机器人驱动器调研报告
关于机器人驱动器的调研报告
摘要：在现代发展中，机器人的重要性不断体现，在各个领域都有着机器人的身影。而机器人驱动器是维持机器人运动并实现各种运动必不可少的部分。本文主要介绍各种机器人驱动器的原理、特点以及应用，为机器人驱动研究提供参考。
关键词：机器人驱动器原理特点应用
Research Report on Robot Driver
Abstract：In modern development, the importance of the robot continues to reflect, presenting the robot figure in all areas. The robot driver is the essential part to maintain the movement of the robot and achieve all kinds of movements. This paper mainly introduces the principle, characteristics and application of various robot drivers, and provides reference for robot driving research.
Key words：robot，robot driver，principle，characteristic，application
目录
1前言 (2)
2电机驱动 (2)
2.1普通电机驱动 (2)
2.2步进电机驱动 (3)
2.3直线电机驱动 (4)
3液压驱动 (4)
4气压驱动 (5)
5磁致伸缩驱动 (5)
6压电驱动 (6)
7静电驱动 (6)
8形状记忆合金驱动器 (6)
9光驱动器 (7)
参考文献 (8)
0 前言
随着各学科的进步，机器人驱动的方式不断发展，方式多样。主要分为三大类：电气驱动、流体驱动、新型驱动。而新型驱动方式根据原理不同，又能分为六种：磁致伸缩驱动、压电驱动、形状记忆合金驱动、静电驱动、光驱动等。[1]
1 电机驱动
1.1普通电机驱动
a)原理: 直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。
b)特点: 交流电机一般不能进行调速或难以进行无级调速，即使是多速电机，也只能进行有限的有级调速；直流电机能实现无级调速，低速性能好，运行平稳，转速和转矩容易控制。换相器需要经常维护，电极刷易磨损，噪音大。实现了位置,速度和力矩的闭环控制;克服了步进电机失步的问题;高速性能好,抗过载能力强,低速运行平稳,动态响应时间短,发热和噪声明显降低。
c)应用: 应用于机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、自动化生产线等对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求相对较高的设备。其中在机器人领域西南科技大学设计一款普通电机驱动的侦测型机器人。在这款机器人中，将两台直流电机布置在两侧履带，一台直流电机布置在两侧前摆臂，实现机器人前后左右转动，同时对左右履带电机做闭环锁零控制，保证运动可靠性；在底盘上布置3台电机，保证机器人在上下楼梯时在斜坡上可以停靠；云台升降采用电机带动，实现云台的转动。如图1-1所示。[2; 3]
图1-1 机器人结构
2.2步进电机驱动
a）原理:步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。步进电动机的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动。正常运动情况下，它
每转一周具有固定的步数；做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。
b）特点:
(1) 反应式步进电动机(VR)。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。
(2) 永磁式步进电动机(PM)。永磁式步进电动机出力大，动态性能好；但步距角大.
(3) 混合式步进电动机(HB)。混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。
c)应用:随着微电子和计算机技术的发展,步进电机广泛应用于数控领域和电子计算机的外围设备中,同时也在军用仪器和医疗设备得到广泛应用.此外也用于一些特殊用途的机器人驱动器。[4]如意大利的SUPERSIGMA机器人，波兰华沙航空工程和运用机械技术大学研究机构研究制造的机器人等。
