基于機器人驅(qū)動部件特性及應(yīng)用

文/劉宣彤

當(dāng)前應(yīng)用在我國農(nóng)業(yè)、工業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)等各領(lǐng)域中的機器人，根據(jù)其自身作業(yè)需要和結(jié)構(gòu)特點等，所采用的驅(qū)動方式與驅(qū)動部件之間也存在一定的差異性。而在各驅(qū)動方式下，機器人的驅(qū)動部件特性也不盡相同，探究基于機器人驅(qū)動部件特性也是實現(xiàn)對機器人合理利用、充分發(fā)揮其驅(qū)動性能的重要前提。因此本研究具有一定的研究價值和現(xiàn)實意義。

1 機器人的驅(qū)動部件特性

1.1 電氣驅(qū)動部件特性

1.1.1 伺服電機驅(qū)動特性

現(xiàn)階段有許多機器人采取電氣驅(qū)動方式，而在這一驅(qū)動方式中以伺服電機和步進(jìn)電機發(fā)揮著重要的驅(qū)動性能。其中在伺服電機中，根據(jù)具體類型可以將其細(xì)分成直流與交流兩種不同類型的伺服電動機。前者由梯形波控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉等優(yōu)勢特性，且轉(zhuǎn)矩脈動相對較大。而后者主要由正弦波控制，轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比與體積比相對較大，但轉(zhuǎn)矩脈動相對較小。加之內(nèi)部無直流打擊的電刷與整流子，因此大大提升了交流伺服電機驅(qū)動的安全可靠性。

1.1.2 步進(jìn)電機驅(qū)動特性

步進(jìn)電動機同樣作為機器人電氣驅(qū)動中的一種重要驅(qū)動部件，主要通過實現(xiàn)電脈沖向角位移的轉(zhuǎn)化實現(xiàn)驅(qū)動機器人。步進(jìn)電機驅(qū)動器在完成脈沖信號的接收之后，步進(jìn)電機將會在其驅(qū)動下按照既定方向轉(zhuǎn)動固定角度，在對脈沖個數(shù)控制角位移量進(jìn)行有效控制下，可以實現(xiàn)精準(zhǔn)定位。而步進(jìn)電機驅(qū)動通過對脈沖頻率以及電機轉(zhuǎn)動速度等進(jìn)行有效控制，則可以在有效實現(xiàn)精準(zhǔn)定位的同時達(dá)到靈活調(diào)速的效果。由于電氣驅(qū)動部件具有良好的靈活性與精準(zhǔn)性、速度可調(diào)且在驅(qū)動過程中只產(chǎn)生較小的工作噪聲，因此眼下在工業(yè)、醫(yī)療康復(fù)等領(lǐng)域中采用電氣驅(qū)動方式及相關(guān)驅(qū)動部件的機器人已經(jīng)得到了較為廣泛的使用，

1.2 液壓驅(qū)動部件特性

液壓驅(qū)動同樣也是當(dāng)前機器人較為常用的一種驅(qū)動方式，其中最為關(guān)鍵的驅(qū)動部件便是液壓驅(qū)動系統(tǒng)。以滾動機器人為例，該機器人的動力來源便是液壓驅(qū)動，機器人主要通過借助液壓缸驅(qū)動縮放比對機構(gòu)形式進(jìn)行放大，從而使得滾動機器人獲得的變形也相對較大，在將液壓缸作為驅(qū)動元件下，滾動機器人可以在擁有強勁的動力輸出與承載的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)快速響應(yīng)。和氣壓驅(qū)動部件相比，在機器人中靈活運用液壓驅(qū)動部件，可以獲得更高的功率質(zhì)量比與負(fù)載能力，加之液壓驅(qū)動部件結(jié)構(gòu)緊湊、密閉性較好，可以為機器人提供充足的驅(qū)動力。因此液壓驅(qū)動部件目前在我國水下助推機器人等眾多類型機器人中也得到了普及應(yīng)用，并獲得了一定的應(yīng)用成效。

