第二章 机器人传动系统.docx

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第二章机器人传动系统

第二章机器人驱动-传动系统

机器人操作机有两种运动关节——转动关节和移（直）动关节。

对电动系统来说，常见的驱动—传动形式如图2-1所示：

图2-1驱动-传动系统的组成

a一转动系统b一移（直）动系统

1一码盘2一测速机3一电机4一联轴器5—传动装量6一转动关节7一杆

8一电机9一联轴器10一螺旋副11—移动关节，12一电位器（或光栅尺）

在系统中，驱动器通过联轴器带动传动装置（一般为减速器），再通过关节轴带动杆件运动。

为了进行使置和速度控制，驱动系统中还包括位置和速度检测元件。

检测元件类型很多，但都要求有合适的精度、连接方式以及有利于控制的输出方式。

对于伺服电机，检测元件常与电机直接相联；对于液压驱动，则常通过联轴器或销轴与被驱动的杆件相联。

2.1驱动装置及其选择

2.1.1机器人驱动装置的类型和特点

1.电动驱动器

电动驱动器是目前使用的最广泛的驱动器。

它的能源简单，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度部很高，但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。

电动驱动器又可分为直流（Dc）、交流（Ac）伺服电机驱动和步进电机驱动。

后者多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度小功率机器人系统。

直流伺服电机有很多优点，但它的电刷易磨损，且易形成火花。

随着技术的进步，近年来交流伺服电机正逐渐取代直流伺服电机而成为机器人的主要驱动器。

2.液压驱动器

液压驱动的主要优点是功率大，结构简单，可省去减速装置，能直接与被驱动的杆件相连，响应快，伺服驱动具有较高的精度，但需要增设液压源，而且易产生液体泄漏，故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。

图2-2为几种液压驱动器示例。

图2-2几种液压驱动器

3．气动驱动器

气动驱动器的能源、结构都比较简单、但与液压驱动器相比，同体积条件下功率较小（因压力低），而且速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制系统。

图2-3为几种气动驱动器示例。

图2-3几种气动驱动器

2.1.2伺服电机的特点及应用

1.直流伺服电机

直流（DC）伺服电机转动惯性小，启停反应快，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高。

直流伺服电机有很多优点，具有很高的性价比，一直是机器人平台的标准电机。

但它的电刷易磨损，且易形成火花。

因而产生了无刷电机，采用霍尔电路来进行换向。

直流伺服电机的主要技术参数：

额定输入电压空载转速堵转转矩输出功率空载电流转矩系数电枢电阻电枢感应系数最大效率最大径向载荷最大轴向载荷

图2-4直流伺服电机和驱动放大器

2．交流伺服电机

交流（AC）伺服电机较直流伺服电机的功率大，无需电刷，效率高，维护方便，在工业机器人中有一定的应用。

交流伺服电机的主要技术参数与直流伺服电机相近。

图2-5交流伺服电机图2-6驱动放大器

2.1.3舵机的特点及应用

舵机是集成了减速器、检测元件和控制板的微小型直流电机。

体积小、成本低，控制方便，但功率较小。

舵机的转动范围一般在60°~180°之间，由于设置了一个电位器，可随时检测输出轴的位置，因此可以实现闭环控制，多用于低成本的个人机器人和模型机。

图2-7舵机

2.1.4步进电机的特点及应用

步进电机是一种无刷电机，其磁体装在转子上，绕组装在机壳上。

步进电机本质上是一种低速电机，控制方便，可以实行精确运动，最佳工作转速为50~100r/min。

表2-1步进电机主要技术参数

步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，有较好的制动效果，但在速度很低或大负载情况下，可能产生丢步现象，多用于低精度小功率机器人系统。

