第3章
驅動系統
3.1 本章目标
讀完這一章，你可以掌握以下内容：
- 知道液壓系統在機器人操作中的作用。
- 了解壓力是如何産生的，泵是如何使用的，氣體力學又是如何得名的。
- 了解電機在機器人中的作用。
- 了解在機器人中使用的電機類型。
- 了解什麼是滑動、末端執行器、夾持器、末端工具和定位。
- 了解兩個專業術語：重複定位精度和精度。
- 了解驅動器的工作原理以及齒輪的使用方法。
- 識别滾珠絲杠和錐齒輪，并了解諧波傳動的作用。
- 确定機器人使用的皮帶類型。
- 确定機器人使用的鍊條類型。
- 識别并論述本章使用的關鍵術語。
- 回答本章最後的思考題。
機器人需要依靠動力才能正常運作。為了驅動機器人的機器臂及其他部分，需要開發一些現成的單元以比較友善地組成機器人的動力系統。前文中已經提到有三種可用于驅動機器人及操作機的方式：液壓系統、氣動系統和電力驅動系統。當然，在氣動系統和液壓系統的運作中也需要應用到電力。但是，電力機器人是指把電機連接配接到機器人操作機上直接驅動的全電驅動機器人。
3.2 液壓系統
在機器人的三種驅動系統中，液壓系統能夠承受并移動最重的負載，這也是液壓系統如此受歡迎的原因（如圖3-1所示）。對于使用電力系統很可能會發生危險的噴塗行業，液壓系統卻非常适用。汽車使用液壓系統進行制動，當踩下制動踏闆時，油箱内的制動油液壓力升高，制動液在壓力的推動下移動到制動油缸，制動油缸對活塞施加壓力進而實作對車輪的制動。可以根據需求，對活塞施加不同大小的壓力，以使正在行進的汽車停止或減速行駛。機器人的液壓系統與汽車的制動系統類似。
流體力學一詞的起源跟希臘語中的“?水?”有關。但在機器人驅動系統中使用的是油，而不是水（在鑄造和鍛造操作中會使用到一些水基液壓油）。為了驅動操作機或夾持器，這種油會在适當的時間對合适的位置施加壓力。液壓系統會對受限制的液體施加壓力，施加到油上的壓力越大，容器中液體的壓力也就越大。
壓強
作用在給定面積上的力叫作壓強，壓強的機關是磅/平方英寸，可以縮寫為psi。壓強的公制機關是帕斯卡，1帕斯卡=?1牛頓/平方米（牛頓是力的機關）。由于帕斯卡是一個非常小的機關數，是以常使用千帕和兆帕，例如，典型的汽車輪胎壓力是190千帕，典型的工業氣壓管道的壓力為700千帕（1磅/平方英寸=6.896千帕，1千帕=1.45磅/平方英寸）。
液壓系統的壓強大小取決于施加在油箱上的推力的大小（如圖3-2所示）。有幾種方法可以産生機器人液壓系統所需的壓強。在液壓回路中産生的壓強用機關面積上施加力的大小來表示。壓強的産生源于液壓回路輸出的負載或是由某種流動阻力造成的。泵用于使管道内的液體産生流動，進而驅動機器人的夾持器或操作機的運動。重力也可以用來産生壓強。
使用液壓系統的缺點之一是其内在的洩漏問題。流體受到壓力後，會突破系統中最薄弱的地方并流出。這意味着沿管道的每個接頭都必須具備承受高壓而不發生洩漏的能力。這也意味着機器人的移動部分或操作機必須能夠在流體受到壓力時保持可靠密封。在大多數情況下，用于接頭密封的O型環不能容納流體，會發生洩漏。對于操作機的移動端及流體管路的終端，用于密封的O型環是關鍵元件，這也是重載機器人的相關維護問題之一。使用液壓系統提升重物時，在操作過程中必須能夠保持系統的完整性，避免流失過多的液體。液體很滑，若灑在地闆上需要及時進行處理，以防止在該區域的從業人員發生事故。
由于液壓系統中的壓強是逐漸增大的，是以有必要采取相應措施以防止其因不斷增加而超過管道和容器的承載範圍。當系統中的液體壓強超過系統能夠安全承受的最大值時，安全閥就可以實作溢流的功能，這時安全閥就變得尤為重要了。隻要系統内的液體壓強值低于設定值，安全閥就一直處于關閉狀态。一旦壓強增加到設定值，安全閥就會開啟。随後，多餘的液體會傳回到容器或油箱中。這意味着液壓系統的設計必須包括安全閥及保證溢出的流體傳回到油箱的油路。
液壓系統需要使用濾油器來保持流體清潔，即使是很小的污染物也能造成系統的迅速磨損，即使是微米大小的污染物也需要用濾油器過濾出來。為保持流體和系統處于良好的運作狀态，濾油器必須定期更換。
幾千磅/平方英寸的壓力在機器人的操作中并不少見，這意味着即使像針孔一樣小的洩漏也可能會引發巨大的危險。如果把手放在漏孔附近，通過漏孔排出的液體可以在你做出反應之前就将手切斷。當壓力小于2000磅/平方英寸時，這種情況是不會發生的，但是在高壓狀态下是非常危險的。
