NAPĘDY ROBOTÓW 

PRZEMYSŁOWYCH 

 

 

6.1. Przeznaczenie 
napędów i zakres ich 
działania

NAPĘDY ROBOTÓW PRZEMYSŁOWYCH

silnik prądu stałego

komutato-      bezkomuta-

      rowy             rowy

silnik skokowy

silnik synchroniczny

silnik asynchroniczny

zasilacz prądu stałego

tyrystorowy   tranzystoro-

       wy

   

falownik

regulator

układ prostowniczy

regulator

skokowy

prądu przemiennego

prądu stałego

siłowniki

     liniowe

   obrotowe

mięśniowe

 wahadłowe

zasilacz hydrauliczny

serwozawór

elementy sterujące

(zawory)

układ przygotowania

powietrza

regulator

elektryczny

elektrohydrauliczny

pneumatyczny

siłownik

liniowy

silnik

obrotowy

impulsowy

zasilacz

elektroniczny

 

 

Rok 1970

58%

2%

40%

Rok 1980

37%

18%

45%

Rok 1990

20%

45%

35%

Rok 2000

2%

92%

6%

Rys. 6.2. Zastosowanie w robotach różnych napędów w ostatnich trzydziestu 

latach XX wieku

napęd pneumatyczny

napęd hydrauliczny

napęd elektryczny

 

 

6.2. Napędy pneumatyczne

Rys. 6.3. Schemat pneumatycznego napędu robota; 1–króciec 

wlotu powietrza, 2–zawór odcinający,   3–oddzielacz wilgoci, 4–

zawór redukcyjny, 5–manometr, 6–smarownica, 7–zespół zaworów 

rozdzielających 

 

 

Rys. 6.4. Siłownik pneumatyczny jednotłoczyskowy dwustronnego 

działania; 1–tuleja, 2–zespół tłoka z tłoczyskiem, 3, 4–pokrywy, 5–tuleja 

prowadząca, 6–pierścień zgarniający, 7–pierścień uszczelniający, 8–

zawory zwrotne, 9–zawory dławiące,          10, 11–amortyzatory 

 

 

Rys. 6.5. Pneumatyczny siłownik 

beztłoczyskowy z przeciętą tuleją 

cylindrową; 1–tuleja cylindrowa, 2–tłok, 

3–zderzaki, 4–suwak, 5,6–uszczelki,      

7,8–pokrywy,  9, 10–otwory 

doprowadzające powietrze 

Rys. 6.6. Pneumatyczny siłownik beztłoczyskowy ze sprzęgiem 

magnetycznym; 1–cienko ścienna tuleja o specjalnych własnościach 

magnetycznych, 2–tłok, 3–magnesy trwałe umieszczone w tłoku, 4–suwak, 

5–magnesy trwałe umieszczone w suwaku, 6–otwór doprowadzający 

powietrze, 7–uszczelka, 8–otwór odpływowy powietrza, 9,10–pokrywy, 11–

uszczelka, 12–rurka,     13–otwory odpływowe, 14–korpus 

 

 

Rys. 6.7. Siłownik pneumatyczny wahadłowy: 1–wał 

wyjściowy, 2–zderzaki do nastawiania kąta obrotu, 

3–łopatki 

 

 

Sztuczne mięśnie płynowe wypełniane cieczą – sztuczne mięśnie hydrauliczne HAM 
(Hydraulic  Artificial  Muscle)  lub  gazem  –  sztuczne  mieśnie  pneumatyczne  PAM 
(Pneumatic Artificial Muscle) wykonuje są z elastycznej przepony w kształcie rurki 
(balonu,  mieszka  lub  worka),  wykonanej  z  gumy,  lateksu  lub  silikonu,  oplecionej 
elastyczną  siatką  z  rozciągliwego  i  elastycznego  włókna  silikonowego.  Siatka 
mocowana  na  końcach  mięśnia  tworzy  rodzaj  sztucznych  ścięgien.  Właściwości 
mięśni  płynowych  uzasadniają  ich  porównanie  do  biologicznych  mięśni 
szkieletowych. W mięśniach pneumatycznych jako czynnik roboczy wykorzystuje o 
własnościach  elektroreologicznych  i  magnetoreologicznych.  Skurcz  tych  mięśni 
zależy od ciśnienia płynu sterowanego zaworami

 

 

