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如何選擇機器人電機_機器人電機選擇舉例
2022-06-20

在機器人中，執(zhí)行機構一般分為液壓驅(qū)動和電機驅(qū)動兩種類型，其中又以電機驅(qū)動最為常見。本文主要討論一般機器人驅(qū)動機構中電機的選擇問題。 機器人中常用的電機分為有刷直流電機、無刷直流電機、永磁同步電機、步進電機等。其中在中小型機器人（尺寸在15cm-30cm）中，由于價格便宜，定位精度高，直流電機以及無刷直流電機最為常見。本文主要討論直流電機的選擇方法。 第一部分：電機要求 直流電機簡介： 在市場上，存在著多種多樣的直流電機。據(jù)不完全估計，單就國內(nèi)就有上千家電機生產(chǎn)廠家。更不要提日本、德國等老牌電機生產(chǎn)強國。即使對于一個很小的直流電機，它都具有復雜的內(nèi)部結構和大量的產(chǎn)品資料。這里，我們僅從機器人的角度出發(fā)考慮其對電機性能的要求。 電機的選擇往往是我們對于電機性能的要求與我們可以接受價格的折衷。因而，在電機選擇過程中，我們需要整體考慮電機的各個參數(shù)，從中篩選出對我們重要的參數(shù)，結合我們的需要，選擇合適的電機。 對于一個電機來說，其往往具有多條運行特性曲線，這里我們將列出其中最重要的一些特性，然后對這些特性進行一些解釋。對于一個電機，從機器人驅(qū)動的角度，我們主要的關心的有： a） 工作電壓——對于一個電機來說，可能會存在多個電壓參數(shù)；其中最為常用的為連續(xù)運行條件下的額定電壓；一些電機可以在額定電壓之上以超過額定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的方式運行，但是運行一段時間后可能會出現(xiàn)局部過熱問題；也就是說部分過電壓僅可以短時運行，而不可以長期運行； b） 轉(zhuǎn)速——電機旋轉(zhuǎn)速度，一般單位為轉(zhuǎn)每分鐘，有時也使用弧度每秒或者角度每秒表示； c） 轉(zhuǎn)矩——電機改變旋轉(zhuǎn)速度的能力；如當使用扳手擰動螺絲時，扳手的轉(zhuǎn)矩使得螺絲旋轉(zhuǎn)；在機器人領域，轉(zhuǎn)矩一般用于使得機器人移動或者使得機械臂完成各種動作；轉(zhuǎn)矩等于力與力臂的成績，其單位為Nm; d）電流——對于一個電機，可能存在多個電流參數(shù)，如空載電流、額定電流以及堵轉(zhuǎn)電流等； e）物理參數(shù)——如電機尺寸、電機軸尺寸、截面尺寸以及固定孔的位置等； f）其他參數(shù)——一些電機還會提供一些其他的部件，如編碼器、制動器、齒輪箱、基座等等； 直流減速電機： 顯而易見的，直流電機供電電流為直流，因而，其可以使用電池進行供電；這也是直流電機在機器人中廣泛應用的一個原因；小型直流電機可能在尺寸上不同，但是在基本參數(shù)上一般是一致的；直流電機的旋轉(zhuǎn)方向可以通過改變供電電壓的符號來改變； 小型直流電機一般運行在高速低轉(zhuǎn)矩運行范圍內(nèi)，這與機器人中電機驅(qū)動要求是矛盾的；機器人領域通常要求電機運行在低速大轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)；因而，為了降低電機轉(zhuǎn)速同時提高電機轉(zhuǎn)速，一般在電機與輸出軸之間增加軸系，即減速器；通過組合不同的減速器，電機可以獲得不同的額定轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)矩；目前市面上購買的直流電機很多出廠時已經(jīng)帶有減速器，因而常成為直流減速電機； 減速電機的優(yōu)勢在于：使用簡單、輸出轉(zhuǎn)矩高、轉(zhuǎn)速低、可供選擇范圍大。 主要缺點在于精度較低，即使是同一廠家生產(chǎn)的同一批次的減速電機，施加相同的電壓或者電流，那么減速電機的輸出也有可能不同；因而，在機器人應用中，對減速電機進行控制時一般需要引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，而不能使用開環(huán)控制； 下面是選擇減速電機時需要考慮的一些常見的因素： a）通用性——一般而言，電機通用性越強，價格約便宜； b）工作電壓——一般小型減速電機工作范圍為6-24V; c）輸出轉(zhuǎn)矩——一般小型減速電機輸出轉(zhuǎn)矩在0.1-0.5Nm之間；一般可以用于驅(qū)動在20-30kg的機器人； d）轉(zhuǎn)速——電機轉(zhuǎn)速將與輪胎尺寸決定機器人最大運行速度；一般輪式機器人中，輪胎尺寸在5-20cm之間，其中以6-10cm最為常見； 雖然大部分減速電機都是可以正反轉(zhuǎn)的，但是也有些減速電機只可以單方向旋轉(zhuǎn)。