机器人概论 机器人的动力与驱动
机器人概论第三章 机器人的动力与驱动
机器人概论第三章机器人的动力与驱动随着科技的迅速发展，机器人已经逐渐走入了人们的生活中。
机器人的动力与驱动系统是其能够行动和工作的基础。
本文将介绍机器人动力与驱动的概念、种类以及应用。
一、机器人动力与驱动的概念机器人动力与驱动系统是机器人能够产生动力和运动能力的关键部分。
它通过驱动机体的各个部件，使得机器人能够执行各种操作和任务。
从根本上来说，机器人动力与驱动包括两个方面：动力系统和驱动系统。
动力系统是机器人的能量来源，可以通过电力、气压或液压等方式提供机器人的动力。
而驱动系统则是将动力传递给机器人各个部件的机构。
二、机器人动力的种类机器人的动力可以分为以下几种类型：1. 电动动力：电动机是机器人中最常见的动力源之一。
通过电源供给电动机，通过电磁感应原理产生磁场，进而驱动机械部件的运动。
电动机具有结构简单、可控性高等特点，在机器人中得到广泛应用。
2. 液压动力：液压系统利用流体的力学性质传递动力。
通过液压泵将流体送入液压马达或液压缸中，产生高压力使得机械部件运动。
液压动力具有传动效率高、承载能力大等优点，广泛应用于需要大扭矩和大力的机器人。
3. 气动动力：气动系统以气体为介质传递能量。
通过气压产生作用力，驱动机械部件的运动。
气动动力具有结构简单、响应快速等优势，在一些对响应速度和重量要求较高的应用中得到广泛应用。
三、机器人驱动系统的种类机器人的驱动系统可以根据其机构分类：1. 电力传动：电力传动是机器人中最常见的驱动方式之一。
通过电动机驱动齿轮、皮带等进行机械传动，将动力传递给机器人各个关节实现运动。
2. 液压传动：液压传动通过液压泵、阀门等控制液压系统，实现对各个机械部件的驱动。
3. 气动传动：气动传动通过空气压力控制，通过气压驱动气缸或气动执行器，实现机器人运动。
四、机器人动力与驱动在实际应用中的意义机器人动力与驱动系统在实际应用中起着至关重要的作用。
首先，合理的动力与驱动系统设计能够提高机器人的工作效率和性能。
机器人技术 第一章 概论
分析：完成电路板插件的机器人最少要几个自由度？
• 机器人的关节
滑动关节（Prismatic）－气缸、液压缸、电机； 转动关节（Rotate）－电机（伺服、步进、直流）
第一章 概论
机器人的自由度和关节
实例
算自由度只算到 腕关节；
转动自由度的转 角范围各不相同；
日本三菱公司产MOVEMASTER-EX 五自由度机器人
…
机器人结构
机器人的结构 ( The Structure of Robot )
简单地说，机器人主要由执行机构、驱动和传动装臵、 传感器和控制器四大部分构成（如图）。
记忆、示 教装置
控制 装置
驱动 装置
传感 器
工业机器人系统结构
关节－舵机原理
第一章 概论
机器人的组成
工业机器人是机电一体化的系统，它由 以下几个部分组成： 1、执行机构 2、机械本体 3、控制系统 4、检测系统
确定必经点
处理器
根据函数，求解逆运动学方程
(t ) (t ) i (t ) i i
关节
确定位置、速度等已知条件 推导位移、速度、加速度等函数
S S (t )
末端操作器
V V (t )
a a(t )
PID关节 控制器
驱动器及 机械本体
传感器
第一章 概论
机器人的自由度和关节
剧中的人造劳动者取名为 Robota ，捷克语的意思 是“苦力”、“奴隶”。英语的Robot一词就是由此而 来的，以后世界各国都用Robot作为机器人的代名词。
机器人的发展历史
( The Developing History of Robots )
•古代“机器人”——现代机器人的雏形
机器人行走的机械原理
机器人行走的机械原理
机器人行走的机械原理可以通过以下几个方面来解释：
1. 步进电机原理：机器人的腿部通常由多个步进电机驱动，步进电机可以通过电脉冲的控制来精确地控制腿部的运动。
