方便，一般工厂都有压缩空气站供应压缩空气，亦可由空气压缩机取得。 3.废气可直接排入大气不会造成污染，因而在任何位置只需一根高压管连接即可工作，所以比液压驱动干净而简单。 4.通过调节气量可实现无级变速。 5.由于空气的可压缩性，气压驱动系统具有较好的缓冲作用。 6.可以把驱动器做成关节的一部分，因而结构简单、刚性好、成本低。
一目前机器人的主要驱动方式及其特点根据能量转换方式，将驱动器划分为液压驱动、气压驱动、电气驱动和新型驱动装置。在选择机器人驱动器时，除了要充分考虑机器人的工作要求，如工作速度、最大搬运物重、驱动功率、驱动平稳性、精度要求外，还应考虑到是否能够在较大的惯性负载条件下，提供足够的加速度以满足作业要求。 A 液压驱动特点 液压驱动所用的压力为5~ 320kgf/cm2. a）优点 1能够以较小的驱动器输出较大的驱动力或力矩，即获得较大的功率重量比。 2可以把驱动油缸直接做成关节的一部分，故结构简单紧凑，刚性好。 3由于液体的不可压缩性，定位精度比气压驱动高，并可实现任意位置的开停。 4液压驱动调速比较简单和平稳，能在很大调整范围内实现无级调速。 5使用安全阀可简单而有效的防止过载现象发生。 6液压驱动具有润滑性能好、寿命长等特点。 B）缺点 1油液容易泄漏。这不仅影响工作的稳定性与定位精度，而且会造成环境污染。 2因油液粘度随温度而变化，且在高温与低温条件下很难应用。 3因油液中容易混入气泡、水分等，使系统的刚性降低，速度特性及定位精度变坏。
4需配备压力源及复杂的管路系统，因此成本较高。 C）适用范围 液压驱动方式大多用于要求输出力较大而运动速度较低的场合。在机器人液压驱动系统中，近年来以电液伺服系统驱动最具有代表性。 B 气压驱动的特点气压驱动在工业机械手中用的较多。使用的压力通常在 0.4-0.6Mpa，最高可达1Mpa。 a）优点 1快速性好，这是因为压缩空气的黏性小，流速大，一般压缩 空气在管路中流速可达180m/s，而油液在管路中的流速仅为2.5-4.5 m/s。 2气源方便，一般工厂都有压缩空气站供应压缩空气，亦可由空气压缩机取得。 3废气可直接排入大气不会造成污染，因而在任何位置只需一根高压管连接即可工作，所以比液压驱动干净而简单。 4通过调节气量可实现无级变速。 5由于空气的可压缩性，气压驱动系统具有较好的缓冲作用。 6可以把驱动器做成关节的一部分，因而结构简单、刚性好、成本低。 b)缺点 1因为工作压力偏低，所以功率重量比小、驱动装置体积大。 2基于气体的可压缩性，气压驱动很难保证较高的定位精度。 3使用后的压缩空气向大气排放时，会产生噪声。 4因压缩空气含冷凝水，使得气压系统易锈蚀，在低温下易结冰。
题目1、工业串联机器人常用的驱动方式、传动系统、传感器类型比较 2、智能移动机器人的驱动方式、传动系统、传感器类型比较 3、现在机器人的控制系统、控制结构 概述 机器人问世已有几十年但没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发 展另一原因主要是因为机器人涉及到了人的概念成为一个难以回答的哲学问 题。也许正是由于机器人定义的模糊才给了人们充分的想象和创造空间。 美国机器人协会RIA)一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的 通过程序动作来执行各种任务并具有编程能力的多功能操作机。 美国家标准局一种能够进行编程并在自动控制下完成某些操作和移动作业 任务或动作的机械装置。 1987年国际标准化组织(ISO)对工业机器人的定义“工业机器人是一种具 有自动控制的操作和移动功能能完成各种作业的可编程操作机。 日本工业标准局一种机械装置在自动控制下能够完成某些操作或者动 作功能。 英国貌似人的自动机具有智力的和顺从于人的但不具有人格的机器。 中国我国科学家对机器人的定义是“机器人是一种自动化的机器这种 机器具备一些与人或生物相似的智能能力如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力是一种具有高度灵活性的自动化机器”。 尽管各国定义不同但基本上指明了作为“机器人”所具有的二个共同点(1) 是一种自动机械装置可以在无人参与下自动完成多种操作或动作功 能即具有通用性。 (2)可以再编程程序流程可变即具有柔性(适应性。 机器人是20世纪人类伟大的发明比尔?盖茨预言机器人即将重复PC机 崛起的道路彻底改变这个时代的生活方式。 机器人学集中了机械工程、材料科学、电子技术、计算机技术、自动控制理 论及人工智能等多学科的最新研究成果代表了机电一体化的最高成就是当代 科学技术发展最活跃的领域之一。 概述 驱动方式 现代工业机器人的驱动方式主要有三种气动驱动、液压驱动和电动驱动。 气动驱动 机器人气动驱动系统以压缩空气为动力源。气动驱动机器人具有气源方便系统结构简单动作快速灵活不污染环境以及维护方便、价格便宜、适合在恶劣工况高温、有毒、多粉尘条件下工作等特点。常用于冲床上下料小零件装配、食品包装及电子元件输送等作业中。由于气体可压缩遇阻时具有容让性因此也常用作机器人手爪的驱动源。 气动驱动系统的组成 1气源气动机器人可直接使用工厂压缩空气站的气源或自行设置气源
