《機器人技術應用》 課件第5章 機器人機械結(jié)構與電機

第5章機器人機械結(jié)構與電機教學目標《機器人技術應用》1.了解機器人常用的機械零件和機械結(jié)構；2.掌握直流電機、步進電機、伺服電機的結(jié)構、工作原理和應用方法。目錄頁PAGEOFCONTENT5.1機器人骨骼-機械結(jié)構5.2機器人電機

5.1機器人骨骼-機械結(jié)構5.1.1機器人機械結(jié)構的組成很多人可能認為機器人具有人的形態(tài)、能夠模仿人類說話、行走等。但事實上，除了部分場所使用的擬人化服務機器人外，大多數(shù)機器人都不具有基本的人類形態(tài)。特別是工業(yè)生產(chǎn)場所使用的機器人，許多是以機械手的形式存在。

5.1機器人骨骼-機械結(jié)構5.1.1

機器人機械結(jié)構的組成機器人的形態(tài)是通過一系列機械零件與機械結(jié)構聯(lián)接而成的，機械零件與機械結(jié)構是構成機器人的骨骼，是機器人技術的基本組成部分，主要包括：1）傳動件：如齒輪、帶輪、鏈輪、凸輪等。2）聯(lián)接件：如螺栓、銷、鍵、鉚釘?shù)取?）緩沖件：如彈簧。4）支撐件：如機座、軸承等。5）聯(lián)軸器與制動器。5.1機器人骨骼-機械結(jié)構1.工業(yè)機器人的機械結(jié)構工業(yè)機器人是一種模擬人的手臂、手腕和手功能的機電一體化裝置。能夠精確控制所操作物體的位置、位移、速度和加速度，從而完成一系列工業(yè)生產(chǎn)作業(yè)要求。工業(yè)機器人的機械結(jié)構包括：1）機械臂（執(zhí)行結(jié)構）2）驅(qū)動裝置3）傳動裝置

5.1機器人骨骼-機械結(jié)構2.服務機器人的機械結(jié)構服務機器人的機械結(jié)構形式由工作任務和作業(yè)環(huán)境決定。按照其本體結(jié)構的運動能力，服務機器人分為靜止式和移動式兩類。靜止式服務機器人的機械結(jié)構與工業(yè)機器人類似，采用多關節(jié)臂結(jié)構。通常工作于結(jié)構化環(huán)境，機器人與環(huán)境的之間的互動較少，工作任務比較單一，比如汽車加油、醫(yī)療保健、殘疾人護理等。移動式服務機器人是目前大多數(shù)服務機器人所采用的本體結(jié)構形式，其移動機構包括：輪式結(jié)構、履帶式結(jié)構、滾筒式結(jié)構、爬式結(jié)構、腳式行走結(jié)構等。5.1機器人骨骼-機械結(jié)構5.1.2.機器人的執(zhí)行機構由許多機械連桿連接而成的機械臂，是工業(yè)機器人的執(zhí)行機構。它本質(zhì)上是一個仿人手臂的空間開式鏈機構，一端固定在基座上，另一端可自由運動。主要由手爪、手腕、手臂、基座四部分組成。1.工業(yè)機器人的執(zhí)行機構5.1機器人骨骼-機械結(jié)構1.工業(yè)機器人的執(zhí)行機構1.手爪習慣上又稱作末端執(zhí)行器，是為了實現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)，給機器人配置的操作機構。2.手腕聯(lián)接手爪和手臂的機構，作用是改變手爪的空間方向，將作業(yè)載荷傳遞到手臂。5.1機器人骨骼-機械結(jié)構1.工業(yè)機器人的執(zhí)行機構3.手臂聯(lián)接機身和手腕的部分，由操作的動力關節(jié)和4.基座機器人的基礎部分，起支承作用．對固定式機器人，直接聯(lián)接在地面基礎上，對移動式機器人，連接桿件等構成。主要作用是改變手腕和末端執(zhí)行器的空間位置，滿足機器人的作業(yè)空間，并將各種載荷傳遞到基座。則安裝在移動機構上，分為有軌和無軌兩種。5.1機器人骨骼-機械結(jié)構2.服務機器人的執(zhí)行機構1.靜止式服務機器人執(zhí)行機構與工業(yè)機器人相似，不同點在于末端執(zhí)行2.移動式服務機器人執(zhí)行機構包括操作機構和行走機構。操作機構：手、手臂和手腕。器接裝不同的機械裝置。行走機構：足式、輪式、履帶式、蠕動行走方式等。5.1機器人骨骼-機械結(jié)構5.1.3.機器人的傳動機構1.機器人傳動機構的功能傳遞驅(qū)動裝置提供的動力和運動，帶動執(zhí)行機構產(chǎn)生運動，以保證末端執(zhí)行器具有精確的運動位置、姿態(tài)和運動速度。5.1機器人骨骼-機械結(jié)構2.工業(yè)機器人的傳動機構工業(yè)機器人廣泛采用的機械傳動機構是減速器，與2）諧波減速器1）RV減速器短、體積小、功率大、質(zhì)量輕和易于控制等特點。現(xiàn)在大量應用在關節(jié)型工業(yè)機器人上的減速器有：通用的減速器相比，機器人關節(jié)減速器要求具有傳動鏈此外，工業(yè)機器人還采用齒輪傳動、帶傳動、直線運動單元等。5.1機器人骨骼-機械結(jié)構2.工業(yè)機器人的傳動機構1.RV減速器組成：主要由太陽輪、行星輪、轉(zhuǎn)臂、轉(zhuǎn)臂軸承、

