基于機器人驅動部件特性及應用

文/劉宣彤

當前應用在我國農業、工業、軍事、醫學等各領域中的機器人，根據其自身作業需要和結構特點等，所采用的驅動方式與驅動部件之間也存在一定的差異性。而在各驅動方式下，機器人的驅動部件特性也不盡相同，探究基于機器人驅動部件特性也是實現對機器人合理利用、充分發揮其驅動性能的重要前提。因此本研究具有一定的研究價值和現實意義。

1 機器人的驅動部件特性

1.1 電氣驅動部件特性

1.1.1 伺服電機驅動特性

現階段有許多機器人采取電氣驅動方式，而在這一驅動方式中以伺服電機和步進電機發揮著重要的驅動性能。其中在伺服電機中，根據具體類型可以將其細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，具有結構簡單、價格低廉等優勢特性，且轉矩脈動相對較大。而后者主要由正弦波控制，轉矩質量比與體積比相對較大，但轉矩脈動相對較小。加之內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動的安全可靠性。

1.1.2 步進電機驅動特性

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

1.2 液壓驅動部件特性

液壓驅動同樣也是當前機器人較為常用的一種驅動方式，其中最為關鍵的驅動部件便是液壓驅動系統。以滾動機器人為例，該機器人的動力來源便是液壓驅動，機器人主要通過借助液壓缸驅動縮放比對機構形式進行放大，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上，實現快速響應。和氣壓驅動部件相比，在機器人中靈活運用液壓驅動部件，可以獲得更高的功率質量比與負載能力，加之液壓驅動部件結構緊湊、密閉性較好，可以為機器人提供充足的驅動力。因此液壓驅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用，并獲得了一定的應用成效。

1.3 氣壓驅動部件特性

氣壓驅動方式與液壓驅動基本一致，采用以空氣壓縮機為主要氣壓驅動部件的機器人，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。氣壓驅動部件同樣具有結構簡單的特點，并且由于其在驅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，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粘性過大或是污染環境等問題。但該種驅動部件也因受到氣壓驅動功率重量小的影響，使得機器人系統容易出現體積較大的情況。加之采用可壓縮的空氣作為工作介質，故而使得氣壓驅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境中，不建議機器人使用氣壓驅動部件。但在部分需要搬運重量較輕的物體或是負荷較小的供液機械中，機器人運用氣壓驅動部件則可以獲得良好的驅動效果。

2 機器人驅動部件的應用發展

在我國近些年加大對機器人技術研究力度下，機器人驅動部件以及驅動技術均獲得了一定發展，出現了各種不同類型的機器人驅動部件。包括人工肌肉驅動部件、超聲波驅動部件以及壓電驅動部件等等，從而使得機器人的應用范圍也得到了相應拓展。例如建立在仿生學基礎上的人工肌肉驅動部件，其作為一種可拉伸的氣動執行器，通過對生物肌肉骨骼特征進行模仿，從而有效達到驅動機器人的效果。目前采用人工肌肉驅動部件的機器人多運用在康復訓練領域中。如某種可穿戴腕部的動力手套中，采用傳統電機驅動部件時，機器人骨骼結構容易受到運動過程中急劇變化的沖擊力，進而容易對關節造成損傷。并且此類驅動部件質量較大，也為人們的康復訓練增加了一定負重。而采用人工肌肉驅動部件，機器人在柔性驅動方式的作用下，能夠實現腕關節的靈活伸屈、內收與外展。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行充分感知，在有效實現腕部助力與康復訓練的同時，可以達到保護腕部的效果。

整體來看，在我國工業與農業等領域中，因其對噪聲限值較小且需求功率偏大，因此該領域中的機器人大多采用電氣驅動、液壓和氣壓驅動部件。而在家用機器人、康復訓練用機器人等對噪聲要求較高、要求盡可能將驅動體積與重量降至最低的領域中的機器人，則正在大力發展人工肌肉驅動、繩驅動等全新驅動技術與驅動部件代替傳統驅動部件，以獲得更好的驅動效果。

3 結束語

總而言之，根據機器人所采取的驅動方式的不同，各驅動部件的驅動特性之間也存在一定差異。但整體來看，以電氣、液壓及電壓驅動為代表的傳統機器人驅動部件，普遍具有結構簡便、驅動力較大等特性，因此可以基本滿足工業、農業等領域對機器人的驅動需求。但隨著機器人應用領域的不斷擴大，未來還將出現更多以人工肌肉驅動為代表，具有較高靈活性、噪聲較小且驅動體積與重量也相對較小的驅動部件，從而可以有效滿足多樣化的機器人驅動需求，推動機器人驅動技術實現可持續發展。