機器人操作的附加容積可以通過使用氣體對調壓器加壓的方法來獲得。蓄能器是專門用來為主系統補充壓強的。有些情況下，為驅動機器人實作快速運動，需要為其提供比單獨使用泵能得到的更多的液體量，此時，安裝在回路高壓側的調壓器可以通過柔性容器中的氣體進行加壓。該柔性容器位于油箱内部，在工作時展開。壓力過高時，流體的高壓會壓縮氣體。當系統需要更多的液體以進行快速運動時，回路内的液體壓強會略微下降，并使油箱中的氣體膨脹，迫使更多的液體流入系統。
安裝在操作機上的液壓馬達的操作由液壓閥控制，液壓閥是打開一段時間還是一直保持閥門關閉則由變頻器的信号控制。稍後讨論的控制系統是非常重要的，它能使機器人按工作需要去完成相應的操作。液壓馬達和液壓缸雖然結構緊湊，但卻能産生較大的力并做功。它們能夠迅速地實作精确運動（如圖3-3所示）。
3.3 泵
液壓系統需要有泵才能工作，泵可以将電機提供的機械能轉換為液壓能。需要使用泵來推動液壓流體在系統中流動。
液壓泵有兩種基本類型：流體動壓泵和流體靜壓泵。流體動壓泵是一種低阻力泵，一般不在機器人系統中使用。是以，此處重點介紹流體靜壓泵。
流體靜壓泵進一步又可分為齒輪泵和葉片泵，它們可以為操作機提供恒定流量的流體。齒輪泵通過在進油口處的齒輪未齧合時所産生的局部真空，将流體吸入泵内以填充真空，進而達到抽吸的目的。随着齒輪的不斷運動，使得流體或液壓油流到齒輪外側，最終到達頂部的出油口位置。齒輪在出油口處齧合對液壓油産生推動作用，迫使液壓油流出口外并進入系統。
葉片泵因其設計而得名，齒輪泵也是如此。葉片作用于流體使其從容積較大的區域向容積較小的區域流動，這時，由于流體本身的不可壓縮性，流體的壓力增加（如圖3-4所示）。葉片泵可提供中低等的壓力和速度，可以用來為操作機提供能夠提升較大負載的能量。每分鐘大約25加侖的流體在系統中流動，就可以産生高達2000磅/平方英寸的壓力。
活塞式回轉泵也用于為液壓系統加壓。活塞收回時從輸入端口吸收大量的流體，伸展時将流體推入高壓輸出端口。該裝置通常具有七個或九個液壓缸，随機器的不同配置而變化。直列式柱塞泵具有很高的容量，速度可達中高速範圍，壓強可超過5000磅/平方英寸（如圖3-5所示），友善在機器人中應用。
3.4 氣體力學
氣體力學（Pneumatic）中的Pneu在拉丁語中的含義是“空氣”。氣體力學是實體學中研究空氣和氣體的内容。機器人應用氣體力學來控制夾持器的運動，有時也會控制機械臂。是以，在機器人中壓縮空氣常作為傳遞運動和動力的媒介。
氣動系統在工業應用中通常用來為手工工具提供動力，并在加工過程中夾持和提升零件。氣動系統使用的壓縮機都配有一個儲氣罐以儲存壓縮空氣。壓縮機由内燃機或電機驅動。使用過濾器來淨化氣體，并在排氣管上加一個冷凝閥以除去水分。某些情況下，可以人為地在氣體中添加一定量的油霧以使氣動部件得到潤滑（如圖3-6所示）。
為了保持儲氣罐内的氣體壓強恒定，當油箱中的壓強下降到預定值時，電機開始運作以增大壓強。壓強達到預定值後會立即關閉電機和壓縮機，直到再次需要加壓時再重新開啟。與液壓系統相比，氣動系統的優點是可以将壓縮空氣排入大氣，而液壓系統則需要一個回流系統來容納流體以供重複使用。
氣動系統包含一個電動壓縮機、一個儲氣罐以及将空氣從壓縮機或油箱輸送到使用裝置的管道。系統有幾種對流動氣體的控制方法。可以用手動截止閥和溢流閥來控制空氣，通過調節器和三通閥調節氣體流量及壓強。氣動系統和液壓系統有許多相似之處。但是也應注意到它們的差别。當氣動系統完成壓力操作後，隻是把空氣排入大氣中，并用消音器減小噪聲。液壓系統必須設定從操作裝置到油箱的回流管路，這樣一來，就使液壓系統的安裝和使用更加昂貴。
氣缸是利用氣體壓力進行工作的負載裝置，将氣體的機械能轉變為驅動氣缸活塞的直線運動。氣動負載裝置也可用于産生旋轉運動。氣動系統維護的最主要問題是保持空氣源不含水分。氣動線路必須保持清潔和幹燥。
3.5 電機
電機在機器人中使用得非常普遍。電機易于用計算機或微處理器進行控制，并且很容易改變方向。在機器人中使用電機的另一個原因是電機的轉矩和速度是可控的。
電機的電源主要分直流電（DC）和交流電（AC）。每一種類型的電機都有其自身的局限性和應用場合。這裡不會對所有類型的電機進行全盤介紹，隻是針對機器人中使用的電機類型做簡要的叙述。
3.6 直流電機
根據勵磁方式的不同，直流電機可分為串勵、并勵和複勵三種（如圖3-7所示），每種類型都有其各自的優缺點。例如，在需要大轉矩來提升或移動物體的場合，可以使用串勵結構。但是串勵結構不能用于帶傳動或是需要恒定速度的裝置。并勵結構不能提供啟動轉矩，但是具有恒定速度特性。複勵結構同時具有串勵、并勵兩種特性，但也有其他一些局限性。
大多數直流電機是有刷電機，有刷電機内部都有由雲母絕緣體隔開的小銅塊組成的換向器。由于電刷磨損以及在電機加載時電刷和換向器之間會産生電弧，有刷電機需要經常維護。