Fot. 1. Sztuczne mięśnie 

pneumatyczne: a – Shadow, b – 

Festo,                               c – 

wyprodukowany w PŁ

Rys. 2. Przegub napędzany 

parą mięśni

 

 

Sztuczne mięśnie zbudowane z nanorurek NAM (Nanotube
Artificial Muscle), wynalezione w Instytucie Maxa Plancka
(Stuttgart), produkowane są przez firmę AlliedSignal Inc.
Wzdłuż węglowych nanorurek ułożone są krążki zbudowane
z 14 atomowego węgla. Submikroskopowy węgiel ukształtowany
w postaci nanorurki wypełniony jest elektrolitem. Po
doprowadzeniu prądu sztuczny muskuł NAM kurczy się lub
wydłuża. Z miliona nanorurek buduje się włókna mięśni
o dowolnej długości, które przypominają strukturę mięśnia
naturalnego.
Sztuczne biomięśnie (BioArificial Muscle) zbudowane są
z kurczliwego polimeru wykonanego z włókna poliakrylonitrylu
(PAN), poliakrylonitrylu – polipyrolu (PAN-PPY) oraz polialkoholu
winylowego lub polikwasu akrylowego (PVA-PAA)
o średnicy 2,5 μm. Charakterystyka mięśnia siła-wydłużenie
jest liniowa, w ciągu 20 ms mięśnie polimerowe kurczą się
o 20%. Sztuczne mięśnie polimerowe w szybkości działania
są najbardziej podobne do działania ludzkich mięśni, ale ich
siła jednostkowa (na 1cm2) jest dwa razy większa od siły
mięśnia naturalnego.

 

 

Sztuczne biomięśnie zbudowane z kompozytów polimerowych
IPMC (Ionic Polymer-Metal Composite) i IPCC (Ionic
Polymer Conductor Composites) wykazują zdolność odkształcenia
pod wpływem prądu o małym napięciu, są lekkie, łatwo
sterowalne, mają naturalne właściwości tłumienia drgań oraz
są bardzo elastyczne.

Sztuczne biomięśnie polimerowe żelowe wypełnione są
płynem żelowym wrażliwym na zmianę liczby pH – IPG (Ionic
Polymeric Gels) lub na zmianę prąd elektrycznego – EAPG
(Electro-Active Polymer Gel) i CPG (Contractile Polymer Gel)

Sztuczne mięśnie zbudowane z polimerów elektroaktywnych
EAPAM (Electroactive Polimers Artificial Muscles), elektrostrykcyjnych
EPAM (Electrostrictive Polymer Artificial Muscles)
i dielektrycznych DEAMA (Dielectric Elastomer Artificial
Muscle Actuators). Działanie tych mięśni polega na pobudzeniu
prądowym dwóch elektrod, w wyniku tego powstaje
różnica potencjałów elektrycznych wywołująca pole magnetyczne,
które wpływa na zmianę wymiarów geometrycznych –
zmniejszenie grubości i wydłużenie – filmu polimerowego lub
elastomerowego. W filmie polimerowym i elastomerowym
powstaje efekt ciśnieniowy Maxwella, zależny od podatności
materiału.

 

 

Sztuczne mięśnie wykorzystujące efekt piezoelektryczny
stosowane są w mikrosystemach elektromechanicznych
MEMS (Micro Eletro Mechnical System). Energia dostarczana
do elementu piezoelektrycznego powoduje jego odkształcenie,
wówczas piezoelement połączony z ruchomym elementem
tworzy mikroukład mięśniowy.
– Sztuczne mięśnie w kształcie sprężyny lub spirali z drutu
wykonanego z materiałów o właściwościach z tzw. „pamięcią
kształtu”. W materiałach z „pamięcią kształtu” wykorzystuje się
stopy Ti-Ni (SMA – Shape Memory Alloy) oraz stopy Ti-Ni
i silikonu (SMAS – Shape Memory Alloy–Silicone).

