电机在机器人行业中的应用

在机器人中，执行器一般分为液压驱动和电机驱动两种，其中电机驱动较为常见。这次我们主要讨论通用机器人驱动机构中电机的选型。

机器人常用的电机分为无刷直流电机、无刷直流电机、永磁同步电机、步进电机等。其中，中小型机器人（尺寸15cm-30cm）中，直流电机和无刷直流电机是最常见的，因为它们价格低廉，定位精度高。 本文主要讨论直流电机的选型方法。

首先：电机要求

直流电机简介：

市场上有各种各样的直流电机。 据不完全估计，仅在中国就有数千家电机制造商。 日本、德国等老牌电机生产大国更不用说了。 即使是小型直流电机，其内部结构也很复杂，产品信息量也很大。 这里，我们只从机器人的角度考虑电机的性能要求。

电机的选择往往是我们对电机性能的要求和我们可以接受的价格之间的折衷。 因此，在选择电机的过程中，我们需要从整体上考虑电机的参数，选择对我们比较重要的参数，根据自己的需要选择合适的电机。

对于一个电机来说，它往往有多个运行特性曲线，这里我们将列出一些最重要的特性，然后对这些特性进行一些解释。 对于一个电机，从机器人驱动的角度来说，我们主要关心的是：

a) 工作电压——对于一个电机，可能有多个电压参数； 最常用的是连续工作条件下的额定电压； 有些电机可以超过额定转速和额定电压以上的扭矩，但在运行一段时间后，可能会出现局部过热； 也就是说，局部过电压只能短时间操作，不能长时间操作；

b) 转速——电动机的转速，一般用转每分钟表示，有时也用弧度每秒或角度每秒表示；

c) 扭矩——电机改变旋转速度的能力； 例如，当用扳手转动螺丝时，扳手的扭矩使螺丝旋转； 在机器人领域，力矩一般用于使机器人运动或机械臂完成各种动作；力矩等于力与臂力的结果，其单位为Nm；

d) 电流——对于电机，可能有多个电流参数，如空载电流、额定电流、堵转电流等；

e) 物理参数——如电机尺寸、电机轴尺寸、断面尺寸、固定孔位置等；

f) 其他参数——部分电机还会提供一些其他部件YDEJ多速度电机，如编码器、制动器、齿轮箱、机座等；

直流减速电机：

显然，直流电机的供电电流是直流的，所以可以用电池供电； 这也是直流电机广泛应用于机器人的原因之一； 小型直流电机可能大小不一，但基本参数基本一致；直流电机的旋转方向可以通过改变电源电压的符号来改变；

小型直流电机一般运行在高速低转矩范围内，这与机器人对电机驱动的要求相矛盾； 机器人领域通常要求电机在低速和高扭矩范围内运行； 因此，为了在提高电机转速的同时降低电机转速，一般会在电机与输出轴之间增加一个轴系，即减速器； 通过组合不同的减速器，电动机可以获得不同的额定转速和额定转矩； 目前市场上很多直流电机在出厂时就已经带有减速机，所以往往成为直流减速电机；

减速电机的优点是：使用方便、输出扭矩大、转速低、选择范围广。

主要缺点是准确率低。 同一厂家生产的同一批次减速电机，即使施加相同的电压或电流，减速电机的输出也可能不同； 因此，在机器人应用中，在控制减速电机时，一般需要引入速度闭环控制，而不是开环控制；

以下是选择减速电机时需要考虑的一些常见因素：

a) 通用性——一般来说，电机的通用性越强，价格越便宜；

b) 工作电压——一般小型减速电机的工作范围为6-24V；

c) 输出扭矩——小型减速电机的输出扭矩一般在0.1-0.5Nm之间； 一般可用于驱动20-30kg的机器人；

d) 转速——电机转速和轮胎尺寸将决定机器人的最大运行速度； 一般的轮式机器人，轮胎尺寸在5-20cm之间，其中以6-10cm最为常见；

虽然大多数减速电机都可以反转，但有些减速电机只能单向旋转。 另外，虽然减速电机一般都有很多参数，但是从机器人的角度来看，我们一般不会关注电机轴的转动惯量等很多参数。 用于机器人应用的减速电机最重要的参数是电机速度、扭矩和额定电压。

通过产品介绍，我们可以看到产品型号、控制转速、额定转速、额定扭矩等。在进一步讨论减速电机之前，我们首先确定机器人中对电机参数的具体要求。

首先，我们需要确定机器人的运行环境，比如机器人主要运行在室外还是室内，地面是光滑的还是粗糙的，是否需要爬坡等。其次，我们需要确定具体的机器人的机械参数，如尺寸、重量等。 接下来，需要确定机器人运行的一些参数，例如运行速度和扭矩。

