解析机器人常用的六大电机应用

本文将讨论如何使用电机为机器人本身或其部件提供运动功能,并探讨不同类型的电机应用。

  机器人(Robot)是一种能够半自主或全自主工作的智能机器,具有感知、决策、执行等基本特征,可以辅助甚至替代人类完成危险、繁重、复杂的工作,提高工作效率与质量,服务人类生活,扩大或延伸人的活动及能力范围。机器人种类繁多,应用广泛,机器人的设计与应用相适应,其机械设计、车身设计、电子设计和软件设计也与之相应。

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  机器人车辆或机器人汽车是许多类型的机器人设计之一,机器人汽车被设计成在平坦的地面上移动,在那里它们可以通过遥控或自主完成某些任务,他们配备了传感器、控制电路和执行器,以便进行操作。

  这种机器人本身的运动需要使用电机,有很多种电机可以用于机器人的应用,每种类型的电机都有不同的用途,这些电机既可以作为机器人机械设计的执行器,也可以辅助机器人的运动。

  机器人应用可能涉及以下类型的运动——

  1) 垂直运动-通常通过肩部旋转来上下移动机器人的一部分

  2) 径向运动-将机器人的一部分移入和移出

  3) 旋转运动-在三维框架中围绕垂直、水平轴或平面顺时针或逆时针旋转

  4) 俯仰运动-上下同时旋转运动

  5) 滚动运动-机器人的一部分相对于机器人身体的其他部分在平行轴上的旋转

  6) 偏航运动-机器人一部分的向右或向左旋转运动

  7) 移动-机器人在表面或介质中的移动

  所有这些类型的运动都是通过与传动系统和末端执行器一起装配的各种电机或泵来实现的。在本文中,将讨论如何使用电机为机器人本身或其部件提供主运动,并探讨不同类型的电机,以及它们的应用、电机的选择和机器人汽车的设计。

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  六大电机类型

  工业上有许多类型的电机。对于机器人应用,通常使用某些类型的电机。通常用于机器人应用的电机可分为以下几类:

  •交流电机

  •有刷直流电机

  •无刷直流电机

  •齿轮直流电机

  •伺服电机

  •步进电机

  交流电机

  交流电动机由交流电流驱动。它们通常用于需要高扭矩(高承载或承载能力)的重型应用中,这就是为什么这些马达被用于部署在制造单位的机器人装配线上。移动机器人通常由直流电源(电池或电池组)供电,这就是为什么交流电机很少用于此类机器人的原因。

  有刷直流电机

  有刷直流电动机使用电刷在电源和电枢之间传导电流。有刷直流电动机有几种变体,但是在机器人技术中,使用永磁直流电动机。这些电机以高转矩惯性比而闻名。电刷直流电动机能够提供比其额定转矩大三到四倍的转矩。电刷直流电动机由六个不同的部件组成:轴、换向器、电枢、定子、磁铁和电刷。

  电刷直流电动机有两个端子。当电压施加在两个端子上时,一个成比例的速度被输出到电刷直流电动机的轴上。电刷直流电动机由两部分组成:定子包括外壳、永磁体和电刷,转子包括输出轴、绕组和换向器。当转子相对于定子旋转时,其定子保持静止。定子产生环绕转子的固定磁场。

  转子又称电枢,由一个或多个绕组组成。当这些绕组通电时,就会产生磁场。转子磁场的磁极被吸引到定子产生的相反磁极上,导致转子转动。当电机转动时,绕组以不同的顺序不断通电,这样转子产生的磁极不会超过定子产生的磁极。转子绕组中磁场的这种切换称为换相。

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  图1:说明电刷直流电动机的结构的图像

  齿轮直流电机

  齿轮直流电动机是电刷直流电动机的一种高级变体。他们把齿轮总成连在马达上。马达的转速是以每分钟的转速(转/分)来测量的。借助齿轮总成,随着扭矩的增加,马达的转速降低。通过使用齿轮的正确组合来驱动,直流电机的速度可以随着转矩的增加而降低。这提供了马达旋转的稳定性,并且马达可以以受控方式停止或改变速度。

  直流电动机在规定的电压范围内工作,输入电压越高,转速越高。例如,如果电机在6-12V的范围内工作,则在输入电压为6V时转速最小,在输入电压为12V时转速最大。

  在这种马达中齿轮的工作是最有趣的。它基于角动量守恒原理。半径小的齿轮比半径大的齿轮转速高。然而,较大的齿轮将给较小的齿轮更多的扭矩,反之亦然。输入齿轮(传递能量的齿轮)与输出齿轮之间角速度的比较给出了传动比。当多个齿轮连接在一起时,遵循能量守恒定律。另一个齿轮的旋转方向总是与其相邻齿轮相反。在任何直流电动机中,转速和转矩成反比。因此,具有更多扭矩的齿轮将提供较低的转速和反向。为了控制齿轮直流电动机,采用了脉冲宽度调制技术。