用途：適用于高精度機器人傳動，主要裝置在基座、手臂等承受重負載的位置。RV齒輪、針齒、剛性盤與輸出盤等零件組成。特點：回轉(zhuǎn)精度穩(wěn)定，有較高的疲勞強度和剛度、使用壽命長。5.1機器人骨骼-機械結(jié)構2.工業(yè)機器人的傳動機構2.諧波減速器組成：主要由一個有內(nèi)齒的剛輪、能徑向彈性變形

用途：主要裝置在小臂、腕部或手部等輕負載位置。的外齒柔輪、一個裝在柔輪內(nèi)部的波發(fā)生器三部分組成。特點：傳動比大、傳動精度和傳動效率高、結(jié)構簡單、體積小、重量輕、可向密閉空間傳遞運動。5.1機器人骨骼-機械結(jié)構3.服務機器人的傳動機構一部分對定位精度和重復定位精度要求比高的服務機器人，其傳動機構需要使用諧波減速器或RV減速器，而大部分服務機器人都廣泛采用以下傳動機構：1）齒輪傳動，如直齒輪、斜齒輪、圓錐齒輪、齒輪齒條等2）鏈傳動3）同步帶傳動4）滾珠絲桿傳動5）蝸輪蝸桿傳動5.1機器人骨骼-機械結(jié)構3.服務機器人的傳動機構6）棘輪傳動7）曲軸連桿傳動8）直線運動部件，如直線導軌、直線軸承、氣缸、液壓缸等。一：直線運動部件

特點：（1）運動平穩(wěn)、精度高；（2）互換性強（標準件）；（3）剛度高；（4）質(zhì)量大；適用場合：（1）多與滾珠絲桿配合，實現(xiàn)快速高精度定位。（2）安裝自適應的編碼器。1、直線導軌

（2）直線軸承適用場合：（1）多用于安裝自適應的編碼器，需要成對適用

特點：（1）容許載荷較??；（2）摩擦阻力最小，精度高，

運動快捷。

（3）軸承盒特點：（1）形式多樣；（設計者依據(jù)自己的設計適用條件進行設計）（2）運動平穩(wěn)、其精度由設計、加工和安裝精度決定；（3）對構件經(jīng)行完全約束，可獨立使用；（4）工藝簡單、質(zhì)量輕；適用場合：（1）多用于搭建升降平臺；（2）機械手的伸縮平臺；

（4）氣缸特點：（1）質(zhì)量輕、行程短、響應快適用場合：（1）多用于機械手的動力部件

幾種常用氣缸類型單動氣缸氣動爪雙動氣缸

二、機器人常用傳動1、線傳動特點：（1）線傳動機構精巧、安裝方便、占用空間極??；（2）由于設計、制造簡單、維護保養(yǎng)方便、因此，線傳動成本低；（3）線傳動易摩擦受損，需要定期檢查并及時更換。；（4）線傳動易于發(fā)生線壓線的情況，因此傳動比不精確；（5）線傳動需要預緊。

鋼絲線傳動實例

2、鏈傳動特點：（1）傳遞功率大，過載能力強；（2）所需的張緊力小，對軸的壓力??；（3）平均傳動比準確；（4）傳動平穩(wěn)性差，易磨損，磨損易跳齒；（5）質(zhì)量大；鏈傳動：通過鏈條將具有特殊齒形的主動鏈輪的運動和動力傳遞到具有特殊齒形的從動鏈輪的一種傳動方式。

鏈傳動應用實例

單排鏈雙排鏈鏈輪鏈條長度以鏈節(jié)數(shù)來表示。鏈節(jié)數(shù)最好取為偶數(shù)，以便鏈條聯(lián)成環(huán)形時正好是外鏈板與內(nèi)鏈板相接，接頭處可用彈簧夾或開口銷鎖緊。若鏈節(jié)數(shù)為奇數(shù)時，則需采用過渡鏈節(jié)。在鏈條受拉時，過渡鏈節(jié)還要承受附加的彎曲載荷，通常應避免采用。

3、同步帶傳動特點：（1）帶與帶輪間無相對滑動,傳動比恒定、準確；（2）傳動平穩(wěn)，具有緩沖、減振能力，噪聲低；（3）傳遞速度快、中心距大、傳動比大（4）由于預拉力小，承載能力也較??；（機器人比賽足夠）（8）安裝精度要求高，要求有嚴格的中心距，長距離需要安裝張緊輪或中心距可調(diào)。