介绍几种机器人驱动芯片 作者：机器人发烧友 MONDAY, 08 SEPTEMBER 2003 05:28 在自制机器人的时候，选择一个合适的驱动电路也是非常重要的，本文详细介绍了几种常用的机器人驱动芯片。 介绍几种机器人驱动芯片 (注：本文已经投稿至《电子制作》) 在自制机器人的时候，选择一个合适的驱动电路也是非常重要的。最初，通常选用的驱动电路是由晶体管控制继电器来改变电机的转向和进退，这种方法目前仍然适用于大功率电机的驱动，但是对于中小功率的电机则极不经济，因为每个继电器要消耗20~100mA的电力。 当然，我们也可以使用组合三极管的方法，但是这种方法制作起来比较麻烦，电路比较复杂，因此，我在此向大家推荐的是采用集成电路的驱动方法： 马达专用控制芯片LG9110 芯片特点： ??低静态工作电流； ??宽电源电压范围：2.5V-12V； ??每通道具有800mA连续电流输出能力； ??较低的饱和压降； ??TTL/CMOS输出电平兼容，可直接连CPU；
??输出内置钳位二极管，适用于感性负载； ??控制和驱动集成于单片IC之中； ??具备管脚高压保护功能； ??工作温度：0℃-80℃。 描述： LG9110 是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片IC之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过750～800mA 的持续电流，峰值电流能力可达1.5～2.0A；同时它具有较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。LG9110被广泛应用于玩具汽车电机驱动、步进电机驱动和开关功率管等电路上。 管脚定义： 1 A 路输出管脚、2和3电源电压、4 B路输出管脚、5和8地线、6 A路输入管脚、7 B路输入管脚 2、恒压恒流桥式1A驱动芯片L293 图2是其内部逻辑框图 图3是其与51单片机连接的电路原理图 L293是著名的SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。其后缀有B、D、E 等，除L293E为20脚外，其它均为16引脚。其额定工作电流为1A，最大可达1.5A，Vss电压最小4.5V，最大可达36V；Vs电压最大值也是36V，但经过我的实验，Vs 电压应该比Vss电压高，否则有时会出现失控现象。下表是其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系（电路按图3连接）：
介绍几种机器人驱动芯片(电机) 注：本文已经投稿至《电子制作》) 在自制机器人的时候，选择一个合适的驱动电路也是非常重要的。最初，通常选用的驱动电路是由晶体管控制继电器来改变电机的转向和进退，这种方法目前仍然适用于大功率电机的驱动，但是对于中小功率的电机则极不经济，因为每个继电器要消耗20~100mA的电力。 当然，我们也可以使用组合三极管的方法，但是这种方法制作起来比较麻烦，电路比较复杂，因此，我在此向大家推荐的是采用集成电路的驱动方法： 马达专用控制芯片LG9110 芯片特点： ??低静态工作电流； ??宽电源电压范围：2.5V-12V ； ??每通道具有800mA 连续电流输出能力； ??较低的饱和压降； ??TTL/CMOS 输出电平兼容，可直接连CPU ； ??输出内置钳位二极管，适用于感性负载； ??控制和驱动集成于单片IC 之中；
??具备管脚高压保护功能； ??工作温度：0 ℃-80 ℃。 描述： LG9110 是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片IC之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。该芯片有两个TTL/CMOS 兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过750 ～800mA 的持续电流，峰值电流能力可达1.5 ～2.0A ；同时它具有较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。LG9110 被广泛应用于玩具汽车电机驱动、步进电机驱动和开关功率管等电路上。 管脚定义： 1 A 路输出管脚、2和3 电源电压、4 B 路输出管脚、5和8 地线、6 A 路输入管脚、7 B 路输入管脚 2、恒压恒流桥式1A驱动芯片L293 图2是其内部逻辑框图 图3是其与51单片机连接的电路原理图