另外，雖然減速電機一般具有很多參數(shù)，但是從機器人的角度來講，許多參數(shù)如電機軸的轉(zhuǎn)動慣量等我們一般并不關注。對于機器人應用減速電機最重要的參數(shù)為電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和額定電壓。 在進一步的討論減速電機之前，我們首先確定一下機器人中對電機參數(shù)的具體要求。 電機參數(shù)要求： 首先我們需要確定機器人的運行環(huán)境，如機器人主要運行于室外還是室內(nèi)，光滑地面還是粗糙地面，需不需要爬坡等等。其次，我們需要確定機器人的具體機械參數(shù)，如大小、重量等等。接下來就需要確定機器人運行的一些參數(shù)，如運行速度以及轉(zhuǎn)矩。 電機通過驅(qū)動機器人輪胎從而使得機器人運動。機器人的運動速度主要取決于電機轉(zhuǎn)速與輪胎直徑。而電機的旋轉(zhuǎn)速度取決于輸入電壓和其負載轉(zhuǎn)矩。在相同供電電壓下，空載時電機旋轉(zhuǎn)速度要高于負載時旋轉(zhuǎn)速度。在相同供電電壓下，電機所需要出力越大，那么電機轉(zhuǎn)速越低，電機電流越大，當出力增大到一定程度時，電機將會停止旋轉(zhuǎn)，也就是堵轉(zhuǎn)。此時，電機電流最大，電機長時間堵轉(zhuǎn)將會引起電機溫度上升，嚴重時會造成電機損壞。 機器人輪胎速度與電機旋轉(zhuǎn)速度關系為： V=0.02*pi*w*R/60; 其中：V為機器人運行速度（m/s）; w為經(jīng)過減速器后電機旋轉(zhuǎn)速度（rpm）;R為電機半徑（cm）; 假設我們要求機器人運行平均速度為Vavg，那么要求減速電機轉(zhuǎn)速為： w=60*Vavg/（0.02*pi*R） （1） 電機轉(zhuǎn)矩要求： 電機轉(zhuǎn)矩要求主要有機器人運行地面摩擦、坡度有關。 假設機器人運行地面摩擦因數(shù)為C，機器人質(zhì)量為m（kg），此時機器人在地面勻速運行要求轉(zhuǎn)矩為： T=0.01Ff*R=0.01C*mg*R; 其中Ff為摩擦力（N），R為輪胎半徑（cm）; 在勻速運動之外，可能我們還會規(guī)定機器人的最大爬坡角度theta以及要求的最大加速度a等，此時，可以將兩者等效為摩擦，此時： C=C0+sin（theta）+a/g; 其中，C0為固有的地面摩擦系數(shù)，theta為最大爬坡解讀，a為最大加速度，g為重力加速度； T=0.01CmgR； （2） 上述1式和2式即為機器人電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩選擇方法。 第二部分：電機運行條件 當直流電機開始供電時，電機軸尚未開始旋轉(zhuǎn)，此時點擊處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，電機電流最大為iS，電機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也最大；因而，電機開始旋轉(zhuǎn)，此時，隨著電機轉(zhuǎn)速上升，由于電機反電勢增大，電機電流下降，轉(zhuǎn)矩下降，當電機轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相等時，電機達到平衡狀態(tài)，即為平衡狀態(tài)電機轉(zhuǎn)速。 電機平衡狀態(tài)指的是電機轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相等，在機器人中，負載轉(zhuǎn)矩主要包括摩擦、爬坡、加速等因素。 在機器人應用領域中，我們往往比較關心電機在不同負載條件下所能達到的最高轉(zhuǎn)速。 