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為什么使用減速器代替電機轉(zhuǎn)速來控制機器人關節(jié)運動？
2022-06-20

在機器人系統(tǒng)中，為什么不能直接控制伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制關節(jié)運動，為何還需要減速器？ 要回答這個問題，首先要明確工業(yè)機器人關節(jié)的工況： 1. 工業(yè)機器人的關節(jié)需要撐住后端機構由于重力產(chǎn)生的扭矩。 2. 工業(yè)機器人關節(jié)轉(zhuǎn)速不高。機器人關節(jié)角速度很低，可電機在極低的速度下轉(zhuǎn)動是不平穩(wěn)的，控制不易，需要一個機械讓電機在較合理的轉(zhuǎn)速下運動，保證運動的平順。 那么使用減速機的原因有兩點，第一點是提扭矩，第二點就是提控制分辨率和閉環(huán)精度。 例如，一個50:1的諧波減速機就能輕松將一個額定100mNm的電機的額定扭矩提升到5Nm，代價是： 1.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比直驅(qū)高49倍 本來工業(yè)機器人的關節(jié)轉(zhuǎn)速就不高，一般都是每秒一兩轉(zhuǎn)，額定100mNm的電機輕松跑6k轉(zhuǎn)/min，白不轉(zhuǎn)那么快。要是嫌轉(zhuǎn)的不夠快?解決辦法就是提電壓，但這要考慮的是軸承和轉(zhuǎn)子是否撐得住。 2.重量提高到原來3倍 舉個例子，maxon EC45最厚的電機額定轉(zhuǎn)矩為83mNm，重110g；maxon EC90的額定轉(zhuǎn)矩為560mNm，重600g。從這個兩個數(shù)據(jù)出發(fā)，可以腦補一下額定5Nm的電機重量是多少倍。 3.維持相同扭矩時，發(fā)熱功率是不加減速機的1/2500 其實不是說額定100mNm的電機干不到5Nm，也是可以做到的，只要往死里提電流就好了，但這樣將會造成電機快速發(fā)燙，撐不了幾秒就得冒煙，就算上了水冷電費也會比較多。要想達到相同扭矩又不想太燙就得換扭矩/發(fā)熱效率高且熱阻小、熱容量大的電機，但這樣就又回到2所說的問題了。 此外，使用減速機的好處有： 1.以更低價格的機械實現(xiàn)更高的分辨率 一個普通5k線的光電碼盤就能實現(xiàn)1.44mdeg的角度分辨率（當然，如果資金太多上正余弦編碼器使勁細分也可以實現(xiàn)的）；或者是一個5相1000步的步進電機可以做到7.2mdeg的分辨率（此處說的就是東方電機的33步進+50:1的諧波）。分辨率高的好處是轉(zhuǎn)速控制可以更精確，由于量化造成的階躍產(chǎn)生的高頻分量變得很小，控制更加平滑。 2. 提高閉環(huán)精度，更好的控制控制環(huán)路 由于有個50:1的大減速比，減速機出軸受到擾動傳遞到電機端就比直驅(qū)縮減了37dB，使得閉環(huán)精度在減速機出軸顯得更高。同時轉(zhuǎn)子等效的轉(zhuǎn)動慣量提高到了2500倍，使得控制環(huán)路的滯后環(huán)節(jié)受轉(zhuǎn)子慣量占主導，而轉(zhuǎn)子由于直接受電磁力的驅(qū)動從而沒有由于剛度造成的扭矩滯后，比直驅(qū)要好控。 除了上面技術性方面的解答，這里還有一個案例，可來從另一個角度間接回答此問題。 某客戶一種型號為6150的車床，卡盤為10寸（直徑約250mm）液壓卡盤，為了達到單邊7mm的切削能力，利用主軸電機（交流異步電機）的低速大扭矩（轉(zhuǎn)矩）特性，擬選取一款7.5kw額定轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)的電機，同時使用1：2傳動比（減速）的齒輪。 已知傳動比和功率、轉(zhuǎn)矩成正比，即使用1：2的傳動比，7.5kw的電機達到了15kw、同時2倍轉(zhuǎn)矩（注意，此處不是指2倍額定轉(zhuǎn)矩）的特性。如果選擇的是15kw的電機，價格就要貴不少，安裝尺寸也要變大；而加工出1：2傳動比的一對齒輪不需要很多錢。 不明白的可查看下面這張異步電機功率、轉(zhuǎn)矩特性曲線圖。（注意：和直流電機不同，異步電機是可能工作在超過橫轉(zhuǎn)矩區(qū)的。） 除了獲得低速、大扭矩特性，機器人上用的直流電機可能也有這方面原因，而所用的減速機的傳動比可能更大（2級傳動或更高）。 當然，使用減速機并不是完美的，還是有一些缺點，但是，兩相比較之下，還是使用減速機更為合適。 使用減速機之缺點： 1. 如果配置了減速機而編碼器又裝在電機端的話，減速機的制造精度會影響實際精度； 2. 多級減速機里的齒隙油膜厚度變化等小誤差經(jīng)過多級放大還是會造成重復精度的下降； 3. 還有減速機畢竟有齒輪嚙合或是柔輪變形，有壽命限制； 4. 對多連桿機構齒隙的非線性耦合使得機器人的絕對精度較差，所以工業(yè)機器人只談重復定位精度不談絕對精度，從而使得機器人很難純粹地進行離線編程，提高了部署的難度和成本。 以上就是為什么不能直接控制伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來控制關節(jié)運動，而是需要使用減速器的原因。雖然現(xiàn)在有直驅(qū)電機驅(qū)動的機器人，但是由于上述問題，成熟度上還差一些。 總之，工業(yè)機器人上用減速機就是用電機容易達到的高轉(zhuǎn)速換取電機不易做到的高扭矩和低質(zhì)量。

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