機(jī)器人的電機(jī)要求和直流減速電機(jī)介紹

　　在機(jī)器人中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般分為液壓驅(qū)動和電機(jī)驅(qū)動兩種類型，其中又以電機(jī)驅(qū)動最為常見。本文主要討論一般機(jī)器人驅(qū)動機(jī)構(gòu)中電機(jī)的選擇問題。

　　機(jī)器人中常用的電機(jī)分為有刷直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。其中在中小型機(jī)器人（尺寸在15cm-30cm）中，由于價格便宜，定位精度高，直流電機(jī)以及無刷直流電機(jī)最為常見。本文主要討論直流電機(jī)的選擇方法。

　　第一部分：電機(jī)要求

　　直流電機(jī)簡介：

　　在市場上，存在著多種多樣的直流電機(jī)。據(jù)不完全估計，單就國內(nèi)就有上千家電機(jī)生產(chǎn)廠家。更不要提日本、德國等老牌電機(jī)生產(chǎn)強(qiáng)國。即使對于一個很小的直流電機(jī)，它都具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和大量的產(chǎn)品資料。這里，我們僅從機(jī)器人的角度出發(fā)考慮其對電機(jī)性能的要求。

　　電機(jī)的選擇往往是我們對于電機(jī)性能的要求與我們可以接受價格的折衷。因而，在電機(jī)選擇過程中，我們需要整體考慮電機(jī)的各個參數(shù)，從中篩選出對我們重要的參數(shù)，結(jié)合我們的需要，選擇合適的電機(jī)。

　　對于一個電機(jī)來說，其往往具有多條運行特性曲線，這里我們將列出其中最重要的一些特性，然后對這些特性進(jìn)行一些解釋。對于一個電機(jī)，從機(jī)器人驅(qū)動的角度，我們主要的關(guān)心的有：

　　a） 工作電壓——對于一個電機(jī)來說，可能會存在多個電壓參數(shù)；其中最為常用的為連續(xù)運行條件下的額定電壓；一些電機(jī)可以在額定電壓之上以超過額定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的方式運行，但是運行一段時間后可能會出現(xiàn)局部過熱問題；也就是說部分過電壓僅可以短時運行，而不可以長期運行；

　　b） 轉(zhuǎn)速——電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，一般單位為轉(zhuǎn)每分鐘，有時也使用弧度每秒或者角度每秒表示；

　　c） 轉(zhuǎn)矩——電機(jī)改變旋轉(zhuǎn)速度的能力；如當(dāng)使用扳手?jǐn)Q動螺絲時，扳手的轉(zhuǎn)矩使得螺絲旋轉(zhuǎn)；在機(jī)器人領(lǐng)域，轉(zhuǎn)矩一般用于使得機(jī)器人移動或者使得機(jī)械臂完成各種動作；轉(zhuǎn)矩等于力與力臂的成績，其單位為Nm;

　　d）電流——對于一個電機(jī)，可能存在多個電流參數(shù)，如空載電流、額定電流以及堵轉(zhuǎn)電流等；

　　e）物理參數(shù)——如電機(jī)尺寸、電機(jī)軸尺寸、截面尺寸以及固定孔的位置等；

　　f）其他參數(shù)——一些電機(jī)還會提供一些其他的部件，如編碼器、制動器、齒輪箱、基座等等；

　　直流減速電機(jī)：

　　顯而易見的，直流電機(jī)供電電流為直流，因而，其可以使用電池進(jìn)行供電；這也是直流電機(jī)在機(jī)器人中廣泛應(yīng)用的一個原因；小型直流電機(jī)可能在尺寸上不同，但是在基本參數(shù)上一般是一致的；直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向可以通過改變供電電壓的符號來改變；

　　小型直流電機(jī)一般運行在高速低轉(zhuǎn)矩運行范圍內(nèi)，這與機(jī)器人中電機(jī)驅(qū)動要求是矛盾的；機(jī)器人領(lǐng)域通常要求電機(jī)運行在低速大轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)；因而，為了降低電機(jī)轉(zhuǎn)速同時提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，一般在電機(jī)與輸出軸之間增加軸系，即減速器；通過組合不同的減速器，電機(jī)可以獲得不同的額定轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)矩；目前市面上購買的直流電機(jī)很多出廠時已經(jīng)帶有減速器，因而常成為直流減速電機(jī)；

