選擇適合機器人的電機需要考慮以下幾個關鍵因素?：

?電機類型?：機器人常用的電機類型包括直流伺服電機和步進電機。直流伺服電機因其高精度、快速響應和強可控性，適用于機器人的關節(jié)運動控制和定位?。步進電機則適用于需要精確控制步進數(shù)的應用場景?。

?性能參數(shù)?：

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

?動態(tài)響應?：快速響應的電機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/停止的應用?。

?精度與分辨率?：高精度和高分辨率的電機更適合精密加工、機器人控制等應用?。

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

?控制方式?：機器人通常需要配合專用的驅(qū)動器或控制器使用。因此，在選擇電機時還需考慮其控制系統(tǒng)是否與現(xiàn)有的自動化系統(tǒng)兼容?。

?其他考慮因素?：

?工作電壓?：電機的額定電壓需適應機器人的供電系統(tǒng)?3。

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

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

在機器人技術中，電機作為驅(qū)動機構(gòu)的核心部件，其選擇對于機器人的性能和成本至關重要。根據(jù)應用場景和需求，電機類型可分為有刷直流電機、無刷直流電機、永磁同步電機以及步進電機等。在中小型機器人領域，尤其是尺寸介于15cm至30cm的范圍內(nèi)，直流電機及其無刷版本因價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機器人的直流電機。

01 電機要求

【直流電機概覽】

市場上直流電機種類繁多，國內(nèi)就有眾多生產(chǎn)廠家，更別提日本、德國等電機制造強國。盡管每個小型的直流電機都蘊含著復雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和豐富的產(chǎn)品資料，但我們將從機器人技術的視角來探討其對電機性能的特定需求。

電機的選擇實質(zhì)上是對電機性能與價格的權衡。因此，在挑選過程中，我們需要全面考量電機的各項參數(shù)，篩選出對我們至關重要的參數(shù)，并結(jié)合實際需求，做出明智的選擇。

對于機器人驅(qū)動而言，我們主要關注電機的以下特性：

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

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

c) 轉(zhuǎn)矩：電機改變旋轉(zhuǎn)速度的能力。在機器人領域，轉(zhuǎn)矩對于驅(qū)動機器人移動或使機械臂執(zhí)行各種動作至關重要。轉(zhuǎn)矩的計算基于力和力臂的乘積，其單位為Nm。

d) 電流：電機涉及多個電流參數(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)直接影響電機的安裝和使用。

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

【直流減速電機】

顯而易見，直流電機因供電電流為直流而能夠使用電池進行供電，這一特性使其在機器人領域得到廣泛應用。盡管小型直流電機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。通過改變供電電壓的符號，可以輕松地改變直流電機的旋轉(zhuǎn)方向。

然而，小型直流電機通常在高速低轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)運行，這與機器人技術中的電機驅(qū)動需求相矛盾。機器人通常需要在低速大轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)運行。為了解決這一問題，通常會在電機與輸出軸之間增加減速器，以降低電機轉(zhuǎn)速并提高輸出轉(zhuǎn)矩。

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

通過上述產(chǎn)品介紹，我們可以獲取到減速電機的詳細參數(shù)，如減速比、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速等。在進一步探討減速電機之前，我們需先明確機器人在不同運行環(huán)境下的電機參數(shù)需求。

首先，要了解機器人的運行環(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，要確定機器人的機械參數(shù)，如尺寸和重量。接著，需要明確機器人運行的關鍵參數(shù)，如運行速度和所需轉(zhuǎn)矩。

電機通過驅(qū)動輪胎來推動機器人運動。機器人的運動速度主要受電機轉(zhuǎn)速和輪胎直徑的影響。而電機的轉(zhuǎn)速則取決于輸入電壓和負載轉(zhuǎn)矩。在相同電壓條件下，空載時的電機轉(zhuǎn)速會高于負載時的轉(zhuǎn)速。此外，電機出力越大，轉(zhuǎn)速越低，電流也越大。當出力達到一定程度時，電機可能會停止旋轉(zhuǎn)，即發(fā)生堵轉(zhuǎn)。此時，電機電流達到最大值，長時間堵轉(zhuǎn)可能導致電機過熱甚至損壞。