电机通过驱动机器人轮胎使机器人移动。 机器人的运动速度主要取决于电机的转速和轮胎的直径。 电机的转速取决于输入电压及其负载转矩。 在相同的供电电压下，电机空载时的转速要高于负载时的转速。 在相同电源电压下，电机需要的输出功率越大，电机转速越低，电机电流越大。 当输出增加到一定程度时，电机就会停止转动，即堵转。 此时电机电流较大，电机堵转时间长，会导致电机温度升高，严重时会造成电机损坏。

机器人轮胎速度与电机转速的关系为：

V=0.02*pi*w*R/60；

其中：V为机器人的运行速度（m/s）；

w为减速器后电机的转速（rpm）；   R为电机半径（cm）；

假设我们要求机器人的平均速度为Vavg，那么要求减速电机的速度为：

w=60*Vavg/(0.02*pi*R) (1)

无刷电机扭矩要求：

电机扭矩要求主要与机器人的地面摩擦力和坡度有关。

设机器人在地面上运行的摩擦系数为C，机器人的质量为m(kg)，则机器人在地面上匀速运行所需的力矩为：

T=0.01Ff*R=0.01C*mg*R；

式中Ff为摩擦力（N），R为轮胎半径（cm）；

除了匀速运动，我们还可能指定机器人的最大爬坡角theta和需要的最大加速度a等，这时候两者可以等效为摩擦力，此时：

C=C0+sin(θ)+a/g；

其中，C0为固有地面摩擦系数，theta为最大爬坡解释，a为最大加速度，g为重力加速度；

T = 0.;   (2)

上述公式1和2是机器人电机转速和转矩的选择方法。

第二部分：电机运行条件

当直流电机开始供电时，电机轴还没有开始转动。 此时点击处于堵转状态。 电机的较大电流为iS，电机产生的扭矩也较大； 因此，电机开始旋转。 此时，随着电机转速的增加，随着电机反电动势的增大，电机电流减小，转矩减小。 当电机转矩等于负载转矩时，电机达到平衡状态，即平衡状态下的电机转速。

电机平衡状态是指电机转矩等于负载转矩。 在机器人中，负载力矩主要包括摩擦、爬坡、加速度等因素。

在机器人应用领域，我们往往更关心电机在不同负载情况下所能达到的较高转速。

例如在空载条件下，电机所能达到的较高转速，空载转速为w0； 在负载条件下，电机失速时所能产生的转速为较大转矩，失速转矩为Ts；

在其他条件下，电机运行在两者之间的线性连接上；

电机空载较高转速为w0，空载电流为i0； 随着负载转矩的增加，电机转速线性下降，电流增加； 直到负载扭矩达到最大扭矩，电机停转。 如果电机扭矩继续增加，电机将产生功率。

当电机转矩为T时，电机电流为：

i=i0+(is-i0)*T/Ts；

其中，i0为空载电流，is为堵转电流；   Ts 为失速转矩；

经过以上讨论，我们可以得出结论，在选择减速电机时，应首先考虑以下参数：

电机工作电压、空载转速、一定转矩下的转速、一定转矩下的电流。

1、电机工作电压：在选择电机工作电压时，我们需要选择与机器人电池对应的电机工作电压。 大多数电机的工作电压为6V、12V、24V。 一般尺寸在15cm-30cm的机器人一般使用镍氢电池，大型机器人一般使用铅酸电池； 镍氢电池一般有标准的AA、C、D尺寸，电压3.6-48V不等。 对于12V电机，一般使用7.2V或9.6V电源； 对于24V电机，一般使用3*9.6V电源。

2、电机转速：对于电机转速的估算，我们一般选择在额定电压和额定转矩下能够满足条件的电机转速。 一般轮胎尺寸在5-20cm之间的机器人，电机转速范围一般从40-；

3、电机扭矩：在选择电机扭矩时，我们一般会在前面计算的基础上留出50%的余量； 另外，如果电机的数量多于一个，电机转矩要求一般可以除以相应的数量。

4、电机电流：电机电流决定了机器人的运行时间。 一般根据电机电流数据，我们可以大致评估其应用范围。 例如，如果电机电流为 0.01A，则电机对于大多数机器人应用来说就太小了； 相反，如果电机额定电流为1A，那么电机就偏大了；

另外在选择的时候需要注意保证电机可以根据机器人本体的大小来安装。 另外，根据控制精度要求，选择合适的位置传感器——光电编码器或旋转变压器。