可以通過調節電壓、電流或同時調節兩者來實作直流電機的速度控制。已經設計出了能夠控制直流電機速度的電子控制器。通過将供給繞組的電流極性反向，很容易使電機反轉。也可以用可變電阻來實作直流電機的速度控制。把電阻與勵磁繞組串聯，通過電阻阻值的變化就可以提高或降低電機所獲得的電壓。
3.6.1 永磁電機
永磁電機（Permanent-Magnet，PM）主要用于驅動小型玩具以及汽車中的電動座椅和電動車窗等裝置。除了玩具上的應用之外，也有一些其他用途，但是在機器人中用的很少。永磁電機由永磁體和轉子繞組或電樞組成。電刷和換向器将直流電輸送至電樞時，建立了一個能夠被永磁體磁極吸引的磁場。磁極相反就會互相吸引。當換向器将直流電供給電樞時，電樞的磁場會使它産生轉向固定的永磁體的運動，使其轉動到另外兩個部分，導緻兩個不同的磁極通電并被磁化，接着這個磁極就又會被永磁體吸引再産生轉動。每當線圈接近永磁體時，線圈的能量就會通過換向器的作用使這部分線圈轉動，接着就又與相鄰兩個部分上的電刷接觸。這個過程會連續不斷地進行，因為換向器的作用就相當于一個開關，決定哪部分的線圈通電，以及什麼時候通電。
3.6.2 直流無刷電機
較新研發的直流無刷電機是通過半導體或霍爾效應磁性器件來使通過勵磁線圈的電流方向改變的。普通直流電機通過換向器在電樞中進行電流轉換，直流無刷電機則使用電子器件作為開關操作。無刷電機有兩種類型：霍爾效應電機和分相永磁電機。分相永磁電機具有中心抽頭繞組（如圖3-8所示）。使用半導體建立一個振蕩電路來向繞組供電。電機繞組的電阻、電容和電感決定振蕩器工作的頻率，也決定了電機的轉動速度。
霍爾效應電機利用半導體的特性來對存在的磁場做出反應，以此作為開關。當半導體附近有磁場通過時，半導體中的半導體電阻減小，電路中的電流升高，升高的電流被輸送到電子開關，電子開關進而控制電機勵磁繞組供電電流（如圖3-9所示）。
無刷電機的永磁體安裝在電樞軸上，而不是将其作為永磁磁場。勵磁線圈是繞線式的轉子。無刷電機的優點是使用壽命長。去掉電刷和換向器之後，便可使其成為幾乎不需要任何維護的電機。無刷電機的主要缺點是由分相PM類型産生的低轉矩。
3.6.3 步進電機
由步進電機驅動的教育機器人具備機器人的基本操作功能，但步進電機在工業領域用得并不多。步進電機有一個很大的缺點，就是一旦過載就會發生“?丢步?”現象，這意味着會産生由于丢步而導緻的難以覺察的誤差，并使正在加工和處理的工件報廢（如圖3-10a所示）。
步進電機主要用于将電脈沖轉換成旋轉運動，如此就可用來産生機械運動，這一點剛好與計算機的特點相比對。計算機發出操作步進電機的脈沖。雙相步進電機的操作是由四步開關序列完成的。開關1或2的四個組合中的任何一個都能夠确定一個準确的轉子位置（如
圖3-10b所示）。在四個開關組合完成後，重複該周期。每個開關組合都會使步進電機運動一步。
有些步進電機使用八個開關組合來實作半步，在這種類型的操作期間，對于施加到定子的每一個輸入脈沖，電機軸移動其正常步距角的一半，這會得到更精确可控的運動（如圖3-10c所示）。這樣的步進電機需要有八個定子繞組。
3.7 交流電機
交流電機在工廠中用來操作空氣壓縮機及物料搬運裝置。它們提供搬運材料和裝置的能量。一般用直流電機控制機器人運動的主要原因是直流電機比交流電機更容易實作速度控制。直流電機也比交流電機更容易實作計算機控制。然而，近期的技術進步已經能夠實作交流電機的精确計算機控制。
機器人最常用的兩種交流電機是繞線轉子感應電機和鼠籠式電機，根據機器人所在工廠能夠提供的電壓情況，它們可在120伏、240伏和440伏的電壓下運作。
3.7.1 感應電機
感應電機可以分成很多種類型。但是我們在此隻讨論繞線轉子感應電機。這種電機在機器人上得到大量應用有幾個原因：繞線轉子感應電機在重載下依然具有平穩的加速度，且不會過熱，它還具有高啟動轉矩和良好的運作特性。由于線繞轉子的存在，可以獲得高啟動轉矩。
但是這種電機的缺點是啟動非常慢，這也限制了它的應用，感應電機隻能應用在不要求操作機快速移動的操作中。
感應電機在具有轉子繞組的電路中加入了一個高電阻。随着電機速度的增加，電阻減小。一旦電機超過某個速度，導緻滑環脫離電阻箱（電阻保持為0，不再起到調節作用），此時的感應電機就相當于一個普通鼠籠式電機了。
3.7.2 鼠籠式電機
鼠籠式電機轉子的設計就像一個鼠籠，是以該名稱表示這是一種轉子中含有短路導體條的電機（如圖3-11a所示）。由于交流電機本質上相當于一個短路轉換器，其轉子或次級被短路并允許旋轉。使用軸端的風扇為這個被短路的轉子降溫，是以轉子能夠旋轉且不會産生過大的電流，也不會過熱（如圖3-11b所示）。