图2-8步进电机图2-9步进电机驱动放大器

2.1.5其它驱动器

作为特殊的驱动装置，有压电晶体、形状记忆合金等。

如下图所示。

图2-10压电微驱动并联机器人图2-11形状记忆合金驱动机器人手

2.1.6驱动器的选择及安装

1.驱动器的选择

1）驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件，以价格高低、技术水平为评价标准。

一般说来，目前负荷为100kg以下的,可优先考虑电动驱动器，并根据机器人的用途选择合适的电机。

只须点位控制且功率较小者，或有防暴、清洁等特殊要求者，可采用气动驱动器。

负荷较大或机器人周围已有液压源的场合，可采用液压驱动器。

2）对于驱动器来说，最重要的是要求起动力矩大，调速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好的、与之配套的数字控制系统。

2．驱动器的安装

底座安装——较大体积的驱动器。

法兰安装——中小型驱动器。

卡箍安装——微小型驱动器。

临时安装——微小型驱动器。

2.2谐波传动

2.2.1工作原理及撂见的两种型式

谐波传动是利用一个构件的可控制的弹性变形来实现机械运动的传递。

谐波传动通常由三个基本构件（俗称三大件）组成（如图2-12所示），包括一个有内齿的刚轮，一个工作时可产生径向弹性变形并带有外齿的柔轮和一个装在柔轮内部、呈椭圆形、外圈带有滚动轴承的波发生器。

柔轮的外齿Zg少于刚轮的内齿Zb。

在波发生器转动时，相应于长轴方向的柔轮外齿正好完全啮入刚轮的内齿；在短轴方向，则外齿全脱开内齿。

当刚轮固定，波发生器转动时，柔轮的外齿将依次啮入和啮出刚轮的内齿，柔轮齿圈上的任一点的径向位移将呈近似于余弦波形的变化，所以这种传动称作谐波传动。

图2-12谐波传动，包括直观图、结构图、机构简图

可以看出，由于Zg＜Zb，故当波发生器转过一周时，柔轮相对：

严刚轮则反方向转过△Z／Zg：

周（△Z＝Zg—Zb）。

如果波发生器与主动轴（如电机）相联，柔轮与从动轴相连，在刚轮固定时，就可得到减速比为i＝△Z／Zg的减速传动，由于△Z很小（通常为2，4），故i很大，一般为50~300，减速效果可与少齿行星传动相媲美。