每个步进电机可以按照预设的步距和步频移动，从而实现机器人的行走。
2. 杠杆原理：机器人的身体通常由多个杠杆连接而成，杠杆的长度和位置可以决定机器人行走的稳定性和速度。
通过调整杠杆的长度和角度，可以改变机器人行走的步幅和步频。
3. 传动装置原理：机器人的步行通常需要使用传动装置来将电机的旋转转化为腿部的运动。
常见的传动装置包括齿轮传动、链条传动和皮带传动等。
这些传动装置可以将电机的高速旋转转换为腿部的低速高扭矩运动，从而保证机器人能够行走。
4. 重心控制原理：机器人行走时需要保持稳定的重心。
通过调整机器人身体的重心位置，可以控制机器人的姿态和行走的稳定性。
一些机器人还配备了陀螺仪和加速度计等传感器，通过实时监测机器人的倾斜状态来进行重心控制。
5. 控制系统原理：机器人的行走通常由一个控制系统来控制。
控制系统根据传感器的反馈信息，通过算法对电机进行控制，从而实现机器人的行走。
常见的控制算法包括PID控制、模糊控制和神经网络控制等。
不同的控制算法可以根据实际需求来选择，以实现机器人行走的稳定性和灵活性。
机器人动力学名词解释
机器人动力学名词解释机器人动力学是研究机器人运动和力学特性的学科。
它涉及到描述机器人运动的数学模型、力学原理和控制算法等方面的知识。
下面我将从多个角度对机器人动力学进行解释。
1. 机器人动力学的定义，机器人动力学是研究机器人运动学和力学学科的一部分，它主要关注机器人的运动规律、力学特性以及运动控制等方面的问题。
2. 机器人运动学和动力学的区别，机器人运动学研究机器人的几何特性和位置关系，而机器人动力学则研究机器人的运动过程中所涉及的力学原理和力的作用。
3. 机器人动力学的重要性，机器人动力学是实现机器人精确控制和运动规划的基础。
通过研究机器人动力学，可以了解机器人在不同工作状态下的运动特性，为机器人的控制算法和路径规划提供理论支持。
4. 机器人动力学模型，机器人动力学模型是描述机器人运动和力学特性的数学模型。
常用的机器人动力学模型包括欧拉-拉格朗日方程、牛顿-欧拉方程等。
这些模型可以描述机器人的运动学和动力学特性，并用于机器人的控制设计和仿真研究。
5. 机器人动力学的应用领域，机器人动力学广泛应用于工业机器人、服务机器人、医疗机器人等领域。
在工业机器人中，机器人动力学可以用于路径规划、轨迹控制和碰撞检测等任务。
在服务机器人和医疗机器人中，机器人动力学可以用于实现精确的操作和运动控制。
6. 机器人动力学的挑战和研究方向，机器人动力学研究面临着复杂的多体动力学问题、非线性控制问题和实时性要求等挑战。
当前的研究方向包括机器人动力学建模与仿真、动力学控制算法设计、力觉反馈控制等。
总结起来，机器人动力学是研究机器人运动和力学特性的学科，涉及机器人的运动规律、力学特性和运动控制等方面的内容。
它在机器人控制、路径规划和仿真等领域具有重要的应用价值。
第1章机器人概论
第1章机器人概论
机器人是一种特殊的机械系统，在他们的内部，通过软件、硬件的结合，来实现任务的自动化完成。
机器人的特点是在输入指令的情况下，可以根据程序自动执行任务，并能够利用相关信息自主地作出反应。
自动化工厂中机器人占据重要的地位，从自动焊接机器人到大型仓储机器人，近年来，机器人的应用得到了迅速的发展，可以实现各种任务的自动化，并有望实现更高效、更精准的完成。
二、机器人的分类
机器人可以按照运动形态分为机械机器人和柔性机器人，也可以根据功能来划分为抓取机器人、装配机器人、搬运机器人、喷涂机器人、焊接机器人、管理机器人等；另外，机器人还可以根据应用行业种类来分类，包括电子机器人、食品行业机器人、工业机器人等。
三、机器人的发展现状
目前，机器人已经在许多领域实现了应用，如电子行业的自动焊接机器人已经取得较大的成功；在汽车生产领域，已经大量应用了机器人，来实现搬运、装配、焊接等任务；在家庭的清洁和安全管理领域，家用清洁机器人和安防机器人都已经投入使用。