機器人操作機通常由鼠籠式電機提供動力。不同的設計特點可以滿足操作機的不同需求。這些設計特點大多涉及轉子的制造方法，以及處理工作任務所需的速度和電流等方面。
鼠籠式電機的轉子類似于松鼠和沙鼠被裝在籠子裡的時候，它們用來保持自己的姿勢的輪子。轉子由矽鋼片疊片鐵芯、銅端環或鋁端環以及轉子長度的導體條制成。
鼠籠式電機分為六類。根據工作方式和工作條件的不同特點，分為從A類到F類。電機的分類有利于在實際應用中對電機的恰當選用。
- A類：正常轉矩，正常啟動電流。最常用的鼠籠式電機。
- B類：正常轉矩，低啟動電流。
- C類：高轉矩，低啟動電流。
- D類：非常高的滑移率。最常應用于機器人。
- E類：低啟動轉矩，正常啟動電流。
- F類：低轉矩，低啟動電流。
3.7.3 滑移
感應電機的轉子無法保持與磁極或定子中的磁場變化同步。轉子的速度與由60赫茲交流電産生的磁場變化之間的差稱為滑移。當定子磁極和轉子導體之間存在感應電流損失時，就會産生滑移。負載轉矩是導緻電機發生滑移的原因。轉子的速度和磁場的變化之間的差是電機轉動的原因。如果轉子和磁場以相同的速度旋轉，則感應磁場和定子中的磁場的差異将抑制轉子産生轉矩以保持其速度不變。即使沒有負載，想使轉子跟上磁場的變化也難以做到，因為除了轉子中感應電流的損失之外，還存在軸承的摩擦以及風扇和運動轉子之間産生的風阻等因素。
滑移以百分比表示，數值可能是1%到100%之間的任意值。電機運作後的正常滑移是5%。這個值會随着轉子的結構、電機的負載以及電機的結構不同而變化。
直到電機達到轉子軸上負載的轉矩需求，電機都有加速的趨勢，也就是增加扭矩以滿足負載的要求。一旦超過轉矩極限，電機就會發生過載堵轉，這會導緻出現過電流、煙霧，電機也會變得非常熱。
3.8 末端執行器
一個能夠正常工作的機器人，必須能夠完成取放物體、焊接、噴漆或移動物體的操作。人手是一個能做各種動作的複雜裝置，是以很難把它設計成單一的機械裝置。大多數工業機器人都隻有一隻手臂，在手臂（操作機）的末端安裝工具，以使機械臂抓起或移動物體。這些工具被稱為末端執行器或末端工具。這兩個術語都可以在文獻中找到，但是“?末端執行器?”似乎已經被接受為規範術語使用。
操作機将末端執行器移動到需要其工作的地方。末端執行器到達工作位置後，就可以以某種方式來抓持物體。如果末端執行器是由氣體負壓來驅動的，機器人到達程式預定位置後，就必須以某種方式關閉負壓以釋放物體。機器人制造商會為使用者提供多種類型的末端執行器，它們通常使用真空氣體負壓、電磁鐵或機械夾持器進行操作。
末端執行器可以分為兩組：夾持器（與人手類似）和手臂末端工具。
3.8.1 夾持器
夾持器不能對夾持的物體進行操作，它們隻是用來抓取物體并将其放置在其他地方（如圖3-12所示）。可以使用夾持器将零件放入熱爐中，并在加熱後将其取出。然後，再把零件放入到一個池子中，對零件進行一段時間的熱處理。接着把處理完的零件放置在運輸帶或托盤上，以便傳送到下一站并進行下一步的操作。夾持器就像一隻手，抓住一個物體并握緊它。夾持器可以用來握持住物體或移動物體。不論哪種情況，夾持器或者由制造商設計，或者由使用者根據機器人特定功能需求設計。
3.8.2 真空夾持器
手指式夾持器并不是唯一可用的夾持器，真空吸盤也可作為标準配件使用（如
圖3-13所示）。根據需要被移動物體的重量，可以選用合适的真空吸盤來提升物體。真空吸盤安裝在操作機的末端，真空軟管連接配接在吸盤上。一個良好的真空系統能夠産生足夠的吸力來夾持平闆型的物體，然後移動物體并将其放置到設定的位置。部件達到其程式設計設定的位置後，就必須關閉真空。控制器用來确定拾取物體的時間和拾取動作，以及釋放物體的時間，并将其釋放在程式設計設定的位置。
3.8.3 磁性夾持器
電磁鐵也可以用作末端執行器。電磁鐵的設計應該保證其形狀與抓取的物體相适應。在這種情況下，物體必須表面平整且具有鐵磁性，這樣才能保證使用磁鐵能很容易地将物體拾起來（如圖3-14所示）。
3.8.4 末端工具
焊接或噴漆機器人需要使用另一種末端執行器。可以在操作機的末端安裝割炬，或者可以把噴霧膠管連接配接到噴嘴上，以保證噴塗操作的精度。末端執行器通過法蘭連接配接噴嘴、焊槍或割炬，使操縱變得簡單且精确。
在操作機的末端通常都有安裝孔，以适應不同類型的末端工具的連接配接（如圖3-15所示）。操作機承載能力對機器人的功能而言是至關重要的。操作機的有效載荷或者承載能力根據末端工具的重量而變化。末端工具也是操作機需要拾起重量的一部分，有效載荷通常用千克表示。是以，如果一個末端工具重4千克，操作機的承重極限是10千克，那麼被操作的物體重量不能超過6千克。末端工具有時候也通過安全接頭連接配接到操作機上，一旦機器人發生故障，安全接頭能夠保護末端工具。