若柔轮固定，刚轮主动，则波发生器可得到i＝Zb／△Z的同向增速运动。

同样，若刚轮固定，柔轮主动，波发生器也可得到增速运动，但增速运动常需一个最小的转动力矩。

这一转矩与构件之间的摩擦以及三大件和轮齿的几何参数有关。

只有参数适当，且很好地跑合之后才能降低这一转矩。

对于手把手示教的机器人，必须充分注意这一特性，如果最小的反力距太大，就很难实现手把手示教。

图2-13为另一神常用的扁平式谐波传动机构。

该机构有两个刚轮，一个固定，一个输出，柔轮呈环形，外齿较长；输入仍为波发生器。

可将此种类型的谐波传动看作是两级传动。

第一级为刚轮B1固定，柔轮输出，波发生器输入；第二级为刚轮B2输出，共用柔轮和波发生器。

设第一级的齿数分别为Zb1、Zg1，第二级为Zb2、Zg2，商品传动装置多取Zg1＝Zg2＝Zb2。

所以它的传动比仍为i＝−（Zb1−Zg1）／Zg。

这可想象成仍是一级刚轮固定柔轮输出的传动，只是输出部分用“花键”连接了输出“钢套”而已。

这种传动形式的最大优点是大大缩小了谐波传动的翰间长度，在操作机中多用于后三关节组成结构极为紧凑的腕结构。

图2-13扁平式谐波传动，包括直观图、结构图、机构简图

上面的讨论只限于谐波传动的三大件，它相当于齿轮传动中的一对带轴的齿轮，在商品化生产中，还有用三大件制成的各类减速器，有单级、双级；卧式、立式等，供设计者选用。

与一股齿轮传动相比，谐波传动有如下主要特点。

（1）传动比大，单叔传动比可为50~300，双级传动比可达2×106。

（2）传动乎稳，承载能力高。

在传动时同时参与啮合的齿数多，故传动平稳，承载能力高，传递单位扭矩的体积和重量小。

在相同的工作条件下，体积可减小20~50％。

（3）齿面磨损小而均匀，传动效率高。

若正确选择啮合参数，则齿面的相对滑动速度很低，因此磨损小、效率高。

当结构合理，润滑良好时，对i＝100的传动，效率η可达0.85；对i＝75的传动，效率η可达0.92。

传动效率随着扭矩的增加而增加。

而当传递的扭矩比额定值小20％时，效率很快降低。

（4）传动精度高。

在制造精度相同的情况下，谐波传动的精度可比普通齿轮传动高一级。

若齿面经过很好的研磨，则谐波齿轮传动的传动精度要比普通齿轮传动高4倍。

（5）回差小。

精密谐波传动的回差一般可小于3’~1’，甚至可以实现无回差传动。

（6）可以通过密封壁传递运动。

当采用长杯式柔轮固定传动时，可实现向密封箱内传递运动，这是其他传动机构很难实现的。

（7）谐波传动不能获得中间输出，并且杯式柔轮刚度较低。

2.2RV摆线针轮传动

RV摆线针轮传动装置，是由一级行星轮系再串联一级摆线针轮减速器组合而成的（如图2-14所示）。

它有一个输入轴，通过轴上的齿轮l，带动周句分布的2—3个行星轮2，每个行星轮联接一个双向偏心轴，后者再带动两个径向对置的RV摆线齿轮3在有内齿为因注销的固定壳体上滚动，摆线轮3再通过周向分布的2—3个非圆柱销轴带动盘式输出轴转动。

它的速比i大于普通摆线针轮减速器。

图2-14RV摆线针轮减速器

a-结构图b-原理图

1、壳体2、销3、RV齿轮4、主轴承5、轴6、螺栓端盖7、输入齿轮

8、曲柄轴9、行星齿轮10、壳体11、圆柱箱12、RV齿轮13、大齿轮

14、行星轮15、偏心轮16、非圆柱销

下面简要介绍其主要特点：

与谐波传动相比，RV摆线针轮传动除了具有相同的速比大、同轴线传动、结构紧凑、效率高等待点外，最显著的特点是刚性好、GD2小。

以日本生产并用于机器人的谐波传动装置（三大件）与RV传动装置相比，在相同的输出转矩、转速和减速比条件下，两者的体积几乎相等，但后者的传动刚度要大2—6倍。

折合到输入轴上，GD2要小一个数量级以上，但重量却增加了1—3倍。

整机重量大而输入轴的飞轮力矩GD2却特别小的原因是由于RV传动装置增加了一级行星传动，使得输入轴和齿轮1可以作成一个质量不大的圆柱体，而后面的转动件，虽然质量很大，但经过一级减速，使折合到输入轴上的GD2变得很小。