同步帶傳動實例同步帶輪同步帶

同步帶傳動具有帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優(yōu)點，在機器人制作中使用較多

同步帶傳動應用實例

同步帶傳動在驅(qū)動中的應用：

4、滾珠絲桿傳動特點：（1）制造精度高；（2）微進給、控制位置精度高；（3）無側(cè)隙、剛性高；（4）進給速度快；

（5）質(zhì)量大；

4、滾珠絲桿傳動

5、齒輪齒條傳動特點：（1）傳遞動力大、功率高、速度快、傳動比大；（2）工作平穩(wěn)、可靠，傳動比精確；

（3）傳動位置精確，易于控制；

（4）安裝精度要求較高；

（2）質(zhì)量大，通常用塑料齒輪、齒條。

齒輪齒條傳動斜齒圓柱齒輪傳動蝸輪蝸桿傳動圓錐齒輪傳動轉(zhuǎn)盤與電機的配合：

6、氣壓傳動特點：（1）成本低、質(zhì)量輕、響應快、動作快；（2）可重復次數(shù)少（沖一次氣只能用幾次），工作速度穩(wěn)定性較差

；（3）接口處易漏氣；（4）工作壓力比較小，輸出力不大；

氣動是機械手最常用的傳動方式：

氣缸應用于提升裝置

氣缸應用于提升裝置

7、蝸輪蝸桿傳動蝸輪蝸桿機構常用來傳遞兩交錯軸之間的運動和動力特點：1.可以得到很大的傳動比，結(jié)構緊湊。2.兩輪嚙合齒面間為線接觸，承載能力大。3.蝸桿傳動相當于螺旋傳動，為多齒嚙合傳動，故傳動平穩(wěn)、噪音很小。4.具有自鎖性。當蝸桿的導程角小于嚙合輪齒間的當量摩擦角時，機構具有自鎖性，可實現(xiàn)反向自鎖，即只能由蝸桿帶動蝸輪，而不能由蝸輪帶動蝸桿。5.傳動效率較低，磨損較嚴重。6.蝸桿軸向力較大。

渦輪蝸桿應用實例

8、其他傳動方式棘輪傳動曲軸連桿傳動5.1機器人骨骼-機械結(jié)構5.1.4設計和制作機器人的一般過程1.機器人設計的內(nèi)容額定負載額定速度工作空間自由度驅(qū)動方式性能指標1）基本技術參數(shù)設計5.1機器人骨骼-機械結(jié)構1.機器人設計的內(nèi)容運動功能方案設計傳動系統(tǒng)方案設計結(jié)構布局方案設計詳細參數(shù)設計控制系統(tǒng)方案設計總體方案評價2）總體方案設計5.1機器人骨骼-機械結(jié)構1.機器人設計的內(nèi)容裝配圖設計零件圖設計控制系統(tǒng)硬件設計控制系統(tǒng)軟件設計3）詳細設計5.1機器人骨骼-機械結(jié)構2.機器人設計和制作的流程5.1機器人骨骼-機械結(jié)構2.機器人設計和制作的流程1）任務分析，總體設計。2）結(jié)構設計：行走機構設計，操作機構設計，框架外形設計，輪廓尺寸設計，電池、傳感器、主板的安裝位置設計等。3）機械動作設計：行走方式和路線規(guī)劃、結(jié)構承受能力、執(zhí)行機構動作編排等。4）電路設計：單片機選擇、電路的設計。5.1機器人骨骼-機械結(jié)構02.機器人設計和制作的流程5）硬件制作和組裝：結(jié)構畫圖和制作，電路畫圖和電子元件焊接，主裝結(jié)構件和電路板，安裝傳感器6）程序編寫7）總裝整合，調(diào)試修改8）機器人能力評價：智能評價、機能評價、物理能評價9）外型包裝THANKYOU第5章機器人機械結(jié)構與電機教學目標《機器人技術應用》1.了解機器人常用的機械零件和機械結(jié)構；2.掌握直流電機、步進電機、伺服電機的結(jié)構、工作原理和應用方法。目錄頁PAGEOFCONTENT5.1機器人骨骼-機械結(jié)構5.2機器人電機5.2機器人電機電機：依據(jù)電磁感應定律和電磁力定律實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換和信號傳遞與轉(zhuǎn)換的裝置什么是電機？泛指所有實施電能生產(chǎn)、傳輸、使用和電能特性變換的機械或裝置5.2機器人電機電機的分類電機靜止的電氣設備——變壓器旋轉(zhuǎn)電機交流電機直流電機直流發(fā)電機直流電動機同步電機異步電機同步發(fā)電機同步電動機異步電動機異步發(fā)電機5.2機器人電機使用中的變壓器水輪發(fā)電機電動機汽輪發(fā)電機組5.2機器人電機電能的生產(chǎn)、傳輸和分配5.2機器人電機驅(qū)動生產(chǎn)裝置和機械5.2機器人電機控制系統(tǒng)和智能化裝置的重要元件返回5.2機器人電機電機的作用

電機電能的生產(chǎn)、傳輸和分配控制系統(tǒng)和智能化裝置的重要元件驅(qū)動生產(chǎn)機械和裝置發(fā)電機、變壓器電動機控制電機5.2機器人電機1.電磁感應定律變壓器電動勢運動電動勢電機中的基本電磁定律5.2機器人電機1.電磁感應定律

