在我們?nèi)粘Ｉ钪�，從智能掃地機(jī)器人到工廠里的機(jī)械臂，這些機(jī)器的靈活運動都離不開它們的「關(guān)節(jié)」——電機(jī)。但你知道嗎？機(jī)器人關(guān)節(jié)用的電機(jī)可不是普通的電機(jī)，它們需要具備超強(qiáng)的扭矩、精確的控制和緊湊的體積。今天，就讓我們一起探索機(jī)器人關(guān)節(jié)的力量之源。
01機(jī)器的「隱形肌肉」
我們身邊幾乎所有會動的東西都藏著“隱形肌肉”——電機(jī)！小到電動牙刷的震動，大到火箭發(fā)射，背后全是它在默默干活。電機(jī)負(fù)責(zé)把電能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)、吹風(fēng)這些你能感受到的“動作”。
電機(jī)本質(zhì)上是一種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，它通過產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或直線運動來驅(qū)動機(jī)器完成各種任務(wù)。不同類型的電機(jī)有著不同的特性和適用場景。
02從生活電器看電機(jī)
吹風(fēng)機(jī)常采用無刷直流電機(jī)，這種電機(jī)沒有碳刷摩擦，使用壽命長，轉(zhuǎn)速更高，風(fēng)力輸出更大。
打印機(jī)常采用步進(jìn)電機(jī)，這種電機(jī)每收到電脈沖信號就移動一步，確保墨水精準(zhǔn)噴在紙上，依靠“數(shù)步數(shù)”就能精準(zhǔn)定位，但速度太快會“數(shù)錯步”。
電動牙刷常采用直流有刷電機(jī)，這種電機(jī)靠碳刷和銅片摩擦供電，體積小巧，啟動瞬間力氣很大。
智能家用電風(fēng)扇常采用直流變頻電機(jī)，這種電機(jī)可以提供多檔風(fēng)速調(diào)節(jié)，支持智能生態(tài)聯(lián)動。
03 點奶茶式選電機(jī)
電機(jī)的選用通常和應(yīng)用場景掛鉤。包括負(fù)載特性、電源與驅(qū)動方式、效率與能耗、環(huán)境條件、體積大小、成本等因素。推薦幾種選擇電機(jī)性格的方案：
● 便宜耐用型常選有刷電機(jī)；
● 高效長壽型常選無刷電機(jī)；
● 精準(zhǔn)控制型常選步進(jìn)電機(jī)；
● 響應(yīng)快搭配精準(zhǔn)度常選伺服電機(jī)；
04機(jī)器人關(guān)節(jié)的關(guān)鍵配角
在了解機(jī)器人關(guān)節(jié)用哪種電機(jī)之前，我們需要認(rèn)識一個關(guān)鍵配角—減速器。它專門負(fù)責(zé)把電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)換成干活需要的低速大力氣。我們身邊的電動玩具車、榨汁機(jī)里邊也藏著減速器。
減速器在自動化設(shè)備中扮演著主要傳動部件的角色，其主要功能包括降速增扭（將電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為設(shè)備所需的低速運動，同時放大扭矩）、精準(zhǔn)控制（通過高精度齒輪嚙合或伺服電機(jī)配合，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、位置的高精度調(diào)節(jié)）和調(diào)節(jié)運動方向（通過齒輪、蝸輪蝸桿等傳動結(jié)構(gòu)，改變輸入軸與輸出軸的運動方向）。
但機(jī)器人關(guān)節(jié)使用的電機(jī)并不是簡單的“轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)”或者“吹吹風(fēng)”，它的性格特點更需要像人一樣運動，例如快速躲開障礙物、捏住雞蛋不碎……普通的減速器+電機(jī)分體式結(jié)構(gòu)螺絲會松動，無法承受高強(qiáng)度扭動。
05為什么需要特殊電機(jī)？
放在機(jī)器人關(guān)節(jié)里還要考慮體積小、能量損耗低、效率高……要能塞進(jìn)胳膊粗細(xì)的關(guān)節(jié)里就需要把電機(jī)和減速器、控制器塞進(jìn)一個“小罐頭”，變成關(guān)節(jié)模組。
智能機(jī)器人的各種運動都是通過微電機(jī)來實現(xiàn)的，機(jī)器人的動力核心部件就是控制器、電機(jī)。智能機(jī)器人微電機(jī)的硬性要求就是扭力大、轉(zhuǎn)速低、體積小，所以需要用到微型減速電機(jī)。
對工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動的電動機(jī)，要求有最大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高起動轉(zhuǎn)矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。特別是像機(jī)器人末端執(zhí)行器（手爪）應(yīng)采用體積、質(zhì)量盡可能小的電動機(jī)，尤其是要求快速響應(yīng)時，伺服電動機(jī)必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，并且具有較大的短時過載能力。
06機(jī)器人關(guān)節(jié)常用哪種性格的電機(jī)？
