選擇適合機(jī)器人的電機(jī)需要考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵因素?：

?電機(jī)類(lèi)型?：機(jī)器人常用的電機(jī)類(lèi)型包括直流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。直流伺服電機(jī)因其高精度、快速響應(yīng)和強(qiáng)可控性，適用于機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制和定位?。步進(jìn)電機(jī)則適用于需要精確控制步進(jìn)數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景?。

?性能參數(shù)?：

?扭矩與轉(zhuǎn)速?：扭矩決定了電機(jī)能夠產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力，轉(zhuǎn)速則反映了電機(jī)的運(yùn)行速度。選擇時(shí)需確保電機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速能夠滿足負(fù)載要求，同時(shí)考慮減速機(jī)的減速比，以匹配最終所需的輸出扭矩和速度?。

?動(dòng)態(tài)響應(yīng)?：快速響應(yīng)的電機(jī)能夠更快地跟蹤指令變化，適用于需要高精度定位或快速啟動(dòng)/停止的應(yīng)用?。

?精度與分辨率?：高精度和高分辨率的電機(jī)更適合精密加工、機(jī)器人控制等應(yīng)用?。

?熱管理與效率?：高效電機(jī)能有效減少能量損失，降低發(fā)熱量，延長(zhǎng)使用壽命?。

?控制方式?：機(jī)器人通常需要配合專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)器或控制器使用。因此，在選擇電機(jī)時(shí)還需考慮其控制系統(tǒng)是否與現(xiàn)有的自動(dòng)化系統(tǒng)兼容?。

?其他考慮因素?：

?工作電壓?：電機(jī)的額定電壓需適應(yīng)機(jī)器人的供電系統(tǒng)?3。

?物理參數(shù)?：包括電機(jī)尺寸、軸尺寸、截面尺寸和固定孔位置等，這些參數(shù)直接影響電機(jī)的安裝和使用?。

?其他部件?：某些電機(jī)還配備了編碼器、制動(dòng)器、齒輪箱和基座等部件，這些對(duì)于提升電機(jī)的性能和使用便捷性具有重要意義?。

在機(jī)器人技術(shù)中，電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的核心部件，其選擇對(duì)于機(jī)器人的性能和成本至關(guān)重要。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和需求，電機(jī)類(lèi)型可分為有刷直流電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)等。在中小型機(jī)器人領(lǐng)域，尤其是尺寸介于15cm至30cm的范圍內(nèi)，直流電機(jī)及其無(wú)刷版本因價(jià)格親民和定位精度高而受到廣泛青睞。本文將聚焦于探討如何選擇適合這類(lèi)機(jī)器人的直流電機(jī)。

01 電機(jī)要求

【直流電機(jī)概覽】

市場(chǎng)上直流電機(jī)種類(lèi)繁多，國(guó)內(nèi)就有眾多生產(chǎn)廠家，更別提日本、德國(guó)等電機(jī)制造強(qiáng)國(guó)。盡管每個(gè)小型的直流電機(jī)都蘊(yùn)含著復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和豐富的產(chǎn)品資料，但我們將從機(jī)器人技術(shù)的視角來(lái)探討其對(duì)電機(jī)性能的特定需求。

電機(jī)的選擇實(shí)質(zhì)上是對(duì)電機(jī)性能與價(jià)格的權(quán)衡。因此，在挑選過(guò)程中，我們需要全面考量電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，篩選出對(duì)我們至關(guān)重要的參數(shù)，并結(jié)合實(shí)際需求，做出明智的選擇。

對(duì)于機(jī)器人驅(qū)動(dòng)而言，我們主要關(guān)注電機(jī)的以下特性：

a) 工作電壓：電機(jī)可能擁有多個(gè)電壓參數(shù)，其中最常用的是連續(xù)運(yùn)行時(shí)的額定電壓。值得注意的是，某些電機(jī)可以在額定電壓以上以超出額定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的方式短暫運(yùn)行，但長(zhǎng)期運(yùn)行可能導(dǎo)致局部過(guò)熱。因此，部分過(guò)電壓僅適用于短時(shí)運(yùn)行，不適宜長(zhǎng)期使用。

b) 轉(zhuǎn)速：表示電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的指標(biāo)，通常以轉(zhuǎn)每分鐘為單位，有時(shí)也用弧度每秒或角度每秒來(lái)衡量。

c) 轉(zhuǎn)矩：電機(jī)改變旋轉(zhuǎn)速度的能力。在機(jī)器人領(lǐng)域，轉(zhuǎn)矩對(duì)于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)或使機(jī)械臂執(zhí)行各種動(dòng)作至關(guān)重要。轉(zhuǎn)矩的計(jì)算基于力和力臂的乘積，其單位為Nm。

