机器人的电机要求和直流减速电机介绍

　　在机器人中，执行机构一般分为液压驱动和电机驱动两种类型，其中又以电机驱动最为常见。本文主要讨论一般机器人驱动机构中电机的选择问题。

　　机器人中常用的电机分为有刷直流电机、无刷直流电机、永磁同步电机、步进电机等。其中在中小型机器人（尺寸在15cm-30cm）中，由于价格便宜，定位精度高，直流电机以及无刷直流电机最为常见。本文主要讨论直流电机的选择方法。

　　第一部分：电机要求

　　直流电机简介：

　　在市场上，存在着多种多样的直流电机。据不完全估计，单就国内就有上千家电机生产厂家。更不要提日本、德国等老牌电机生产强国。即使对于一个很小的直流电机，它都具有复杂的内部结构和大量的产品资料。这里，我们仅从机器人的角度出发考虑其对电机性能的要求。

　　电机的选择往往是我们对于电机性能的要求与我们可以接受价格的折衷。因而，在电机选择过程中，我们需要整体考虑电机的各个参数，从中筛选出对我们重要的参数，结合我们的需要，选择合适的电机。

　　对于一个电机来说，其往往具有多条运行特性曲线，这里我们将列出其中最重要的一些特性，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，我们主要的关心的有：

　　a） 工作电压——对于一个电机来说，可能会存在多个电压参数；其中最为常用的为连续运行条件下的额定电压；一些电机可以在额定电压之上以超过额定转速和转矩的方式运行，但是运行一段时间后可能会出现局部过热问题；也就是说部分过电压仅可以短时运行，而不可以长期运行；

　　b） 转速——电机旋转速度，一般单位为转每分钟，有时也使用弧度每秒或者角度每秒表示；

　　c） 转矩——电机改变旋转速度的能力；如当使用扳手拧动螺丝时，扳手的转矩使得螺丝旋转；在机器人领域，转矩一般用于使得机器人移动或者使得机械臂完成各种动作；转矩等于力与力臂的成绩，其单位为Nm;

　　d）电流——对于一个电机，可能存在多个电流参数，如空载电流、额定电流以及堵转电流等；

　　e）物理参数——如电机尺寸、电机轴尺寸、截面尺寸以及固定孔的位置等；

　　f）其他参数——一些电机还会提供一些其他的部件，如编码器、制动器、齿轮箱、基座等等；

　　直流减速电机：

　　显而易见的，直流电机供电电流为直流，因而，其可以使用电池进行供电；这也是直流电机在机器人中广泛应用的一个原因；小型直流电机可能在尺寸上不同，但是在基本参数上一般是一致的；直流电机的旋转方向可以通过改变供电电压的符号来改变；

　　小型直流电机一般运行在高速低转矩运行范围内，这与机器人中电机驱动要求是矛盾的；机器人领域通常要求电机运行在低速大转矩范围内；因而，为了降低电机转速同时提高电机转速，一般在电机与输出轴之间增加轴系，即减速器；通过组合不同的减速器，电机可以获得不同的额定转速与额定转矩；目前市面上购买的直流电机很多出厂时已经带有减速器，因而常成为直流减速电机；

　　减速电机的优势在于：使用简单、输出转矩高、转速低、可供选择范围大。

　　主要缺点在于精度较低，即使是同一厂家生产的同一批次的减速电机，施加相同的电压或者电流，那么减速电机的输出也有可能不同；因而，在机器人应用中，对减速电机进行控制时一般需要引入转速闭环控制，而不能使用开环控制；

　　下面是选择减速电机时需要考虑的一些常见的因素：

　　a）通用性——一般而言，电机通用性越强，价格约便宜；

　　b）工作电压——一般小型减速电机工作范围为6-24V;

　　c）输出转矩——一般小型减速电机输出转矩在0.1-0.5Nm之间；一般可以用于驱动在20-30kg的机器人；

　　d）转速——电机转速将与轮胎尺寸决定机器人最大运行速度；一般轮式机器人中，轮胎尺寸在5-20cm之间，其中以6-10cm最为常见；

　　虽然大部分减速电机都是可以正反转的，但是也有些减速电机只可以单方向旋转。另外，虽然减速电机一般具有很多参数，但是从机器人的角度来讲，许多参数如电机轴的转动惯量等我们一般并不关注。对于机器人应用减速电机最重要的参数为电机转速、转矩和额定电压。

　　下面是一个淘宝上某款减速电机的例子：

　　其参数为：

　　品牌：** 安装方式：卧式 级数：3级 齿面硬度：硬齿面 布局形式：同轴式

　　减速比：103 额定电压：24V 额定转速：131RPM

　　空载转速：155RPM 额定转矩：0.014Nm 峰值转矩：0.075Nm

　　电机尺寸：

　　电机直径：20mm 电机长度：45.5mm 输出轴直径：4mm

　　输出轴台阶高度：0.5mm 输出轴长度：11mm

　　通过产品介绍，我们可以看到产品的型号、控制转速、额定转速、额定转矩等。在进一步的讨论减速电机之前，我们首先确定一下机器人中对电机参数的具体要求。

　　电机参数要求：

　　首先我们需要确定机器人的运行环境，如机器人主要运行于室外还是室内，光滑地面还是粗糙地面，需不需要爬坡等等。其次，我们需要确定机器人的具体机械参数，如大小、重量等等。接下来就需要确定机器人运行的一些参数，如运行速度以及转矩。

　　电机通过驱动机器人轮胎从而使得机器人运动。机器人的运动速度主要取决于电机转速与轮胎直径。而电机的旋转速度取决于输入电压和其负载转矩。在相同供电电压下，空载时电机旋转速度要高于负载时旋转速度。在相同供电电压下，电机所需要出力越大，那么电机转速越低，电机电流越大，当出力增大到一定程度时，电机将会停止旋转，也就是堵转。此时，电机电流最大，电机长时间堵转将会引起电机温度上升，严重时会造成电机损坏。