電磁感應定律也叫法拉第電磁感應定律，電磁感應現(xiàn)象是指因磁通量變化產(chǎn)生感應電動勢的現(xiàn)象。

例如，閉合電路的一部分導體在磁場里做切割磁感線的運動時，導體中就會產(chǎn)生電流，產(chǎn)生的電流稱為感應電流，產(chǎn)生的電動勢（電壓）稱為感應電動勢

。電機中的基本電磁定律5.2機器人電機1.電磁感應定律電磁感應定律中電動勢的方向可以通過楞次定律或右手定則來確定。右手定則內(nèi)容：伸平右手使姆指與四指垂直，手心向著磁場的N極，姆指的方向與導體運動的方向一致，四指所指的方向即為導體中感應電流的方向（感應電動勢的方向與感應電流的方向相同）。楞次定律指出：感應電流的磁場要阻礙原磁通的變化。簡而言之，就是磁通量變大，產(chǎn)生的電流有讓其變小的趨勢；而磁通量變小，產(chǎn)生的電流有讓其變大的趨勢。電機中的基本電磁定律5.2機器人電機1.電磁感應定律電機中的基本電磁定律5.2機器人電機1.電磁感應定律電機中的基本電磁定律5.2機器人電機磁場對電流的作用是磁場的基本特征之一。實驗表明：將長度為l的導體置于磁場B中，通入電流i后，導體會受到力的作用，稱為電磁力，也稱為安倍力。思考與討論

在電場中，電場強度的方向就是正電荷所受電場力的方向。那么，在磁場中，磁感應強度的方向是不是通電導體在磁場中的受力方向呢？2.電磁力定律電機中的基本電磁定律5.2機器人電機

實驗表明：通電導體在磁場中受力方向與電流方向和磁場方向有關。電機中的基本電磁定律2.電磁力定律5.2機器人電機F、B、I方向關系BIF示意圖安培力方向既與電流方向垂直又與磁場方向垂直，即垂直于電流和磁場所在的平面遵循左手定則BIF示意圖電機中的基本電磁定律2.電磁力定律5.2機器人電機左手定則：伸開左手,使拇指與其余四個手指垂直,并且都與手掌在同一平面內(nèi);讓磁感應線從掌心進入,并使四指指向電流的方向，這時拇指所指的方向就是通電導線在磁場中所受安培力的方向再次提醒：一定要使用左手！電機中的基本電磁定律2.電磁力定律5.2機器人電機2.電磁力定律Bfi電機中的基本電磁定律5.2機器人電機電機中的基本電磁定律2.電磁力定律5.2機器人電機電動機是機器人必不可少的器件之一。正是電動機的應用使得機器人能夠完成與人類相似的動作。目前機器人一般都主要使用直流電機(有刷和無刷)、步進電機及直流伺服電機(舵機)。這三種電機的控制相對簡單，性能出眾，采用直流電源也容易實現(xiàn)。另外某些特殊應用場合的機器人還使用了超聲波電動機、真空電動機等新型電動機。5.2機器人電機5.2.1直流電機直流電機的優(yōu)點：（1）調(diào)速性能好:調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)節(jié)。（2）起動、制動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強，易于快速起動、停車。（3）易于控制。（4）性價比高。5.2機器人電機5.2.1直流電機缺點：與異步電動機相比，直流電動機結(jié)構復雜，使用和維護不如異步機方便，而且要使用直流電源。5.2機器人電機5.2.1直流電機應用：（1）軋鋼機、電氣機車、無軌電車、中大型龍門刨床等調(diào)速范圍大的大型設備。（2）用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機等。（3）家庭：電動縫紉機、電動自行車、電動玩具。（4）機器人：行走機構驅(qū)動電機。5.2機器人電機5.2.1直流電機1.直流電機的主要結(jié)構主磁極換向磁極電刷裝置機座端蓋定子轉(zhuǎn)子電樞鐵心電樞繞組換向器轉(zhuǎn)軸軸承直流電機5.2機器人電機5.2.1直流電機5.2機器人電機5.2.1直流電機5.2機器人電機5.2.1直流電機移動機器人所使用的直流電機主要是有刷直流電機和無刷直流電機。5.2機器人電機5.2.1直流電機1）有刷直流電機下圖表示的是一臺最簡單的兩極有刷直流電機模型，它由固定部分和轉(zhuǎn)動部分組成。固定部分：磁鐵、電刷轉(zhuǎn)動部分：環(huán)形鐵芯、繞組、換向片5.2機器人電機5.2.1直流電機有刷直流電機的物理模型圖它的固定部分（定子）上，裝了一對直流勵磁的靜止的主磁極N和S，在旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）上裝設電樞鐵芯。定子與轉(zhuǎn)子之間有一間隙。5.2機器人電機5.2.1直流電機有刷直流電機的物理模型圖在電樞鐵芯上放置了由A和X兩根導體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構成的整體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對固定不動的電刷A和B，當電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。5.2機器人電機5.2.1直流電機給直流電機的兩個電刷加上直流電源，如圖（a），直流電流從電刷A流入，經(jīng)過線圈abcd，從電刷B流出，根據(jù)電磁力定律，載流導體ab和cd受到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導體受到的力形成了一個轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。5.2機器人電機5.2.1直流電機如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如圖2-21(b)所示的位置，電刷A和換向片2接觸，電刷B和換向片1接觸，直流電流從電刷A流人，在線圈中的流動方向是dcba，從電刷B流出。請判斷此時載流導體ab和cd受到電磁力的作用方向？5.2機器人電機5.2.1直流電機此時載流導體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。5.2機器人電機5.2.1直流電機直流電機外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。實際使用中的有刷直流電機轉(zhuǎn)子上的繞組不是由一個線圈構成，而是由多個線圈連接而成，以減少電動機電磁轉(zhuǎn)矩的波動。5.2機器人電機5.2.1直流電機2）無刷直流電機由電機本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換向控制電路三部分組成。電機的主轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，主定子相當于普通直流電機的電樞，在定子鐵芯槽中嵌有定子繞組。5.2機器人電機5.2.1直流電機

