下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
机器人的能源是机器人运动能量的来源，其地位相当于人类的“食物”。没有能源，机器人就是一堆“破铜烂铁”，不能行动。而机器人的驱动系统相当于人类的“肌肉”，为机器人的行动提供动力，是机器人结构中重要的环节。
人类获取能源的方式就是通过吃东西，从本质上看就是把生物能转化为热能，供人类肌肉使用；通过肌肉中的“线粒体”提供能量转换，再为人类提供各类运动的动力。
机器人的能源有多种，有的利用电能作为能源，有的利用化学能作为能源，有的利用机械能作为能源、有的利用太阳能作为能源，有的利用风能作为能源……传统的机器人大多是利用机械能和电能这两种能源。例如，年代稍微久远一些的机器人，大多需要通过人工拧紧发条后，利用弹簧等释放出机械能供机器人使用；近代的机器人则多使用化学能和电能，或者直接使用电池，或者通过连接着电源的电线，或者通过燃烧化学燃料的方式，将化学能转化为电能，再提供给机器人使用。随着技术的提高，现代的机器人有了更多的选择方式，可以选择更加清洁的能源（图3-3～图3-5）。
图3-3 我国风能机器人极地漫游者与企鹅
图3-4 太阳能水下机器人
图3-5 风力行走机器人
图3-5是荷兰艺术家Theo Jansen设计的机器人，他利用电脑模拟生物的骨架，装置成庞大且轻盈的作品（Kinetic Sculptor），这些机器人以风为动力，随风而动。最神奇的是，这款风力行走机器人的材料非常简单，就是由一系列的塑料管、塑料块、塑料瓶、塑料布组成。该机器人不但能乘风而行，还可以把风能转化为自身携带的塑料瓶内的压缩能量，在需要的时候释放出来驱动自身向前行走。
机器人的能源多种多样，这些能源在转化为机器人的动力时，往往需要用驱动装置来转化。机器人的驱动装置主要用来使机器人的关节转动或移动。机器人的驱动装置通常有电机驱动、液压驱动、气动驱动三种方式。
电机驱动是以电为原动力产生机械动力的装置。常用的电机有步进电机、伺服电机、直接驱动电机等多种形式。关于电机的详细内容，读者如有兴趣可参考相关的专业书籍或资料，本书只对常见的几种电机进行简单的介绍。
① 步进电机结构及工作原理 步进电机包括定子和转子两部分。定子铁芯由硅钢片叠加而成。每个定子磁极上均有控制绕组，且有均匀分布的小齿。转子由转子铁芯和转轴组成。转子铁芯同样由硅钢片叠加而成。转子上没有绕组，其上也有均匀分布的小齿。通常定子磁极上的小齿和转子上的小齿的齿宽和槽宽都是一样的。但它们之间的相对位置按一定的规律排列。步进电机内部结构如图3-6所示。
图3-6 步进电机内部结构
步进电机是一种感应电机，它的工作原理是将直流电变成分时供电、多相时序电脉冲信号，用这种电流为步进电机供电，从而使步进机正常工作。
当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度，转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步，该角度称为“步距角”（有部分书籍也将其称为“步进角”）。它的旋转是以固定的角度一步一步运行的，类似于机械钟表的指针运动，其转动形象的描述是“一顿一顿”的。图3-7所示为步进电机驱动原理示意。
图3-7 步进电机驱动原理示意
只要依次给X、Y、
、
加正激励，使电机内部的磁场进行一个顺时针方向的转动，然后带动转子也进行顺时针方向的转动。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动，从而达到调速目的。
② 步进电机分类 根据步进电机磁式的不同，步进电机可以分为永磁式步进电机、反应式步进电机、混合式步进电机三大类。
a.永磁式步进电机 其转子由永磁材料构成，因此它本身就是一个磁极。其最大特点是转子的极数与定子的极数相同。永磁式步进电机的优点是电机输出力矩较大，缺点是步距角也大。通常两相的步进电机步距角一般为7.5°或15°。
