機器人微型電機的選擇 需要考慮以下幾方面的要素

在機器人行業(yè)中微型電機應(yīng)用非常多，如機器人手指關(guān)節(jié)是通過舵機連接微型電機來進(jìn)行各種動作。機器人常用的幾種微型電機有有刷直流電機、無刷直流電機、永磁同步電機及步進(jìn)電機，在常見的機器人產(chǎn)品中，有刷直流電機應(yīng)用也是比較多的，下面我們來了解下機器人微型電機的選擇要素。

一、微型電機的選擇要求

現(xiàn)在市場上有非常多型號的微型直流電機，生產(chǎn)廠家更是多不勝數(shù)，所以在微型電機的選擇過程中性能參數(shù)是重點考慮因素，微型電機具有多條運行特性曲線，從機器人產(chǎn)品的角度來看，我們主要考慮工作電壓、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流、物理參數(shù)及其他部件參數(shù)

1.工作電壓：微型電機會存在多個電壓參數(shù)，最常用的為額定電壓，有的微型電機可以在超過額定電壓運行一段時間，但是不可以長時間運行，不然還是會發(fā)熱燒毀；

2.轉(zhuǎn)速：微型電機每分鐘的旋轉(zhuǎn)速度；

3.轉(zhuǎn)矩：微型電機旋轉(zhuǎn)時候的扭力；

4.電流：微型電機有額定電流、空載電流和堵轉(zhuǎn)電流參數(shù)；

5.物理參數(shù)：微型電機的尺寸、軸尺寸等

6.其他參數(shù)：微型電機的減速箱參數(shù)等

行星減速電機

微型直流電機的供電方式是直流電，所以是可以用電池供電的，這也是直流電機在機器人產(chǎn)品及各種電機產(chǎn)品上應(yīng)用廣泛的原因，微型電機一般為高速低轉(zhuǎn)矩運轉(zhuǎn)，但是機器人產(chǎn)品要求扭矩大，所以需要在微型電機輸出軸之間增加減速器，也叫做齒輪組或減速機，通過減速器可以增加扭力降低轉(zhuǎn)速，即轉(zhuǎn)速越低，扭矩就越大，目前的機器人微型電機在生產(chǎn)時廠家都會帶減速機，不需要自己再去裝配，只要把轉(zhuǎn)速和扭矩參數(shù)給到微型電機生產(chǎn)廠家即可。

微型減速電機輸出轉(zhuǎn)矩高、使用簡單、選擇范圍大，但是精度較低，所以在機器人應(yīng)用中，需要引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，而不可使用開環(huán)控制。

二、機器人產(chǎn)品微型減速電機選擇考慮因素

1.通用性：微型電機的通用性越強，價格就會越便宜；

2.工作電壓：工作電壓范圍在6-20v；

3.輸出轉(zhuǎn)矩：如0.1-0.5Nm之間的輸出轉(zhuǎn)矩，可用在20-30kg的機器人產(chǎn)品；

4.轉(zhuǎn)速：如機器人產(chǎn)品是通過輪子運動的，需要的轉(zhuǎn)速較高，并需要可調(diào)速。

還有微型減速電機需要可以正反轉(zhuǎn)，雖然現(xiàn)在的微型電機都是可以正反轉(zhuǎn)的，但是有一些電機只能單方向旋轉(zhuǎn)，所以我們要注意這點參數(shù)。

另外，機器人的運行環(huán)境因素也對選擇微型電機的選擇也是一個重要考慮范圍，如室外？室內(nèi)？光滑地面？粗超地面？是否需要爬坡？等等，像掃地機器人是通過微型電機驅(qū)動輪胎來進(jìn)行運動的，所以它的運動速度就取決于微型電機的轉(zhuǎn)速與輪胎的直徑了。而微型電機的旋轉(zhuǎn)速度取決于輸入的電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)幾乎，在相同的供電電壓下，靠在轉(zhuǎn)速一家是高于負(fù)載轉(zhuǎn)速的，所以微型電機出力越大，它的轉(zhuǎn)速就會越低，電流也就越大，當(dāng)輸出力增大到一定程度的時候，微型電機就會定制旋轉(zhuǎn)了，這個也就會我們參數(shù)中的堵轉(zhuǎn)，當(dāng)微型電機電流最大時，如果電機長時間堵轉(zhuǎn)將會引起電機溫度上升，嚴(yán)重時會造成電機損壞。

下面為機器人輪胎速度與微型電機旋轉(zhuǎn)速度關(guān)系

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(shè)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）

三、微型電機轉(zhuǎn)矩要求

如果是機器人運行地面有摩擦及爬坡，那么轉(zhuǎn)矩的要求就不一樣，假設(shè)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；

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。

四、微型電機的運行條件

當(dāng)微型電機在開始供電時，微型電機的軸還沒開始旋轉(zhuǎn)，這個時候電機是處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)的，微型電機電流最大為iS，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也最大，所以微型電機開始旋轉(zhuǎn)，隨著電機的轉(zhuǎn)速上升，因微型電機反電勢增大，微型電機電流下降、轉(zhuǎn)矩下降電機轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等時，電機達(dá)到平衡狀態(tài)，即為平衡狀態(tài)電機轉(zhuǎn)速。

在機器人中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩主要包括摩擦、爬坡、加速等因素，在多人還是比較關(guān)心微型電機在不同負(fù)載條件下所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速。比如在空載條件下微型電機能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速，空載轉(zhuǎn)速為w0；在負(fù)載條件下，微型電機堵轉(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，在其他條件下，微型電機運行在兩者之間的線性連線上，如果負(fù)載為T，那么此時，微型電機的最高轉(zhuǎn)速為w=w0×（1-T÷Ts）

假如微型電機最高轉(zhuǎn)速為w，那么微型電機所能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩為T=Ts×（1=w÷w0）

微型電機性能曲線圖

上圖為微型電機的最大轉(zhuǎn)速與最大轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩與電流之間的線性關(guān)系

微型電機空載最高轉(zhuǎn)速為w0，空載電流為i0，隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增大，微型電機的轉(zhuǎn)速便線性下降，電流增大，直到負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩，微型電機堵轉(zhuǎn)，在微型電機轉(zhuǎn)矩為T時，電機的電流為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

所以在選擇機器人微型電機時我們需要考慮微型電機的運行電壓、空載轉(zhuǎn)速、一定轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速、一定轉(zhuǎn)矩下的電流這電流表因素

1. 微型電機的運行電壓：前現(xiàn)我們講過大部分機器人產(chǎn)品微型電機的運行電壓在6~24V，對于小型機器人來說一般使用的是鎳氫電池，電壓在3.6~48不等，對于12V的微型電機一般使用7.2V或者9.6V供電；

2. 微型電機的轉(zhuǎn)速：一般選擇在額定電壓和額定轉(zhuǎn)矩下所能滿足條件的微型電機轉(zhuǎn)速，假如是輪胎尺寸為5-20cm的機器人來說，微型電機的轉(zhuǎn)速40-300rpm就足夠了；

3.微型電機的轉(zhuǎn)矩：對于微型電機的轉(zhuǎn)矩我們一般計算的基礎(chǔ)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(yīng)的數(shù)量。

4.微型電機的電流：微型電機的電流決定著機器人的運行時間，一般是根據(jù)微型電機的電流數(shù)據(jù)就可以大概評估其應(yīng)用范圍，如0.01A的微型電機，就適合于大多數(shù)機器人人產(chǎn)品；

還有一個尺寸問題，設(shè)計機器人產(chǎn)品時要確保微型電機能夠安裝