2.3直线电机驱动
a）原理：在直线电机入三相电流后，会在气隙中产生磁场，如果不考虑端部效应，磁场在直线方向呈正弦分布，只是这个磁场是平移而不是旋转的，因此称为行波磁场。行波磁场与磁极相互作用便产生电磁推力，驱动动子沿定子作往复直线运动。
b)特点：由于系统中取消了一些时间响应常数大的机械传动件，所以系统动态响应性能大大提高，反应敏捷；通过直线位置检测反馈控制，大大提高定位精度；由于“直接驱动”，避免了运动滞后现象，提高了传动刚度；能实现启动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停；行程长度不受限制，运动安静，噪声低，效率高。
c)应用：最常见的有管道壁清洁机器人，此外在涉及生产流水线系统高速机器人，包括单轴机械手，工作滑台等。其中工作滑台与直线移动的直线电机相连，并且工作滑台连接有四轴机械手，在流水线生产过程中，直线电机带动滑台移动，保证机械手的围与生产线的相对静止，实现一种相对静止的工作环境。
3液压驱动
a）原理：由于液压油液具有不可压缩性，依靠液体介质的静压力，完成能量的积压，传递，进而实现机械传动。
b）特点：获得较大的功率重量比，结构简单紧凑，刚性好，定位精度高，平稳，能有效防止过载现象发生；油液容易泄露，油液粘度多变，对环境温度要求高，油液中容易混入杂质。
c）应用：适于在承载能力大，惯量大以及在防旱环境中工作的机器人中应用。大学提出一种液压驱动四足机器人，实现在复杂地形环境下携带大负载进行作业，具备快速响应的能力。液压驱动系统刚度好，精度高，响应快，易于在大的速度围工作，能够显著增强机器人的负载能力，在获物载运量和快速性方面更具优势。这种机器人由液压放大元件和
执行元件组成直接控制负载的液压拖动系统，并采用阀控液压缸系统驱动。机器人再辅以位置控制和速度控制，可以有效弥补阀控液压缸系统非线性、不确定性的特点。
4气压驱动
a）原理：以压缩机为动力源，压缩空气为工作介质，来进行能量传递和控制的驱动方式。
b）特点：由于压缩空气的粘性小，流速大，所以快速性好；气源方便，一般工厂都有空气压缩站提供；废气直接排入大气不会造成污染；通过调节气量可实现无级变速；由于空气的可压缩性，气压系统具有很好的缓冲作用；结构简单，刚性好，成本低；基于空气的压缩性，气压驱动很难保证很高的定位精度；向大气排放废气时，会产生噪声；因压缩空气含冷凝水，使得气压系统易锈蚀。
c）应用：最常见的有生产线上气动助力机械手；在智能软体机器人领域也有重大应用，如“小章鱼”机器人是世界上第一个完全软体的且自我驱动的机器，3D打印软体四足机器人等，作为气动业全球领先厂商的德国Festo会选推出类似各类昆虫机器人。
图3-1 自驱动软体“小章鱼”
原理：世界上第一个完全软体自驱动机器人，用“气动”代替“电动”。“小章鱼”依靠体的化学反应供能，在这个化学反应里，少量的过氧化氢转变成大量气体，这些气体流入“小章鱼”的手臂，给手臂充气而引发运动。
图3-2 “小章鱼”电子振荡器模拟电路
上图模拟了简单的电子振荡器，以控制过氧化氢反应的时机，实现自我驱动。
5磁致伸缩驱动
a）原理：磁性体的外部一旦加上磁场，则磁性体的外形尺寸发生变化（焦耳效应），这种现象称为磁致伸缩现象。此时，如果磁性体在磁化方向上的长度增大，则称为正磁致
伸缩；相反，则称为负磁致伸缩。从外部对磁性体施加压力，则磁性体的磁化状态会发生变化（维拉利效应），则称为逆磁致伸缩现象。[5]
b）优点：分辨率高（微米级）、反应速度快（微秒级）、输出力大、产生位移大、体积小、驱动电压低、传动无间隙等；稳定性好，可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化，无疲劳，无过热失效问题。
缺点：磁滞特性、预压力特性（预压力时会得到更大的磁致伸缩系数，同时系数与场强的非线性更强）、弹性模量非线性（与预压力有关）、温度特性（对伸缩率影响大）、涡流特性（高频时对工作性能影响大）。
c）应用：伺服阀、转动式步进马达（扭矩输出12.2N·m，精度高达800微弧度）。超磁致伸缩执行器（较成熟）产生的微位移实现高分辨率的微进给、小尺寸非圆车削、深孔与异形孔加工、机床的振动主动控制等微小驱动场合。[6]
6压电驱动
a）原理：含氟聚合物聚偏氟乙烯（PVDF），当受到外界冲击或振动时，压电材料原子层的偶极子的排列顺序被打乱，并试图恢复原有状态，从而产生电子流进而产生电荷；相反，当给压电薄膜接通变化的电压信号，会使的薄膜的上下运动或振动，从而产生动力。
