线性驱动机构
1.齿条齿轮装置
通常，机架是固定的。当齿轮被驱动时，齿轮轴和拖板沿齿条方向直线运动，使齿轮的旋转运动转化为拖板的直线运动，如图2.70所示。托架由导杆或导轨支撑。该设备具有较大的返回误差。
图2.70齿条齿轮装置
2. 普通丝杠
常见的丝杠传动是旋转的精密丝杠带动螺母沿丝杠轴向运动。普通丝杠由于摩擦力大、效率低、惯性大，低速时容易蠕动，精度低、回程误差大，在机器人中很少使用。
3. 滚珠丝杠
滚珠丝杠由于摩擦力小，运动响应快，所以在机器人中经常使用。由于滚珠丝杠将许多滚珠放在丝杠螺母的螺旋槽内，传动过程中的摩擦力是滚动摩擦，可以大大降低摩擦力，所以传动效率高，消除了低速爬行现象。装配时施加一定的预紧力可以消除回程误差。
如图2.71所示，滚珠丝杠中的滚珠从钢套中出来，进入地面导槽，转2 ~ 3圈后又回到钢套中。滚珠丝杠的传动效率可以达到90%，所以只需要用很小的驱动力，用很小的驱动连接件来传递运动。
图2.71滚珠丝杠副
2.5.2 旋转驱动机构
1. 齿轮链
齿轮链是由两个或多个齿轮组成的传动装置。机构。它不仅能传递角位移和角速度，还能传递力和力矩。以一个有两个齿轮的齿轮链为例，说明传动转换关系。一个齿轮安装在输入轴上，另一个齿轮安装在输出轴上，如图2.72所示。
图2.72齿轮链机构
使用齿轮链机构我们应该注意两个问题。第一，齿轮链的引入会改变系统的等效转动惯量，从而降低驱动电机的响应时间，使伺服系统更容易控制。输出轴的惯性矩转化为驱动电机，等效惯性矩的减小与输入输出齿轮齿数的平方成正比。二是引入齿轮链时，机械臂的定位误差会因齿轮间隙误差而增大；而且如果不采取一些补救措施，齿隙误差也会造成伺服系统的不稳定。
一般来说，有以下几种类型的齿轮链转动，如图2.73所示。其中，圆柱齿轮的传动效率约为90%。圆柱齿轮结构简单，传动效率高，是机器人设计中最常用的齿轮。斜齿轮的传动效率在80%左右，斜齿轮可以改变输出轴的方向；锥齿轮的传动效率约为70%。锥齿轮会使输入轴和输出轴不在同一平面，所以传动效率低。蜗轮蜗杆的传动效率约为70%。蜗轮和蜗杆机构传动比大，传动平稳，可自锁，但传动效率低，制造成本高，需要润滑；行星轮系的传动效率在80%左右，传动比大，但结构复杂。
图2.73常见齿轮链
圆柱齿轮；螺旋齿轮；锥齿轮；蜗轮；(e)行星齿轮系
2. 同步带
同步带类似于工厂里的风扇带和其他驱动带，除了这条带上有许多齿形齿，它们与具有相同齿形齿的同步皮带轮的齿啮合。工作时，它们相当于柔性好的软齿轮。 价格便宜有两个好处。此外，当输入轴和输出轴的方向不同时，也使用同步带。此时，只要同步带足够长，使带的扭转角误差不太大，同步带仍然可以正常工作。在伺服系统中，如果用编码器测量输出轴的位置，输入驱动的同步带可以放在伺服环外，不会影响系统的定位精度和重复精度，重复精度可以达到1 mm以内另外， 同步带比齿轮链好。价格低得多并且更容易处理。有时，将齿轮链与同步带结合起来会更方便。
3. 谐波齿轮
虽然谐波齿轮已经出现很多年了，但直到最近才得到广泛应用。目前，60% ~ 70%的机器人旋转关节采用谐波齿轮。谐波齿轮传动机构它由三个主要部分组成:刚性齿轮、谐波发生器和柔性齿轮，如图2.74所示。工作时，刚性齿轮固定安装， 齿沿圆周均匀分布，外齿廓的柔性齿轮沿刚性齿轮的内齿转动。柔性齿轮比刚性齿轮少两个齿，因此每次刚性齿轮旋转时，柔性齿轮都以相反的方向旋转。谐波发生器具有椭圆形轮廓，安装在谐波发生器上的滚珠用于支撑柔性齿轮，谐波发生器驱动柔性齿轮旋转并使其塑性。旋转时，只有柔性齿轮椭圆端的几个齿与刚性齿轮啮合。只有这样，柔性齿轮才能相对于刚性齿轮自由转动一定的角度。
假设刚性齿轮有100个齿，柔性齿轮比它少2个齿，当谐波发生器旋转50次时，柔性齿轮旋转1次，这样只需占用很小的空间就可以得到1: 50的减速比。由于同时啮合的齿很多，谐波发电机的转矩传递能力很强。虽然可以选择三部分中的任意两部分作为输入和输出部件，但通常谐波发生器安装在输入轴上，柔性齿轮安装在输出轴上，以获得较大的齿轮减速比。
图2.74谐波齿轮传动
线性驱动和旋转驱动的选择和制动
1.驾驶模式的选择
在廉价计算机出现之前，控制旋转运动的一个主要困难是计算量大，所以当时认为直线驱动比较好。DC伺服电机是一种理想的旋转驱动元件，但需要昂贵的伺服功率放大器进行精确控制。比如1970年，还没有可靠的大功率晶体管，需要很多大功率晶体管并联才能驱动一个大功率伺服电机。
今天，电机驱动和控制费用已经大大减少，大功率晶体管已经广泛使用，只需要几个晶体管就可以驱动一个大功率伺服电机。类似地，微型计算机价格也越来越便宜了。计算机费用在机器人总数中费用机器人的比例大大降低，有些机器人在每个关节或自由度上使用一个微处理器。
