齒輪鏈是由兩個或兩個以上的齒輪組成的傳動機構。它不但可以傳遞運動角位移和角速度, 而且可以傳遞力和力矩。

直線驅動機構

1. 齒輪齒條裝置

通常,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, 齒輪的旋轉運動就轉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。 該裝置的回差較大。

圖 2.70 齒輪齒條裝置

2.普通絲杠

普通絲杠驅動是由一個旋轉的精密絲杠驅動一個螺母沿絲杠軸向移動。 由于普通絲杠的摩擦力較大, 效率低, 慣性大, 在低速時容易產生爬行現象, 而且精度低, 回差大, 因此在機器人上很少采用。

3.滾珠絲杠

在機器人上經常采用滾珠絲杠, 這是因為滾珠絲杠的摩擦力很小且運動響應速度快。由于滾珠絲杠在絲杠螺母的螺旋槽里放置了許多滾珠,傳動過程中所受的摩擦力是滾動摩擦, 可極大地減小摩擦力,因此傳動效率高,消除了低速運動時的爬行現象。在裝配時施加一定的預緊力,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, 轉動2～3圈以后, 返回鋼套管。 滾珠絲杠的傳動效率可以達到90%, 所以只需要使用極小的驅動力, 并采用較小的驅動連接件就能夠傳遞運動。

滾球絲杠副

旋轉驅動機構

1.齒輪鏈

齒輪鏈是由兩個或兩個以上的齒輪組成的傳動機構。它不但可以傳遞運動角位移和角速度, 而且可以傳遞力和力矩。 現以具有兩個齒輪的齒輪鏈為例, 說明其傳動轉換關系。其中一個齒輪裝在輸入軸上, 另一個齒輪裝在輸出軸上, 如圖所示。

齒輪鏈機構

使用齒輪鏈機構應注意兩個問題。一是齒輪鏈的引入會改變系統的等效轉動慣量, 從而使驅動電機的響應時間減小, 這樣伺服系統就更加容易控制。輸出軸轉動慣量轉換到驅動電機上, 等效轉動慣量的下降與輸入輸出齒輪齒數的平方成正比。 二是在引入齒輪鏈的同時, 由于齒輪間隙誤差, 將會導致機器人手臂的定位誤差增加; 而且, 假如不采取一些補救措施, 齒隙誤差還會引起伺服系統的不穩定性。

通常， 齒輪鏈轉動有以下幾種類型， 如圖2.73所示。 其中圓柱齒輪的傳動效率約為90%， 因為結構簡單， 傳動效率高，圓柱齒輪在機器人設計中最常見； 斜齒輪傳動效率約為80%， 斜齒輪可以改變輸出軸方向； 錐齒輪傳動效率約為70%， 錐齒輪可以使輸入軸與輸出軸不在同一個平面， 傳動效率低； 蝸輪蝸桿傳動效率約為70%，蝸輪蝸桿機構的傳動比大， 傳動平穩， 可實現自鎖， 但傳動效率低， 制造成本高， 需要潤滑； 行星輪系傳動效率約為80%，傳動比大， 但結構復雜。

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, 它們和同樣具有型齒的同步皮帶輪齒相嚙合。 工作時, 它們相當于柔軟的齒輪, 具有柔性好, 價格便宜兩大優點。另外, 同步皮帶還被用于輸入軸和輸出軸方向不一致的情況。這時, 只要同步皮帶足夠長,使皮帶的扭角誤差不太大, 則同步皮帶仍能夠正常工作。在伺服系統中, 如果輸出軸的位置采用碼盤測量, 則輸入傳動的同步皮帶可以放在伺服環外面, 這對系統的定位精度和重復性不會有影響, 重復精度可以達到1 mm以內。 此外, 同步皮帶比齒輪鏈價格低得多, 加工也容易得多。 有時, 齒輪鏈和同步皮帶結合起來使用更為方便。

3.諧波齒輪

雖然諧波齒輪已問世多年, 但直到最近人們才開始廣泛地使用它。 目前, 機器人的旋轉關節有60％～70％都使用諧波齒輪。 諧波齒輪傳動機構由剛性齒輪、 諧波發生器和柔性齒輪三個主要零件組成, 如圖2.74所示。 工作時, 剛性齒輪固定安裝,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轉動。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。 諧波發生器具有橢圓形輪廓, 裝在諧波發生器上的滾珠用于支承柔性齒輪, 諧波發生器驅動柔性齒輪旋轉并使之發生塑性形。轉動時, 柔性齒輪的橢圓形端部只有少數齒與剛性齒輪嚙合, 只有這樣, 柔性齒輪才能相對于剛性齒輪自由地轉過一定的角度。

