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机器人又一核心部分——执行器,你了解有多少?

作者:末端执行器 浏览: 发表时间:2020-11-16 15:15:48 来源:末端执行器

       近年来,机器人技术发展迅猛,先进的机械材料和动力控制得以应用在很多领域中。比如:医用手术机器人,可以在手术台上进行非常精密的操作;肌肉模拟机器人,利用液压和静电原理,可以提起重量高达自身200倍以上的物体。机器人能够具备这样的能力,离不开科学家们对执行器的深入研究和实验。
                                             

       前面我们已经讲过了机器人的控制器部分,相当于人类的大脑。

机器人的“大脑”——控制器,你了解有多少?

今天就来说一说执行器。想象未来,如果让你开一家机器人服务公司,你会让机器人执行什么任务?    

01
什么是执行器

       机器人作为一个完整的自动化控制系统,其中一个重要的组成部分是执行器。执行器接收控制器发来的信号,并对受控对象施加控制运行作用,是执行实际动作的部件,相当于人类的四肢。

       人类完成很多事情都需要依靠四肢的配合,比如:用手拿东西、用双腿行走。对机器人来说也是这样,比如:机器人是通过机械爪抓取物体,依靠轮子进行移动等。
                                             

       执行器的种类很多,其分类方法也很多。按其采用的能源形式,可分为电动、液动和气动三大类,分别提供电能、液体的压力能和气压动力。

电动执行器由驱动部分和机械部分组成。以移动机器人底盘为例,它的驱动部分为电机,作用是提供动力;机械部分是安装座、轮子和板材等,用于提供物体支撑。

       液动执行器推力***,但比较笨重。比如:三峡的船阀用的就是液动执行器。

       气动执行器用压缩空气作文能源,结构简单,动作平稳,被广泛应用于化工、造纸、炼油等生产过程中。

02

执行器工作原理

       要让执行器工作,需要给它输入控制信号和动力。当执行器收到了控制器发来的控制信号,在有足够动力源的情况下,它就会把能源转化成其他形式的能量。

 究其工作原理:

液动执行器,利用液压泵把机械能转换成液体的压力能,再传给执行器的机械部分。

优点:1)功率大,输出推力大;2) 结构简单,无需减速装置。

缺点:1)液体遇高温易燃烧、爆炸;2)液体泄漏风险。

气动执行器,利用精准控制,把压缩空气的势能,转换为机械能。

优点:1)环保;2)工作环境适应性好,安全可靠,防火防爆;3)价格低。

缺点:空气压缩性大,需要精准的控制。

电动执行器,以电能为能源,通过电机直接将电能转换为机械能。

优点:1)能源取用方便;2)信号传递迅速;3)噪声低。

缺点:1)结构复杂;2)安全防爆性能差。

03

执行器——电机

       电机也叫电动机,是执行器中利用电磁感应原理完成能量转换的常见设备。它包含定子(Stator)和转子(Rotor)两部分。定子指电机中固定的部分,通电后不运动;转子指通电后运动的部分。
                                            

       电机的种类繁多,形态各异。可以根据输入电流是直流还是交流,分为直流电机和交流电机;也可以按照有无电刷,分为有刷电机和无刷电机;还可以按照转子在外侧还是内测,分为外转子电机和内转子电机。

       除了根据电源分类,电机还能通过有无电刷来作区分。电刷是电机的重要组成元件,负责在旋转部件与静止部件之间传导电流。
                                            

我们常用的是直流有刷电机,直流有刷电机的工作原理是连通直流电后,导线会在磁场中受力转动。同时,为了保证转子的持续转动,如上图所示的两电刷、两换向结构的电机,每转动180°时电刷与换向片之间就会短暂的断开。线圈失去磁性的转子会在惯性的作用下持续转动,直到电刷与另一片换向片接触通电,并改变线圈内电流的方向,使转子改变磁极。通过不停的换向,电机的转子可以持续的旋转下去。
                                            

       无刷电机的定子是绕组线圈,转子是磁钢。由于没有了电刷的存在,无刷电机寿命大幅提升,转速更高,损耗更少。因为成本较高,无刷电机通常被用在对控制和转速要求高的设备上,如航模、精密仪器仪表。S1机器人使用的电机就属于直流无刷电机。

04

执行器——舵机

       在航模、机械臂中,常用的执行器是舵机。舵机是电机的一种应用,一般由外壳、电路板、直流电机和减速器组成。

       舵机内部集成了一个控制器,接收控制信号,驱动电机带动减速齿轮组到达指定角度。它通常和机械结构组合在一起用于控制角度变化,机器人的关节、轮子、航模的尾翼都会应用到舵机。
                                            

       PWM(Pulse Width Modulation)中文称为脉冲宽度调制波,我们通过调制PWM信号的周期和占空比,就能控制舵机按以指定的角度旋转。

如何调试PWM信号?

       周期(T):S1的PWM信号输出周期为20毫秒;频率(f):f=1/T=1/0.02=50Hz;占空比(D):一个信号周期内,信号在高电平的持续时间与总时间的比值:D=T1/T2;当高电平持续时间为0.5毫秒、占空比为0.5/20=2.5%时,舵机会转到一个方向的限位;当高电平持续时间为2.5毫秒、占空比为2.5/20=12.5%时,舵机会转到另一个方向的限位。

       有关机器人执行器的部分,你还了解有多少呢?


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