在我們?nèi)粘Ｉ钪校瑥闹悄軖叩貦C器人到工廠里的機械臂，這些機器的靈活運動都離不開它們的「關節(jié)」——電機。但你知道嗎？機器人關節(jié)用的電機可不是普通的電機，它們需要具備超強的扭矩、精確的控制和緊湊的體積。今天，就讓我們一起探索機器人關節(jié)的力量之源。
01機器的「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！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。電機負責把電能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)、吹風這些你能感受到的“動作”。
電機本質(zhì)上是一種將電能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置，它通過產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或直線運動來驅(qū)動機器完成各種任務。不同類型的電機有著不同的特性和適用場景。
02從生活電器看電機
吹風機常采用無刷直流電機，這種電機沒有碳刷摩擦，使用壽命長，轉(zhuǎn)速更高，風力輸出更大。
打印機常采用步進電機，這種電機每收到電脈沖信號就移動一步，確保墨水精準噴在紙上，依靠“數(shù)步數(shù)”就能精準定位，但速度太快會“數(shù)錯步”。
電動牙刷常采用直流有刷電機，這種電機靠碳刷和銅片摩擦供電，體積小巧，啟動瞬間力氣很大。
智能家用電風扇常采用直流變頻電機，這種電機可以提供多檔風速調(diào)節(jié)，支持智能生態(tài)聯(lián)動。
03 點奶茶式選電機
電機的選用通常和應用場景掛鉤。包括負載特性、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。推薦幾種選擇電機性格的方案：
● 便宜耐用型常選有刷電機；
● 高效長壽型常選無刷電機；
● 精準控制型常選步進電機；
● 響應快搭配精準度常選伺服電機；
04機器人關節(jié)的關鍵配角
在了解機器人關節(jié)用哪種電機之前，我們需要認識一個關鍵配角—減速器。它專門負責把電機的高速旋轉(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、榨汁機里邊也藏著減速器。
減速器在自動化設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（將電機的高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為設備所需的低速運動，同時放大扭矩）、精準控制（通過高精度齒輪嚙合或伺服電機配合，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、蝸輪蝸桿等傳動結構，改變輸入軸與輸出軸的運動方向）。
但機器人關節(jié)使用的電機并不是簡單的“轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)”或者“吹吹風”，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+電機分體式結構螺絲會松動，無法承受高強度扭動。
05為什么需要特殊電機？
放在機器人關節(jié)里還要考慮體積小、能量損耗低、效率高……要能塞進胳膊粗細的關節(jié)里就需要把電機和減速器、控制器塞進一個“小罐頭”，變成關節(jié)模組。
智能機器人的各種運動都是通過微電機來實現(xiàn)的，機器人的動力核心部件就是控制器、電機。智能機器人微電機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。
對工業(yè)機器人關節(jié)驅(qū)動的電動機，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。特別是像機器人末端執(zhí)行器（手爪）應采用體積、質(zhì)量盡可能小的電動機，尤其是要求快速響應時，伺服電動機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機器人關節(jié)常用哪種性格的電機？
基于以上特點，機器人關節(jié)常采用減速器搭配高扭矩伺服電機，這種電機具有高精度定位（知道機器人走到哪里并會向大腦報備）、響應快（頻繁啟停）、抗過載能力強（急停）、低速穩(wěn)定性（支持平穩(wěn)行走）特點。
常用的微電機類型主要有無刷直流電機、有刷直流電機和步進電機。
有刷直流電機在微型直流電機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效率較低、壽命不長的劣勢，一般應用于一些家用機器人當中，如掃地機器人、教育機器人、玩具機器人等。
步進電機在小型的機器人應用當中會出現(xiàn)體積大、力矩不大，容易失步的問題，在小型機器人關節(jié)當中不會用到。
無刷直流電機與無鐵芯電機體積小、重量輕、效率高、使用壽命長，在小型智能機器人當中應用較多，但是成本高、控制復雜，如考慮到成本問題，可選擇有刷直流電機。
近年來，無框力矩電機已成為機器人關節(jié)的主流方案。它只有轉(zhuǎn)子、定子兩個部件，沒有軸承、外殼，可直接集成于關節(jié)執(zhí)行器，占用空間更少。
07機器人關節(jié)模組
機器人關節(jié)模組，也稱為執(zhí)行器，負責驅(qū)動和控制機器人各個關節(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、減速器、力矩傳感器、編碼器、軸承構成。它將電機輸出的高速低扭轉(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、滾柱絲杠、力矩傳感器、編碼器、軸承構成。它將電機輸出的旋轉(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，結構簡單，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、漢宇集團等。
08高度集成化與智能化
隨著機器人技術的不斷發(fā)展，機器人關節(jié)電機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)動關節(jié)將電機和減速器、驅(qū)動器視為一個整體結構進行設計，實現(xiàn)了有限空間的高效率利用及關節(jié)的高集成度構型，解決了傳統(tǒng)關節(jié)承載能力不高、體積過大、精度低、運動不平穩(wěn)等問題。
這種高度集成的設計使得電驅(qū)動關節(jié)具有結構緊湊、通用性強和可快速重構的優(yōu)點。
軸向磁通電機等新型電機技術也在機器人關節(jié)中得到應用，它可有效利用該電機結構在轉(zhuǎn)軸中心出的結構空隙，可將一級減速器、散熱葉片做集成設計，大大提高了集成度和功率密度。
09機器人關節(jié)電機的精準世界
機器人關節(jié)電機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。從有刷電機到無刷電機，從步進電機到伺服電機，從分體式設計到高度集成的關節(jié)模組，技術的發(fā)展不斷推動著機器人性能的提升。
隨著新材料、新工藝和智能控制算法的應用，未來的機器人關節(jié)電機將會更加精密、高效和智能，為機器人帶來更靈活、更精準的運動能力，讓機器人在更多領域替代人類完成復雜任務。
無論是工業(yè)機器人還是服務機器人，其關節(jié)電機的技術進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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