盤點(diǎn)工業(yè)機(jī)器人的四大新型驅(qū)動(dòng)方式

工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)

工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)裝置與一般機(jī)械的傳動(dòng)裝置的選用和計(jì)算大致相同。 但工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)緊湊、 重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和體積小, 要求消除傳動(dòng)間隙, 提高其運(yùn)動(dòng)和位置精度。工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)裝置除齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、 鏈傳動(dòng)和行星齒輪傳動(dòng)外, 還常用滾珠絲桿、 諧波齒輪、鋼帶、 同步齒形帶和繩輪傳動(dòng)。

表1工業(yè)機(jī)器人常用傳動(dòng)方式的比較與分析

新型的驅(qū)動(dòng)方式

1. 磁致伸縮驅(qū)動(dòng)

鐵磁材料和亞鐵磁材料由于磁化狀態(tài)的改變, 其長(zhǎng)度和體積都要發(fā)生微小的變化, 這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮。

20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)某些稀土元素在低溫時(shí)磁伸率達(dá)3000×10-6～10 000×10-6,人們開始關(guān)注研究有適用價(jià)值的大磁致伸縮材料。

研究發(fā)現(xiàn),TbFe2(鋱鐵)、SmFe2(釤鐵)、DyFe2(鏑鐵)、 HoFe2(鈥鐵)、TbDyFe2(鋱鏑鐵)等稀土－鐵系化合物不僅磁致伸縮值高, 而且居里點(diǎn)高于室溫, 室溫磁致伸縮值為1000×10-6～2500×10-6, 是傳統(tǒng)磁致伸縮材料如鐵、鎳等的10～100倍。 這類材料被稱為稀土超磁致伸縮材料(Rear Earth Giant MagnetoStrictive Materials, 縮寫為RE-GMSM)。

這一現(xiàn)象已用于制造具有微英寸量級(jí)位移能力的直線電機(jī)。為使這種驅(qū)動(dòng)器工作, 要將被磁性線圈覆蓋的磁致伸縮小棒的兩端固定在兩個(gè)架子上。當(dāng)磁場(chǎng)改變時(shí), 會(huì)導(dǎo)致小棒收縮或伸展, 這樣其中一個(gè)架子就會(huì)相對(duì)于另一個(gè)架子產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。一個(gè)與此類似的概念是用壓電晶體來(lái)制造具有毫微英寸量級(jí)位移的直線電機(jī)。

美國(guó)波士頓大學(xué)已經(jīng)研制出了一臺(tái)使用壓電微電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人——“機(jī)器螞蟻”?！皺C(jī)器螞蟻”的每條腿是長(zhǎng)1 mm或不到1 mm的硅桿， 通過(guò)不帶傳動(dòng)裝置的壓電微電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)各條腿運(yùn)動(dòng)。這種“機(jī)器螞蟻”可用在實(shí)驗(yàn)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(xì)胞。

2.形狀記憶金屬

有一種特殊的形狀記憶合金叫做Biometal(生物金屬), 它是一種專利合金, 在達(dá)到特定溫度時(shí)縮短大約4%。 通過(guò)改變合金的成分可以設(shè)計(jì)合金的轉(zhuǎn)變溫度, 但標(biāo)準(zhǔn)樣品都將溫度設(shè)在90℃左右。

在這個(gè)溫度附近, 合金的晶格結(jié)構(gòu)會(huì)從馬氏體狀態(tài)變化到奧氏體狀態(tài),并因此變短。然而,與許多其他形狀記憶合金不同的是,它變冷時(shí)能再次回到馬氏體狀態(tài)。如果線材上負(fù)載低的話,上述過(guò)程能夠持續(xù)變化數(shù)十萬(wàn)個(gè)循環(huán)。

實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變的常用熱源來(lái)自于當(dāng)電流通過(guò)金屬時(shí),金屬因自身的電阻而產(chǎn)生的熱量。結(jié)果是,來(lái)自電池或者其他電源的電流輕易就能使生物金屬線縮短。