末端工具的路徑由控制器确定。對焊接機器人來說，控制器是非常重要的部分。焊接時，末端工具移動的路線必須精确。焊接一般是在大型制造工廠中進行的，典型執行個體包括在汽車和家用電器的制造中的焊接。點焊、弧焊和氣焊都是由機器人完成的，焊接工具安裝在操作機的末端，如圖3-15所示。
3.9 定位
設計機器人時最重要也是最需要注意的方面之一是機器人定位操作機的能力。機器人在執行來自于控制器的任務的過程中，必須始終保持操作機的位置要求。
機器人控制器分為低技術、中等技術和高技術。這種分類代表了機器人完成任務的操作水準（圖3-16）。（注意并不是機器人領域的每個人都認同這種低技術、中等技術、高技術的分類，這裡使用這些術語是為本書提供思想的連續性。）
低技術控制器
1.重新程式設計困難，依靠機械停止來控制它們的運動。
2.要花很長時間重新程式設計。
3.沒有用來存儲資訊的内部存儲器。
4.沒有微處理器用來發出控制軸運動的指令信号。
中等技術控制器
1.用于兩軸或四軸操作機。
2.有微處理器和記憶體。
3.對外圍裝置輸入/輸出信号的控制能力有限。
4.對指令的反應較慢，且一次隻能支援一個軸上的運動。
5.有記憶體，可以重新程式設計。
6.可用記憶體通常是有限的（對于不需要重新程式設計的兩個程式來說記憶體一般是充足的）。
高技術控制器
1.具有強大的記憶功能。
2.具有微處理器和協處理器。
3.對操作機進行伺服控制。
4.可以使用多達64個輸入/輸出信号與外圍裝置通信。
5.可以快速重新程式設計。
6.一次可以操縱多達10個軸。
7.能夠實作機械臂（不限于高技術類型，可用于所有類型）的平滑操作。
8.可以在軟碟、錄音帶及磁泡存儲器上存儲記憶體。
9.可應用于計算機輔助設計/計算機輔助制造（CAD/CAM）系統。
10.有與傳感裝置的接口。
在任何機器人的操作中，操作機的運動控制都是非常重要的。選擇的控制器不同，機器人的潛在應用能力也就不同。操作機接近工作裝置中的程式設計點時各運動軸的速度非常重要。這是通過對操作機及末端執行器的電機速度控制來實作的。通過使用動态制動或反向制動，在到達程式設計點時使電機停止。
電機電樞斷電的同時迅速接通電路内的電阻，就會發生動态制動（如圖3-17所示）。當電機産生發電機效應的時候電樞就會産生電流，也就是說電樞如果繼續旋轉就會起到發電機的作用，且短時間内磁場仍然存在。在電樞上增加一個電阻器，使之産生相反方向的電流，因為不同磁極的互相吸引作用會使電樞停止旋轉。
使電機電源的極性反轉時會發生反向制動（如圖3-18所示）。極性反向會使電機即刻受到制動力的作用。但是如果這種操作過于頻繁，很可能會損壞電機。這種操作必須快速完成，而且一旦電樞停止轉動，反向極性就必須立刻斷開。這種轉換作用通常是在極性的快速反向應用使電機制動後，便使極性恢複到原始方向。
中等技術的機器人操作機也可用步進電機驅動。步進電機向其繞組發送脈沖。根據電機的設計，這些脈沖将使電機轉動一定的角度，而不是旋轉整個360度，一個脈沖也可以僅旋轉2度。通過施加确定的脈沖數，控制器就能夠使電機步進到正确的位置。
高技術操作機一般采用直流無刷電機驅動。在有些情況下，也可以由交流電機驅動。無刷電機的主要優點是沒有火花。當然，三相交流電機也不産生火花。而分相電機或單相電機在打開啟動開關、電機達到一定速度後确實會産生火花。
操作機根據接收到的信号（指令）發生相應的移動。包括位置指令信号和速度指令信号。轉速計将操作機的運作速度信号回報給控制器。轉速計在結構上其實就相當于一個直流永磁發電機。隻不過它是由操作機的轉動來驅動的，是以，當電樞在永磁場中旋轉時會産生一個速度信号。轉速計類似于用來驅動玩具的永磁電機，隻不過轉速計的精度更高一些。
3.10 重複定位精度和精度
機器人的一個最重要特點就是能夠準确地不斷重複同樣的工作。機器人通過程式設計完成特定的操作任務。機器人根據指令移動到某一位置并在此完成操作任務。執行往返目标點位置的路徑程式儲存在存儲器中。這些點的位置被儲存起來，每次需要重複地到達這些位置時就重新調用。程式編寫好并給出“?運作?”的指令後，機器人可能仍然無法精确地到達目标位置，可能會存在0.030英寸的偏差。如果這是機器人偏離目标點的最大誤差，就可以說機器人的精度是0.030英寸。
中等技術機器人精度和重複定位精度沒有低技術機器人高。這是由于中等技術機器人的軸數增加了。多個軸需要同時作用在一個目标點上，多個軸産生的誤差是累積的，加起來後就會使精度較低。低技術機器人一次隻能移動一個軸以達到目标位置，它們依靠硬停機來保證精度。中等技術機器人的精度在0.2到1.3毫米之間。
