驱动装置是指为机器的关节和轴提供运动和力量的部件。机器操作的关键因素是控制信号和电力输入,从而移动机器。此外还需要将电机的输出转换为可用的速度和扭矩(此原理可类比自行车驱动,自行车上的齿轮,齿轮的使用是因为人的腿不够强壮,由于人腿不足以提供足够的动力直接驱动自行车的车轮。因此齿轮被用来改变驱动车轮所需的扭矩)。
机器人驱动装置也是如此——传统的电机/齿轮箱组合在一起转换电机的较低扭矩输出,从而让机器人手臂以较大速度进行大负载运动。高扭矩应用通常需要复杂的齿轮系统,齿轮系统越复杂(如较高的齿数比或更多的齿轮级),传动系统中存在的齿隙越大,齿隙会影响机器人的精度,严重时甚至会影响安全性。
齿隙是指系统中的“松弛”,也被称为齿轮中的“间隙”。例如,在一辆旧汽车熄火时候转动方向盘,但是轮胎并没有随之转动,就是因为相关齿轮系统中存在齿隙。沿着转向系统,可以发现许多齿轮连接处有大量的小间隙,整个转向系统中就会存在不可估量的齿轮间隙。
消除齿轮系统中的齿隙是非常困难的,而消除多级齿轮箱中的齿隙几乎是不可能的。齿轮的制造依照紧密度容限或紧配合,这一制造成本昂贵齿轮制造过程对紧密度(公差)要求极高,导致其制造成本非常昂贵。此外,过高的紧密度会引起较大的摩擦,因此需要一种机构来保持齿轮在扭矩范围内的紧密啮合。
灵活的齿轮系统,如谐波齿轮,提供了另一种消除齿隙的方法——齿轮箱有一些灵活的部件可以承受这些“松弛”。但是,这可能会导致系统存在隐患,并使逆向驱动变得非常困难。
齿轮致动器适用于低速应用,因为它能使电机在高速度和低扭矩的情况下保持高效率,也允许系统使用目前常见的小扭矩(较弱)电机。
基本的齿轮类型是正齿轮,每次啮合时齿轮内的每个齿都会完全碰触,这会造成大量噪音、带来磨损、并且需要经常润滑。为了改善正齿轮的噪音问题,研究人员研制了斜齿轮,斜齿轮的齿可以实现逐渐啮合。当我们改变齿轮比去放大扭矩时,速度就会降低,这是因为驱动齿轮箱的电机将输出速度降低,进而才能放大扭矩。这也是齿轮头通常也被称为减速机的原因。
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