d) 電流：電機(jī)涉及多個(gè)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)：包括電機(jī)尺寸、軸尺寸、截面尺寸和固定孔位置等，這些參數(shù)直接影響電機(jī)的安裝和使用。

f) 其他部件：某些電機(jī)還配備了編碼器、制動(dòng)器、齒輪箱和基座等部件，這些部件對(duì)于提升電機(jī)的性能和使用便捷性具有重要意義。

【直流減速電機(jī)】

顯而易見(jiàn)，直流電機(jī)因供電電流為直流而能夠使用電池進(jìn)行供電，這一特性使其在機(jī)器人領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。盡管小型直流電機(jī)在尺寸上可能有所不同，但它們的基本參數(shù)通常保持一致。通過(guò)改變供電電壓的符號(hào)，可以輕松地改變直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

然而，小型直流電機(jī)通常在高速低轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)運(yùn)行，這與機(jī)器人技術(shù)中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)需求相矛盾。機(jī)器人通常需要在低速大轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)運(yùn)行。為了解決這一問(wèn)題，通常會(huì)在電機(jī)與輸出軸之間增加減速器，以降低電機(jī)轉(zhuǎn)速并提高輸出轉(zhuǎn)矩。

市面上的許多直流電機(jī)出廠時(shí)已配備減速器，因此被稱(chēng)為直流減速電機(jī)。這種電機(jī)具有使用簡(jiǎn)單、輸出轉(zhuǎn)矩高、轉(zhuǎn)速低和選擇范圍廣等優(yōu)勢(shì)。但值得注意的是，即使來(lái)自同一廠家的減速電機(jī)在施加相同電壓或電流時(shí)，其輸出也可能有所不同，這降低了其精度。因此，在機(jī)器人應(yīng)用中，通常需要引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制來(lái)確保對(duì)減速電機(jī)的精確控制。

通過(guò)上述產(chǎn)品介紹，我們可以獲取到減速電機(jī)的詳細(xì)參數(shù)，如減速比、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速等。在進(jìn)一步探討減速電機(jī)之前，我們需先明確機(jī)器人在不同運(yùn)行環(huán)境下的電機(jī)參數(shù)需求。

首先，要了解機(jī)器人的運(yùn)行環(huán)境，例如室內(nèi)還是室外、地面狀況如何、是否需要爬坡等。其次，要確定機(jī)器人的機(jī)械參數(shù)，如尺寸和重量。接著，需要明確機(jī)器人運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，如運(yùn)行速度和所需轉(zhuǎn)矩。

電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪胎來(lái)推動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度主要受電機(jī)轉(zhuǎn)速和輪胎直徑的影響。而電機(jī)的轉(zhuǎn)速則取決于輸入電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。在相同電壓條件下，空載時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)高于負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。此外，電機(jī)出力越大，轉(zhuǎn)速越低，電流也越大。當(dāng)出力達(dá)到一定程度時(shí)，電機(jī)可能會(huì)停止旋轉(zhuǎn)，即發(fā)生堵轉(zhuǎn)。此時(shí)，電機(jī)電流達(dá)到最大值，長(zhǎng)時(shí)間堵轉(zhuǎn)可能導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱甚至損壞。

機(jī)器人輪胎的速度與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間存在以下關(guān)系：

V = 02 * π * w * R / 60;

其中，V代表機(jī)器人運(yùn)行速度(m/s)，w是經(jīng)過(guò)減速器后的電機(jī)轉(zhuǎn)速(rpm)，R是電機(jī)半徑(cm)。假設(shè)我們需要機(jī)器人以平均速度Vavg運(yùn)行，那么可以根據(jù)上述公式計(jì)算出所需的減速電機(jī)轉(zhuǎn)速。

同時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩的需求主要與地面摩擦和坡度有關(guān)。假設(shè)機(jī)器人運(yùn)行地面的摩擦因數(shù)為C，機(jī)器人的質(zhì)量為m(kg)，那么機(jī)器人在地面上勻速運(yùn)行時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩為：

在機(jī)器人的運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩選擇至關(guān)重要。為了確定這些參數(shù)，我們需要考慮多個(gè)因素，包括地面的摩擦、坡度、以及機(jī)器人的最大爬坡角度和最大加速度等。這些因素都可以通過(guò)摩擦系數(shù)C來(lái)綜合反映。