　　減速電機(jī)的優(yōu)勢在于：使用簡單、輸出轉(zhuǎn)矩高、轉(zhuǎn)速低、可供選擇范圍大。

　　主要缺點在于精度較低，即使是同一廠家生產(chǎn)的同一批次的減速電機(jī)，施加相同的電壓或者電流，那么減速電機(jī)的輸出也有可能不同；因而，在機(jī)器人應(yīng)用中，對減速電機(jī)進(jìn)行控制時一般需要引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，而不能使用開環(huán)控制；

　　下面是選擇減速電機(jī)時需要考慮的一些常見的因素：

　　a）通用性——一般而言，電機(jī)通用性越強(qiáng)，價格約便宜；

　　b）工作電壓——一般小型減速電機(jī)工作范圍為6-24V;

　　c）輸出轉(zhuǎn)矩——一般小型減速電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩在0.1-0.5Nm之間；一般可以用于驅(qū)動在20-30kg的機(jī)器人；

　　d）轉(zhuǎn)速——電機(jī)轉(zhuǎn)速將與輪胎尺寸決定機(jī)器人最大運行速度；一般輪式機(jī)器人中，輪胎尺寸在5-20cm之間，其中以6-10cm最為常見；

　　雖然大部分減速電機(jī)都是可以正反轉(zhuǎn)的，但是也有些減速電機(jī)只可以單方向旋轉(zhuǎn)。另外，雖然減速電機(jī)一般具有很多參數(shù)，但是從機(jī)器人的角度來講，許多參數(shù)如電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量等我們一般并不關(guān)注。對于機(jī)器人應(yīng)用減速電機(jī)最重要的參數(shù)為電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和額定電壓。

　　下面是一個淘寶上某款減速電機(jī)的例子：

　　其參數(shù)為：

　　品牌：** 安裝方式：臥式 級數(shù)：3級 齒面硬度：硬齒面 布局形式：同軸式

　　減速比：103 額定電壓：24V 額定轉(zhuǎn)速：131RPM

　　空載轉(zhuǎn)速：155RPM 額定轉(zhuǎn)矩：0.014Nm 峰值轉(zhuǎn)矩：0.075Nm

　　電機(jī)尺寸：

　　電機(jī)直徑：20mm 電機(jī)長度：45.5mm 輸出軸直徑：4mm

　　輸出軸臺階高度：0.5mm 輸出軸長度：11mm

　　通過產(chǎn)品介紹，我們可以看到產(chǎn)品的型號、控制轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩等。在進(jìn)一步的討論減速電機(jī)之前，我們首先確定一下機(jī)器人中對電機(jī)參數(shù)的具體要求。

　　電機(jī)參數(shù)要求：

　　首先我們需要確定機(jī)器人的運行環(huán)境，如機(jī)器人主要運行于室外還是室內(nèi)，光滑地面還是粗糙地面，需不需要爬坡等等。其次，我們需要確定機(jī)器人的具體機(jī)械參數(shù)，如大小、重量等等。接下來就需要確定機(jī)器人運行的一些參數(shù)，如運行速度以及轉(zhuǎn)矩。

　　電機(jī)通過驅(qū)動機(jī)器人輪胎從而使得機(jī)器人運動。機(jī)器人的運動速度主要取決于電機(jī)轉(zhuǎn)速與輪胎直徑。而電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度取決于輸入電壓和其負(fù)載轉(zhuǎn)矩。在相同供電電壓下，空載時電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度要高于負(fù)載時旋轉(zhuǎn)速度。在相同供電電壓下，電機(jī)所需要出力越大，那么電機(jī)轉(zhuǎn)速越低，電機(jī)電流越大，當(dāng)出力增大到一定程度時，電機(jī)將會停止旋轉(zhuǎn)，也就是堵轉(zhuǎn)。此時，電機(jī)電流最大，電機(jī)長時間堵轉(zhuǎn)將會引起電機(jī)溫度上升，嚴(yán)重時會造成電機(jī)損壞。