  齿轮直流电动机的转矩和转速取决于传动比。例如,假设一台直流电动机可以以12000转/分的速度运行,并提供12公斤/厘米的扭矩。通过增加一个255:1的齿轮减速,电机的速度可以降低,扭矩可以增加。因此,通过增加255:1齿轮减速,合成转速降低到53.3(12000转/分225),扭矩增加到22.5千克厘米(0.1 x 225)。现在,马达能够以合理的速度移动更大的重量。

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  图2:电刷直流电机(右)和齿轮直流电机(左)的近景

  为了控制齿轮直流电机,L293D电机驱动芯片通常用于爱好机器人。该集成电路与微控制器接口,以控制直流电机的方向和速度。电机控制器作为电机、控制器和电池之间的中间装置。虽然微控制器决定电机的速度和方向,但由于输出功率有限,无法直接控制电机。即使是马达控制器也能为马达提供动力,但不能指示马达应该朝哪个方向转动。因此,电机控制器和微控制器必须协同工作才能控制电机。

  为了控制直流电动机,需要一个H桥电路,使电压能够在任一方向上施加在负载上。L293D是一种双H桥电机驱动集成电路(IC)。电机驱动器作为电流放大器,因为它们接受低电流控制信号,并提供更高的电流信号。这个高电流信号被用来驱动马达。它有16个管脚,管脚配置如下:

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  图3:显示直流电机引脚配置的表

  小型电动机是专为紧凑性高于扭矩的应用而设计的。虽然有小型高扭矩电机,但这些电机往往价格昂贵,因为它们使用稀土磁铁、高效轴承和其他增加成本的功能。大型电动机可能产生更多的转矩,但也需要更高的电流。

  大电流电机需要更大容量的电池和更大的控制电路,在负载下不会过热和烧坏。因此,为了使马达的大小与机器人的其余部分相匹配,明智的做法是不要让一个小机器人和一个大马达过载。在确定电机尺寸时,应考虑齿轮减速后的可用扭矩。齿轮减速总是增加扭矩。扭矩的增加与齿轮减速量成正比。就像如果减小量是3:1,扭矩就增加了大约3倍。

  伺服电机

  伺服电机通常用于需要精确旋转运动的地方。它们常用于机械臂和角度控制应用。从伺服电机教程中了解更多有关伺服电机及其控制的信息。

  步进电机

  步进电机将旋转分成多个步骤。与伺服电机以特定角度旋转一样,步进电机以特定数量的角度步进旋转。从有关步进电机的教程中了解有关步进电机的更多信息。

  无刷直流电机

  无刷直流电动机在结构上类似于有刷直流电动机,但它们由闭环控制器驱动,需要逆变器或开关电源。这些马达有永久磁铁,可以转动固定电枢。与电刷直流电动机不同,它们用闭环电子控制器代替换向器总成。这些电机通常用于需要精确控制运动和定位的工业机器人。然而,这些马达相当昂贵,而且有复杂的结构和电子设备。

  如何为机器人选择电机

  要选择合适的电机,必须考虑许多不同的参数,如特定电机能够承受的负载、在不过载的情况下移动机器人所需的扭矩、电机加载时每分钟的旋转量等。

  由于有许多类型的电机,根据应用情况,应选择一种电机类型。例如,为了运行机械臂,通常使用伺服系统。轮式机器人设计简单,使用电动轮在地面上导航。与履带或支腿相比,车轮更易于设计和制造。使用轮子有缺点,比如在障碍物上导航,或者在摩擦小的地方使用轮子不容易。

  这种机器人中最常用的电动机是直流电动机。直流电动机具有高转矩和高效率。通过对负载施加转矩,直流电动机可以用转速和转矩曲线来表征。爱好机器人使用的直流电动机的常用电压等级为3、6、12和24伏。如果电机的电压低于数据表中给出的电压,则转矩将无法克服内部摩擦(主要来自电刷)。此外,如果在电机上施加比所支撑的电压更高的电压,可能会发热并损坏电机。

  机器人汽车的车轮组合

  根据物理学定律,高重量需要强大的加速力。这意味着一个更重的机器人需要更强的马达来加速身体。由于机器人的重量而产生的作用力加上轮子的摩擦力和马达内部的摩擦力。考虑到机器人应该爬楼梯或在斜面上运行,还应该考虑其他力,例如重力。

  只有当转矩大于与机器人运动相反的合力时,电机才能保持恒定速度。当电机转矩小于对向转矩时,由于电能不能转化为转矩,电机将停止运转,并可能损坏。

  为了运动,机器人使用差速转向,分别驱动车轮。机器人可以以不同的速度改变每个轮子的旋转方向,并且通过添加不由执行器驱动的附加轮子,机器人可以保持其平衡。

  两轮加脚轮或四轮是轮式机器人最常见的组合。这两种车轮组合都可以原地转动,称为两轮版本的差速驱动,而四个车轮必须单独驱动才能原地转动。

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  图5:显示两轮和脚轮机器人的图像

  两个轮子和一个脚轮的方法有其优点,包括可以通过增加编码器来测量运动。对于四轮驱动方式,增加一个编码器与机器人的实际运动相比,可能会产生不准确的测量结果,但同时,该系统最适合于闭环控制,为轮胎提供高抓地力。

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