假設剛性齒輪有100個齒, 柔性齒輪比它少2個齒, 則當諧波發生器轉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。 由于同時嚙合的齒數較多, 因此諧波發生器的力矩傳遞能力很強。在3個零件中, 盡管任何2個都可以選為輸入元件和輸出元件, 但通常總是把諧波發生器裝在輸入軸上, 把柔性齒輪裝在輸出軸上, 以獲得較大的齒輪減速比。

諧波齒輪傳動

直線驅動和旋轉驅動的選用和制動

1. 驅動方式的選用

在廉價的計算機問世以前, 控制旋轉運動的主要困難之一是計算量大, 所以, 當時認為采用直線驅動方式比較好。 直流伺服電機是一種較理想的旋轉驅動元件, 但需要通過較昂貴的伺服功率放大器來進行精確的控制。例如,在1970年,尚沒有可靠的大功率晶體管, 需要用許多大功率晶體管并聯, 才能驅動一臺大功率的伺服電機。

今天, 電機驅動和控制的費用已經大大地降低, 大功率晶體管已經廣泛使用, 只需采用幾個晶體管就可以驅動一臺大功率伺服電機。同樣, 微型計算機的價格也越來越便宜,計算機費用在機器人總費用中所占的比例大大降低,有些機器人在每個關節或自由度中都采用一個微處理器。

由于上述原因,許多機器人公司在制造和設計新機器人時, 都選用了旋轉關節。然而也有許多情況采用直線驅動更為合適, 因此，直線氣缸仍是目前所有驅動裝置中最廉價的動力源, 凡能夠使用直線氣缸的地方, 還是應該選用它。另外，有些要求精度高的地方也要選用直線驅動。

2.制動器

許多機器人的機械臂都需要在各關節處安裝制動器, 其作用是: 在機器人停止工作時, 保持機械臂的位置不變; 在電源發生故障時, 保護機械臂和它周圍的物體不發生碰撞。 假如齒輪鏈、諧波齒輪機構和滾珠絲杠等元件的質量較高,一般其摩擦力都很小, 在驅動器停止工作的時候, 它們是不能承受負載的。如果不采用某種外部固定裝置, 如制動器、夾緊器或止擋裝置等,一旦電源關閉, 機器人的各個部件就會在重力的作用下滑落。因此, 為機器人設計制動裝置是十分必要的。

制動器通常是按失效抱閘方式工作的, 即要松開制動器就必須接通電源, 否則, 各關節不能產生相對運動。 這種方式的主要目的是在電源出現故障時起保護作用， 其缺點是在工作期間要不斷通電使制動器松開。假如需要的話， 也可以采用一種省電的方法, 其原理是: 需要各關節運動時, 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態。 這樣， 所需要的電力僅僅是把擋銷放到位所花費的電力。

為了使關節定位準確, 制動器必須有足夠的定位精度。 制動器應當盡可能地放在系統的驅動輸入端, 這樣利用傳動鏈速比, 能夠減小制動器的輕微滑動所引起的系統振動, 保證在承載條件下仍具有較高的定位精度。在許多實際應用中, 許多機器人都采用了制動器。

工業機器人的傳動

工業機器人的傳動裝置與一般機械的傳動裝置的選用和計算大致相同。 但工業機器人的傳動系統要求結構緊湊、 重量輕、轉動慣量和體積小, 要求消除傳動間隙, 提高其運動和位置精度。工業機器人傳動裝置除齒輪傳動、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方式的比較與分析。

表2.1 工業機器人傳動方式的比較與分析

新型的驅動方式

1. 磁致伸縮驅動

鐵磁材料和亞鐵磁材料由于磁化狀態的改變, 其長度和體積都要發生微小的變化, 這種現象稱為磁致伸縮。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,人們開始關注研究有適用價值的大磁致伸縮材料。 研究發現,TbFe2(鋱鐵)、SmFe2(釤鐵)、DyFe2(鏑鐵)、 HoFe2(鈥鐵)、TbDyFe2(鋱鏑鐵)等稀土－鐵系化合物不僅磁致伸縮值高, 而且居里點高于室溫, 室溫磁致伸縮值為1000×10-6～2500×10-6, 是傳統磁致伸縮材料如鐵、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)。

