每个机器人心脏的电机
每个机器人，无论其复杂性或用途如何，最终都由其电机定义。这些组件决定了机器人的运动速度、定位精度、可施加的力量以及能源利用效率。在过去十年中，电机设计的进步从根本上改变了机器人的能力，既实现了工业功能的深度专业化，又实现了曾经被认为完全不同的机器人类型之间的惊人融合。
现代机器人电机的故事很大程度上是永磁无刷伺服电机的故事。这些装置已成为当今市场的主导者，特别是在工业六轴机器人中，因为它们具有出色的扭矩密度、可靠性，以及无需处理有刷电机设计相关维护困扰的优点。但在这一大类中，出现了一个丰富的专业化配置生态系统，以服务于非常不同的机器人应用。
六轴工业机械臂：动力与精度的结合
现代制造的主力——六轴铰接机械臂——在很大程度上依赖于高极数无框电机与谐波齿轮和绝对编码器的配合。这种组合既能提供操纵重载荷所需的扭矩，又能保持焊接、喷涂和装配等任务所需的位置精度。
无框电机在这些应用中特别受重视，因为它们直接集成到机器人臂的关节结构中，无需单独的电机外壳，从而减少了整体重量和体积。这种紧密的集成降低了臂的总体惯性，允许更快的加速和更灵敏的运动控制。安全保持制动器通常被集成以在断电时保持载荷位置，这是工业环境中的关键安全功能，因为掉落的载荷可能造成严重的人身伤害或财产损失。
六轴机械臂中直驱配置的趋势也在获得动力。通过完全消除齿轮箱，直驱扭矩电机实现了零背隙操作，这对于检查机器人和手术臂至关重要，因为即使是微米级的位置误差也是不可接受的。
SCARA系统：速度第一
选择性顺应关节机械臂（SCARA系统）面临着一套从根本上不同的电机要求。这些机器人针对速度进行了优化，特别是在循环时间是主要竞争指标的拾放作业中。它们的平面旋转轴使用高扭矩交流伺服电机，能够进行极其快速的加速，使机械臂能够以最小的过渡时间在不同位置之间迅速移动。
SCARA机器人的垂直Z轴呈现了自己的电机挑战。一些设计为此轴使用伺服电机驱动的螺杆，提供高力量和位置精度。其他设计已采用直线电机，完全消除了螺杆的机械复杂性，以换取更高的速度和降低的维护要求。
笛卡尔机器人和门式机器人：成本效益的简单性
在复杂性的另一端，笛卡尔机器人和门式系统优先考虑成本效益和可扩展性。这些平台通常采用步进电机或伺服电机驱动沿其直线轴的皮带或螺杆机制。虽然它们缺乏铰接臂的灵巧性，但其直接的电机要求转化为较低的购买和维护成本，使它们对运动轮廓相对简单的大规模生产环境具有吸引力。
步进电机在笛卡尔系统中仍然很受欢迎，特别是在不需要绝对定位的应用中，因为它们提供了扭矩、简单性和价格的引人注目组合。当需要更高性能时，带编码器反馈的伺服电机提供了闭环控制，可以匹配或超过更复杂机器人类型的定位精度。
协作机器人：融合发生的地方
也许最有趣的电机设计趋势是工业机器人和协作机器人架构之间的融合。协作机器人（协作机械臂）最初被认为是从根本上不同的机器——比其工业同类机器更轻、更慢且本质上更安全。但随着无框电机技术的成熟，协作机械臂的机械架构越来越多地开始类似于工业六轴臂。
现代协作机械臂使用与工业机器人相同的无框无刷电机和谐波齿轮，但配备了额外的传感器和顺应功能，使它们能够检测和响应人类接触。这种融合意味着协作机械臂电机本质上是具有增强传感功能的工业电机，而不是从根本上不同的执行器。
新兴电机技术
展望未来，轴向通量和煎饼型电机结构在轻量级应用中获得关注。这些设计提供了异常低的轮廓和降低的惯性，非常适合于机器人腕关节和末端执行器，在这些应用中每克都很重要。手术机器人和检查系统是这些电机配置的早期采用者。
机器学习与电机控制系统的整合代表了另一个前沿领域。通过将自适应算法应用于电机性能数据，机器人可以学会实时补偿磨损、温度变化和载荷变化，延长电机寿命并在数千小时的操作过程中保持性能。这种软件-硬件整合正在模糊电机本身和控制它的智能之间的界线，指向一个未来，其中机器人执行器与其他电机一样多的是计算设备。
本文基于机器人报告的报道。阅读原文。