由于高刚度，小GD2和比较大的重量，使该减速器特别适用于操作机上的第一级旋转关节（腰关节），这时大的自重是坐落在底座上的，高刚度和小GD2就充分发挥了作用。

高刚度可以大大提高整机的固有频率，降低振动；小GD2则在频繁加、减速的运动过程中可以提高响应速度并降低能量消耗。

2.3滚动螺旋传动

2.3.1工作原理及结构形式

滚动螺旋传动是在具有螺旋槽的丝杠与螺母之间放入适当的滚珠。

使丝杠与螺母之间由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种螺旋传动，如图2-15所示。

螺旋槽的正截面常有两种形式：

单圆弧式和双圆弧式（图2-16）。

两种滚道的接触角均为45°，单圆弧滚道用干一般工作环境；双圆弧接道用于灰尘多的环境，污物进入滚道后会被辗入槽底，再被润滑油冲去。

为了降低接触应力，波道半径R几乎接近滚珠半径r，r／R＝0.9~0.97。

滚珠在工作过程中顺螺旋槽（滚道）滚动，故必须设置滚珠的返回通道，才能循环使用。

返回通道有内循环和外循环两种，如图2-17所示。

内循环是在螺母体内返回，外循环最常见的是插管式。

图2-15滚动螺旋传动图2-16滚道形式

1、齿轮2、返回装置3、键4、滚珠a、单圆弧b、双圆弧

5、丝杠6、螺母7、座

图2-17滚珠返回方式

a、内循环b、插管式外循环

为了消除回差（空回），螺母分成两段，以垫片、双螺母或齿差调整两段螺母的相对轴向位置，从而消除间隙和施加预紧力，使得在有额定抽间负荷时也能使回差为零。

图2-18为三种消隙方式，其中用的最多的是双螺母式，而齿差式最为可靠。

螺母与丝杠的材料一般为GCr15、GCr9等，硬度在HRC60土2左右。

螺母内各圈滚珠所承受的载荷是不同的。

第1圈滚珠约承受轴向载荷的30~45％；第5圈以后几乎为零。

为了使滚珠回返通畅，一列（即一条螺纹线）滚珠数不多于150个，且因数不超过3、5，否则应改双列或多列结构。

图2-18间隙和预紧力调整

a、垫片式b、双螺母式c、齿差式

1、丝杠2、右螺母3、滚珠4、左螺母5、圆螺母6、套筒7、键

2.3.2主要特点

滚动螺旋传动主要有以下一些特点。

（1）摩擦小、效率高。

一般情况下，滚动螺旋传动的效率在90％以上。

在同样的负荷下，驱动权矩较滑动螺旋传动减少2／3~3／4。

滚动螺旋传动的逆传动效率也很高，接近于正传动效率，故可作为直线运动变旋转运动的传动装置。

也正是这—原因，该种传动不能自锁，必须有防止逆转的制动或自锁机构才能安全地用于有自重下降的场合。

（2）灵敏度高，传动乎稳。

由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小，无论是静止，还是高、低速传动，摩擦权矩几乎不变，故灵敏度高、传动乎稳。