b）优点：有更好的柔韧性，压电振子可以在更高频率下运行，更适用于交变载荷，寿命更长。
缺点：变形较小（多层，压电堆叠），变形非线性，大变形时受外界影响较大，驱动器用材料及新工艺、大行程高精度（几毫米）、较高电场（大变形）时的非线性、迟滞和蠕变（控制系统优化）。
c）应用：水听器（水下传声器，声信号转换为电信号），动态称重，用于管道监测的双压电薄膜驱动微机器人。
7静电驱动
a）原理：静电驱动是利用静电间的库仑力，通过通入步进电压使得固定与可动部件的电容周期不同，从而产生相对运动的一种驱动方式。静电驱动器利用电荷间的吸力和排斥力互相作用顺序驱动电极而产生平移或旋转的运动。因静电作用属于表面力，它和元件尺寸的二次方成正比，在微小尺寸变化时，能够产生很大的能量。
b）特点：静电驱动器具有高灵敏度、高精度、响应速度快、结构设计加工简单等特点，可与控制电路实现单片集成，但驱动围相对较小，输出驱动力远小于电机。
c）应用：静电驱动器是微机电系统(MEMS）中一种重要的驱动装置，大量应用于微泵、微马达、微谐振器、加速度计等微器件中。[7]
8形状记忆合金驱动器
a)原理:形状记忆效应是指发生马氏体相变的合金形变后，又回复到形变前固有形状的现象。形状记忆合金驱动器利用高温和低温相互转变过程中产生的变形或者回复力达到驱动的目的。目前常用的形状记忆合金驱动器有温控和磁控两种。[8]
b)特点：与磁致伸缩驱动器和压电驱动器相比，形状记忆何家劲驱动器具有较大的驱动行程，较高的工作和断裂能力。温控形状记忆合金驱动器具有非常高的能量密度，但响应频率低。相反，磁控形状记忆合金驱动器的能量密度是磁致伸缩驱动器和压电驱动器的几倍到几十倍，但仍有较大的响应频率。具体参数如下表。
材料温控形状记忆
合金驱动器
磁控形状记忆
合金驱动器
磁致伸缩驱动
器
压电驱动器
最大形变
（%）
8 6 0.2 0.2
最大频率(Hz) 5 10000 50000 50000
能量密度
(kJm3)
3000 90 27 2
工作应力
(N/mm2)
150 / 50 50
断裂应力
(N/mm2)
900 / 700 600
总而言之，形状记忆合金驱动器具有驱动迅速、驱动力大、高阻尼、抗疲劳效应、抗腐蚀能力、结构简单、不噪音、驱动电压低等特点。但温控驱动器响应频率较低，磁控驱动器具有磁致非线性问题。
c）应用：压电驱动器因压电效应的双向性，因而兼有传感和执行双重功能，用途广泛。可用于机器人等的定位装置、紧固件等的连接装置、流体阀门、振动装置等等。
9光驱动器
a）原理：光驱动根据驱动的介质不同分固体光驱动和流体光驱动。固体光驱动主要是应用光致形变材料在光照下的形变来输出驱动力；而流体光驱动则是在光照条件下构造不对称的梯度场，从而形成微流驱动马达。[9]
b）特点：流体光驱动根据形成梯度场不同可分为光生浓度梯度型、电梯度场驱动型、热场梯度型和光梯度场驱动，具体对比如下表。
类型原理
光生浓度梯度型光照使马达部化学反应，使溶质产生浓度梯度差
电梯度场驱动型光照电解电解质，正负离子的非均匀分布形成微电梯度场热场梯度型光照使马达不同区域热场分布不均
光梯度场驱动各区域光强不同，使得部物质形成梯度场
光驱动器最大的特点是具有运动远程可控性，同时其不受电磁干扰影响。但目前光能利用率低、控制难、对外界环境敏感。
c）应用：固体光驱动器可作为微型夹持装置，而流体光驱动器在未来生物临床领域有重大意义。
参考文献
[1]王炜, 现生. 仿肌肉驱动器及其在仿生机器人中的应用[J]. 微特电机, 2009, (06): 56-60.
[2]于舰. 基于DSP的四足液压机器人伺服驱动器的设计与研究[D]. 理工大学, 2014.
[3]炀. 微小型高性能电机伺服驱动器设计[D]. 工业大学, 2010.
[4]鲁有宏. 步进电机电子驱动器及其在机器人中的运用[J]. 电气传动, 1987, (01): 46-51+63.
[5]慧芳. 超磁致伸缩材料力传感执行器关键技术研究[D]. 理工大学, 2012.
[6]永. 超磁致伸缩致动器驱动系统关键技术研究[D]. 大学, 2013.
[7]蛟. 谐振式微静电驱动系统的非线性分析与控制[D]. 西南交通大学, 2014.
[8]徐小兵, 邓荆江. 形状记忆合金驱动器的研究现状及展望[J]. 机械研究与应用, 2013, (06): 187-190.
[9]董任峰, 任碧野, 蔡跃鹏. 光驱动微纳马达的运动机理及其性能[J]. 科学通报, 2017, (Z1): 152-167.