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第18章 机器人动力来自哪里?

机器人的运动,从物理的角度讲,是一种机械能的表现。但是,外界输给机器人的能量是如何转变为机械能的呢?机器人的动力源又是什么呢?

机器人的前身,即那些自动偶人和自动钟,大多借助于发条,也就是机械能之间的传递。今天的机器人动力源,则已变得多种多样,有气动的、液压的、电动的。

气动的和液压的动力源有一个共同点,即通过一个阀门来控制。当机器人接收到一个控制信号时,阀门打开,活塞高压气体或高压液体通过阀门推动活塞运动伸长,若另一个阀门打开,就收缩。它们带动机器人肢体运动,达到做功的目的。

气动与液压动力源除了控制上的共同点外,还有不少区别,最大的区别源于气体与液体的特性。气体可以被压缩,而液体不能被压缩。气动动力多用于负载较轻、精度不高的机器人驱动上,液压的则多用于负载较重、精度较高的机器人驱动上。由于近几年来电动动力的发展,气动和液压动力有被取代之势,但是由于它们的防爆炸性能比电动的好,故在喷漆等应用领域仍占据优势。

电动动力源应用比较广泛,它的种类也比较多。有一种步进电机,当控制信号传来,电机即可转动一个角度,同时带动关节轴转动一个小角度,随着控制信号的加入,电机就一步一步地转动。当信号停止时,电机就停止运动。由于这种电机输出力矩比较小,又加上输出的角度不需返回与控制信号比较,转角是否达到原来要求并不知道,因此在输出受到较大力的阻挡时,可能会造成误差。所以在负载较大、精度要求较高的情况下,一般不采用这种动力源。

在电动动力源中,用得最多的是伺服电机。这种伺服电机可以使控制达到较高的精度,因为它实现了一种闭路控制。这种伺服电机发展很快,有直流伺服电机、直接驱动直流伺服电机、直流无刷伺服电机等。这些动力源的优点,主要是本身的重量轻而输出力矩大;动作准确、反应快;安全可靠、寿命长;价格也比较便宜。

除了上述这些动力源外,科学家们正在研究更类似人肌肉的动力源。前不久,日本东北大学一位教授研制出新型的机器人肌肉——“静电促动器”。这是很多个波纹形薄膜片重叠在一起的装置,薄膜片的表面都涂上了绝缘漆。当给这种装置加上电压时,金属膜片产生的静电吸引力,使各个金属膜片之间相互强烈地吸引,使之整体收缩,就像人的肌肉收缩一样。当去掉电压时,由于静电吸引力消失,薄膜片又恢复了原状,像人的肌肉松弛一样。

还有一些科学家正在研制一种聚合物“肌肉”,当通电时,这种聚合物肢体就像人的肌肉一样收缩,当切断电源时,聚合物肢体就松弛了。这也是一种电能转换成机械能的过程。当然,这种聚合物的“肌肉”要达到实用水平,恐怕还要一段时间的努力。但科学技术发展得这么快,谁知还有什么新的机器人动力源出现呢?

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