作者：貿澤電子 Bill Schweber

機器人執行特定的、精確定義的任務，比如流水線作業，手術援助，倉庫發貨/檢索，甚至還有礦井清理。當前的機器人可以同時處理高度重復的任務和復雜的功能，比如需要具備方向和行動上（圖1）的靈活性。隨著技術的改進，速度和靈活性在提升，成本也有所下降，人們的接受程度也在增加。目前已接近行業中的拐點，即機器人的成本效益比人工勞力更好。此外，機器視覺、計算能力和網絡方面的進步促使機器人獲得了更廣泛的應用。

圖1：目前人們也經在許多應用中采用機器人，覆蓋小到小型拾放機以及大到大型汽車自動組裝生產線

以下技術進步成就了當前的高性能機器人：

?各類復雜的傳感器

?計算能力以及算法支持實時決策和動作

?電機可以快速、高精度地使用機械動力來完成日益復雜的任務。

每個因素都對機器人設計起了至關重要的作用，因為技術的進步以及它們之間存在協同發展效應。

傳統上，管理電機對電子工程師來說一直是一個挑戰，因為許多問題與更熟悉的電子領域表現差異巨大。幸運的是，技術進步使得這些問題更易于處理，同時也帶來了更好的性能。例如，德州儀器DRV8816雙半橋式電機驅動器集成了內部保護功能和低功耗睡眠模式，從而靜態電流可以非常小。高度集成的控制器和驅動器將電子和電機的靈活性和集成度提升到一個新水平。

選擇電機指南

在選擇特定的電機類型和型號時，設計人員需要考慮三個主要參數：

1. 電機的最小和最大速度（和相關聯的加速度）;

2.電機可以提供的最大扭矩，和轉矩與速度曲線;

3. 電機操作的精度和重復性（在不使用傳感器和閉環控制時）。

當然，也有涉及電機選擇的其它諸多性能因素，包括尺寸大小，重量和成本。對于幾乎所有小到中型的機器人傳動裝置，為傳動裝置供電的最常用選擇包括直流有刷電機、直流無刷電機（BLDC）和步進電動機。 （不過，也有一些案例中，最好選擇是液壓與氣壓）

有刷電機是最早的直流電機技術，也是最簡單、成本最低的選擇。電機的轉子經由通電刷來開關（整流）圍繞轉子繞組的磁場，而電刷與轉子接觸。電機速度是施加電壓的函數，因此，驅動要求最小值，但管理轉矩很難。而且也有因電刷磨損引發的可靠性問題，可能需維護清潔性，并且也是電噪聲（EMI）的來源。基于這些原因，直流有刷電機在大多數情況是機器人最差選擇。

直流無刷馬達（圖2）大約出現于20世紀60年代，相對于有刷電機，使用了小型低成本強力的永久磁鐵和小型高效的電子開關（通常的MOSFET）來切換電流到繞組流向。 “電子換向”取代了需要實際觸摸電機的電刷，以接通和關斷磁場。因此，磁場和電能流之間的關系得以被發掘使用。電機速度通過改變MOSFET的接通和斷開的速度來控制。另外，相較于有刷電機，無刷電機控制器在馬達性能控制方面更嚴格。

圖2：在無刷電機中，線圈電流以電子方式在定子繞組中開斷，而它們的磁場與轉子中的永久磁鐵相互作用。在該圖中，未出現的轉子位于中心位置。