b.反应式步进电机 其定子磁极是由绕在上面的绕组通电后产生的，利用磁导的变化产生转矩。反应式步进电机的步距角相对于永磁式步进电机的步距角要小一些，一般为1.2°或1.5°。其动态性能相对于永磁式步进电机也较好一些。
c.混合式步进电机 它综合了反应式和永磁式的优点，转子和定子上有许多小齿，用来提高步距角精度。混合式步进电机的步距角一般为0.73°或1.8°。
混合式步进电机的动态性能较永磁式步进电机和反应式步进电机都要好，是目前性能最好的步进电机，应用最为广泛。但结构复杂、成本相对较高。
③ 步进电机性能指标 包括静态性能指标、动态性能指标。静态性能指标有相数、拍数、步距角、定位转矩、静转矩等，动态性能指标有步距角精度、最大空载启动频率、最大空载运行频率、运行矩频特性等。这些指标的物理意义如下。
a.相数 产生不同对极N、S磁场的励磁线圈对数。
b.拍数 完成一个磁场周期性变化所需脉冲数。
c.步距角 对应一个脉冲信号。
d.定位转矩 电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。
e.静转矩 电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积的标准，是步进电机的物理属性，与驱动电压及驱动电源等无关。电机一旦选定，电机的静转矩就确定了。
f.步距角精度 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。
g.最大空载启动频率 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接启动的最大频率。
h.最大空载运行频率 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，不带负载的最高转速频率。
i.运行矩频特性 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。
④ 步进电机特点及优缺点 步进电机的特点主要有以下几个方面：步进电机的精度通常为步距角的3%～5%，且不累积；步进电机的力矩会随转速的升高而下降；步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并会伴有较大的噪声。
步进电机的优、缺点对比见表3-1。
表3-1 步进电机的优、缺点对比
⑤ 步进电机的驱动 步进电机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电机驱动器，步进电机的控制较为简单，适用于开环回路驱动器。目前步进电机在机器人的控制中已经有几种比较成熟的驱动方法。
a.固定电压驱动 固定施加在绕阻上的电压，并提高脉冲频率，步进电机就能实现驱动。
b.固定电流驱动 固定电流，或者电流按照指定值发生变化。固定电流驱动多用于高速运转时的驱动。
c.励磁驱动 步进电机转动原理是单相励磁。但由于单相励磁通常会引起低频电气振动，从而导致步距角的偏差很大，因此通常采用两相励磁运转方式。
⑥ 步进电机的应用 步进电机在各行各业中都有着广泛的应用，例如工业自动化控制等。步进电机不适合使用在长时间同方向运转的情况，容易烧坏产品，即使用时通常都是短距离频繁动作较佳。步进电机的价格相对于其他控制电机较低，因此在能够满足控制需求的前提下，通常选择步进电机。
伺服电机也是能够把输入的电信号变换成轴上的角位移或角速度的旋转电机。它具有良好的可控性，响应快且稳定性高。
① 伺服电机的特点 伺服电机的最大特点是：有控制电压时转子立刻旋转，无控制电压时转子立刻停止。转轴转向和转速由控制电压的方向和大小决定，转速随着转矩的增加而匀速下降。与步进电机相比，伺服电机有以下优点。