（3）磨损少、寿命长。

滚珠螺旋副中的主要零件均经热处理，并有很高的表面光洁度，再加上滚动摩擦的磨损很小，因而有良好的耐磨性，

（4）可消除油向间隙，提高铀向刚度。

由于该种传动效率高，预紧后仍能轻快地工作，所以可以通过预紧完全消除间隙，使反向时无空行程，并可通过预紧施加一定的预应力来提高传动刚度。

波动螺旋传动最怕落入灰尘、铁屑、砂粒。

通常，螺母两端必须密封，丝杠的外露部分必须用“风箱”套或钢带卷套加以密封。

2.3.3承载能力和选择

滚动螺旋副的工作情况与滚动轴承相似，所以它的承载能力也用额定动载荷C和额定静载荷C0来表示，它的定义、计算和选用方法和滚动轴承基本相同。

滚动螺旋副的尺寸规格一般按额定动载荷或额定静载荷选定。

对于细长而又承受压缩载荷的滚动丝杠，需作压杆稳定性校核；对转速高支承距离大的滚动丝杆，需作临界转速核算。

2.4驱动-传动系统的动态特性

驱动—传动系统是驱动器和传动装置两子系统的合成。

下面分别讨论其动态特性。

1.电驱动器的动态特性

电动操作机的每个主动关节都有伺服电机驱动。

现以直流水磁电机为例进行讨论。

该类电机的特点是；

（1）力矩—功率比高，平滑，低速运转，力矩—速度持性是线性的，时间常数小；

（2）采用永磁磁场和直流供电，能以最小的输入功率提供最大的力矩；

（3）电机电感很小，电气时间常数很低。

2.液压驱动系统的动态特性

1962年比现的第一台工业机器人就是采用液压驱动的。

由于液压驱动结构简单（省去了各种减速传动装置），便于控制，在机器人发展的最初年代里，液压驱动系统得到了广泛的应用。

后来，由于随着直、交流伺服系统的迅猛发展，才使液压驱动系统在工业机器人中处于次要地位。

但目前液压驱动在大负荷的操作机以及喷涂作业用机器人中仍占有较大的比例。

工业机器人用液压驱动系统有点位程序控制和电—液伺服控制两大类别。

前者多用于简单的搬运机器人或某些专用机器人中；后者用于既要点位控制又要连续轨迹控制功能的机器人，特别是大负荷（≥5000N）机器人。

图2-19为一种简单的四通滑阀控制的电—液伺服驱动系统原理固。

由图可知，位置误差e经增益系数为K1的放大器放大，用以产生驱动四通滑阀（又称四边阀）的力使滑阂移动（变量为x），再驱动油缸中的活塞运动（变量为y），从而驱动负载按某一运动规律运动（变量为θm）。

图示外力还包括粘滞阻尼。

图2-19电-液伺服驱动系统结构图

3.传动系统的构成及其简化

机器人某个关节的传动机构在最一般的情况下可能包括谐波减速器、齿轮副、联轴器、轴、链及链轮等传动件。

为了便于叙述，我们可以先假设一个包括多传动形式的传动链，并对其进行分析建模。

团2-20所示的传动系统由联轴器（与电机相连）、轴I~Ⅳ、谐波减速器H、齿轮副G、链传动C等构成。

如果把各个零件的变形都加以考虑，动力学方程将十分复杂，况且各构件的刚度又相差很大。

所以，为了在较好精度下简化计算，我们作如下假定：

（1）轴的质量简化到其两端的联接件上，或者忽略不计；

（2）齿轮副为刚性；

（3）谐波减速器的扭转变形只发生在柔轮上，柔轮的惯性参数折算到波发生器上；

（4）链轮为刚性，变形只发生在链条上，链条的质量简化到链轮上。

上述假定具有普通的参考价值。

图2-20传动系统

2.5PUMA-560型机器人传动系统分析

设计工业机器人本体，其传动系统的设计是关键。

机器人传动系统决定着机器人本体的

形式、重量、转动惯量、运动空间、运动精度、动力特性和能承受载荷的大小等机械性能，

也决定着所配计算机控制系统的控制性能。

以下对典型的六关节PUMA-56型机器人传动系统进行比较详细地分析。

2.5.1PUMA-56型机器人简介

PUMA-56型机器人由机器人本体（手臂）和计算机控制系统两大部分组成。

整机系统框图见图2-21。

机器人本体：

6个自由度；驱动采用直流伺服电机并配有安全刹闸

手腕最大载荷为2.5Kg（包括手腕法兰盘）；最大抓紧力为60N；重复精度为士0.1mm；工具在最大载荷下的速度：

自由运动时为1.0m/s，直线运动时为0.5m/s，工具在最大载荷下的

加速度为1g；操作范围是以肩部中心为球心0.92m为半径的空间半球；夹紧系统由压缩空

气环节与四位电磁阀组成，工具安装表面为腕部法兰盘面，安装尺寸为Ф41.3mm上均布有5-M5的安装孔，整个手臂重53Kg。

图2-21PUMA-56型机器人系统框图

PUMA-560型机器人由2一水平微处理机控制；示教语言为ARPS（AdvancedRobot

ProgrammingSystem）；示教和编程设备为电视显示装置、ASCII键盘板和手控装置；程序存储器容量为14千字；COMS—SAM由电池供电（500小时）；程序组存储器为磁盘，每盘约为33.8千字；输入输出标准为16位数，可增加到32位数。