具體來(lái)說(shuō)，摩擦系數(shù)C包含了固有的地面摩擦系數(shù)C最大爬坡角度theta的正弦值以及最大加速度a與重力加速度g的比值。基于這個(gè)摩擦系數(shù)C，我們可以計(jì)算出機(jī)器人勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩T，即T=01CmgR。

此外，電機(jī)的運(yùn)行條件也值得關(guān)注。在電機(jī)剛開(kāi)始供電時(shí)，由于電機(jī)軸尚未開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩都達(dá)到最大值。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，反電勢(shì)逐漸增大，電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩逐漸下降，直到電機(jī)轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等時(shí)，電機(jī)達(dá)到平衡狀態(tài)。

在機(jī)器人應(yīng)用中，我們通常關(guān)心的是電機(jī)在不同負(fù)載條件下的最高轉(zhuǎn)速。例如，空載條件下，電機(jī)能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速為空載轉(zhuǎn)速w0;而在負(fù)載條件下，電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)能達(dá)到的轉(zhuǎn)速為最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速Ts。在其他條件下，電機(jī)運(yùn)行在這兩者之間的線性連線上。因此，如果已知負(fù)載轉(zhuǎn)矩T，我們可以計(jì)算出電機(jī)在此負(fù)載下的最高轉(zhuǎn)速w;反之，如果要求電機(jī)達(dá)到特定的最高轉(zhuǎn)速w，我們也可以計(jì)算出電機(jī)在此轉(zhuǎn)速下能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩T。

上圖清晰地展示了電機(jī)最大轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)矩與電流之間的線性關(guān)系。當(dāng)電機(jī)空載時(shí)，其轉(zhuǎn)速達(dá)到最高值w0，同時(shí)電流為i0。隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的逐漸增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速呈線性下降趨勢(shì)，而電流則相應(yīng)增大。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值時(shí)，電機(jī)進(jìn)入堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。需要注意的是，若電機(jī)轉(zhuǎn)矩繼續(xù)增大，電機(jī)將進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。

在電機(jī)轉(zhuǎn)矩為T(mén)時(shí)，其電流i可以通過(guò)以下公式計(jì)算：i=i0+(is-i0)*T/Ts，其中i0為空載電流，is為堵轉(zhuǎn)電流，Ts為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。

機(jī)器人電機(jī)的種類(lèi)

常見(jiàn)的機(jī)器人電機(jī)類(lèi)型包括：直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、交流電機(jī)等。下面我們來(lái)逐一了解這些電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用。

1. 直流電機(jī)

直流電機(jī)是最常見(jiàn)的機(jī)器人電機(jī)之一，具有速度調(diào)節(jié)范圍廣、性?xún)r(jià)比高、易于控制等特點(diǎn)，同時(shí)也有一定的負(fù)載能力和運(yùn)動(dòng)精度，因此廣泛應(yīng)用于機(jī)器人的各個(gè)領(lǐng)域。

2. 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是一種定位精度高、調(diào)速范圍窄的電機(jī)，常用于機(jī)器人中需要精準(zhǔn)位置控制的場(chǎng)合，例如機(jī)器人臂等。

3. 無(wú)刷直流電機(jī)

無(wú)刷直流電機(jī)是近年來(lái)新興的一種電機(jī)類(lèi)型，具有高效率、高轉(zhuǎn)矩等特點(diǎn)，能夠滿足現(xiàn)代機(jī)器人對(duì)于高性能和小體積的需求，因此逐漸成為機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

4. 交流電機(jī)

交流電機(jī)具有高扭矩、高效率、高精度等特點(diǎn)，常用于機(jī)器人的高負(fù)載、高精度運(yùn)動(dòng)控制中，例如冶金機(jī)器人等。

如何選擇機(jī)器人電機(jī)

選擇適合機(jī)器人的電機(jī)需要考慮以下幾個(gè)因素：

1. 機(jī)器人的類(lèi)型

機(jī)器人的類(lèi)型決定了其電機(jī)的種類(lèi)和適用范圍。例如，需要進(jìn)行高精度定位的機(jī)器人常常采用步進(jìn)電機(jī)，而需要進(jìn)行高負(fù)載運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人則需要采用能夠提供足夠扭矩的電機(jī)。

2. 機(jī)器人的功率

機(jī)器人的功率決定了其需要匹配的電機(jī)的大小和電流大小，因此在選擇電機(jī)時(shí)需要根據(jù)機(jī)器人的工作負(fù)載和功率需求來(lái)選擇。

3. 控制系統(tǒng)

機(jī)器人的控制系統(tǒng)決定了電機(jī)的控制方式和控制精度，因此需要在選擇電機(jī)時(shí)考慮其是否適合機(jī)器人的控制系統(tǒng)。