a.伺服电机的控制精度更高，能够实现位置、速度和力矩的闭环控制，不存在步进电机中的失步问题。
b.伺服电机在高速转动时性能更好。
c.伺服电机的抗过载能力更强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速启动的场合特别适用；
d.伺服电机在低速运行时更平稳，且不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合。
e.伺服电机在电机加、减速时的动态响应时间更短，一般在几十毫秒之内。
f.伺服电机的发热和噪声更低。
简单点说，伺服电机断电后不会因自身的惯性再转一会，而是说停就停，说走就走，反应极快。
② 伺服电机的应用 伺服电机应用领域有很多。只要是要有动力源的，而且对精度有要求的一般都可能涉及伺服电机，如机床、加工设备等。
目前，绝大多数机器人都是采用伺服电机作为关节驱动。市场上销售的高性能伺服电机大多是高转速、低转矩，因此伺服电机用于机器人驱动时，还必须利用减速机构进行适当的减速才能使用。
③ 伺服电机的分类 伺服电机根据工作的直流电源和交流电源的不同，可分为直流伺服电机和交流伺服电机两种，如图3-8和图3-9所示。下面分别对这两种伺服电机的结构、工作原理、分类、控制等进行大致介绍。
图3-8 直流伺服电机
图3-9 交流伺服电机
a.直流伺服电机
ⅰ.直流伺服电机的机构组成及工作原理 直流伺服电机由定子、转子和换向器三部分构成。其结构与步进电机的定子、转子结构差不多，如图3-10所示。区别在于直流伺服电机有个换向器。换向器的作用是改变电枢绕组中电流的流动方向，并使磁极下的电流方向保持不变。
图3-10 直流伺服电机结构
直流伺服电机的工作原理与普通直流电机相同，都是利用通电导体在磁场中会受到力的作用这一原理来工作的。当电枢导体通电后，在磁场中会因为受到力的作用而发生转动，当转动到平衡位置时，换向器使电枢导体中的电流方向发生改变，从而使其继续保持转动。如图3-11所示。直流伺服电机的控制精度一般可达0.001mm。
图3-11 直流伺服电机工作原理
从物理知识可以知道，电枢和磁极既可以用永磁铁，也可以用绕组的方式，然后用励磁的形式来产生磁场。直流伺服电机工作时的励磁方式有他励形式、并励形式、串励形式、复励形式四种类型。
他励形式是指电枢绕组和磁极励磁绕组分别由两个独立的直流电源供电，即电枢电压与磁极电压彼此是独立无关的，如图3-12所示。
图3-12 他励形式
并励形式是指电枢绕组与磁极励磁绕组采用并联的方式，由同一电源供电，电枢电压等于磁极电压，如图3-13所示。
图3-13 并励形式
串励形式是指电枢绕组与磁极励磁绕组串联后再接在直流电源上，即电枢中通过的电流与磁极中通过的电流相等，如图3-14所示。
图3-14 串励形式
复励形式有并励和串励两个磁极绕组，可以视为电枢绕组与磁极励磁绕组先并联再串联，或者先串联再并联的形式，如图3-15所示。
图3-15 复励形式
ⅱ.直流伺服电机的特点 直流电机的转速 w 与外加直流电压 e 成比例，转矩 τ 与电流 i 成比例，即满足线性公式：
式中 K τ ， K e ——比例常数，表示电机的物理属性。
ⅲ.直流伺服电机的分类 直流伺服电机分类方式有很多种。常见的分类方式有根据电机惯量分类和根据内部物理结构分类两种。
根据电机惯量大小的不同，直流伺服电机一般分为大惯量直流伺服电机、中惯量直流伺服电机、小惯量直流伺服电机、特种形式的低惯量直流伺服电机等。
根据内部物理结构的不同，直流伺服电机又可分为普通直流伺服电机、盘型电枢直流伺服电机、空心杯直流伺服电机、无槽直流伺服电机等。其中，普通直流伺服电机一般属于大惯量和中惯量的直流伺服电机，其他三种一般为低惯量的直流伺服电机。
·普通直流伺服电机 其结构与普通直流电机基本相同，由定子和转子两大部分组成。根据磁式不同还可以细分为永磁式和电磁式两大类，如图3-16和图3-17所示。