随着机器人技术的不断提高，未来应用范围也将进一步扩展，使机器人在社会各个领域得到广泛应用。
工业机器人概论论文
机器人概论学院：机电工程专业：机械设计制造制造及其自动化学号：***************工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。
主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。
大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。
工业机器人按臂部的运动形式分为四种。
直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。
工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。
点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。
工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。
编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件，通过RS232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜。
示教输入型的示教方法有两种：一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒)，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；另一种是由操作者直接领动执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。
在示教过程的同时，工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。
示教输入程序的工业机器人称为示教再现型工业机器人。
具有触觉、力觉或简单的视觉的工业机器人，能在较为复杂的环境下工作；如具有识别功能或更进一步增加自适应、自学习功能，即成为智能型工业机器人。
它能按照人给的“宏指令”自选或自编程序去适应环境，并自动完成更为复杂的工作。
一，机器人技术发展进程、现状及发展趋势机器人技术的发展经历:1920年捷克作家卡雷尔·查培克在其剧本《罗萨姆的万能机器人》中最早使用机器人一词。
工业机器人技术基础第2章 工业机器人的数学基础
根据此定义与微分的基本性质，可得如下关系式：
def d da dA (aA) A a dt dt dt
def d dA dB ( A B) dt dt dt
def d dA dB ( AB) B A dt dt dt
上式中： a为时间函数的标量； A与B 均为时间函数的矩阵，它们满足 矩阵运算的条件。
4 2 0
2 2 1
0 1 3
如果n阶矩阵A=（aij）的元素满足aij= aji（i，j=1，2，，n），则称 A为n阶反对称矩阵。显然，故aii=0（i=1，2，，n）
如：
0 1 2
1 0 3
2 3 0
第二章 工业机器人的数学基础
对于单位矩阵E,容易验证 EmAmn = Amn ， AmnEn = Amn 。 有了矩阵的乘法，就可以定义n阶方阵的幂。设A是n阶方阵，定义 A1 = A，A2 = A1 A1， ，Ak+1 = AkA1 ， 其中k为正整数。这就是说，Ak就是k个A相乘。显然，只有方阵的幂才有 意义。由于矩阵乘法适合结合律，所以方阵的幂满足以下运算规律： AA = A+ ，(A) = A 不过，一般 (AB)k AkBk。
b1 b B 2 bn
第二章 工业机器人的数学基础
工业机器人技术基础