精度不是機器人唯一的重要參數。重複定位精度也是評價機器人定位能力的重要名額。重複定位精度是指機器人在執行程式的過程中，多次傳回至同一程式設計點時的相對位置誤差。例如，機器人在第一次執行程式時到達的位置與程式設計點間相差0.030英寸。在下一次執行程式的過程中，如果機器人到達的位置與之前到達的位置間相差0.010英寸，或者說與原始的程式設計點間總共相差0.040英寸，則機器人的精度為±0.040英寸，重複定位精度為±0.010英寸。
重複定位精度會随機器人的使用情況和時間而變化。随着使用時間的增長，機械部件逐漸磨損，就會降低整個系統的精确性。大多數情況下，精度是很容易被修正的。是以，在很多應用中，對重複定位精度的要求往往要比對精度的要求更高。
3.11 傳動
機器人的傳動系統主要包括齒輪、皮帶和鍊條。每一類都有其特定的應用場合。使用這些傳動裝置的主要目的是傳遞能量。為了驅動操作機和末端工具，必須采用一些能将能量傳遞給它們的方法，鍊條、皮帶和齒輪都可實作能量傳遞。将作動器的能量傳遞到機器人操作機屬于比較大型的任務。作動器是指電機或其他驅動源。
3.11.1 齒輪
将能量從作動器傳遞到末端執行器的最常用的方法是齒輪傳動。也就是說，如果作動器位于操作機的中心，則必須采用某種方法來将作動器上産生的能量傳遞給末端執行器。齒輪傳動就是其中的一種最常用的方法。
不同齒輪的尺寸和齒數都各有不同。齒輪的設計主要是用來發揮機械的優勢以及降低速度。電機的速度往往太高而不能直接應用于機器人的運動，必須要降低速度使其與機器人運作所需的速度相适應。齒輪可以用來增加或降低電機的有效速度。
可以按許多種組合配置方式購買齒輪。兩個齒輪可以彼此成直角齧合，也可以一個齒輪在另一個齒輪的内部齧合。如果布置合理，通過驅動帶有輪齒的齒條能夠将旋轉運動轉變成直線運動。末端執行器使用多種齒輪機構，機器人的傳動部分也是如此。此外，還有多種類型的夾持器和多指手。它們均通過不同的齒輪和連杆将動力源轉換成所需要的運動和動力。
3.11.2 齒輪系
将多個齒輪布置組合在一起，就構成了齒輪系（如圖3-19所示）。齒輪系可以用來改變旋轉運動的方向，增加或降低輸出軸的旋轉速度。齒輪系可分為兩類：定軸齒輪系和行星齒輪系。定軸齒輪系進一步又可分為兩大類：簡單齒輪系和複合齒輪系。
3.11.3 蝸杆蝸輪傳動
蝸杆蝸輪傳動通常被用于驅動機器人操作機的底座（如圖3-20所示）。需要進行一些複雜的設計過程來確定能夠獲得正确的傳動速度和方向。蝸杆是一種單頭螺紋或多頭螺紋的螺紋杆，其軸向截面的形狀與齒條的軸向截面形狀相同。具有特殊形狀的蝸輪齒能夠保證與蝸杆的齧合。
蝸杆蝸輪傳動用于兩個互相垂直的軸的旋轉運動的傳遞。一般常用于具有轉動機械臂的機器人。電機、氣動馬達或液壓馬達都可以用來驅動蝸杆蝸輪傳動裝置進而為操作機提供動力。
3.11.4 滾珠絲杠
在機器人中使用伺服電機和步進電機時，常常需要将旋轉運動轉換成直線運動，多年來，這種運動的轉換一直是用一根帶螺母的螺紋杆來完成的。如果在螺紋杆轉動時不讓螺母轉動，螺母将沿螺紋杆移動。這種傳動的主要缺點是摩擦和磨損。當螺紋杆被擰入螺母時，緊密連接配接的螺紋産生的較大摩擦浪費了電機産生的大部分動力。當螺紋杆在螺母中轉動時，它們之間也會磨損。這種磨損會使精度降低，這個問題必須在将其用于機器人以及更現代的自動化系統之前加以解決。
改進型式的滾珠絲杠傳動克服了這些問題（如圖3-21所示）。滾珠絲杠已經存在很多年了。滾珠絲杠的凹槽與标準螺絲的凹槽相似，但滾珠絲杠的凹槽需要切割以允許凹槽内部滾珠自由滾動。目前，在一些汽車的轉向機構中使用了滾珠絲杠傳動裝置。
3.11.5 錐齒輪
錐齒輪是用于連接配接具有相交軸的、形狀類似的圓錐的齒輪（如圖3-22所示）。準雙曲面齒輪與錐齒輪在形式上很相似，但準雙曲面齒輪作用于偏心軸。大多數錐齒輪可分為直齒錐齒輪和曲齒錐齒輪。曲齒錐齒輪又可分為螺旋錐齒輪、零度弧齒錐齒輪和準雙曲面齒輪。直齒錐齒輪是所有錐齒輪中最常用的類型。然而，這些齒輪大多都不在機器人上使用。齒輪的齒是直的，但邊是錐形的，這樣它們向内延伸時才能與軸線相交于共同點（節錐頂點）。
當機器人必須要實作90度或45度的運動傳遞時，可将錐齒輪用于操作機。錐齒輪的齒的切面形狀和大小決定了齒輪承受重載的能力。比起零切齒輪，螺旋錐齒輪能夠承受更重的載荷。準雙曲面齒輪和零切齒輪的齒看上去很相似，唯一的差別是，準雙曲面齒輪偏離齒輪的中心接觸點。這種45度和90度排列起來的齒輪裝置有時被稱為斜方齒輪，因為這看上去像是斜面結合。
3.11.6 調整齒輪