這種線的主要缺點(diǎn)在于它的總應(yīng)變僅發(fā)生在一個(gè)很小的溫度范圍內(nèi),因此除了在開關(guān)情況下以外, 要精確控制它的拉力很困難,同時(shí)也很難控制位移。

圖1 形狀記憶金屬制作的末端操作器

3.靜電驅(qū)動(dòng)器

圖2是一個(gè)帶有電阻器移動(dòng)子的三相靜電驅(qū)動(dòng)器的工作原理圖。

圖2 三相靜電驅(qū)動(dòng)器工作原理

這種執(zhí)行器有下列特征:

(1) 因?yàn)橐苿?dòng)子中沒(méi)有電極, 所以不必確定與定子的相對(duì)位置, 定子電極的間距可以非常小。

(2) 因?yàn)轵?qū)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生浮力,所以摩擦力小,在停止時(shí)由于存在著吸引力和摩擦力, 因此可以獲得比較大的保持力。

(3) 因?yàn)闃?gòu)造簡(jiǎn)單, 所以可以實(shí)現(xiàn)以薄膜為基礎(chǔ)的大面積多層化結(jié)構(gòu)。

基于上述各點(diǎn), 把這種執(zhí)行器作為實(shí)現(xiàn)人工筋肉的一種方法, 受到了人們的關(guān)注。

4.超聲波電機(jī)

超聲波電機(jī)的工作原理是用超聲波激勵(lì)彈性體定子，使其表面形成橢圓運(yùn)動(dòng)， 由于其上與轉(zhuǎn)子(或滑塊)接觸， 在摩擦的作用下轉(zhuǎn)子獲得推力輸出。如圖2.78所示， 可以認(rèn)為定子按照角頻率ω0，進(jìn)行超聲波振動(dòng)， 在預(yù)壓W作用下， 轉(zhuǎn)子被推動(dòng)。

超聲波電機(jī)的負(fù)載特性與DC電機(jī)相似， 相對(duì)于負(fù)載增加， 轉(zhuǎn)速有垂直下降的趨勢(shì)，將超聲波電機(jī)與DC電機(jī)進(jìn)行比較， 它的特點(diǎn)有：① 可望達(dá)到低速、 高效率； ② 同樣的尺寸， 能得到大的轉(zhuǎn)矩； ③ 能保持大轉(zhuǎn)矩； ④ 無(wú)電磁噪聲； ⑤ 易控制； ⑤ 外形的自由度大等。

圖3超聲波電機(jī)的工作原理圖

驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)方式的應(yīng)用

1. Movemaster EX RV-M1的驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)

圖4 為三菱裝配機(jī)器人Movemaster EX RV-M1的驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖。

該機(jī)器人采用電動(dòng)方式驅(qū)動(dòng), 有5個(gè)自由度, 分別為腰部旋轉(zhuǎn)、肩部旋轉(zhuǎn)、肘部的轉(zhuǎn)動(dòng)、手腕的俯仰與翻轉(zhuǎn)。各關(guān)節(jié)均由直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),其中,腰部旋轉(zhuǎn)部分與腕關(guān)節(jié)的翻轉(zhuǎn)為直接驅(qū)動(dòng)。為了減小慣性矩,肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的俯仰都采用同步帶傳動(dòng)。實(shí)驗(yàn)室常用的末端操作器(在零件裝配時(shí)有開閉動(dòng)作)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

圖4 三菱裝配機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1)腰部轉(zhuǎn)動(dòng)(J1軸)

(1)腰部(J1軸)由基座內(nèi)的電機(jī)①和調(diào)諧齒輪②驅(qū)動(dòng)。

(2) J1軸限位(極限)開關(guān)③裝在基座頂部。

2)肩部(J2軸)旋轉(zhuǎn)

