3.1 机器人的驱动方式
3.1.1 机器人驱动方式
驱动系统是机器人结构中的重要部分。驱动器在机器人中的作用相当于人体的肌肉。如果把臂部以及关节想象为机器人的骨骼，那么驱动器就起肌肉的作用，移动或转动连杆可改变机器人的构形。驱动器必须有足够的功率对连杆进行加／减速并带动负载，同时，驱动器必须轻便、经济、精确、灵敏、可靠且便于维护。常见的机器人驱动系统有电气驱动系统、液压驱动系统（或二者结合的电液伺服驱动系统）和气压驱动系统，现在又出现了许多新型的驱动器。几种驱动方式的性能比较如表3-1所示。
表3-1 几种驱动方式的性能比较
驱动系统的驱动方式可以归纳为直线驱动方式和旋转驱动方式两种。
（1）直线驱动方式
机器人采用的直线驱动包括直角坐标机构的X、Y、Z向驱动，圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动，以及球坐标结构的径向伸缩驱动。直线运动可以直接由气缸或液压缸和活塞产生，也可以采用齿轮齿条、丝杠螺母等传动方式把旋转运动转换成直线运动。
（2）旋转驱动方式
多数普通电动机和伺服电动机都能够直接产生旋转运动，但其输出力矩比所需要的力矩小，转速比所需要的转速高。因此，需要采用各种传动装置把较高的转速转换成较低的转速，并获得较大的力矩。有时也采用直线液压缸或直线气缸作为动力源，这就需要把直线运动转换成旋转运动。这种运动的传递和转换必须高效率地完成，并且不能有损于机器人系统所需要的特性，特别是定位精度、重复精度和可靠性。运动的传递和转换可以选择齿轮链传动、同步带传动和谐波齿轮传动等方式。
由于旋转驱动具有旋转轴强度高、摩擦小、可靠性好等优点，故在结构设计中应尽量多采用。但是在行走机构关节中，完全采用旋转驱动实现关节伸缩有如下缺点：旋转运动虽然也能通过转化得到直线运动，但在高速运动时，关节伸缩的加速度不能忽视，它可能产生振动。为了提高着地点选择的灵活性，还必须增加直线驱动系统。因此有许多情况采用直线驱动更为合适。直线气缸仍是目前所有驱动装置中最廉价的动力源，凡能够使用直线气缸的场合，还是应该选用它。有些要求精度高的场合也要选用直线驱动。
3.1.2 驱动系统的性能
（1）刚度和柔性
刚度是材料对抗变形的能力，它可以是梁在负载作用下抗弯曲的刚度，或气缸中气体在负载作用下抗压缩的阻抗，甚至是瓶中的酒在木塞作用下抗压缩的阻抗。系统的刚度越大，则使它变形所需的负载也越大；相反，系统柔性越大，则在负载作用下就越容易变形。刚度直接和材料的弹性模量有关，液体的弹性模量高达2×109Pa左右，这是非常高的。因此，液压系统刚性很好，没有柔性，相反气动系统很容易压缩，所以是柔性的。
刚性系统对变化负载和压力的响应很快，精度较高。显然，如果系统是柔性的，则在变化负载或变化的驱动力作用下很容易变形（或压缩），因此不精确。类似地，若有小的驱动力作用在液压活塞上，因为它的刚度高，所以和气动系统相比，它反应速度快、精度高，气动系统在同样的载荷作用下则可能发生变形。另外，系统刚度越高，则在负载作用下的弯曲或变形就越小，所以位置保持的精度便越高。现在考虑用机器人将集成电路片插入集成板，如果系统没有足够的刚度，那么机器人就不能够将集成电路片插入电路板，因为驱动器在阻力作用下会变形。另外，如果零件和孔对得不直，则刚性系统就不能有足够的弯曲变形来防止机器人或零件损坏，而柔性系统将通过弯曲变形来防止机器人或零件损坏。所以，虽然高的刚度可以使系统反应速度快、精度高，但如果不是正常使用，它也会带来危险。所以，在这两个相互矛盾的性能之间必须进行平衡。
（2）重量、功率重量比和工作压强
驱动系统的重量以及功率重量比至关重要。电子系统的功率重量比属中等水平。在同样功率情况下，步进电动机通常比伺服电动机要重，因此它具有较低的功率重量比。电动机的电压越高，功率重量比越高。气动功率重量比最低，而液压系统具有最高的功率重量比。但必须认识到，在液压系统中，重量由两部分组成：一部分是液压驱动器；另一部分是液压功率源。系统的功率单元由液压泵、储液箱、过滤器、驱动液压泵的电动机、冷却单元、阀等组成，其中液压泵用于产生驱动液压缸和活塞的高压。驱动器的作用仅在于驱动机器人关节。通常，功率源是静止的，安装在和机器人有一定距离的地方，能量通过连接软管输送给机器人。因此对活动部分来说，液压缸的实际功率重量比非常高。功率源非常重，并且不活动，在计算功率重量比时忽略不计。如果功率源必须和机器人一起运动，则总功率重量比也将会很低。
液压系统的工作压强高，所以相应的功率也大，液压系统的压强范围是379~34475kPa。气缸的压强范围是689.5~827.4kPa。液压系统的工作压强越高，功率越大，但维护也越困难，并且一旦发生泄漏将更加危险。