滾珠絲杠傳動将伺服電機的旋轉運動轉換為直線運動。許多機器人都既需要直線運動又需要旋轉運動。關節機器人的臂關節就是一個很好的例子，它們可以通過一個旋轉驅動器來驅動。
大多數伺服電機不能直接連接配接到機器人的關節上，因為它們的動力不足以驅動機器人的手臂，把伺服電機的軸直接連接配接到機器人的關節的情況就更差。如果将伺服電機的電樞軸與變速器連接配接，并将變速器的輸出與機器人的關節連接配接，那麼就會有足夠的動力來移動機器人的手臂，也就有足夠的動力來移動機器人的負載。
伺服電機高速旋轉，進而高速驅動變速器的輸入軸。變速器中的齒輪使速度降低并增加扭矩，變速器的輸出軸在低速和高扭矩下轉動，這樣便可驅動機器人的手臂。當齒輪的齒互相齧合時會出現磨損問題。這種磨損會随齒輪的轉速提高而加重。随着齒輪變薄，對輸出軸的驅動作用也越來越不均勻。機器人的手臂不再平穩地移動，導緻手臂的定位變得不準确。
齒側間隙是指兩個齒輪在齧合時存在的間隙（如圖3-23所示）。這意味着齒槽的總寬度要超過齧合齒的厚度。當齒輪發生磨損時，齒側間隙就會變大。采用合适的方法讓兩個齒輪更加靠近，就可以消除或至少能夠減小齒側間隙。但是消除了齒側間隙，齒輪間的摩擦力就會增大。這樣不僅浪費能量，還會在傳動裝置中産生熱量和噪聲。是以，在齒輪間必須要有足夠的齒側間隙來起到潤滑的作用。機械師手冊中列出了能夠使齒輪平穩且有效運作的恰當齒側間隙。
新的傳動裝置在不斷開發中，你可能會在一些最新的機器人中發現它們的身影。隻要有需求，就會有回應，新産品将層出不窮。
3.12 諧波傳動
在機器人中，諧波傳動的使用在于減少齒側間隙、齒輪磨損及摩擦。諧波傳動提高了機器人中運動和動力傳動的品質。諧波傳動裝置由三個主要元件組成：剛性齒輪、波形發生器和柔性齒輪（圖3-24）。
波形發生器是一個橢圓形元件，柔性齒輪是一種柔性的杯狀物體，其外徑上有齒。将波形發生器裝入柔性齒輪中，使其也變成一個橢圓。剛性齒輪是一種非彈性内齒輪。将波形發生器和柔性齒輪元件共同裝入剛性齒輪中。
當諧波傳動的波形發生器旋轉時，齒輪減速。諧波傳動比由剛性齒輪的齒數及剛性齒輪與柔性齒輪齒數之差控制。例如，如果剛性齒輪有400個齒，而柔性齒輪有398個齒，則比諧波傳動比為400∶2或200∶1。如果剛性齒輪有100個齒，而柔性齒輪有97個，則諧波傳動比為100∶3。諧波傳動的傳動比僅由剛性齒輪和柔性齒輪的齒數限制。
與标準傳動相比，諧波傳動的最大優點就是完全沒有齒側間隙，這提高了機器人的精度和效率。
3.13 皮帶
當無法使用齒輪來傳遞從作動器到機器人的動力時，就必須使用其他方法。鍊條和皮帶是除齒輪外最好的動力傳遞方法。皮帶有柔性，運作沒有噪聲，并且能夠吸收機器人在停機和啟動時産生的振動和沖擊。當然，皮帶也确實有一些局限性，皮帶柔韌且易磨損，最大的問題是打滑。盡管如此，皮帶性能可以通過某種方式增強，實際上應用比較普遍。
在機器人中，可以考慮選用三種類型的皮帶：V帶、同步帶和平帶。
3.13.1 V帶
V帶因截面形狀而得名。“V”字形的皮帶易于與滑輪實作非常好的配合（如圖3-25所示）。皮帶由橡膠制成，橡膠内部具有貫穿整個皮帶的加強線。可以使用這種皮帶将電機的皮帶輪和操作機底部的皮帶輪相連接配接。
3.13.2 同步帶
同步帶因其形狀而得到廣泛認可。同步帶上具有等間距的齒與帶輪的齒齧合。帶輪也經過了專門的設計以與相應的同步帶配合（如圖3-26所示）。這也意味着同步帶要比V帶的成本更高。同步帶上的齒與帶輪上的凹槽齧合，保證了傳遞過程中不會發生滑動。這種類型的傳動帶能夠為機器人操作機的手腕提供足夠的抓取力。同步帶常用于運動方向不斷發生改變的場合。在某些汽車的發動機上也使用同步帶傳動。
3.13.3 平帶
平帶通常在小型機操作機的腕部使用，因為當承受較大載荷時，平帶就會有打滑的傾向。平帶由橡膠制成，用繩索貫穿整個平帶内部進行加強。這使其制作成本低廉，同時能夠較為理想地實作動力的傳遞。如果需要，可以用平帶來實作中、低速的較大扭矩的傳遞（如圖3-27所示）。
3.14 鍊傳動
如果需要傳遞不發生滑動的較大負載的動力，帶傳動就無法滿足要求，此時就可以使用鍊傳動。鍊傳動非常适用于長距離的動力傳遞（一般其傳動距離比齒輪長，比皮帶短），鍊條不會像皮帶那樣拉伸或打滑。通常在機器人中使用的是滾子鍊，而不用珠鍊。
3.14.1 滾子鍊
滾子鍊的傳遞扭矩大且精度高。自行車所使用的鍊條就是這種類型的滾子鍊（如圖3-28所示）。滾子鍊通常用于将動力從作動器和驅動機構傳向操作機。
3.14.2 珠鍊
珠鍊常用于關閉窗簾或開關地下室的燈。它們适用于低扭矩的應用，但不适用于機器人。珠鍊可用于驅動具有低扭矩要求的裝置（如圖3-29所示，從圖中可以看對外連結珠與鍊輪窩配合的情形）。珠鍊的鍊條很容易斷裂。珠子通常是由金屬或塑膠制成的。