2）無刷直流電機的工作原理當定子繞組通過直流電時，與轉(zhuǎn)子作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。與有刷直流電機的運轉(zhuǎn)原理相似，為了使電機能夠持續(xù)地轉(zhuǎn)動起來，必須要讓轉(zhuǎn)子獲得單一方向的電磁轉(zhuǎn)矩，這就要求定子電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化能適時地換向。定子電流的方向變化是通過轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換向控制電路實現(xiàn)的。5.2機器人電機5.2.1直流電機3）空心杯直流電機屬于直流永磁電機，與普通有刷、無刷直流電機的主要區(qū)別在于采用無鐵芯轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子直接采用導線繞制成，沒有任何其他的結(jié)構支撐這些繞線，繞線本身做成杯狀，因此也叫空心杯型轉(zhuǎn)子。5.2機器人電機5.2.1直流電機3）空心杯直流電機1、由于沒有鐵芯，極大地降低了鐵損（電渦流效應造成的鐵心內(nèi)感應電流和發(fā)熱產(chǎn)生的損耗）。最大的能量轉(zhuǎn)換效率（衡量其節(jié)能特性的指標）：其效率一般在70％以上，部分產(chǎn)品可達到90％以上（普通鐵芯電機在15-50%)；2、激活、制動迅速，響應極快：機械時間常數(shù)小于28毫秒，部分產(chǎn)品可以達到10毫秒以內(nèi)，在推薦運行區(qū)域內(nèi)的高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)靈敏；3、可靠的運行穩(wěn)定性：自適應能力強，自身轉(zhuǎn)速波動能控制在2％以內(nèi)；

5.2機器人電機5.2.1直流電機3）空心杯直流電機4、電磁干擾少：采用高品質(zhì)的電刷、換向器結(jié)構，換向火花小，可以免去附加的抗干擾裝置；5、能量密度大：與同等功率的鐵芯電機相比，其重量、體積減輕1/3-1/2；轉(zhuǎn)速一電壓、轉(zhuǎn)速一轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩一電流等對應參數(shù)都呈現(xiàn)標準的線性關系。

5.2機器人電機5.2.1直流電機3）空心杯直流電機空心杯技術是一種轉(zhuǎn)子的工藝和繞線技術，因此可以用于直流有刷電機和無刷電機。下圖是一個典型的有刷空心杯電機的剖面示意圖（瑞士MAXONMotorA.G．的典型空心杯電機），以及空心杯傳子繞組的實物照片。

5.2機器人電機5.2.1直流電機3）空心杯直流電機

1端面法蘭2永磁體定子3外殼（磁回路）4轉(zhuǎn)子軸5轉(zhuǎn)子繞組6-7換向器8石墨電刷9稀有金屬電刷10外殼11電路連接端子

12滾珠軸承

13軸承5.2機器人電機5.2.1直流電機4）直流電機的選用直流電機的選用取決于其轉(zhuǎn)速與功率，轉(zhuǎn)速根據(jù)需要直接選取。轉(zhuǎn)矩定義為在距離軸心一定半徑距離上電機所輸出的切向力?？梢园阉胂蟪呻姍C帶著一個特定直徑的滑輪旋轉(zhuǎn)，吊起懸掛在滑輪邊緣上的一個重物。如果能夠通過直徑為lm的滑輪吊起lkg的重物，那它就輸出了1Nm的轉(zhuǎn)矩。5.2機器人電機5.2.1直流電機電機的功率公式如下（以W為單位）：P＝Tω

式中，T——轉(zhuǎn)矩，單位是Nm。

ω——角速度，單位是rad/s。在電機工作范圍內(nèi)的任何狀態(tài)，都可以用這個公式來求得電機的功率。5.2機器人電機5.2.1直流電機電機功率公式的第二種形式：