1.3 氣壓驅(qū)動部件特性

氣壓驅(qū)動方式與液壓驅(qū)動基本一致，采用以空氣壓縮機為主要氣壓驅(qū)動部件的機器人，在傳遞能量的過程中通常會使用壓力值在0.4MPa 到0.6MPa 的壓縮控機。氣壓驅(qū)動部件同樣具有結(jié)構(gòu)簡單的特點，并且由于其在驅(qū)動機器人中以空氣壓縮機作為主要動力源，將壓縮空氣作為工作介質(zhì)，因此不僅可以方便快捷地獲取氣源，同時壓縮空氣也幾乎不會出現(xiàn)粘性過大或是污染環(huán)境等問題。但該種驅(qū)動部件也因受到氣壓驅(qū)動功率重量小的影響，使得機器人系統(tǒng)容易出現(xiàn)體積較大的情況。加之采用可壓縮的空氣作為工作介質(zhì)，故而使得氣壓驅(qū)動定位精度相對較低。在對精度要求較高或是水下等容易被腐蝕的環(huán)境中，不建議機器人使用氣壓驅(qū)動部件。但在部分需要搬運重量較輕的物體或是負(fù)荷較小的供液機械中，機器人運用氣壓驅(qū)動部件則可以獲得良好的驅(qū)動效果。

2 機器人驅(qū)動部件的應(yīng)用發(fā)展

在我國近些年加大對機器人技術(shù)研究力度下，機器人驅(qū)動部件以及驅(qū)動技術(shù)均獲得了一定發(fā)展，出現(xiàn)了各種不同類型的機器人驅(qū)動部件。包括人工肌肉驅(qū)動部件、超聲波驅(qū)動部件以及壓電驅(qū)動部件等等，從而使得機器人的應(yīng)用范圍也得到了相應(yīng)拓展。例如建立在仿生學(xué)基礎(chǔ)上的人工肌肉驅(qū)動部件，其作為一種可拉伸的氣動執(zhí)行器，通過對生物肌肉骨骼特征進(jìn)行模仿，從而有效達(dá)到驅(qū)動機器人的效果。目前采用人工肌肉驅(qū)動部件的機器人多運用在康復(fù)訓(xùn)練領(lǐng)域中。如某種可穿戴腕部的動力手套中，采用傳統(tǒng)電機驅(qū)動部件時，機器人骨骼結(jié)構(gòu)容易受到運動過程中急劇變化的沖擊力，進(jìn)而容易對關(guān)節(jié)造成損傷。并且此類驅(qū)動部件質(zhì)量較大，也為人們的康復(fù)訓(xùn)練增加了一定負(fù)重。而采用人工肌肉驅(qū)動部件，機器人在柔性驅(qū)動方式的作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)腕關(guān)節(jié)的靈活伸屈、內(nèi)收與外展。尤其是利用嵌入薄膜壓力傳感器，可以對手掌抓取物體時的作用力進(jìn)行充分感知，在有效實現(xiàn)腕部助力與康復(fù)訓(xùn)練的同時，可以達(dá)到保護腕部的效果。

整體來看，在我國工業(yè)與農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域中，因其對噪聲限值較小且需求功率偏大，因此該領(lǐng)域中的機器人大多采用電氣驅(qū)動、液壓和氣壓驅(qū)動部件。而在家用機器人、康復(fù)訓(xùn)練用機器人等對噪聲要求較高、要求盡可能將驅(qū)動體積與重量降至最低的領(lǐng)域中的機器人，則正在大力發(fā)展人工肌肉驅(qū)動、繩驅(qū)動等全新驅(qū)動技術(shù)與驅(qū)動部件代替?zhèn)鹘y(tǒng)驅(qū)動部件，以獲得更好的驅(qū)動效果。

3 結(jié)束語

總而言之，根據(jù)機器人所采取的驅(qū)動方式的不同，各驅(qū)動部件的驅(qū)動特性之間也存在一定差異。但整體來看，以電氣、液壓及電壓驅(qū)動為代表的傳統(tǒng)機器人驅(qū)動部件，普遍具有結(jié)構(gòu)簡便、驅(qū)動力較大等特性，因此可以基本滿足工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域?qū)C器人的驅(qū)動需求。但隨著機器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，未來還將出現(xiàn)更多以人工肌肉驅(qū)動為代表，具有較高靈活性、噪聲較小且驅(qū)動體積與重量也相對較小的驅(qū)動部件，從而可以有效滿足多樣化的機器人驅(qū)動需求，推動機器人驅(qū)動技術(shù)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。