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姓名：鐘寧健

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機(jī)器人執(zhí)行預(yù)先規(guī)劃好的具體任務(wù)，比如組裝線工作、手術(shù)援助、倉庫提貨/檢索，甚至是排除等危險(xiǎn)任務(wù)。如今的機(jī)器人不僅能夠處理高重復(fù)性的工作，還能完成在方向和動作上需要靈活性的復(fù)雜功能。隨著技術(shù)的進(jìn)步、速度與靈活性的提升、成本的降低，機(jī)器人將被逐漸廣泛采用。低于人工的成本優(yōu)勢也讓我們看到了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的曙光。此外，機(jī)器視覺、計(jì)算能力以及網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)步也將推動機(jī)器人應(yīng)用的普及。

這些高性能機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)得益于以下幾個(gè)方面的提升：

1.復(fù)雜的傳感器；2.實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)決策與動作的計(jì)算能力與算法；3.快速、精確進(jìn)步機(jī)械動力實(shí)現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)的電機(jī)；

在具體選擇電機(jī)類型和型號時(shí)，設(shè)計(jì)師要考慮三個(gè)首要的因素設(shè)計(jì)師要考慮：

1.電機(jī)的最小和轉(zhuǎn)速（還有加速度）；2.電機(jī)可以提供的扭矩，以及扭矩和速度曲線的關(guān)系；3.電機(jī)操作（不用傳感器和閉環(huán)控制時(shí)）的精確性和重復(fù)性；

當(dāng)然，在選擇電機(jī)時(shí)還有許多其它如尺寸、重量還有成本等重要因素要考慮。幾乎對于所有小型到中型等大小的機(jī)器人驅(qū)動器來說，驅(qū)動電機(jī)的選擇通常有刷直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)(BLDC)和步進(jìn)電機(jī)。（然而，某些情形下液壓與氣壓機(jī)才是的選擇。）

有刷直流電機(jī)是最古老的直流電機(jī)技術(shù)，最簡單、成本。由于電刷與轉(zhuǎn)子間的接觸，電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動會切換（換向）繞在轉(zhuǎn)子上的繞組磁場。電機(jī)的速度是施加電壓的函數(shù)，因此驅(qū)動要求不高，但管理扭矩卻很難。由于電刷磨損、需要清理維護(hù)，以及可能會成為電子噪聲源(電磁干擾)等因素，工作時(shí)也存在可靠性問題。由于這些問題的存在，大多數(shù)情況下，有刷直流電機(jī)成為機(jī)器人設(shè)計(jì)中最不具有吸引力的選擇。

無刷直流電機(jī)出現(xiàn)于19世紀(jì)60年代，它得益于兩方面的發(fā)展：一是出現(xiàn)了堅(jiān)固、體積小、低成本的永磁鐵；二是出現(xiàn)了體積小效率高的電子開關(guān)（通常為MOSFET）來切換流向繞組的電流�！半娮訐Q向”取代了有刷電機(jī)的機(jī)械換向來控制磁場的切換，周圍固定的切換線圈與旋轉(zhuǎn)芯上的磁鐵間的相互作用取代了有刷電機(jī)的機(jī)械換向，即利用了磁場與電場之間的相互作用。通過改變MOFSET的開關(guān)頻率，電機(jī)速度從而可以被控制。另外，相對于有刷電機(jī)，其電機(jī)控制器能更好地控制電機(jī)性能。

更妙的是，算法如PID（比例-積分-微分）校正算法或者FOC（磁場定向控制，有時(shí)也稱之為矢量控制）控制算法能被固化到電機(jī)控制器中。這使理想的電機(jī)操作與實(shí)際的負(fù)載及負(fù)載變化相匹配，從而使電機(jī)性能更加強(qiáng)大與精確。例如，電機(jī)控制算法/程序可以考慮到轉(zhuǎn)子慣性等相關(guān)因素，并且使電機(jī)驅(qū)動器適應(yīng)并逐漸減少由于機(jī)械因素導(dǎo)致的錯(cuò)誤。這樣的算法使精確控制加速度和轉(zhuǎn)矩成為可能。

與有刷電機(jī)相比，無刷電機(jī)(BLDC)雖需更復(fù)雜的控制電路但卻可以表現(xiàn)出更優(yōu)的性能。通常BLDC電機(jī)需要配備一個(gè)位置反饋傳感器，比如霍爾效應(yīng)傳感器、光學(xué)編碼器，或者反電動勢檢測器件。

機(jī)器人中常用的另一種BLDC電機(jī)是步進(jìn)電機(jī)，此時(shí)用到開關(guān)式電磁鐵，位于永磁環(huán)中央磁芯旁。步進(jìn)電機(jī)不以常規(guī)方式“旋轉(zhuǎn)”；而是借助于不斷轉(zhuǎn)動的軸，逐步提升轉(zhuǎn)速，因此可以實(shí)現(xiàn)某一個(gè)角度的旋轉(zhuǎn)或持續(xù)旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)具有可重復(fù)的運(yùn)動控制；在需要時(shí)可以返回之前的位置。

步進(jìn)角度范圍為1.8°(200步/轉(zhuǎn))至30°(12步/轉(zhuǎn))，步進(jìn)角或步數(shù)取決于電機(jī)所擁有的永磁鐵個(gè)數(shù)，但這個(gè)范圍之外的值也是可以實(shí)現(xiàn)的。

對于步進(jìn)電機(jī)，如果通電卻沒有步進(jìn)指向，它們會維持在原位置；步進(jìn)電機(jī)能以低rpm提供高扭矩。讓步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動最直接的方法是有序通斷電磁鐵，但這可能會帶來抖動或振動。無刷電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域有部分重疊。步進(jìn)電機(jī)更適合需要精確的進(jìn)退動作(如撿拾和安置)的應(yīng)用領(lǐng)域，而不是需要長時(shí)間持續(xù)轉(zhuǎn)動的領(lǐng)域，也適合于不需要電機(jī)提供高轉(zhuǎn)矩或速度的小應(yīng)用領(lǐng)域。此外，步進(jìn)電機(jī)對于能源效率的要求也低于無刷直流電機(jī)。

除了這里列出的電機(jī)以外，還有許多其它類型可供選擇。電機(jī)系列很多而且也很復(fù)雜，有很多的分支。例如，永磁鐵同步電機(jī)(PMSM)是無刷直流電機(jī)（相對于轉(zhuǎn)子）和交流感應(yīng)電機(jī)（相對于定子結(jié)構(gòu)）的結(jié)合體。它具有高能效、單位小體積相對密度高、扭矩重量比、快速響應(yīng)時(shí)間，以及相對容易控制等特點(diǎn)，但價(jià)格相對也比較高。

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