P＝Tnπ/30式中，T——轉(zhuǎn)矩，單位是Nm。n——電機轉(zhuǎn)速，單位是r/min。

P——電機功率，單位是W。5.2機器人電機5.2.1直流電機電機的特性曲線電機的特性曲線如右圖。當電機處于最大轉(zhuǎn)速的時候，對應的轉(zhuǎn)矩最??；而電機處于最大轉(zhuǎn)矩的時候，對應的轉(zhuǎn)速為零。隨著轉(zhuǎn)速增大，電機的輸出轉(zhuǎn)矩減小?？梢宰⒁獾皆诘竭_功率一轉(zhuǎn)速曲線上的某個點后電機功率上升的趨勢停止并呈現(xiàn)下降趨勢，該點所對應的值即為最大功率Pmax。5.2機器人電機5.2.1直流電機直流電機的最大功率對應于轉(zhuǎn)矩為1/2最大轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速為1/2最大轉(zhuǎn)速（即空載速度）的情況，其公式如下：Pmax＝1/4Tmaxωmax

5.2機器人電機5.2.1直流電機5）直流電機的基本控制系統(tǒng)1．驅(qū)動電路直流電機的驅(qū)動控制都是采用晶體管放大器來實現(xiàn)的。線性放大器的優(yōu)點：在運行范圍內(nèi)有比較好的線性控制特性，沒有明顯的控制滯后現(xiàn)象，控制速度范圍寬，對附近的電路于擾小。線性放大器的缺點：線性放大器工作時產(chǎn)生大量的熱量，效率和散熱問題嚴重，其最高效率不超過50%，必須采用大的功率器件，加大散熱面積。5.2機器人電機5.2.1直流電機5）直流電機的基本控制系統(tǒng)1．驅(qū)動電路開關式放大器中，輸出級的功率器件工作在開關狀態(tài)，即飽和導通狀態(tài)或截止狀態(tài)。截止狀態(tài)的器件不消耗能量，而飽和導通的功率器件上的壓降又很小，這樣功率輸出級的損耗就很小，整體的效率就高。5.2機器人電機5.2.1直流電機5）直流電機的基本控制系統(tǒng)1．驅(qū)動電路幾種基本的功率放大電路：(1)全部采用NPN晶體管構成的H橋電路(2)采用NPN和PNP型晶體管射極跟隨器構成的H橋電路(3)采用PNP和NPN型晶體管集電極跟隨器構成的H橋電路5.2機器人電機5.2.1直流電機5）直流電機的基本控制系統(tǒng)2．脈寬調(diào)制變換電路脈寬調(diào)制變換電路，即PWM變換電路，是采用脈沖寬度調(diào)制的一種直流斬波器。它有不可逆和可逆兩類。機器人大賽中使用的都是可逆PWM變換電路。可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種電路。5.2機器人電機5.2.2步進電機步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得在機器人大賽中的控制變得非常簡單。5.2機器人電機5.2.2步進電機1．反應式步進電機原理(1)結(jié)構