3.15 本章總結
機器人需要依靠動力系統才能正常運作。液壓系統、氣動系統和電力驅動系統都可以用來驅動機器人。液壓系統用于負載較大的場合，氣動系統用于中、低負載的場合，電力驅動系統用于較低負載的場合。液壓系統需要用泵來使流體産生壓力，進而實作機械臂和末端執行器的正常工作，液壓泵的類型比較多。
氣動系統借助空氣來完成工作，使用氣動馬達實作操作機末端對物體的抓取。氣動系統不需要使空氣傳回至系統，可以将空氣直接排放到大氣中。
電力驅動系統是指由電機提供動力的系統，電機有多種類型，但是想要實作高精度的運動和移動，直流電機是首選。可以使用永磁電機、步進電機、直流無刷電機和霍爾效應電機來驅動機器人以實作多種功能。交流電機适用于載荷較大、不需要精确運動的場合。交流電機可以分為感應電機和鼠籠式電機，兩種類型的電機都有其特定的應用場合。鼠籠式電機根據其啟動電流和轉矩進一步可細分為六類。
末端執行器也叫作末端工具。安裝在操作機的末端，并由操作機實作其位置和姿态。使用夾持器來拾取和保持正在被加工、裝箱、抓取或進行堆垛的物體，類型主要有真空夾持器和磁性夾持器。許多夾持器是在機器人工作的工廠裡制造的。
機器人的定位對保證機器人的正常使用非常重要。機器人必須能夠将物體重複放在同一位置，且保證一定的精度。根據機器人控制器對程式的處理能力，可以分為低技術、中等技術和高技術。
動态制動和反向制動用來快速停止操作機的運動。這兩種制動方式有各自的優缺點，應用于不同的場合。重複定位精度和精度是機器人系統的重要特性。重複定位精度是機器人将物體多次重複放置在同一位置的能力，而精度是機器人在給定地點放置物體的精确程度。
齒輪、鍊條和皮帶是機器人常用的運動和動力傳動裝置。每一類都有其各自的特點和應用場合。齒輪傳動的運動精确高但是有一定噪聲；鍊傳動與帶傳動比較的話，鍊傳動有一定的局限性，但是帶傳動的動力傳動距離更短。能夠減少齒側間隙并提高機器人操作效率的諧波傳動現已開發出來并得到應用。諧波傳動解決了标準傳動機構無法解決的噪聲問題。滾珠絲杠傳動能有效地消除齒側間隙、解決齒輪松動問題。
3.16 關鍵術語
精度（accuracy） 機器人在給定地點重複放置物體的精确程度。
齒側間隙（backlash） 兩個齒輪在齧合時存在的間隙。
滾珠絲杠（ball screw） 一種用滾珠軸承代替螺紋的方法（滾珠絲杠将旋轉運動變為直線運動）。
無刷電機（brushless motor） 一種不使用電刷進行操作的直流電機（電子電路控制其勵磁）。
諧波傳動（harmonic drive） 一種無間隙、低噪聲的利用剛性齒輪、柔性齒輪和波形發生器精确定位操作機的傳動機構。
液壓系統（hydraulics） 利用流體的壓力來驅動末端執行器或操作機。
反向制動（plugging） 通過調換電機電源的極性來堵轉電機的方法。
定位（positioning） 機器人将物體放置在所需位置的能力。
泵（pumps） 通常是一種電驅動的裝置，用來增加流體的壓力。
重複定位精度（repeatability） 機器人将物體反複放置在同一位置的能力。
滾子鍊（roller chain） 與自行車上的鍊條是同一種類型，用于驅動操作機和末端執行器。
步進電機（stepper motor） 一種直流電機，每次有脈沖輸入時，電機軸會旋轉一定的角度（通過電機中磁場的适當組合，軸從一個位置移動至下一個位置）。
同步帶（synchronous belt） 一種帶齒的帶，齒與皮帶輪上的帶槽相配合，皮帶不會打滑。
V帶（V-belt） 一種用來驅動操作機的皮帶，具有與V型皮帶輪相配合的形狀。
蝸杆蝸輪傳動（worm gear） 一種将直線運動轉變為旋轉運動的方法，反之亦然。
3.17 思考題
1.列出機器人驅動系統的三種類型。
2.氣動系統為什麼需要過濾器？
3.安全閥是如何起作用的？
4.靜态液壓泵的兩個分類是什麼？
5.氣動是什麼意思？
6.列出氣動系統的組成部件。
7.描述永磁電機。
8.步進電機的作用是什麼？
9.直流無刷電機是如何不用電刷進行工作的？
10.在機器人中最常用的兩種交流電機是什麼？
11.鼠籠式電機用在什麼場合？
12.列出鼠籠式電機的六種轉矩特性。
13.什麼是滑移？如何利用滑移？
14.真空夾持器是如何工作的？它們的局限性是什麼？
15.磁性夾持器是如何工作的？它們的局限性是什麼？
16.末端工具的另一個名稱是什麼？
17.什麼是定位？
18.什麼是重複定位精度？
19.機器人的精度意味着什麼？
20.滾子鍊傳動的優點是什麼？