例2 求AB和BA。其中
1 A 1
解：
1 1 ,B 1 1
1 1
1 AB 1 1 BA 1
1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 2` 2 1 1 1 2 2
a1n b1n a2 n b2 n amn bmn
工业机器人技术基础 第2版 第1章 工业机器人概论
第1章 工业机器人概论
1.1 工业机器人定义及其发展
工业机器人由来
机 器 人 （ Robot ） 一 词 来 源 于 捷 克 斯 洛 伐 克 作 家 Karel Capek（卡雷尔.萨佩克） 1921年创作的一个名为“Rossums Uniersal Robots”（罗萨姆万能机器人）的剧本。在剧本中， Capek 把在罗萨姆万能机器人公司生产劳动的那些家伙取名为 “Robot”（汉语音译为“罗伯特”），其意为“不知疲倦的 劳动”。 Capek把机器人定义为服务于人类的家伙，机器人的 名字也正式由此而生。后来，机器人一词频繁出现在现代科幻 小说和电影中。
KUKA过山车机器人
激光焊接机器人
第1章 工业机器人概论
工业机器人技术基础
3、安川工业机器人介绍
1977年安川电机运用独自的运动控制技术开发生产出了日本第一 台全电气化的工业用机器人“莫托曼1号”，此后相继开发了焊 接、装配、喷漆、搬运等各种各样的自动化作用机器人，并一直 引领着全球产业用机器人市场。
第1章 工业机器人概论
工业机器人技术基础
1.1 工业机器人定义及其发展 工业机器人定义 定义虽不同，但有一定的共性，即：
工业机器人是由仿生机械结构，电机、减速机和控制系统组成的，用 于从事工业生产，能够自动执行工作指令的机械装置。它可以接受人类指 挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代工业机器人还可以根据人工智 能技术制定的原则和纲领行动。
ABB的领先不光体现在其所占有的市场份额和规模，还包 括其在行业中敏锐的前瞻眼光。
世界上第一台喷涂机器人
世界上第一台工业机器人
ABB的应用
第1章 工业机器人概论
库卡（KUKA）工业机器人介绍
工业机器人技术基础
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03 机器人的电动力系统
3.2 机器人与步进电机
步进电机能将数字脉冲信号变换为角位移信号，每当接收 到一个脉冲信号，步进驱动器就按设定的方向转动一个微 小的角度。
步进电机的特征是：
如果给步进电机输入一个脉冲，电机转子就转过一定的 角度，称之为“一个步长的转动”，其转过的角度被称 为：步距角（Step Angle）；
05 动力系统功率放大器
5.1 关于机器人动力的放大
然而，D/A 口和 PWM 口传送的控制信号是微弱的，一般 不能直接推动动力装置。 为了驱动动力装置，需要对控制信号 Pc 进行放大，这就 是功率放大器存在的价值和必要性。
其实，在电气电子系统（如：收音机，电视机，电风扇等） 中，功率放大电路是常见的，并且，形式多样。
肢人因 体机此 的械， 精臂步 确和进 控机电 制械机 。腿实
等现 机机 械器
03 机器人的电动力系统
3.3 机器人与直流电机
一般移动式机器人通常采用中小型的直流电动机驱动。
以电磁式直流电动机为例，主要由永久磁体和电枢构成。 电枢又称转子，包括转轴、铁芯和缠绕在铁芯上的线圈。
当电流 i 流经线圈 abcd 时，铁芯周围便形成磁场，导线 ab 和 cd 受到电磁力 F 的作用，形成转动力矩，驱使电枢 转动。
05 机器人与电池
5.1 关于移动式机器人的电池
在自治移动式机器人系统中，最常见的是电动力机器人。 在电动力自治移动式机器人各种供电方式中，电池供电时 最常见的供电方式。 电池一般可分为三类：
化学电池：1）一次电池，2）二次电池（蓄电池），3） 燃料电池； 物理电池：1）太阳能电池，2）热电动势电池； 生物电池：1）氧化电池，2）微生物电池。