工业机器人常用电机驱动系统的分类与要求 机器人电动伺服驱动系统是利用各种电动机产生的力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构。 对工业机器人关节驱动的电动机，要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。特别是像机器人末端执行器（手爪）应采用体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过载能力。这是伺服电动机在工业机器人中应用的先决条件。 一、机器人对关节驱动电机的主要要求规纳如下 1．快速性 电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。响应指令信号的时间愈短，电伺服系统的灵敏性愈高，快速响应性能愈好，一般是以伺服电动机的机电时间常数的大小来说明伺服电动机快速响应的性能。 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动机的起动转矩大，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，电动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。 4．调速范围宽。 能使用于1：1000～10000的调速范围。 5．体积小、质量小、轴向尺寸短。
6．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，并能在短时间内承受过载。 目前，由于高起动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在工业机器人中得到广泛应用，一般负载1000N（相当100kgf）以下的工业机器人大多采用电伺服驱动系统。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。机器人关节驱动电动机的功率范围一般为0.1～10kW。工业机器人驱动系统中所采用的电动机。 二、电机大致可细分为以下几种： 1．交流伺服电动机 包括同步型交流伺服电动机及反应式步进电动机等。 2．直流伺服电动机 包括小惯量永磁直流伺服电动机、印制绕组直流伺服电动机、大惯量永磁直流伺服电动机、空心杯电枢直流伺服电动机。 3．步进电动机 包括永磁感应步进电动机。 速度传感器多采用测速发电机和旋转变压器；位置传感器多用光电码盘和旋转变压器。近年来，国外机器人制造厂家已经在使用一种集光电码盘及旋转变压器功能为一体的混合式光电位置传感器，伺服电动机可与位置及速度检测器、制动器、减速机构组成伺服电动机驱动单元。
对工业机器人关节驱动的电动机，要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。特别是像机器人末端执行器（手爪）应采用体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过载能力。这是伺服电动机在工业机器人中应用的先决条件。 机器人电动伺服驱动系统是利用各种电动机产生的力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构。 对工业机器人关节驱动的电动机，要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。特别是像机器人末端执行器（手爪）应采用体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过载能力。这是伺服电动机在工业机器人中应用的先决条件。 一、机器人对关节驱动电机的主要要求规纳如下 1．快速性 电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。响应指令信号的时间愈短，电伺服系统的灵敏性愈高，快速响应性能愈好，一般是以伺服电动机的机电时间常数的大小来说明伺服电动机快速响应的性能。 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动机的起动转矩大，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，电动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。 4．调速范围宽。 能使用于1：1000～10000的调速范围。 5．体积小、质量小、轴向尺寸短。
6．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，并能在短时间内承受过载。 目前，由于高起动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在工业机器人中得到广泛应用，一般负载1000N（相当100kgf）以下的工业机器人大多采用电伺服驱动系统。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。机器人关节驱动电动机的功率范围一般为0.1～10kW。工业机器人驱动系统中所采用的电动机。 二、电机大致可细分为以下几种： 1．交流伺服电动机 包括同步型交流伺服电动机及反应式步进电动机等。 2．直流伺服电动机 包括小惯量永磁直流伺服电动机、印制绕组直流伺服电动机、大惯量永磁直流伺服电动机、空心杯电枢直流伺服电动机。 3．步进电动机 包括永磁感应步进电动机。 速度传感器多采用测速发电机和旋转变压器；位置传感器多用光电码盘和旋转变压器。近年来，国外机器人制造厂家已经在使用一种集光电码盘及旋转变压器功能为一体的混合式光电位置传感器，伺服电动机可与位置及速度检测器、制动器、减速机构组成伺服电动机驱动单元。 机器人驱动系统要求传动系统间隙小、刚度大、输出扭矩高以及减速比大。 三、常用的减速机构 1．RV减速机构； 2．谐波减速机械； 3．摆线针轮减速机构； 4．行星齿轮减速机械；