組成：定子、轉(zhuǎn)子

都由硅鋼片等導磁材料制成。5.2機器人電機5.2.2步進電機1．反應式步進電機原理(1)結(jié)構電機轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開0、1/3τ及2/3τ(相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距，以τ表示)，即A與1相對齊，B與齒2向右錯開1/3τ，A′與齒5相對齊（A就是A′，齒5就是齒1），定轉(zhuǎn)子的展開圖如圖所示。5.2機器人電機5.2.2步進電機1．反應式步進電機原理(2)工作原理當A相通電，B、C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊（此時轉(zhuǎn)子不受任何力，以下均同）。5.2機器人電機5.2.2步進電機1．反應式步進電機原理(2)工作原理當B相通電，A、C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3τ，齒3與C偏移為1/3τ，齒4與A偏移2/3τ（τ-1/3τ）。5.2機器人電機5.2.2步進電機1．反應式步進電機原理(2)工作原理當C相通電，A、B相不通電時，齒3應與C對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3τ，齒4與A偏移為1/3τ。5.2機器人電機5.2.2步進電機1．反應式步進電機原理(2)工作原理當A相通電，B,、C相不通電時，齒4與A對齊轉(zhuǎn)子又向右移過1/3τ。這樣經(jīng)過A、B、C、A的分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1的前一齒）移到A相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距。5.2機器人電機5.2.2步進電機1．反應式步進電機原理(2)工作原理如果不斷地按A、B、C、A...…通電，電機就每步（或每脈沖）1/3τ。如按A、C、B、A...…通電，電機就反轉(zhuǎn)。由此可見，電機的位置和速度由導電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應關系，而電機的轉(zhuǎn)動方向則由導電順序決定。5.2機器人電機5.2.2步進電機1．反應式步進電機原理出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面的考慮，往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A這種導電狀態(tài),這樣將原來每步1/3τ改變?yōu)?/6τ甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3τ變?yōu)?/12τ，1/24τ，這就是電機細分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。5.2機器人電機5.2.2步進電機1．反應式步進電機原理不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m，…(m-1)/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制—這是步進電機旋轉(zhuǎn)的物理條件。只要符合這一條件，理論上可以制造任何相的步進電機。出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。5.2機器人電機5.2.2步進電機2．感應子式步進電機感應子式步進電機與傳統(tǒng)的反應式步進電機相比，結(jié)構上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。5.2機器人電機5.2.2步進電機2．感應子式步進電機感應子式步進電機某種程度上可以看作是低速同步電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行。而反應式電機則不能如此。例如：四相八拍運行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運行方式，其條件為。5.2機器人電機5.2.2步進電機（2）步進電機的性能指標步進電機的靜態(tài)指標：(1)相數(shù)：產(chǎn)生不同對極N,S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。(2)拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)，用n表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.(3）步距角：對應一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移。以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機為例，四拍運行時步距角為360°/(50X4)=1.8°（俗稱整步），八拍運行時步距角為360°/(50X8)=0.9°（俗稱半步）。5.2機器人電機5.2.2步進電機（2）步進電機的性能指標步進電機的靜態(tài)指標：(4)定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成）。(5)最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax(Nm)：定子繞組通入電脈沖，步進電機的轉(zhuǎn)子靜止時，由外力使轉(zhuǎn)子離開平衡位置的極限轉(zhuǎn)矩稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。它反映了步進電機的負載能力和動作的快速性。步進電機可驅(qū)動的負載轉(zhuǎn)矩應比最大靜轉(zhuǎn)矩小得多，一般為（0.3～0.5)Tmax。5.2機器人電機5.2.2步進電機（2）步進電機的性能指標步進電機動態(tài)指標：(1）步距角精度：步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差／步距角X100％。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應在5％之內(nèi)，八拍運行時應在15％以內(nèi)。(2)失步：電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)不等于理論上的步數(shù)，稱之為失步。(3)失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動是不能解決的。5.2機器人電機5.2.2步進電機（2）步進電機的性能指標步進電機動態(tài)指標：(4)最大空載起動頻率：電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。(5)最大空載的運行頻率：電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。(6)運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。5.2機器人電機5.2.2步進電機（2）步進電機的性能指標步進電機動態(tài)指標：(7)電機的共振點：步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應子式步進電機的共振區(qū)一般在180~250pps（每秒脈沖數(shù)）之間（步距角l.8°）或在400pps左右（步距角為0.9°)，電機驅(qū)動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)越向上偏移；反之亦然。為使電機輸出力矩大、不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點應偏移共振區(qū)較多。(8)電機正反轉(zhuǎn)控制：當電機繞組通電時序為AB-BC-CD-DA時為正轉(zhuǎn)，通電時序為DA-CD-BC-AB時為反轉(zhuǎn)。5.2機器人電機5.2.2步進電機（3）步進電機的選用步進電機有步距角（涉及相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩及電流三大要素。一旦三大要素確定，步進電機選擇的型號便確定下來了。選擇電機一般應遵循如圖所示的步驟5.2機器人電機5.2.2步進電機（3）步進電機的選用(1)步距角的選擇電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36°/0.72°（五相電機）,0.9°/1.8°（二、四相電機）,1.5°/3°（三相電機）等。5.2機器人電機5.2.2步進電機（3）步進電機的選用(2)靜力矩的選擇步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，往往是先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載兩種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速），兩種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行時只要考慮摩擦負載即可。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍為好。5.2機器人電機5.2.2步進電機（3）步進電機的選用(3）電流的選擇靜力矩相同的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線，判斷電機的電流（參考驅(qū)動電源及驅(qū)動電壓）。5.2機器人電機5.2.2步進電機（3）步進電機的選用(4)力矩與功率換算步進電機一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用，其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：P＝ω?MP＝2πnM/60其中，P為功率，單位為W,ω為角速度，單位rad/s，n為轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)／min，M為力矩，單位為Nm。5.2機器人電機5.2.2步進電機（3）步進電機的選用步進電機選用中的注意點：(1)步進電機應用于低速場合，一般轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)／min(0.9°時6666pps)，最好在1000-3000pps(0.9°）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。(2)步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。(3)由于歷史原因，除標稱為12V電壓的電機使用12V外，其他電機的電壓值不是驅(qū)動電壓伏值，可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓，當然12V的電壓除12V恒壓驅(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源，不過要考慮溫升。5.2機器人電機5.2.2步進電機（3）步進電機的選用步進電機選用中的注意點：(4)電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，這樣做既可使電機不失步，又可以在減少噪音的同時提高停止的定位精度。(5)高精度時，應通過機械減速、提高電機速度，或采用高細分數(shù)的驅(qū)動器來解決，也可以采用5相電機，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產(chǎn)廠家少。5.2機器人電機5.2.2步進電機（3）步進電機的選用步進電機選用中的注意點：(6)電機不應在振動區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼來解決。(7)電機在600pps(0.9°）以下工作時，應采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動。(8)應遵循先選電機后選驅(qū)動的原則。5.2機器人電機5.2.2步進電機（4）步進電機的基本控制系統(tǒng)使用、控制步進電機必須用環(huán)形脈沖、功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如圖所示。步進電機控制系統(tǒng)框圖5.2機器人電機5.2.2步進電機（4）步進電機的基本控制系統(tǒng)1．脈沖信號的產(chǎn)生脈沖信號一般由單片機或CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號的占空比為0.3~0.4左右，電機轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。步進電機控制系統(tǒng)框圖5.2機器人電機5.2.2步進電機（4）步進電機的基本控制系統(tǒng)2．信號分配以二、四相感應子式步進電機為例，二相電機工作方式一般有二相四拍和二相八拍兩種，具體分配如下：二相四拍為AB-AB-AB-AB，步距角為1.8°；二相八拍為AB-B-AB-A-AB-B-AB-A-AB，步距角為0.9°。四相電機工作方式也有兩種，四相四拍為AB-BC-CD-DA-AB，步距角為1.8°；四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-AB，步距角為0.9°。5.2機器人電機5.2.2步進電機（4）步進電機的基本控制系統(tǒng)3．功率放大功率放大是驅(qū)動系統(tǒng)最為重要的部分。步進電機在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流。平均電流越大電機力矩越大，要達到平均電流大，就需要驅(qū)動系統(tǒng)盡量克服電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的驅(qū)動方式。到目前為止，驅(qū)動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動、恒流、細分數(shù)等。5.2機器人電機5.2.2步進電機（5）步進電機的典型驅(qū)動電路步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸人脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸人脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。5.2機器人電機5.2.2步進電機（5）步進電機的典型驅(qū)動電路①控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進電機的三拍工作方式，其各相通電順序為A-B-C，通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A,B,C相的通斷。②控制步進電機的轉(zhuǎn)向如果給定工作方式按正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機就反轉(zhuǎn)。5.2機器人電機5.2.2步進電機（5）步進電機的典型驅(qū)動電路③控制步進電機的速度如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。5.2機器人電機5.2.2步進電機（5）步進電機的典型驅(qū)動電路基于51單片機的步進電機控制系統(tǒng)：該單片機控制步進電機系統(tǒng)由51單片機（以AT89C51為例）、步進電機驅(qū)動電源（脈沖分配器和功率驅(qū)動）、步進電機等部分組成，其控制框圖如圖所示?？刂葡到y(tǒng)框圖5.2機器人電機5.2.2步進電機（5）步進電機的典型驅(qū)動電路基于51單片機的步進電機控制系統(tǒng)：由單片機給出脈沖信號，經(jīng)脈沖分配器產(chǎn)生步進電機工作方式所需的各相脈沖信號，功率驅(qū)動電路對脈沖分配回路輸出的弱信號進行放大，產(chǎn)生電機所需的激勵電流。5.2機器人電機5.2.3伺服電機伺服電機（以下簡稱舵機）是自動裝置中的執(zhí)行元件，它的最大特點是可控。在有控制信號時，舵機就轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)速大小正比于控制電壓的大小，除去控制信號電壓后，舵機就立即停止轉(zhuǎn)動。5.2機器人電機5.2.3伺服電機

