基于机器人驱动部件特性及应用

文/刘宣彤

当前应用在我国农业、工业、军事、医学等各领域中的机器人，根据其自身作业需要和结构特点等，所采用的驱动方式与驱动部件之间也存在一定的差异性。而在各驱动方式下，机器人的驱动部件特性也不尽相同，探究基于机器人驱动部件特性也是实现对机器人合理利用、充分发挥其驱动性能的重要前提。因此本研究具有一定的研究价值和现实意义。

1 机器人的驱动部件特性

1.1 电气驱动部件特性

1.1.1 伺服电机驱动特性

现阶段有许多机器人采取电气驱动方式，而在这一驱动方式中以伺服电机和步进电机发挥着重要的驱动性能。其中在伺服电机中，根据具体类型可以将其细分成直流与交流两种不同类型的伺服电动机。前者由梯形波控制，具有结构简单、价格低廉等优势特性，且转矩脉动相对较大。而后者主要由正弦波控制，转矩质量比与体积比相对较大，但转矩脉动相对较小。加之内部无直流打击的电刷与整流子，因此大大提升了交流伺服电机驱动的安全可靠性。

1.1.2 步进电机驱动特性

步进电动机同样作为机器人电气驱动中的一种重要驱动部件，主要通过实现电脉冲向角位移的转化实现驱动机器人。步进电机驱动器在完成脉冲信号的接收之后，步进电机将会在其驱动下按照既定方向转动固定角度，在对脉冲个数控制角位移量进行有效控制下，可以实现精准定位。而步进电机驱动通过对脉冲频率以及电机转动速度等进行有效控制，则可以在有效实现精准定位的同时达到灵活调速的效果。由于电气驱动部件具有良好的灵活性与精准性、速度可调且在驱动过程中只产生较小的工作噪声，因此眼下在工业、医疗康复等领域中采用电气驱动方式及相关驱动部件的机器人已经得到了较为广泛的使用，

1.2 液压驱动部件特性

液压驱动同样也是当前机器人较为常用的一种驱动方式，其中最为关键的驱动部件便是液压驱动系统。以滚动机器人为例，该机器人的动力来源便是液压驱动，机器人主要通过借助液压缸驱动缩放比对机构形式进行放大，从而使得滚动机器人获得的变形也相对较大，在将液压缸作为驱动元件下，滚动机器人可以在拥有强劲的动力输出与承载的基础上，实现快速响应。和气压驱动部件相比，在机器人中灵活运用液压驱动部件，可以获得更高的功率质量比与负载能力，加之液压驱动部件结构紧凑、密闭性较好，可以为机器人提供充足的驱动力。因此液压驱动部件目前在我国水下助推机器人等众多类型机器人中也得到了普及应用，并获得了一定的应用成效。

1.3 气压驱动部件特性

气压驱动方式与液压驱动基本一致，采用以空气压缩机为主要气压驱动部件的机器人，在传递能量的过程中通常会使用压力值在0.4MPa 到0.6MPa 的压缩控机。气压驱动部件同样具有结构简单的特点，并且由于其在驱动机器人中以空气压缩机作为主要动力源，将压缩空气作为工作介质，因此不仅可以方便快捷地获取气源，同时压缩空气也几乎不会出现粘性过大或是污染环境等问题。但该种驱动部件也因受到气压驱动功率重量小的影响，使得机器人系统容易出现体积较大的情况。加之采用可压缩的空气作为工作介质，故而使得气压驱动定位精度相对较低。在对精度要求较高或是水下等容易被腐蚀的环境中，不建议机器人使用气压驱动部件。但在部分需要搬运重量较轻的物体或是负荷较小的供液机械中，机器人运用气压驱动部件则可以获得良好的驱动效果。

2 机器人驱动部件的应用发展

在我国近些年加大对机器人技术研究力度下，机器人驱动部件以及驱动技术均获得了一定发展，出现了各种不同类型的机器人驱动部件。包括人工肌肉驱动部件、超声波驱动部件以及压电驱动部件等等，从而使得机器人的应用范围也得到了相应拓展。例如建立在仿生学基础上的人工肌肉驱动部件，其作为一种可拉伸的气动执行器，通过对生物肌肉骨骼特征进行模仿，从而有效达到驱动机器人的效果。目前采用人工肌肉驱动部件的机器人多运用在康复训练领域中。如某种可穿戴腕部的动力手套中，采用传统电机驱动部件时，机器人骨骼结构容易受到运动过程中急剧变化的冲击力，进而容易对关节造成损伤。并且此类驱动部件质量较大，也为人们的康复训练增加了一定负重。而采用人工肌肉驱动部件，机器人在柔性驱动方式的作用下，能够实现腕关节的灵活伸屈、内收与外展。尤其是利用嵌入薄膜压力传感器，可以对手掌抓取物体时的作用力进行充分感知，在有效实现腕部助力与康复训练的同时，可以达到保护腕部的效果。

整体来看，在我国工业与农业等领域中，因其对噪声限值较小且需求功率偏大，因此该领域中的机器人大多采用电气驱动、液压和气压驱动部件。而在家用机器人、康复训练用机器人等对噪声要求较高、要求尽可能将驱动体积与重量降至最低的领域中的机器人，则正在大力发展人工肌肉驱动、绳驱动等全新驱动技术与驱动部件代替传统驱动部件，以获得更好的驱动效果。

3 结束语

总而言之，根据机器人所采取的驱动方式的不同，各驱动部件的驱动特性之间也存在一定差异。但整体来看，以电气、液压及电压驱动为代表的传统机器人驱动部件，普遍具有结构简便、驱动力较大等特性，因此可以基本满足工业、农业等领域对机器人的驱动需求。但随着机器人应用领域的不断扩大，未来还将出现更多以人工肌肉驱动为代表，具有较高灵活性、噪声较小且驱动体积与重量也相对较小的驱动部件，从而可以有效满足多样化的机器人驱动需求，推动机器人驱动技术实现可持续发展。