P常c：是电控动制力信的号。，P大通a，：可控Pd以制：是动消电力耗动，的力是动的对力P的，。mP动P经：液cu力传：发的动。动驱动力放系动机统肢输将体出P的m动转力换成， 机的器，人或动气力动系力统的的。构成了：机械动力。
02 机器人的动力系统
2.2 机器人动力系统实例
两轮机器人的动力系统如下图所示，采用直流伺服电机， 驱动机器人的轮系。
01 机器人的动力源
1.3 机器人的特殊动力源
除常规动力源之外，还存在诸多特殊的动力源，可用作机 器人的驱动力，其中一些可能预示着自主移动式机器人动 力源今后的发展方向，如：
超声波电机：用超声波激励弹性体定子，使其表面形成 椭圆运动，转子因而在摩擦力的作用下获得推力。 橡胶驱动器：利用橡胶等弹性结构体的形变产生动力， 可实现：柔性微驱动器，人工肌肉，人工手指等。 静电驱动器：利用带电体之间的静电力实现驱动，如： 静电摆动电机，步进直线驱动器，薄膜静电驱动器等。 磁流体驱动器：磁流体是能与磁铁产生反应的流体，利 用磁流体中非磁体的运动，可产生动力。
3.4 机器人与交流电机
在无刷DC电机中，逆变器将直流电（DC）变换为交流电 （AC），然后，施加给交流同步电机。
AC
电
路 原 理 图
伺 服 电 机
驱
动
系
统
无刷DC电机=逆变器+AC同步电机
04 机器人的供电方式
4.1 电池供电方式
电池是自治移动式机器人最常用的动力源。
采用电池供电方式，意味着：动力源可以直接安放在自治 移动式机器人本体上，随机器人本体一起迁徙或移动。
05 动力系统功率放大器
5.2 功率运算放大器
运算放大器（Operational Amplifier，OP）是我们大家熟 悉的，它在机器人技术，传感技术，和控制系统中，是十 分重要的元件。特别地，运算放大器在功率放大器中扮演 着重要角色。 理想的运算放大器，其输出阻抗为零，这意味着：运算放 大器的输出电流可以任意大。 功率 OP 放大器与一般的 OP 放大器几乎没有什么区别。 不同之处仅仅在于输出电流的电路部分。 市场上的功率 OP 放大器一般可输出 1A 左右的电流，特 殊的可输出3-10A 的电流。 功率 OP 放大器充当功率放大器的优点在于：功率 OP 放 大器本身兼有控制器，易于设计和安装。
自治移动式机器人， 在较小的或限定的范 围内移动，或在实验 室内试验时，也可由 电缆提供电动力，实 现驱动。
美国的 BigDog 在实 验室内试验时，就采 用了电缆供电。
04 机器人的供电方式
4.3 发电机供电方式
发动机，如：汽油机和柴油机，一方面，可直接地作为动 力源，驱动机器人运动；另一方面，又可以带动发电机发 电，为机器人提供电能。 在一般环境中移动的机器人，可采用汽油机或柴油机驱动 发电机，再通过电缆为电动机器人提供动力。 例如：在消防系统中，由发动机带动发电机的专用电源车， 既为照明系统提供电源，又为灭火机器人和搜救机器人提 供电动力。 这时，机器人随电源车一起移动，电源车的电源通过电缆 向机器人输送电动力。
步进电机（Ste动pp式in机g 器M人ot，or最）常：用控的制驱性动能系好统。，定位精度 高，负载能力稍差； 直流伺服电机（Direct Current Motor）：易于控制，有 一定负载能力，电刷和整流子易引起摩擦损耗； 交流伺服电机（Alternate Curent Motor）：性能和效率 与DC电机相似，无需整流子和电刷，需交流推动； 直接驱动电机（Direct Drive Motor）：没研究过。
光电池工作原理
实际上，所谓正电子， 就是失去电子而带正 电的空穴。
充电时，受光照射，电子向 n 型半导体扩散进入空穴，犹 如低处的水注入蓄水池积蓄了势能。
放电时，电路接通犹如蓄水池的闸门开启，电子向 p 型半 导体运动，从而形成由负极流向正极的电流。
05 动力系统功率放大器
