在我们日常生活中，从智能扫地机器人到工厂里的机械臂，这些机器的灵活运动都离不开它们的「关节」——电机。但你知道吗？机器人关节用的电机可不是普通的电机，它们需要具备超强的扭矩、精确的控制和紧凑的体积。今天，就让我们一起探索机器人关节的力量之源。
01机器的「隐形肌肉」
我们身边几乎所有会动的东西都藏着“隐形肌肉”——电机！小到电动牙刷的震动，大到火箭发射，背后全是它在默默干活。电机负责把电能转换成旋转、吹风这些你能感受到的“动作”。
电机本质上是一种将电能转换为机械能的装置，它通过产生旋转或直线运动来驱动机器完成各种任务。不同类型的电机有着不同的特性和适用场景。
02从生活电器看电机
吹风机常采用无刷直流电机，这种电机没有碳刷摩擦，使用寿命长，转速更高，风力输出更大。
打印机常采用步进电机，这种电机每收到电脉冲信号就移动一步，确保墨水精准喷在纸上，依靠“数步数”就能精准定位，但速度太快会“数错步”。
电动牙刷常采用直流有刷电机，这种电机靠碳刷和铜片摩擦供电，体积小巧，启动瞬间力气很大。
智能家用电风扇常采用直流变频电机，这种电机可以提供多档风速调节，支持智能生态联动。
03 点奶茶式选电机
电机的选用通常和应用场景挂钩。包括负载特性、电源与驱动方式、效率与能耗、环境条件、体积大小、成本等因素。推荐几种选择电机性格的方案：
● 便宜耐用型常选有刷电机；
● 高效长寿型常选无刷电机；
● 精准控制型常选步进电机；
● 响应快搭配精准度常选伺服电机；
04机器人关节的关键配角
在了解机器人关节用哪种电机之前，我们需要认识一个关键配角—减速器。它专门负责把电机的高速旋转，转换成干活需要的低速大力气。我们身边的电动玩具车、榨汁机里边也藏着减速器。
减速器在自动化设备中扮演着主要传动部件的角色，其主要功能包括降速增扭（将电机的高速旋转转化为设备所需的低速运动，同时放大扭矩）、精准控制（通过高精度齿轮啮合或伺服电机配合，实现转速、位置的高精度调节）和调节运动方向（通过齿轮、蜗轮蜗杆等传动结构，改变输入轴与输出轴的运动方向）。
但机器人关节使用的电机并不是简单的“转一转”或者“吹吹风”，它的性格特点更需要像人一样运动，例如快速躲开障碍物、捏住鸡蛋不碎……普通的减速器+电机分体式结构螺丝会松动，无法承受高强度扭动。
05为什么需要特殊电机？
放在机器人关节里还要考虑体积小、能量损耗低、效率高……要能塞进胳膊粗细的关节里就需要把电机和减速器、控制器塞进一个“小罐头”，变成关节模组。
智能机器人的各种运动都是通过微电机来实现的，机器人的动力核心部件就是控制器、电机。智能机器人微电机的硬性要求就是扭力大、转速低、体积小，所以需要用到微型减速电机。
对工业机器人关节驱动的电动机，要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。特别是像机器人末端执行器（手爪）应采用体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过载能力。
06机器人关节常用哪种性格的电机？
基于以上特点，机器人关节常采用减速器搭配高扭矩伺服电机，这种电机具有高精度定位（知道机器人走到哪里并会向大脑报备）、响应快（频繁启停）、抗过载能力强（急停）、低速稳定性（支持平稳行走）特点。
常用的微电机类型主要有无刷直流电机、有刷直流电机和步进电机。
有刷直流电机在微型直流电机中是最具有代表性的，具有性价比高、运行平稳、调速方便、成本低等优点，但是相比其他类型的微电机效率较低、寿命不长的劣势，一般应用于一些家用机器人当中，如扫地机器人、教育机器人、玩具机器人等。
步进电机在小型的机器人应用当中会出现体积大、力矩不大，容易失步的问题，在小型机器人关节当中不会用到。
无刷直流电机与无铁芯电机体积小、重量轻、效率高、使用寿命长，在小型智能机器人当中应用较多，但是成本高、控制复杂，如考虑到成本问题，可选择有刷直流电机。
近年来，无框力矩电机已成为机器人关节的主流方案。它只有转子、定子两个部件，没有轴承、外壳，可直接集成于关节执行器，占用空间更少。
07机器人关节模组
机器人关节模组，也称为执行器，负责驱动和控制机器人各个关节和部件的运动，分为旋转执行器、线性执行器两大类。
旋转执行器由无框力矩电机、减速器、力矩传感器、编码器、轴承构成。它将电机输出的高速低扭转化为低速高扭运动，主要用于肩、髋、腕、头部。
线性执行器由无框力矩电机、滚柱丝杠、力矩传感器、编码器、轴承构成。它将电机输出的旋转运动转化为伸缩式直线运动，主要用于腕、肘、髋、膝、踝。
从价值量来看，执行器占到人形机器人零部件价值量的一半以上。
谐波减速器是旋转执行器的核心部件之一，它体积小，结构简单，减速比高，传动精度高。全球市场集中度较高，日本哈默纳科一家独大，全球市场份额约80%。国内厂商包括绿的谐波、汉宇集团等。
08高度集成化与智能化
随着机器人技术的不断发展，机器人关节电机也在向高度集成化和智能化方向发展。
一种高集成度电驱动关节将电机和减速器、驱动器视为一个整体结构进行设计，实现了有限空间的高效率利用及关节的高集成度构型，解决了传统关节承载能力不高、体积过大、精度低、运动不平稳等问题。
这种高度集成的设计使得电驱动关节具有结构紧凑、通用性强和可快速重构的优点。
轴向磁通电机等新型电机技术也在机器人关节中得到应用，它可有效利用该电机结构在转轴中心出的结构空隙，可将一级减速器、散热叶片做集成设计，大大提高了集成度和功率密度。
09机器人关节电机的精准世界
机器人关节电机的选择是一个综合考虑扭矩、转速、精度、体积、成本和可靠性的过程。从有刷电机到无刷电机，从步进电机到伺服电机，从分体式设计到高度集成的关节模组，技术的发展不断推动着机器人性能的提升。
随着新材料、新工艺和智能控制算法的应用，未来的机器人关节电机将会更加精密、高效和智能，为机器人带来更灵活、更精准的运动能力，让机器人在更多领域替代人类完成复杂任务。
无论是工业机器人还是服务机器人，其关节电机的技术进步都将为我们打开一个全新的自动化世界，让我们期待更多惊人的发展！
共0条 [查看全部] 网友评论