图3-16 SY系列永磁式
图3-17 SZ系列电磁式
·盘型电枢直流伺服电机 其转子和定子一般都为盘状，沿轴向排列，如图3-18所示。相对普通直流伺服电机，盘型电枢直流伺服电机的轴向尺寸短、结构紧凑、噪声小、效率高，因此广泛应用到机器人等机电一体化的产品中。
图3-18 盘型电枢直流伺服电机
·空心杯直流伺服电机 其最大特点是在结构上采用了无铁芯转子，如图3-19所示。这种新型的转子结构不仅能够消除普通直流伺服电机因铁芯涡流而造成的电能损耗，还大幅降低了电机的整体重量和转动惯量，使电机的性能得到了极大的改善和提高。在工业发达国家，空心杯直流伺服电机已经应用到了大部分行业和多种产品中，如航空飞行、仿生义肢、野外作业装备等领域。
图3-19 空心杯转子
·无槽直流伺服电机 其特点是电枢绕组均匀嵌放在预制的绝缘电枢表面上。这种结构使电机的电感和电抗电势比普通直流伺服电机小得多，为换向提供了有利的电磁条件。此外，这种结构使电机具有较软的机械-电气特性，其稳定性和过载能力都比带补偿绕组的有槽电机大得多。有槽直流伺服电机转子与无槽直流伺服电机转子区别示意如图3-20所示。
图3-20 有槽电机转子与无槽电机转子区别示意
ⅳ.直流伺服电机的控制 主要分为电枢控制和磁极控制两种控制方式。电枢控制是通过改变电枢电压来控制电机转速。磁极控制是用调节磁通来控制电机转速。通常情况下，采用电枢控制方式较为常见。
根据直流伺服电机的工作原理和性质特点可以知道，直流伺服电机的电流与转矩成正比，电压与转速成正比。其特性曲线可以用图3-21表示。
图3-21 直流伺服电机特性曲线
利用电枢电压作为控制信号，就可以实现对电机转速和转向的控制，这就是电枢控制法。当控制电压增大时，电机的机械特性曲线平行地向转速和转矩增加的方向移动，但它的斜率保持不变，所以电枢控制时直流伺服电机机械特性是一组平行的直线。
ⅴ.直流伺服电机的应用 由于伺服电机的转速都比较大，因此直流伺服电机用于机器人时，需要配备减速机构，利用减速机构将电机的输出转速进行减速后，再输出到机器人的执行机构，从而驱动整个机器人的运动。用于小型竞技机器人的直流伺服电机俗称“舵机”，如图3-22所示。
图3-22 futaba
ⅵ.直流伺服电机的优、缺点 长期以来，在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的是应用直流电机的调速系统。但直流电机也存在一些固有的缺点。直流伺服电机的优、缺点对比见表3-2。
表3-2 直流伺服电机优、缺点对比
b.交流伺服电机
ⅰ.交流伺服电机的结构组成及工作原理 交流伺服电机与直流伺服电机的整体结构大同小异，最主要的区别在于没有电刷和换向器。交流电机的工作电源是交流电，交流电本身就有改变方向的特性，因此交流伺服电机不需要换向器。故交流伺服电机有时候也称为无刷伺服电机。
交流伺服电机的主要结构也有两部分，即定子部分和转子部分。定子形成旋转磁场，转子为磁铁（永磁或励磁）。与直流伺服电机差不多，交流伺服电机的定子铁芯通常也用硅钢片叠压而成。在定子铁芯中也安放着绕组。其中一组为励磁绕组，另一组为控制绕组。
直流电机是利用换向器来自动改变线圈中的电流方向，从而使线圈受力方向一致而连续旋转的。因此只要保证线圈受力方向一致，电机就会连续旋转。交流电机就是利用改变磁场来保证线圈受力方向一致的。
交流伺服电机使用时，在定子绕组加上电压后，通入励磁绕组及控制绕组的电流在电机内产生一个旋转磁场，伺服电机很快就会转动起来。旋转磁场的转向决定了电机的转向，当任意一个绕组上所加的电压反相时，旋转磁场的方向就发生改变，电机的转动方向也发生改变。其工作原理如图3-23所示。
图3-23 交流伺服电机工作原理
ⅱ.交流伺服电机的特点 没有电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。定子绕组散热比较方便。适应于高速、大转矩工作状态。