由于上述原因，许多机器人公司在制造和设计新机器人时，选择旋转关节。然而，在许多情况下，线性驱动更适合。所以直线气缸仍然是目前所有驱动装置中最便宜的动力源，能用的地方就用。另外，一些要求精度高的地方也要选择直线驱动。
2. 刹车
很多机器人机械手需要在各个关节处安装制动器，用来在机器人停止工作时保持机械手的位置不变；当电源出现故障时，机械臂受到保护，不会与周围的物体发生碰撞。如果齿轮链、谐波齿轮机构而滚珠丝杠等部件质量较高，一般其摩擦力很小，无法承受驱动器停止工作时的载荷。如果不使用一些外部固定装置，如刹车、夹钳或停止装置，一旦切断电源，机器人的各个部分都会在重力的作用下滑动。因此，有必要为机器人设计一种制动装置。
制动器通常以失效锁定的方式工作，即要释放制动器，必须接通电源，否则关节不能相对运动。这种方法的主要目的是在电源出现故障时保护电源，但其缺点是工作时需要不断通电才能松开刹车。如有必要，也可以采用省电方法。原理是:当所有关节都需要运动时，先接通电源，松开刹车，再接通另一个电源，带动一个止动销，将刹车锁定在放松状态。这样，所需的功率只是将止动销放置到位所消耗的功率。
为了使关节定位准确，制动器必须有足够的定位精度。制动器应尽可能放在系统的驱动输入端，这样可以利用传动链的速比减小制动器轻微滑动引起的系统振动，在承受条件下仍能保证定位精度。在许多实际应用中，许多机器人使用制动器。
图2.75显示了三菱装配机器人EX RV-M1肩制动器的安装图。
画2.75 三菱装配机器人肩制动器安装图
工业机器人的传输
工业机器人传动装置的选择和计算与一般机械基本相同。而工业机器人的传动系统要求结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小，消除传动间隙，提高其运动和位置精度。工业机器人的传动装置除了齿轮传动、蜗杆传动、链传动、行星齿轮传动外，常用的还有滚珠丝杠、谐波齿轮、钢带、同步齿形带、滑轮传动。表2.1给出了工业机器人常用传动方式的对比分析。
表2.1工业机器人常用传动方式对比分析
新驾驶模式
1.磁致伸缩驱动器
由于磁化状态的变化，铁磁材料和亚铁磁材料的长度和体积会发生微小的变化，这种变化称为磁致伸缩。20世纪60年代，发现一些稀土元素在低温下的磁伸长达到3000× 10-6 ~ 10000× 10-6，人们开始关注具有应用价值的超磁致伸缩材料的研究。发现(铽铁)、(钐铁)、(镝铁)、(钬铁)、(铽镝铁)等稀土铁化合物不仅具有高磁致伸缩值，而且具有高于室温的居里点，室温磁致伸缩值为1000× 10-。这种材料被称为稀土超磁致伸缩材料(Rear，缩写为RE-GMSM)。
这种现象已经被用于制造具有微英寸位移能力的线性马达。为了使这种致动器工作，被磁线圈覆盖的磁致伸缩棒两端要固定在两个架子上。当磁场发生变化时，它会导致棍子收缩或膨胀，这样一个架子就会相对于另一个架子移动。类似的概念是使用压电晶体制造纳米级位移的直线电机。
波士顿大学开发了一种由压电微电机驱动的机器人——“机器蚂蚁”。“机器人蚂蚁”的每条腿都是一根长度为1毫米或更短的硅棒，每条腿都由压电微电机驱动，没有传动装置。这种“机器蚂蚁”可以用来收集实验室中的放射性尘埃，从活着的病人身上收集生病的细胞。
2. 形状记忆金属
有一种特殊的形状记忆合金叫做(bio-metal)，这是一种专利合金，在达到一定温度时会缩短4%左右。合金的转变温度可以通过改变合金的成分来设计，但标准样品都把温度定在90℃左右。在这个温度附近，合金的晶格结构会从马氏体状态转变为奥氏体状态，从而变短。然而，与许多其他形状记忆合金不同，它可以在冷却时再次回到马氏体状态。如果导线上的负载较低，上述过程可以持续变化几十万个周期。实现这种转变的常见热源来自于电流通过金属时，金属因自身电阻而产生的热量。因此， 来自电池或其他电源的电流可以很容易地缩短生物金属线。这种导线的主要缺点是其总应变只发生在很小的温度范围内，因此除了在开关的情况下，很难精确控制其张力和位移。
图2.76由形状记忆金属制成的末端操纵器
3. 静电激励器
图2.77是带有电阻动子的三相静电驱动器的工作原理图。
图2.77三相静电驱动器的工作原理
该致动器具有以下特点:
(1)因为动子中没有电极，所以不需要确定与定子的相对位置，定子电极之间的间距可以很小。
(2)由于行驶时产生浮力，摩擦力小，停车时由于有引力和摩擦力，可以获得比较大的握持力。
(3)由于结构简单，可以实现基于薄膜的大面积多层结构。
基于以上几点，人们把这种执行器作为一种实现人工肌肉的方法来关注。
4. 超声马达
超声波电机的工作原理是弹性定子受到超声波的激励，使其表面形成椭圆运动。因为与转子(或滑块)接触，转子在摩擦力的作用下获得推力输出。如图2.78所示，可以认为定子按角频率ω0超声振动，转子在预紧力W下被推动..