基于以上特點，機(jī)器人關(guān)節(jié)常采用減速器搭配高扭矩伺服電機(jī)，這種電機(jī)具有高精度定位（知道機(jī)器人走到哪里并會向大腦報備）、響應(yīng)快（頻繁啟停）、抗過載能力強(qiáng)（急停）、低速穩(wěn)定性（支持平穩(wěn)行走）特點。
常用的微電機(jī)類型主要有無刷直流電機(jī)、有刷直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。
有刷直流電機(jī)在微型直流電機(jī)中是最具有代表性的，具有性價比高、運行平穩(wěn)、調(diào)速方便、成本低等優(yōu)點，但是相比其他類型的微電機(jī)效率較低、壽命不長的劣勢，一般應(yīng)用于一些家用機(jī)器人當(dāng)中，如掃地機(jī)器人、教育機(jī)器人、玩具機(jī)器人等。
步進(jìn)電機(jī)在小型的機(jī)器人應(yīng)用當(dāng)中會出現(xiàn)體積大、力矩不大，容易失步的問題，在小型機(jī)器人關(guān)節(jié)當(dāng)中不會用到。
無刷直流電機(jī)與無鐵芯電機(jī)體積小、重量輕、效率高、使用壽命長，在小型智能機(jī)器人當(dāng)中應(yīng)用較多，但是成本高、控制復(fù)雜，如考慮到成本問題，可選擇有刷直流電機(jī)。
近年來，無框力矩電機(jī)已成為機(jī)器人關(guān)節(jié)的主流方案。它只有轉(zhuǎn)子、定子兩個部件，沒有軸承、外殼，可直接集成于關(guān)節(jié)執(zhí)行器，占用空間更少。
07機(jī)器人關(guān)節(jié)模組
機(jī)器人關(guān)節(jié)模組，也稱為執(zhí)行器，負(fù)責(zé)驅(qū)動和控制機(jī)器人各個關(guān)節(jié)和部件的運動，分為旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器、線性執(zhí)行器兩大類。
旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器由無框力矩電機(jī)、減速器、力矩傳感器、編碼器、軸承構(gòu)成。它將電機(jī)輸出的高速低扭轉(zhuǎn)化為低速高扭運動，主要用于肩、髖、腕、頭部。
線性執(zhí)行器由無框力矩電機(jī)、滾柱絲杠、力矩傳感器、編碼器、軸承構(gòu)成。它將電機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為伸縮式直線運動，主要用于腕、肘、髖、膝、踝。
從價值量來看，執(zhí)行器占到人形機(jī)器人零部件價值量的一半以上。
諧波減速器是旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器的核心部件之一，它體積小，結(jié)構(gòu)簡單，減速比高，傳動精度高。全球市場集中度較高，日本哈默納科一家獨大，全球市場份額約80%。國內(nèi)廠商包括綠的諧波、漢宇集團(tuán)等。
08高度集成化與智能化
隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)也在向高度集成化和智能化方向發(fā)展。
一種高集成度電驅(qū)動關(guān)節(jié)將電機(jī)和減速器、驅(qū)動器視為一個整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)了有限空間的高效率利用及關(guān)節(jié)的高集成度構(gòu)型，解決了傳統(tǒng)關(guān)節(jié)承載能力不高、體積過大、精度低、運動不平穩(wěn)等問題。
這種高度集成的設(shè)計使得電驅(qū)動關(guān)節(jié)具有結(jié)構(gòu)緊湊、通用性強(qiáng)和可快速重構(gòu)的優(yōu)點。
軸向磁通電機(jī)等新型電機(jī)技術(shù)也在機(jī)器人關(guān)節(jié)中得到應(yīng)用，它可有效利用該電機(jī)結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)軸中心出的結(jié)構(gòu)空隙，可將一級減速器、散熱葉片做集成設(shè)計，大大提高了集成度和功率密度。
09機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)的精準(zhǔn)世界
機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇是一個綜合考慮扭矩、轉(zhuǎn)速、精度、體積、成本和可靠性的過程。從有刷電機(jī)到無刷電機(jī)，從步進(jìn)電機(jī)到伺服電機(jī)，從分體式設(shè)計到高度集成的關(guān)節(jié)模組，技術(shù)的發(fā)展不斷推動著機(jī)器人性能的提升。
隨著新材料、新工藝和智能控制算法的應(yīng)用，未來的機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)將會更加精密、高效和智能，為機(jī)器人帶來更靈活、更精準(zhǔn)的運動能力，讓機(jī)器人在更多領(lǐng)域替代人類完成復(fù)雜任務(wù)。
無論是工業(yè)機(jī)器人還是服務(wù)機(jī)器人，其關(guān)節(jié)電機(jī)的技術(shù)進(jìn)步都將為我們打開一個全新的自動化世界，讓我們期待更多驚人的發(fā)展！
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