与直流伺服电机相比，交流伺服电机在产生转矩等特性方面与直流伺服电机完全相同，但在同样体积下，交流电机输出功率可比直流电机提高10%～70%，因此交流电机容量可比直流电机大，达到更高的电压和转速。
此外，交流伺服电机与直流伺服电机相比，具有控制精度高、矩频特性好、有过载能力、加速性能好、可靠性高、散热好、转动惯量小、能工作于高压状态下等优点。
ⅲ.交流伺服电机的分类 常见的交流伺服电机有同步型交流伺服电机和异步型交流伺服电机两类，如图3-24和图3-25所示。
图3-24 永磁同步型交流伺服电机
图3-25 ysft系列异步型交流伺服电机
同步型交流伺服电机的定子与感应电机一样，都是在定子上装有对称的三相绕组。而转子不同，按不同的转子结构又分为电磁式和非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式等多种。
异步型交流伺服电机根据励磁绕组的不同一般又有三相和单相之分，从外部形态上又可分为笼式和线绕式。通常多用笼式三相感应电机。
ⅳ.交流伺服电机的控制 对于交流伺服电机，可采用幅值控制、相位控制、幅-相控制等方法来控制伺服电机的转速高低及旋转方向。
幅值控制是指保持控制电压与励磁电压间的相位差不变，仅改变控制电压的幅值的控制方法。
相位控制是指保持控制电压的幅值不变，仅改变控制电压与励磁电压间的相位差的控制方法。
幅-相控制是指同时改变控制电压的幅值和相位的控制方法，可视为前两种控制方法的综合利用。
ⅴ.交流伺服电机的应用 交流伺服电机的工作效率较高，在国防、生产、交通运输、日常生活、医疗设备等各方面都有广泛应用。如现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动。交流伺服电机在机器人领域也得到广泛应用，交流伺服驱动已经有取代直流伺服驱动的趋势。
由于伺服电机的转动速度较高，一般不能直接作用于机构上，在大多数情况下需要与减速机构组合在一起应用，而在添加了减速机构后，由于减速机构与伺服电机连接处必然会有间隙和振动等因素存在，因此会对电机运行速度和位置精度造成不良影响。
近年来，对机器人的高速化和位置的高精度化程度要求越来越高，作为解决上述问题的对策，摒弃减速器，采用直接驱动机器人的直接驱动电机受到了越来越多的关注。
直接驱动电机的工作原理与伺服电机的驱动原理一样，区别在于内部结构上有一些不同，增加了一些结构，使电机可以直接与工作部件连接。总而言之，对直接驱动电机的要求是没有减速器，但仍要提供大输出转矩（推力），可控性要好。图3-26所示是科尔摩根内河电机（Kollmorgen Inland Motor）公司与美国麻省理工学院（MIT）合作开发出的CDDR直接驱动旋转伺服电机。
图3-26 CDDR系列直接驱动旋转伺服电机
从结构上看，直接驱动电机可分为三类：转动型直接驱动电机、直线型直接驱动电机和平面型直接驱动电机。转动型直接驱动电机和其他的电机很相似，输出的运动是转动。直线型直接驱动电机是把转动型直接驱动电机展开成直线的结构。平面型直接驱动电机是两个直线型直接驱动电机以直角形式组合起来。
从工作原理上看，直接驱动电机又可分为VR直接驱动电机和HB直接驱动电机。其中VR直接驱动电机工作采用电磁铁原理，HB直接驱动电机工作采用永磁铁原理。
以上大致介绍了三种不同的电机，这三种电机的性能特点见表3-3。在实际使用中选择机器人电机时，必须经过多方面的考虑后，再选择最合适的那一种。
表3-3 三种电机性能特点比较
一个完整的液压驱动系统包括液压动力元件、液压执行元件、液压控制元件、液压辅助元件等。
① 液压动力元件 是为液压系统产生动力的部件，如齿轮泵、柱塞泵等。齿轮泵如图3-27所示，其工作原理如图3-28所示；柱塞泵如图3-29所示，其工作原理如图3-30所示。