控制系统按指令控制系统的驱动伺服电机，使机器人手臂运动到指定的位置。

手臂各关节转动的位置和速度通过与伺服电机相联的光码盘发出脉冲信号反馈回控制系统。

整个控制系统组成闭环控制系统。

机器人手臂有两个主要坐标系：

基准坐标系XYZ和工具坐标系X'Y'Z'（见图2-22）。

另有两个辅助坐标系：

六关节转动坐标系（即精确坐标系）和复合坐标系。

基准坐标系相对于大地静止为固定坐标系，工具坐标系为动坐标系其坐标原点在工具安装法兰盘面中心，Z'轴垂直于法兰盘面，X'、Y'轴在法兰盘平面上。

工具坐标系的原点随工具运动而移动，备坐标轴的方向可绕其原点转动。

给机器人输入一坐标变换程序可使工具坐标原点移动到指定位置。

此坐标变换对于焊枪姿势调接非常方便，调整焊枪姿势时只需将工具坐标原点移动到焊丝端点，即可在不改变焊点位置下选择所需的焊接姿势。

2.5.2传动形式分析

机器人采用6个自由度关节式结构，特点是动作空间大、灵活，可进行左右手操作，在

图2-22PUMA-56型机器人坐标系

焊接时能保证焊枪的空间姿势和运动轨迹。

各关节的传动由直齿轮、锥齿轮、特殊的弹性万向联轴器和特殊轴承组成。

所有关节采用直流伺服系统调速保证转速范围。

PUMA-56型机器人传动系统如图2-23所示。

图2-23PUMA-56型机器人传动系统

2.5.3腕部各关节传动链的联系

腕部关节4、5、6的传动系统为差动机构，各关节的运动有一定联系。

如图2-21所示，

由于机器人手臂的特殊结构即关节4、5、6电机固定在小臂上，关节传动件在腕部内，所以当关节4电机驱动腕部转动时，为保证法兰盘相对于腕部静止，JOINT5和JOINT6电机必须以一定的转速分别转动。

我们将JOINT5和JOINT6电机的这种转动称为电机的速度补偿。

2.5.4传动系统的结构分析

1.机器人齿轮传动间隙调整机构

机器人齿轮传动间隙每工作2000小时调整一次，每对齿轮都有调整环节，各对齿轮的调节原理相同。

以下仅对关节的间隙调整机构进行分析。

如图2-24所示齿轮轴和孤分别安装在具有偏心的调整座中，每一调整座有2个调整螺钉。

调节原理：

转动调整螺钉使偏心座转动，偏心座转动即改变两啮合齿轮中心距，使啮合齿之间的间隙改变直到间隙消除为止。

最后拧紧定位螺钉。

图2-24关节3齿轮间隙调整结构

2.润滑系统

机器人传动系统齿轮每工作2000小时加一次润滑油脂。

采用特殊的润滑油脂PDI保证长久齿轮润滑。

2.5.4结论

机器人传动系统的设计准则是在满足机器人本体技术参数要求的前提下，保证传动比

大、体积小、重量轻、惯量小等要求。

机器人传动系统传动比的选择不受普通减速机构选择原则的约束。

由于机器人具有特殊

的传动结构，有时高速级传动比反而较大，低速级则相对较小。

比如关节6的高速级传动比为l3.78，低速级的传动比为5.55；关节2高速级的传动比为20.24，低速级的传动比为5.39。

各关节传动均为两级齿轮传动，其设计原则是愈短愈好，以保证传动系统的刚度，减少

传动系统的误差。

传动系统的变速范围很大（为250）。

为此对直流伺服系统要求较高以保证得到较宽的恒转矩调速。

各关节传动系统之间有相互的特定联系。

机器人控制系统应有伺服系统的速度补偿环

节。

腕部关节传动系统计算转速的合理选择是保证其传动系统体积小、重量轻、磺量小的关键。

若传动系统采用谐波齿轮传动。

会使传动系统的特性更好。

参考文献：

[1]工业机器人的操作机设计.马香峰.冶金工业出版社.1996

[2]PUMA-560型机器人传动系统分析.康洪.成都点焊机研究所

[3]机器人的驱动与传动装置.哈尔滨工业大学机电工程学院空间机器人课件