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选对合适的电机,是做好智能机器人的第一步

时间:03-20 21:32 点击:81

智能机器人有相当发达的“大脑”。在大脑中起作用的是中央处理器,最主要的是,这样的计算机可以进行按目的安排动作。智能机器人具备形形色色的内部信息传感器和外部信息传感器,如视觉、听觉、触觉、嗅觉。除具有感受器外,它还有效应器,作为作用于周围环境的手段。这就是筋肉,或称自整步电动机,它们使手、脚、长鼻子、触角等动起来。由此也可知,智能机器人至少要具备三个要素:感觉要素,反应要素和思考要素。

 

智能机器人执行预先规划好的具体任务,比如焊接、智能物流、消防救援、智能型公共服务机器人、智能护理机器人、组装线工作、手术援助、仓库提货/检索,甚至是排除地雷等危险任务。如今的智能机器人不仅能够处理高重复性的工作,还能完成在方向和动作上需要灵活性的复杂功能。随着技术的进步、速度与灵活性的提升、成本的降低,智能机器人将被逐渐广泛采用。低于人工的成本优势也让我们看到了智能机器人产业的曙光。此外,机器视觉、计算能力以及网络的进步也将推动智能机器人应用的普及。

 

这些高性能智能机器人的实现得益于以下几个方面的提升:

1、复杂的传感器。

2、实现实时决策与动作的计算能力与算法。

3、快速、精准进步机械动力实现复杂任务的电机。

 

在选择电机具体种类和型号时,要考虑三个首要的因素:

1、电机的转速(还有加速度)。

2、电机可以提供的扭矩,以及扭矩和速度曲线的关系。

3、电机操作(不用传感器和闭环控制时)的精准性和重复性。

 

当然,在选择电机时还有许多其它如尺寸、重量还有成本等重要因素要考虑。几乎对于所有小型到中型等大小的智能机器人控制器来说,控制电机的选择通常直流有刷电机直流无刷电机伺服电机和步进电机。

 

直流有刷电机是古老的直流电机技术,简单、成本也低。由于碳刷与转子间的接触,电机转子的转动会切换(换向)绕在转子上的绕组磁场。电机的速度是施加电压的函数,因此控制要求不高,但管理扭矩却很难。由于碳刷磨损、需要定期清理维护,以及可能会成为电子噪声源(电磁干扰)等因素,工作时可靠性不足。

 

直流无刷电机出现于20世纪60年代,它得益于两方面的发展:一是出现了坚固、体积小、低成本的永磁体;二是出现了体积小、效率高的电子换相开关来切换流向绕组的电流。“电子换向”取代了直流有刷电机的机械换向来控制磁场的切换,周围固定的切换线圈与旋转芯上的磁铁间的相互作用取代了直流有刷电机的机械换向,即利用了磁场与电场之间的相互作用。通过改变电子换相开关的开关频率,电机速度从而被控制。另外,相对于直流有刷电机,其无刷电机控制器能更好地控制电机性能。

 

更妙的是,高级算法如PID(比例-积分-微分)校正算法或者FOC(磁场定向控制,有时也称之为矢量控制)控制算法能被固化到无刷电机控制器中。这使理想的直流无刷电机操作与实际的负载及负载变化相匹配,从而使电机性能更加强大与精确。例如,电机控制算法/程序可以考虑到转子惯性等相关因素,并且使无刷电机控制器适应并逐渐减少由于机械因素导致的错误。这样的算法使精确控制加速度和转矩成为可能。

 

与直流有刷电机相比,直流无刷电机虽需更复杂的控制电路但却可以表现出更优的性能。通常直流无刷电机需要配备一个位置反馈传感器,比如霍尔效应传感器、光学编码器,或者反电动势检测器件。

 

智能机器人中常用的另一种电机是步进电机,此时用到开关式电磁铁,位于永磁环中央磁芯旁。步进电机不以常规方式“旋转”;而是借助于不断转动的轴,逐步提升转速,因此可以实现某一个角度的旋转或持续旋转。步进电机具有可重复的运动控制;在需要时可以返回之前的位置。属于定位电机。

 

对于步进电机,如果通电却没有步进指向,它们会维持在原位置;步进电机能以低转速提供高扭矩。让步进电机转动直接的方法是有序通断电磁铁,但这可能会带来抖动或振动。无刷电机步进电机的应用领域有部分重叠。步进电机更适合需要精确的进退动作(如捡拾和安置)的应用领域,而不是需要长时间持续转动的领域,也适合于不需要电机提供高转矩或速度小的应用领域。此外,步进电机对于能源效率的要求也低于直流无刷电机。

 

除了这里列出的电机以外,还有许多其它类型可供选择。电机系列很多而且也很复杂,有很多的分支。例如,永磁同步电机是直流无刷电机(相对于转子)和交流感应电机(相对于定子结构)的结合体。它具有高能效、单位小体积相对密度高、扭矩重量比、快速响应时间,以及相对容易控制等特点,但价格相对也高。

 

智能机器人作为一种包含相当多学科知识的技术,几乎是伴随着人工智能所产生的。至于选择什么样的电机,必须要根据设计师的精确计算以后,确定各个参数、用途、成本、环境等具体使用情况,才能做出判断。


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