如，空載條件下，電機所能達到的最大轉(zhuǎn)速，空載轉(zhuǎn)速為w0；在負載條件下，電機堵轉(zhuǎn)時所能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速為最大轉(zhuǎn)矩，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為Ts; 其他條件下，電機運行在兩者之間的線性連線上； 即如果負載轉(zhuǎn)矩為T，那么此時，電機最高轉(zhuǎn)速為： w=w0*（1-T/Ts）; 如果電機要求最高轉(zhuǎn)速為w，那么此時，電機所能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩為： T=Ts*（1=w/w0）; 上圖反映的是電機最大轉(zhuǎn)速與最大轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩與電流之間的線性關系。 電機空載最高轉(zhuǎn)速為w0，空載電流為i0;隨著負載轉(zhuǎn)矩增大，電機轉(zhuǎn)速線性下降，電流增大；直至負載轉(zhuǎn)矩達到最大轉(zhuǎn)矩，電機堵轉(zhuǎn)。如果電機轉(zhuǎn)矩繼續(xù)增大，那么電機將處于發(fā)電狀態(tài)。 在電機轉(zhuǎn)矩為T時，電機電流為： 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； 經(jīng)過上述討論，我們可以得出這樣的結論，在選擇減速電機時，應該首先重點考慮如下幾個參數(shù)： 電機運行電壓、空載轉(zhuǎn)速、一定轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速、一定轉(zhuǎn)矩下的電流。 1. 電機運行電壓：選擇電機運行電壓時，我們需要選擇一個和機器人電池對應的電機運行電壓。大部分電機運行電壓為6V，12V，24V.對于一般尺寸在15cm-30cm的機器人，一般使用鎳氫電池，對于大型機器人，一般使用鉛酸電池；鎳氫電池一般為標準AA，C，D尺寸，電壓在3.6-48V不等。對于12V電機，一般使用7.2V或者9.6V供電；對于24V電機，一般使用3*9.6V供電。 2. 電機轉(zhuǎn)速：對于電機轉(zhuǎn)速的估計，我們一般選擇在額定電壓和額定轉(zhuǎn)矩下，所能滿足條件的電機轉(zhuǎn)速，對于一般輪胎尺寸在5-20cm之間的機器人來說，電機轉(zhuǎn)速范圍一般從40-300rpm; 3.電機轉(zhuǎn)矩：選擇電機轉(zhuǎn)矩時，我們一般在上一部分計算的基礎上留有50%的裕量；另外，如果電機數(shù)量多于一個，一般可以對電機轉(zhuǎn)矩要求除以相應的數(shù)量。 4.電機電流：電機電流將決定機器人運行時間，一般根據(jù)電機電流數(shù)據(jù)，我們能夠大概評估其應用范圍，如一個電機電流為0.01A，那么對于絕大多數(shù)機器人場合，電機都將太??；相反，如果電機額定電流為1A，那么電機將會太大； 另外，選擇時還需要注意根據(jù)機器人本體的尺寸確保電機能夠安裝。另外，還要根據(jù)控制精度要求，選擇合適的位置傳感器-光電碼盤或者旋轉(zhuǎn)變壓器等。 第三部分：機器人電機選擇舉例 這里以筆者正在開發(fā)的一款移動機器人平臺為例，詳細說明電機的選擇過程。 機器人平臺大概重4kg，要求最快運行速度為1m/s，兩臺電機驅(qū)動其行走，最大爬坡角度為5度，電機供電電壓為24V，輪胎輪胎直徑為65mm。 1. 轉(zhuǎn)速要求： Speed=60*Velocity/（PI*d）=290rpm; 2.轉(zhuǎn)矩要求：對于電機轉(zhuǎn)矩要求，由于整體系統(tǒng)重量為4kg，假設摩擦系數(shù)為0.03，此時點擊轉(zhuǎn)矩為：T=Ff*R=（0.03+sin5）*4kg*9.8kgm/s^2*32.5*10^-3m=100mNm; 將其分擔到兩個電機上，此時每個電機轉(zhuǎn)矩為50mNm. 初步減速電機參數(shù)為：轉(zhuǎn)矩：50mNm，轉(zhuǎn)速290rpm. 可以根據(jù)其他的一些機械或者價格因素決定最終電機選型。

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