工业机器人驱动系统现状与展望 发表时间：2018-10-14T10:42:05.803Z 来源：《电力设备》2018年第18期作者：王增喜 [导读] 摘要：随着我国社会经济发展进步，工业机器人技术不断发展，工业机器人在实际应用中已经从以往的手动操作逐渐发展为半自动化操作，当前已经基本实现全自动化操作。 （1.清研华翊（天津）教育科技有限公司天津 300304；2.清华大学天津高端装备研究院天津 300304） 摘要：随着我国社会经济发展进步，工业机器人技术不断发展，工业机器人在实际应用中已经从以往的手动操作逐渐发展为半自动化操作，当前已经基本实现全自动化操作。工业机器人的各项操作主要是通过多关节机械手等机构实现，在融入智能化以及自动化理念之后，实现机电一体化，有着非常高的可操作性，将其应用在制造业中，能够满足当前制造行业的发展需要，使生产效率以及生产安全性有显著提高。 关键词：工业机器人；驱动系统；现状与展望 1工业机器人的发展 1.1机械结构 当前制造业中所应用的机器人已经基本上能够按照预先设定的程序实现半自动化生产，操作人员只需要输入操作指令或者代码，机器人将会执行相应的操作程序，完成生产任务。工业机器人发展最初阶段，主要是模仿人的手臂设计，向其中加入驱动系统以及固定结构，这种工业机器人属于最为原始的机器人。之后随着科学技术的发展，人类的设计理念不断创新和完善，工业机器人设计中逐渐加入了自动化、智能化操作系统。目前制造业生产中所使用的工业机器人有3~6个自由度，驱动系统包含有传动装置以及液压动力装置等，操作系统主要是输入各项运行程序和指令。 1.2理论建设 制造业生产过程中所用到的工业机器人操作程序相对较为简单，但是在设计阶段会用到非常多的专业性知识，比如机械原理、线性代数、机电一体化等，另外，悬臂式机器人还需要有动力学以及运动学等方面知识和先进控制方式、轨迹规划等。另外，深海科研以及登月计划等所用到的机器人也都属于工业机器人。 2机器人的驱动方式 2.1传统驱动 2.1.1液压驱动 液压驱动是通过将油压泵产生的工作油的压力能转变成的机械能实现力的传递。液压驱动方式具有较高的功率重量比，低速时也能产生很大的驱动力，对于搬运重量大的物体具有很大优势；结构简单，体积小，可减小机器人的整体体积；液压驱动的油液具有不可压缩性，因此该驱动控制性能好，有较高的精度；对于极端恶劣的外部环境，也有很强的适应能力。 虽然液压驱动方式具有以上优点，但是容易受液体泄漏的影响，不仅会破坏工作的稳定性，降低控制精度，还会引起环境污染。液压驱动的油液会受环境影响，粘稠度、纯净度等发生变化，进而会影响机器人的正常工作，因此液压驱动大多用于超大功率的机器人系统中。 2.1.2气压驱动 气压驱动的工作原理与液压驱动类似，是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递。气压驱动器的结构简单，安全可靠，气源方便，经济性好，空气压缩后不会产生粘性过大的现象，因此气压驱动器能迅速变化，快速性好；气压驱动产生的废气不会污染环境。气压驱动方式通常用于搬运轻的物体和中、小负荷的工业机械手中。 任立敏等人设计了一种具备柔性传动能力的气压驱动微型管道机器人，将气压马达作为机器人的外置动力源，与柔性长距离传输技术结合，驱动前端球形机器人在管道内清除污垢，解决了发电厂冷凝器蒸汽回流回路等微型管道的监测和维护问题。谭益松等人设计了一种用于管道清洁的气压驱动机器人，仿照尺蠖式运动，固定前端或后端，中间收缩的方式，完成机器人的前进后退运动，利用气压马达驱动合金刀旋转清理长距离复杂的管道内壁。 2.1.3电气驱动 电气驱动是利用各种电动机产生力和力矩，直接或经过机械传动间接去驱动执行机构，以获得机器人的各种运动。电气驱动的成本较低且方便，适合用于大功率机器人。电气驱动又分为三类，交流伺服电机驱动、步进电机驱动和直流伺服电机驱动。直流电机具有无级调速的优点，但经济性差；交流电机一般不能进行无级调速。步进电机的定位精度高，且控制系统更加复杂，且速度不能太高。 2.2新型驱动 2.2.1磁致伸缩驱动 磁致伸缩驱动主要是利用了磁致伸缩现象（即磁致伸缩材料磁化状态的改变导致其长度发生微小的变化），主要用于微小的驱动场合。张永顺等人研制了以超磁致伸缩薄膜为驱动器的仿生游动微型机器人，并进行了试验，通过改变驱动频率和磁场的大小，实现了机器人运动速度和运动方向的改变。 2.2.2压电驱动 压电驱动器的压电材料是一种当它受到力作用时其表面上出现与外力成比例的电荷的材料，又称压电陶瓷。压电陶瓷具有响应速度快、位移线性好、体积小等优点。李勃等人[15]将压电陶瓷材料作为机器人的驱动功能元件，设计了一个智能化的微型多节蛇行游动机器人，该机器人动作敏捷灵巧，且整个系统体积小、重量轻、精度高。 2.2.3形状记忆合金驱动 形状记忆合金（SMA）驱动原理是指一种具有记忆功能的特殊的合金，在受到外力作用时发生形变，当温度达到某一适当值时，该合金能自动恢复到形变前的形状。SMA制成的驱动元件，体积较小，结构简单，易于控制，因此有些研究人员将SMA应用于微型机器人中。魏中国等人介绍了形状记忆合金驱动原理，并分析了国外SMA的研究现状，为中国SMA驱动机器人的研究提供了基础。 2.2.4超声波驱动 超声波驱动是利用了超声波的振动特性进行驱动的。超声波振动引起振动物体与移动物体的相对运动产生了摩擦力，以摩擦力作为驱