這一現象已用于制造具有微英寸量級位移能力的直線電機。為使這種驅動器工作, 要將被磁性線圈覆蓋的磁致伸縮小棒的兩端固定在兩個架子上。當磁場改變時, 會導致小棒收縮或伸展, 這樣其中一個架子就會相對于另一個架子產生運動。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。

美國波士頓大學已經研制出了一臺使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， 通過不帶傳動裝置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, 在達到特定溫度時縮短大約4%。 通過改變合金的成分可以設計合金的轉變溫度, 但標準樣品都將溫度設在90℃左右。 在這個溫度附近, 合金的晶格結構會從馬氏體狀態變化到奧氏體狀態,并因此變短。然而,與許多其他形狀記憶合金不同的是,它變冷時能再次回到馬氏體狀態。如果線材上負載低的話,上述過程能夠持續變化數十萬個循環。實現這種轉變的常用熱源來自于當電流通過金屬時,金屬因自身的電阻而產生的熱量。結果是,來自電池或者其他電源的電流輕易就能使生物金屬線縮短。這種線的主要缺點在于它的總應變僅發生在一個很小的溫度范圍內,因此除了在開關情況下以外, 要精確控制它的拉力很困難,同時也很難控制位移。

圖 2.76 形狀記憶金屬制作的末端操作器

3.靜電驅動器

下圖是一個帶有電阻器移動子的三相靜電驅動器的工作原理圖。

三相靜電驅動器工作原理

這種執行器有下列特征:

(1) 因為移動子中沒有電極, 所以不必確定與定子的相對位置, 定子電極的間距可以非常小。

(2) 因為驅動時會產生浮力,所以摩擦力小,在停止時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) 因為構造簡單, 所以可以實現以薄膜為基礎的大面積多層化結構。

基于上述各點, 把這種執行器作為實現人工筋肉的一種方法, 受到了人們的關注。

4.超聲波電機

超聲波電機的工作原理是用超聲波激勵彈性體定子，使其表面形成橢圓運動， 由于其上與轉子(或滑塊)接觸， 在摩擦的作用下轉子獲得推力輸出。如圖2.78所示， 可以認為定子按照角頻率ω0，進行超聲波振動， 在預壓W作用下， 轉子被推動。

超聲波電機的負載特性與DC電機相似， 相對于負載增加， 轉速有垂直下降的趨勢，將超聲波電機與DC電機進行比較， 它的特點有： ① 可望達到低速、 高效率； ② 同樣的尺寸， 能得到大的轉矩； ③ 能保持大轉矩； ④ 無電磁噪聲； ⑤ 易控制； ⑤ 外形的自由度大等。

圖2.78超聲波電機的工作原理圖2.5.6 驅動傳動方式的應用1. Movemaster EX RV-M1的驅動傳動

圖2.79為三菱裝配機器人Movemaster EX RV-M1的驅動傳動簡圖。 該機器人采用電動方式驅動, 有5個自由度, 分別為腰部旋轉、肩部旋轉、肘部的轉動、手腕的俯仰與翻轉。各關節均由直流伺服電機驅動,其中,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采用同步帶傳動。實驗室常用的末端操作器(在零件裝配時有開閉動作)采用直流電機驅動。

圖 2.79 三菱裝配機器人內部結構簡圖

1)腰部轉動(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, 以防止斷電時肩部由于自重而下轉。

(3) J2軸限位開關⑧裝在肩殼內上臂處。

3)肘部伸展(J3軸)

(1) J3軸電機⑨的轉動由同步帶B10傳送至調諧齒輪B21。

(2) 調諧齒輪B21上J3軸輸出軸的轉動由J3軸的驅動連桿傳送至肘部的軸上,從而帶動前臂伸展。

(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安裝在肩殼內上臂處。

4)腕部俯仰(J4軸)

(1) J4軸的電機B14安裝在前臂內。J4軸同步帶B15將該電機的轉動傳送到調諧齒輪B16上,從而帶動腕殼旋轉。

(2) J4軸的限位開關B17安裝在前臂下側。

5)腕部轉動(J5軸)

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

(2) J5軸的限位開關B20安裝在前臂下。

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, 其傳動方式如圖2.80所示。由圖可看出:

電機1通過兩對齒輪Z1、Z2、Z3、Z4傳動帶動立柱回轉。

電機2通過聯軸器、 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轉動, 于是形成了大臂相對于立柱的回轉。

電機3通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回轉。

圖 2.79 PUMA 562機器人的傳動示意圖

電機4先通過一對圓柱齒輪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回轉。

電機5通過聯軸器、 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)擺動。

電機6通過聯軸器、 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)相對于手腕的球殼回轉。