機器人輪胎的速度與電機轉(zhuǎn)速之間存在以下關系：

V = 02 * π * w * R / 60;

其中，V代表機器人運行速度(m/s)，w是經(jīng)過減速器后的電機轉(zhuǎn)速(rpm)，R是電機半徑(cm)。假設我們需要機器人以平均速度Vavg運行，那么可以根據(jù)上述公式計算出所需的減速電機轉(zhuǎn)速。

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

在機器人的運行過程中，電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩選擇至關重要。為了確定這些參數(shù)，我們需要考慮多個因素，包括地面的摩擦、坡度、以及機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摩擦系數(shù)C來綜合反映。

具體來說，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?；谶@個摩擦系數(shù)C，我們可以計算出機器人勻速運動時所需的轉(zhuǎn)矩T，即T=01CmgR。

此外，電機的運行條件也值得關注。在電機剛開始供電時，由于電機軸尚未開始旋轉(zhuǎn)，電機處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時電機電流和轉(zhuǎn)矩都達到最大值。隨著電機轉(zhuǎn)速的上升，反電勢逐漸增大，電機電流和轉(zhuǎn)矩逐漸下降，直到電機轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相等時，電機達到平衡狀態(tài)。

在機器人應用中，我們通常關心的是電機在不同負載條件下的最高轉(zhuǎn)速。例如，空載條件下，電機能達到的最大轉(zhuǎn)速為空載轉(zhuǎn)速w0;而在負載條件下，電機堵轉(zhuǎn)時能達到的轉(zhuǎn)速為最大轉(zhuǎn)矩對應的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速Ts。在其他條件下，電機運行在這兩者之間的線性連線上。因此，如果已知負載轉(zhuǎn)矩T，我們可以計算出電機在此負載下的最高轉(zhuǎn)速w;反之，如果要求電機達到特定的最高轉(zhuǎn)速w，我們也可以計算出電機在此轉(zhuǎn)速下能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩T。

上圖清晰地展示了電機最大轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)矩與電流之間的線性關系。當電機空載時，其轉(zhuǎn)速達到最高值w0，同時電流為i0。隨著負載轉(zhuǎn)矩的逐漸增大，電機轉(zhuǎn)速呈線性下降趨勢，而電流則相應增大。當負載轉(zhuǎn)矩達到最大值時，電機進入堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。需要注意的是，若電機轉(zhuǎn)矩繼續(xù)增大，電機將進入發(fā)電狀態(tài)。

在電機轉(zhuǎn)矩為T時，其電流i可以通過以下公式計算：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。

機器人電機的種類

常見的機器人電機類型包括：直流電機、步進電機、無刷直流電機、交流電機等。下面我們來逐一了解這些電機的特點及應用。

1. 直流電機

直流電機是最常見的機器人電機之一，具有速度調(diào)節(jié)范圍廣、性價比高、易于控制等特點，同時也有一定的負載能力和運動精度，因此廣泛應用于機器人的各個領域。

2. 步進電機

步進電機是一種定位精度高、調(diào)速范圍窄的電機，常用于機器人中需要精準位置控制的場合，例如機器人臂等。

3. 無刷直流電機

無刷直流電機是近年來新興的一種電機類型，具有高效率、高轉(zhuǎn)矩等特點，能夠滿足現(xiàn)代機器人對于高性能和小體積的需求，因此逐漸成為機器人的主要驅(qū)動電機。

4. 交流電機

交流電機具有高扭矩、高效率、高精度等特點，常用于機器人的高負載、高精度運動控制中，例如冶金機器人等。

如何選擇機器人電機

選擇適合機器人的電機需要考慮以下幾個因素：

1. 機器人的類型

機器人的類型決定了其電機的種類和適用范圍。例如，需要進行高精度定位的機器人常常采用步進電機，而需要進行高負載運動的機器人則需要采用能夠提供足夠扭矩的電機。

2. 機器人的功率

機器人的功率決定了其需要匹配的電機的大小和電流大小，因此在選擇電機時需要根據(jù)機器人的工作負載和功率需求來選擇。

3. 控制系統(tǒng)

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