工业机器人控制系统的 基本原理 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
工业机器人控制系统 20世纪80年代以后，由于微型计算机的发展，特别是电力半导体器件的出现，使整个机器人的控制系统发生了很大的变化，使机器人控制器日趋完善。具有非常好的人机界面，有功能完善的编程语言和系统保护，状态监控及诊断功能。同时机器人的操作更加简单，但是控制精度及作业能力却有很大的提高。目前机器人已具有很强的通信能力，因此能连接到各种网络（CAN—BUS、PROFIBUS或ETHERNET）。形成了机器人的生产线。特别是汽车的焊接生产线、油漆生产线、装配生产线很多都是靠机器人工作的。特别是控制系统已从模拟式的控制进入了全数字式的控制。 90年代以后，计算机的性能进一步提高，集成电路（IC）的集成度进一步的提高，使机器人的控制系统的价格逐渐降低，而运算的能力却大大提高，这样，过去许多用硬件才能实现的功能也逐渐地使用软件来完成。而且机器人控制系统的可靠性也由最早几百小时提高到现在的6万小时，几乎不需要维护。 一、控制系统基本原理及分类 工业机器人的控制器在要求完成特定作业时，需要做下述几件事： 示教：通过计算机来接受机器人将要去完成什么作业。也就是给机器人的作业命令，这个命令实质上是人发出的。 计算：这一部分实际上就是机器人控制系统中的计算机来完成的，它通过获得的示教信息要形成一个控制策略，然后再根据这个
策略（也称之为作业轨迹的规划）细化成各轴的伺服运动的控制的策略。同时计算机还要担负起对整个机器人系统的管理，采集并处理各种信息。因此，这一部分是非常重要的核心部分。 伺服驱动：就是通过机器人控制器的不同的控制算法将机器人控制策略转化为驱动信号，驱动伺服电动机，实现机器人的高 速、高精度运动，去完成指定的作业。 反馈：机器人控制中的传感器对机器人完成作业过程中的运动状态、位置、姿态进行实时地反馈，把这些信息反馈给控制计算机，使控制计算机实时监控整个系统的运行情况，及时做出各种决策。 图1 机器人控制基本原理图 控制系统可以有四种不同分类方法：控制运动方式、控制系统信号类型、控制机器人的数目以及人机的相互关系等分类。 （1）、按控制运动方式进行分类可分为程序控制系统、自适应控制系统和组合控制系统。 A、程序控制系统：绝大多数商品机器人是属于这种控制系统，主 要用于搬运、装配、点焊等点位控制，以及弧焊、喷涂机器人的轮廓控制。
工业机器人技术题库及答案一、判断题 第一章 1、工业机器人由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成。√ 2、被誉为“工业机器人之父”的约瑟夫·英格伯格最早提出了工业机器人概念。 × 3、工业机器人的机械结构系统由基座、手臂、手腕、末端操作器4大件组成。 × 4、示教盒属于机器人-环境交互系统。× 5、直角坐标机器人的工作范围为圆柱形状。× 6、机器人最大稳定速度高, 允许的极限加速度小, 则加减速的时间就会长一些。√ 7、承载能力是指机器人在工作范围内的特定位姿上所能承受的最大质量。× 第二章 1、工业机器人的机械部分主要包括末端操作器、手腕、手臂和机座。√ 2、工业机器人的机械部分主要包括末端操作器、手腕、手肘和手臂。× 3、工业机器人的手我们一般称为末端操作器。√ 4、齿形指面多用来夹持表面粗糙的毛坯或半成品。√ 5、吸附式取料手适应于大平面、易碎、微小的物体。√ 6、柔性手属于仿生多指灵巧手。√ 7、摆动式手爪适用于圆柱表面物体的抓取。√ 8、柔顺性装配技术分两种：主动柔顺装配和被动柔顺装配。√
9、一般工业机器人手臂有4个自由度。× 10、机器人机座可分为固定式和履带式两种。× 11、行走机构按其行走运动轨迹可分为固定轨迹和无固定轨迹两种方式。√ 12、机器人手爪和手腕最完美的形式是模仿人手的多指灵巧手。√ 13、手腕按驱动方式来分，可分为直接驱动手腕和远距离传动手腕。√ 第三章 1、正向运动学解决的问题是：已知手部的位姿，求各个关节的变量。× 2、机器人的运动学方程只局限于对静态位置的讨论。√ 第四章 1、用传感器采集环境信息是机器人智能化的第一步。√ 2、视觉获得的感知信息占人对外界感知信息的60% 。× 3、工业机器人用力觉控制握力。× 4、超声波式传感器属于接近觉传感器。√ 5、光电式传感器属于接触觉传感器。× 6、喷漆机器人属于非接触式作业机器人。√ 7、电位器式位移传感器，随着光电编码器的价格降低而逐渐被取代。√ 8、光电编码器及测速发电机，是两种广泛采用的角速度传感器。× 9、多感觉信息融合技术在智能机器人系统中的应用, 则提高了机器人的认知水平。 √ 第五章 1、机器人控制系统必须是一个计算机控制系统。√