(1) 肩部(J2軸)由肩關(guān)節(jié)處的調(diào)諧齒輪⑥驅(qū)動(dòng), 由連接在J2軸電機(jī)④上的同步帶⑤帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

(2) 電磁制動(dòng)閘⑦裝在調(diào)諧齒輪⑥的輸入軸上, 以防止斷電時(shí)肩部由于自重而下轉(zhuǎn)。

(3) J2軸限位開關(guān)⑧裝在肩殼內(nèi)上臂處。

3)肘部伸展(J3軸)

(1) J3軸電機(jī)⑨的轉(zhuǎn)動(dòng)由同步帶B10傳送至調(diào)諧齒輪B21。

(2) 調(diào)諧齒輪B21上J3軸輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)由J3軸的驅(qū)動(dòng)連桿傳送至肘部的軸上,從而帶動(dòng)前臂伸展。

(3) 電磁制動(dòng)閘B12裝在調(diào)諧齒輪B21的輸入軸上。

(4) J3軸限位開關(guān)B13安裝在肩殼內(nèi)上臂處。

4)腕部俯仰(J4軸)

(1) J4軸的電機(jī)B14安裝在前臂內(nèi)。J4軸同步帶B15將該電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)傳送到調(diào)諧齒輪B16上,從而帶動(dòng)腕殼旋轉(zhuǎn)。

(2) J4軸的限位開關(guān)B17安裝在前臂下側(cè)。

5)腕部轉(zhuǎn)動(dòng)(J5軸)

(1) J5軸電機(jī)B18和J5軸調(diào)諧齒輪B19安裝在腕殼內(nèi)的同一軸上, 由它們帶動(dòng)手爪安裝法蘭旋轉(zhuǎn)。

(2) J5軸的限位開關(guān)B20安裝在前臂下。

2. PUMA 562機(jī)器人傳動(dòng)

PUMA 562機(jī)器人有6個(gè)自由度, 其傳動(dòng)方式如圖5所示。由圖可看出:

電機(jī)1通過(guò)兩對(duì)齒輪Z1、Z2、Z3、Z4傳動(dòng)帶動(dòng)立柱回轉(zhuǎn)。

電機(jī)2通過(guò)聯(lián)軸器、 一對(duì)圓錐齒輪Z5、Z6和一對(duì)圓柱齒輪Z7、Z8帶動(dòng)齒輪Z9, 齒輪Z9繞與立柱固聯(lián)的齒輪Z10轉(zhuǎn)動(dòng), 于是形成了大臂相對(duì)于立柱的回轉(zhuǎn)。

電機(jī)3通過(guò)兩個(gè)聯(lián)軸器和一對(duì)圓錐齒輪Z1、Z2、 兩對(duì)圓柱齒輪Z13、Z14,Z15、Z16(Z16固聯(lián)于小臂上)驅(qū)動(dòng)小臂相對(duì)于大臂回轉(zhuǎn)。

圖5 PUMA 562機(jī)器人的傳動(dòng)示意圖

電機(jī)4先通過(guò)一對(duì)圓柱齒輪Z17、 Z18、 兩個(gè)聯(lián)軸器和另一對(duì)圓柱齒輪Z19、Z20(Z20固聯(lián)于手腕的套筒上)驅(qū)動(dòng)手腕相對(duì)于小臂回轉(zhuǎn)。

電機(jī)5通過(guò)聯(lián)軸器、 一對(duì)圓柱齒輪Z21、Z22、一對(duì)圓錐齒輪Z23、Z24(Z24固聯(lián)于手腕的球殼上)驅(qū)動(dòng)手腕相對(duì)于小臂(亦即相對(duì)于手腕的套筒)擺動(dòng)。

電機(jī)6通過(guò)聯(lián)軸器、 兩對(duì)圓錐齒輪Z25、Z26,Z27、Z28和一對(duì)圓柱齒輪Z29、Z30驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械接口(法蘭盤)相對(duì)于手腕的球殼回轉(zhuǎn)。