 

 

Rys. 4. Schemat kinematyczny dźwigni rozpieranej mięśniem 
pneumatycznym:
a) w stanie początkowym, b) w stanie napełnienia

 

 

6.3. Napędy elektrohydrauliczne

Rys. 6.8. Schemat hydraulicznego napędu robota

 

 

 

Rys. 6.9. Wzmacniacz elektrohydrauliczny suwakowy 

jednostopniowy; 1–suwak czterokrawędziowy, 2,3–

elektromagnesy, 4,5–płaskie sprężyny 

p

1

 = p

2

 = 0,5p

0

 

 

6.4.5. Napędy z silnikami skokowymi

V I I

3

2

V I

2

2

V

1

2

V I I I

I

4

2

1

1

1

3

I I I

1

4

I V

2

1

I I

















3

4

30

360

m

Z

360

R

r

Rys. 6.26. Struktura czterofazowego silnika skokowego 
reluktancyjnego

 

 

Rys. 6.27. Silnik skokowy pięciosekcyjny: 1 - wirnik, 2 - stojan

 

0

3

5

 

z

360

=





0

5

,

1

10

 

z

360

=





 

 

6.5. Przekładnie mechaniczne 

Tabela 6.1. Kryteria dla przekładni mechanicznych w napędach robotów

KRYTERIUM

WŁAŚCIWOŚCI

WARTOŚĆ

Dokładność pozycjonowania luz kątowy

sztywność

równomierność biegu

< 3`
> 10

5

 N - m/rad

 3` /obr

Prędkość

sprawność
moment bezwładności

> 70 %
< 6-10

4

 kg -m

2

Stabilność

odporność na przeciążenia
żywotność

> 50 %
> 5000 godzin

Wytrzymałość
eksploatacyjna

koszt utrzymania
zwartość budowy

niski
duża

Możliwości integracyjne

dowolność położenia
odwrotność kinematyki

tak
tak

 

 

Przekazujące ruch

obrotowy

Zamieniające ruch

obrotowy na postępowy

Przekładnia walcowa

Przekładnia śrubowa

Przekładnie zębate

Przekładnia

zębatkowa

Mechanizmy dźwigniowe

Przekładnia pasowa

zębata

Przekładnia
łańcuchowa

Przekładnie

redukujące

Przekładnia

planetarna

Przekładnia

falowa

Przekładnia
cykloidalna

Przekładnia

precesyjna

Przekładnia

ślimakowa

Przekładnie cięgnowe

Sprzężenie cierne

Łańcuchowa

Pasowa zębata

Sprzężenie kształtowe

Linowa

Pasowa klinowa

Przekładnie mechaniczne w robotach przemysłowych

Rys. 6.28. Podział przekładni 

mechanicznych w robotach 

przemysłowych

 

 

6.5.1. Przekładnie mechaniczne przekazujące ruch 
obrotowy

6.5.1.1. Mechanizmy dźwigniowe

1

4

2

3

R

1

12

5

11

13

15

16

7

8

14

6

10

9

R

2

S1

S2

 

 

6.5.1.2. Przekładnie zębate

a)

b)

c)

Rys. 6.31. Rodzaje przekładni zębatych: a) walcowa zewnętrzna, b) 

walcowa wewnętrzna, c) zębatkowa (koło zębate+ listwa zębata)

 

 

Sposoby kasowania luzu międzyzębnego

Przekładnia o zmiennej korekcji uzębienia  w

jednego kole. Kasowanie luzu obwodowego

odbywa się prze osiowe przesuwanie koła

współpracującego.

Przekładnia z kołem nożycowym. Kasowanie luzu

obwodowego dzięki wytworzeniu napięcia

wstępnego między dwoma połówkami koła

nożycowego.

Przekładnia z dwoma parami kół pomiędzy
którymi wytworzone jest napięcie wstępne.

Przekładnia z jednym kołem podatnym

sprężyście. Kasowanie luzu obwodowego dzięki

eliminacji luzu wierzchołkowego.

Przekładnia z jednym kołem zamocowanym do

podatnej sprężyście piasty. Kasowanie luzu

obwodowego dzięki eliminacji luzu

wierzchołkowego

 

 

6.5.1.3. Przekładnie cięgnowe

1

2

Rys. 6.32. Budowa przekładni pasowej z pasem 

zębatym: 1-pas zębaty, 2-koła zębate

 

 

6.5.2. Przekładnie mechaniczne do zmiany ruchu 

obrotowego na postępowy

Rys. 6.33. Przykładowe rozwiązania przekładni śrubowej tocznej: a) z 

zewnętrznym obiegiem elementów tocznych, b) z wewnętrznym 

obiegiem elementów tocznych 

 

 