1. 对机器人控制系统的一般要求 机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务，其基本功能如下： ·记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。 ·示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。 ·与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。 ·坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。 ·人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。 ·传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。 ·位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。 ·故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。 2．机器人控制系统的组成（图1） （1）控制计算机控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有32位、64位等，如奔腾系列CPU以及其他类型CPU。 （2）示教盒示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的CPU以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。 （3）操作面板由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。 （4）硬盘和软盘存储存储机器人工作程序的外围存储器。 （5）数字和模拟量输入输出各种状态和控制命令的输入或输出。 （6）打印机接口记录需要输出的各种信息。 （7）传感器接口用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。 （8）轴控制器完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。 （9）辅助设备控制用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。 （10）通信接口实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等。 （11）网络接口 1）Ethernet接口：可通过以太网实现数台或单台机器人的直接PC通信，数据传输速率高达10Mbit/s，可直接在PC 上用windows库函数进行应用程序编程之后，支持TCP/IP通信协议，通过Ethernet接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。 2）Fieldbus接口：支持多种流行的现场总线规格，如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET 等。
附录1 Industrial Robots and Electric drive system There are a variety of definitions of the term robot. Depending on the definition used, the number of robot installations worldwide varies widely. Numerous single-purpose machines are used in manufacturing plants that might appear to be robots. These machines are hardwired to perform a single function and cannot be reprogrammed to perform a different function. Such single-purpose machines do not fit the definition for industrial robots that is becoming widely accepted. This definition was developed by the Robot Institute of America: A robot is a reprogrammable multifunctional manipulator designed to move material, parts, tools, or specialized devices