5.1 关于机器人动力的放大
即：
(t)u(t)/KE
其中，KE为反电动势常数，这意味着，控制加载到电枢 线圈的电压u(t) ，就能控制电机的旋转速度。
03 机器人的电动力系统
3.4 机器人与交流电机
交流电机主要有三种形式： 鼠笼式感应型电机 交流整流子型电机 同步电机
在机器人系统中，一般采用永久磁铁转子的同步电机，这 就是交流伺服电机。
动力系统
电机 液压 电机 液压 电机 气动 液压 电机 气动
特定区域 室内 室外
特殊驱动器 电机
动力源 电源电缆 电源电缆 发动机 电池 气罐 发动机 电池 气罐
微波 电池
01 机器人的动力源
1.2 机器人的常规动力源
电动力系统：或电驱动系统（Electric Actuator），是以 电动机为驱动器的动力系统，如：步进电机，直流电机， 交流电机。
Pc：控制信号，由 DSP发送的PWM电信号。
P出m的：P采动直p用力：流锂。主电电动机池力输。源，
Pa：控制动力，是对 Pc 放 Pu：经传动系统（减速 大后驱动电机的电压量。 器）将Pm转换成驱动轮
系的机械动力。 两轮机器人动力系统的构成
03 机器人的电动力系统
3.1 机器人电动力系统的类型
电动力系统的动力，自然，来自电动机，或称电动马达 （Electric Motor）机 然，器而主人，要可电有以动有力4 各系种种统类各是型样机：的器动人力，源特和别动是力自系主统移，
机器人技术概论
Introduction to Robotic Technology
第三章 机器人的动力与驱动
(Power and Drive of Robots)
01 机器人的动力源 02 机器人的动力系统 03 机器人的电动力系统 04 机器人的供电方式 05 机器人与电池 06 机器人动力系统的功率放大器
04 机器人的供电方式
4.4 微波供电方式
微波供电方式，也即电磁能供电方式。
电池供电方式的缺点在于：电池的电能与体积和重量成正 比，因此，自治移动式机器人对电池小型化和轻型化的要 求，与其对电池长时间供电的要求，是矛盾的。 电缆供电方式的缺点在于：它妨碍机器人的自主移动。
微波供电方式，是一种无线能量供给方式，它效仿太阳向 地球输送能量的方式，利用GHz带宽的微波向机器人提供 能量，特别适用于小型或微型机器人，如：能进入人体的 手术机器人。 目前，这种所谓的宇宙能传送方式还未进入实用阶段，然 而，有关微型飞行机器人的能量传送试验已取得进展。
动力，是驱动机器人的源泉，是机器人的 能量流动和信息流动的源泉，是机器人活 性的源泉。
01 机器人的动力源
1.1 不同类型的机器人可以有不同的动力源
机器人类型 机械臂 搬运机器人 建筑机器人 救助机器人
小型移动式 机器人 微型机器人 仿人机器人
运动空间 车间内 车间内 室外 室内 室外
室内 室外
这种交流伺服电机，具备直流伺服电机的基本性质，即：。 转矩T(t)与线圈电流i(t) 成正比：T(t)= KTi(t)
无负载转速(t)与线圈电压u(t)成正比：(t)= u(t)/KE
可理解为：DC电机的电刷和整流子换成了半导体元件组 成的逆变器，因而，又称：无刷直流电机。
03 机器人的电动力系统
电池，作为自治移动式机器人动力源使用时，一般希望满 足：体积小，重量轻，能量密度大，等要求。
05 机器人与电池
5.2 Robot 与光电池
使用光蓄电池或太阳能蓄电池作为自主移动式机器人的摄 能和储能器官是机器生命自主摄能的一种途径。
例如，Walter的机器龟Elmer和Elsie的摄能和储能器官就
机电 的磁 结式 构直 和流 原电 理动
03 机器人的电动力系统
3.3 机器人与直流电机
直流电机具有良好的控制特性：
转矩T(t)与流经电枢线圈的电流i(t)基本成正比，即： T(t)KTi(t)
其中，KT为转矩常数，这意味着，控制流经电枢线圈的 电流i (t)，就能控制电机的输出转矩。