图3-27 齿轮泵
图3-28 齿轮泵工作原理
图3-29 柱塞泵
图3-30 柱塞泵工作原理
齿轮泵的工作原理：外界给主动轮一个驱动输入，主动轮带动从动轮转动，从而使液体（大部分是油）从进口进入，从出口流出，利用流体的特性，给液压执行元件提供能量。
柱塞泵的工作原理：电机带动偏心轮转动，偏心轮再带动柱塞做往复运动，从而使液体流动，给液压执行元件提供动力。
② 液压执行元件 是用来执行将液压泵提供的液压能转变成机械能的装置，主要包括液压缸和液压马达（图3-31和图3-32）。液压缸和液压马达是与液压泵做相反的工作的装置，也就是把液压的能量转换成为机械能，从而实现对外做功。
图3-31 液压缸
图3-32 液压马达
③ 液压控制元件 是用来把液压动力元件提供的液压能量，按照我们所需要的结果进行分配的元件。主要是各种阀门，如压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀等（图3-33）。液压控制元件根据控制方式的不同，分为手动控制、自动控制、电磁控制。
图3-33 WEBTEC公司生产的各种控制阀
④ 液压辅助元件 主要是管路、管接头、过滤器、密封装置等元件。
以上液压元件通过不同的组合方式，就能够建设起不同的液压回路，如压力控制回路、速度控制回路、多缸工作控制回路等，从而实现液压驱动的目的。
液压驱动本质上来说是利用了液体流动体积不变的特点，在密闭的容器内，液压动力元件产生一定的压力，利用有压力的液体作为工作介质，通过液压控制元件控制液体的压力和流量，实现能量转换和动力传递，从而进行驱动。
液压驱动的主要特点是采用了液体作为介质，通过液体压力来实现驱动，单位质量的输出功率高。液压驱动优、缺点对比见表3-4。
表3-4 液压驱动优、缺点对比
电机驱动与液压驱动优、缺点对比见表3-5。
表3-5 电机驱动与液压驱动优、缺点对比
由于液压技术有许多突出的优点，从民用到国防、由一般传动到精确度很高的控制系统，都得到了广泛的应用。液压驱动主要应用在重负载下具有高速和快速响应，同时要求体积小、重量轻的场合。
液压驱动在机器人中的应用，以面向移动机器人，尤其是重载机器人为主。在机器人领域，液压驱动器曾经广泛应用于固定性工业机器人中，但是从维护等角度考虑，它已经逐渐被电机驱动所代替。不过目前在大型工业机器人、军事机器人中仍有应用，如图3-34和图3-35所示。
图3-34 BIGdog机器人关节采用液压驱动
图3-35 Brokk液压拆砖机器人
如今，液压已经是广泛应用的驱动技术，以后更有广阔的运用前景。随着计算机的深入发展，液压控制系统可以和智能控制技术、计算机控制技术等结合起来，这样就能够在更多的场合中发挥作用，也可以更加精巧地、更加灵活地完成预期的控制任务。
气动驱动与液压驱动的结构非常类似，只不过它的压力传动介质是空气。除了压力传动的介质不一样外，其他组成原理上几乎是一模一样的。典型的气动驱动系统由气压动力元件、气压执行元件、气压控制元件、气压辅助元件等构成。其定义和作用可参考液压驱动的内容。
与液压驱动相比，气动驱动的优点在于体积小、重量轻、输出/质量比高、处理简便、成本低、不发热、柔软、安全性高、无污染。气动驱动的缺点在于控制精度不高，控制响应速度不够快，控制性能容易受到外在的影响，如摩擦、载荷等。在使用时，应充分利用其优点，尽量避开或者减小其缺点的影响。
气动驱动的一个典型产品是气动人工肌肉，如图3-36所示。气动人工肌肉模仿了人类肌肉柔性的特点，根据人类肌肉运动机理设计而成。与气缸相比，气动人工肌肉更加轻便，功率体积比更高。近年来，气动人工肌肉越来越受到关注，特别是在仿生机器人领域中已经开始应用，有着良好的应用前景。
图3-36 气动人工肌肉
需要指出的是，单根气动人工肌肉只能提供拉力，因此如果需要实现正、反两个方向的运动，需要将其与拉伸弹簧组合使用或者多根气动人工肌肉成对使用才可以。