through variable programmed motions for the performance of a variety of tasks. Note that this definition contains the words reprogrammable and multifunctional. It is these two characteristics that separate the true industrial robot from the various single-purpose machines used in modern manufacturing firms. The term “reprogrammable”implies two things: The robot operates accommodate a variety of manufacturing tasks. The term “multifunctional” means that the robot can, through reprogramming and the use of different end-effectors, perform a number of different manufacturing tasks. Definitions written around these two critical characteristics are becoming the accepted definitions among manufacturing professionals. The first articulated arm came about in 1951 and was used by the U.S. Atomic Energy Commission. In 1954, the first programmable robot was designed by George Devil. It was based on two important technologies: Numerical control (NC) technology. Remote manipulator technology. Numerical control technology provided a form of machine control ideally suited to robots. It allowed for the control of motion by stored programs. These programs contain data points to which the robot sequentially moves, timing signals to initiate action and to stop movement, and logic statements to allow for decision making. Remote manipulator technology allowed a machine to be more than just another NC machine. It allowed such machines to become robots that can perform a variety of manufacturing tasks in both inaccessible and unsafe environments. By merging these two technologies, Devil developed the first industrial robot, an unsophisticated programmable materials handling machine. The first commercially produced robot was developed in 1959. In 1962, the first industrial robot to be used on a production line was installed by General Motors Corporation. This robot was produced by Animation. A major step forward in robot control occurred in 1973 with the development of the T-3 industrial robot by Cincinnati Milacron. The T-3 robot was the first commercially produced industrial robot controlled by a minicomputer. Numerical control and remote manipulator technology prompted the wide-scale