1

2

4

5

3

6

Rys. 6.34. Konstrukcja wysuwnego 

ramienia robota o kinematyce 

równoległej

3

2

1

Rys. 6.35. Przekładnia 

zębatkowa jako mechanizmu 

zamiany ruchu obrotowego 

na postępowy:             1–

przekładnia pasowa, 2–

prowadnica, 3–prowadnik

 

 

6.5.3. Redukujące przekładnie mechaniczne

Tabela 6.4. Zestawienie parametrów przekładni silnie redukujących [7]

Typ

przekładni

Minimalne

przełożenie Sprawność

Max.

prędkość

obrotowa

Luz kątowy

i



n [obr/min]



Walcowa

1st. 1:10

2st. 1:30

3st. 1:125

4st. 1:625

0,98-0,99

50 000

1st < 3’

(napięcie

wstępne)

Ślimakowa

1st. 1:75

2st. 1:250

0,85-0,96

3000

<3’

Planetarna

1st. 1:87

0,94-0,97

3000

<0,1’

(napięcie

wstępne)

<1’

<3’

Falowa

1:320

0,80-0,90

3000

<6’

<3’

Cykloidalna

1st. 1:87

2st. 1:6000

3st.

1:100000

0,80-0,90

3000

<6’

<3’

Precesyjna

1st. 1:120

2st. 1:4000

0,60-0,70

2000

 

 

6.5.3.1. Przekładnie planetarne

 

1

 

3

 

2

 

 

1

 

3

 

2

 

a

b

Rys. 6.36. Schemat i budowa przekładni planetarnych o tej samej 

wartości bezwzględnej przełożenia, lecz o przeciwnych znakach: a) 

przekładnia z jednym kołem obiegowym (i<0), b) przekładnia z dwoma 

kołami obiegowymi (i>0), 1-koło zewnętrzne, 2-koło wewnętrzne,  3- 

jarzmo z satelitami

 

 

6.5.3.2. Przekładnie falowe

Rys. 6.37. Schemat przekładni falowej: G-generator, E-

elastyczne koło zębate, S-sztywne koło zębate o uzębieniu 

wewnętrznym

 

 

E

E

S

nom

z

z

z

i





 

 

Przypade

k

Schemat

Przełożenie

Uwagi

1

Unieruchomione koło 

S. Napędzany 

generator  G. Odbiór 

napędu na kole E

1

Unieruchomiony 

generator G. 

Napędzane koło E.

Odbiór napędu na 

kole S

1

Unieruchomione  koło 

E. Napędzany 

generator G. Odbiór 

napędu na kole S

2

Unieruchomione  koło 

S. Napędzane koło E. 

Odbiór napędu z 

generatora

2

Unieruchomione  koło 

E. Napędzane koło S.

 Odbiór napędu z 

generatora

2

Unieruchomiony 

generator. 

Napędzane koło S. 

Odbiór napędu z koła 

E.

Tabela 6.5. Zależności kinematyczne przekładni falowych

S

G

E

S

G

E

S

G

E

S

G

E

S

G

E

S

G

E

nom

E

S

E

i

z

z

z

i









1

i

1

z

z

i

nom

E

S







1

i

1

z

z

z

i

nom

E

E

S









nom

S

E

E

i

1

z

z

z

i









nom

nom

E

S

S

i

1

i

z

z

z

i









nom

E

S

i

1

z

z

i







 

 

6.5.3.3. Przekładnie cykloidalne

Rys. 6.40. Przekładnia trochoidalna: 1-wał wejściowy (wysokoobrotowy), 2-

mimośród na wale 1,         3-koło centralne z zębami wewnętrznymi, 

trochoidalnymi, 4-wał wyjściowy (zdawczy), 5-sworznie koła palcowego, 6-płyta z 

otworami na sworznie 5, 7-łożyska koła centralnego 3 

 

 

6.3.3.4. Przekładnie precesyjne

2

5

3

4

1

2

5

3

4

1

θ

2

5

3

4

1

Rys.6.41. Różne typy przekładni precesyjnych: a) z satelitą połączoną z 

obudową za pomocą mieszka, b) z kołem stożkowym z rolkami, c) o 

prostoliniowo- łukowym zazębieniu ; 1- satelita, 2- koło centralne, 3- wał 

wyjściowy, 4- jarzmo, 5- wał wejściowy 

a)

b)

c)