超声波电机的负载特性与DC电机相似，转速相对于负载的增加有垂直下降的趋势。超声波电机与DC电机相比，其特点是:①有望实现低速高效；(2)同样的尺寸，可以得到很大的扭矩；(3)能保持较大的扭矩；④无电磁噪声；⑤易于控制；⑤外观自由度大。
画2.78超声波电机工作原理图2.5.6传动方式的应用 1.EXRV-M1的传动装置
图2.79是三菱装配机器人EX RV-M1的驱动传动示意图。该机器人由电力驱动，具有五个自由度，即腰部旋转、肩部旋转、肘部旋转、手腕俯仰和转弯。每个关节由DC伺服电机驱动，其中直接驱动腰部旋转部分和腕关节的转动。为了减小转动惯量，肩关节、肘关节和腕关节的俯仰都采用同步带驱动。实验室中常用的末端机械手(组装零件时具有打开和关闭动作))它由DC发动机驱动。
图2.79三菱装配机器人内部结构示意图
1) 腰部旋转(J1轴)
(1) 腰部(J1轴)由底座中的电机①和调音齿轮②驱动。
(2) J1轴限位开关③安装在底座的顶部。
2) 肩部(J2轴)旋转
(1)肩部(J2轴)由肩关节处的调音齿轮⑤带动，由连接在J2轴电机④上的同步带⑤带动旋转。
(2)电磁制动器⑦安装在调音齿轮⑦的输入轴上，以防止断电时肩部因自重而下翻。
(3) J2轴限位开关⑧安装在肩壳内的上臂处。
3) 肘部伸展(Elbow乐队轴)
(1)JBOY3乐队轴电机⑨的旋转通过同步带B10传递给调音齿轮B21。
(2)调音器B21上的JBOY3乐队轴输出轴的转动通过JBOY3乐队轴的传动杆传递给肘轴，从而带动前臂伸展。
(3)电磁制动器B12安装在调音齿轮B21的输入轴上。
(4)JBOY3乐队轴限位开关B13安装在肩壳内的上臂处。
4) 手腕倾斜度(J4轴)
(1)J4轴的电机B14安装在前臂上。J4轴同步带B15将电机的转动传递给调音齿轮B16，从而带动手腕壳体转动。
(2)J4轴的限位开关B17安装在前臂的下侧。
5) 手腕旋转(J5轴)
(1) J5轴电机B18和J5轴调谐齿轮B19安装在手腕壳体的同一根轴上，它们驱动夹持器安装法兰旋转。
(2)J5轴的限位开关B20安装在前臂下方。
2.彪马562机器人传输
图2.80显示了PUMA 562机器人的轮廓。该机器人有六个自由度，其传动方式如图2.80所示。从图中可以看出:
电机1通过两对齿轮Z1、Z2、Z3和Z4驱动立柱转动。
电机2通过联轴器、一对锥齿轮Z5、Z6和一对圆柱齿轮Z7、Z8驱动齿轮Z9，齿轮Z9绕与立柱固定连接的齿轮Z10转动，从而形成吊臂相对立柱的转动。
电机3通过两个联轴器，一对锥齿轮Z1和Z2，两对圆柱齿轮Z13、Z14、Z15和Z16(Z16与手臂固定连接)驱动手臂相对旋转。
图2.79 puma 562机器人传动示意图。
电机4首先通过一对圆柱齿轮Z17和Z18、两个联轴器和另一对圆柱齿轮Z19和Z20(Z20固定连接在手腕的套筒上)驱动手腕相对于前臂转动。
电机5通过联轴器、一对圆柱齿轮Z21和Z22、一对锥齿轮Z23和Z24(Z24固定连接在手腕的球壳上)驱动手腕相对于前臂(即相对于手腕的套筒)摆动。
电机6通过联轴器、两对锥齿轮Z25、Z26、Z27、Z28和一对圆柱齿轮Z29、Z30驱动机器人的机械接口(法兰)相对于手腕的球壳转动。