1.伺服電機的類型和結(jié)構伺服電動機在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。類型：1）交流伺服電動機正弦波控制，轉(zhuǎn)矩脈動小。2）直流伺服電動機

梯形波控制，轉(zhuǎn)矩脈動較大；但結(jié)構簡單，價格便宜。伺服電機交流伺服電機和驅(qū)動器5.2機器人電機5.2.3伺服電機交流電機編碼器交流電機電源線編碼器信號輸出線外觀結(jié)構包括電機、編碼器、電源線和編碼器信號線。5.2機器人電機5.2.3伺服電機交流電機轉(zhuǎn)子電機外殼電纜插頭編碼器交流電機定子內(nèi)部由定子、轉(zhuǎn)子和編碼器等組成。5.2機器人電機5.2.3伺服電機伺服電機的定子由鐵心和線圈組成。電氣原理圖控制繞組勵磁繞組5.2機器人電機5.2.3伺服電機伺服電機的轉(zhuǎn)子有籠型和杯型兩種?；\型轉(zhuǎn)子：鐵芯槽內(nèi)放銅條，端部用短路環(huán)形成一體，或鑄鋁形成轉(zhuǎn)子繞組。杯型轉(zhuǎn)子：呈薄壁圓筒形，置于內(nèi)外定子之間?；\型轉(zhuǎn)子杯型轉(zhuǎn)子5.2機器人電機5.2.3伺服電機

2.伺服電機的工作原理旋轉(zhuǎn)工作原理：當磁鐵旋轉(zhuǎn)時，在空間形成一個旋轉(zhuǎn)磁場。假設永久磁鐵按順時針方向以轉(zhuǎn)速n0旋轉(zhuǎn)，那么它的磁力線就以順時針方向切割轉(zhuǎn)子導條，在轉(zhuǎn)子導條中就會產(chǎn)生感應電勢。根據(jù)右手定則可以判定，在N極下導條的感應電勢方向為垂直地從紙面出來，而在S極下導條的感應電勢方向為垂直地進入紙面。由于鼠籠轉(zhuǎn)子的導條都是通過短路環(huán)連接起來的，因此在感應電勢的作用下，轉(zhuǎn)子導條中就會有電流流過。5.2機器人電機5.2.3伺服電機

2.伺服電機的工作原理旋轉(zhuǎn)工作原理：此時，根據(jù)通電導體在磁場中受力原理，轉(zhuǎn)子載流導條又要與磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，這個電磁力F作用在轉(zhuǎn)子上，并對轉(zhuǎn)軸形成電磁轉(zhuǎn)矩。根據(jù)左手定則判斷電磁力方向可知，電磁轉(zhuǎn)矩方向