在機器人中，執(zhí)行機構(gòu)一般分為液壓驅(qū)動和電機驅(qū)動兩種類型，其中又以電機驅(qū)動最為常見。本文主要討論一般機器人驅(qū)動機構(gòu)中電機的選擇問題。

　　機器人中常用的電機分為有刷直流電機、無刷直流電機、永磁同步電機、步進電機等。其中在中小型機器人（尺寸在15cm-30cm）中，由于價格便宜，定位精度高，直流電機以及無刷直流電機最為常見。本文主要討論直流電機的選擇方法。

　　第一部分：電機要求

　　直流電機簡介：

　　在市場上，存在著多種多樣的直流電機。據(jù)不完全估計，單就國內(nèi)就有上千家電機生產(chǎn)廠家。更不要提日本、德國等老牌電機生產(chǎn)強國。即使對于一個很小的直流電機，它都具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和大量的產(chǎn)品資料。這里，我們僅從機器人的角度出發(fā)考慮其對電機性能的要求。

　　電機的選擇往往是我們對于電機性能的要求與我們可以接受價格的折衷。因而，在電機選擇過程中，我們需要整體考慮電機的各個參數(shù)，從中篩選出對我們重要的參數(shù)，結(jié)合我們的需要，選擇合適的電機。

　　對于一個電機來說，其往往具有多條運行特性曲線，這里我們將列出其中最重要的一些特性，然后對這些特性進行一些解釋。對于一個電機，從機器人驅(qū)動的角度，我們主要的關(guān)心的有：

　　a） 工作電壓——對于一個電機來說，可能會存在多個電壓參數(shù)；其中最為常用的為連續(xù)運行條件下的額定電壓；一些電機可以在額定電壓之上以超過額定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的方式運行，但是運行一段時間后可能會出現(xiàn)局部過熱問題；也就是說部分過電壓僅可以短時運行，而不可以長期運行；

　　b） 轉(zhuǎn)速——電機旋轉(zhuǎn)速度，一般單位為轉(zhuǎn)每分鐘，有時也使用弧度每秒或者角度每秒表示；

　　c） 轉(zhuǎn)矩——電機改變旋轉(zhuǎn)速度的能力；如當使用扳手擰動螺絲時，扳手的轉(zhuǎn)矩使得螺絲旋轉(zhuǎn)；在機器人領(lǐng)域，轉(zhuǎn)矩一般用于使得機器人移動或者使得機械臂完成各種動作；轉(zhuǎn)矩等于力與力臂的成績，其單位為Nm;

　　d）電流——對于一個電機，可能存在多個電流參數(shù)，如空載電流、額定電流以及堵轉(zhuǎn)電流等；

　　e）物理參數(shù)——如電機尺寸、電機軸尺寸、截面尺寸以及固定孔的位置等；

　　f）其他參數(shù)——一些電機還會提供一些其他的部件，如編碼器、制動器、齒輪箱、基座等等；

　　直流減速電機：

　　顯而易見的，直流電機供電電流為直流，因而，其可以使用電池進行供電；這也是直流電機在機器人中廣泛應(yīng)用的一個原因；小型直流電機可能在尺寸上不同，但是在基本參數(shù)上一般是一致的；直流電機的旋轉(zhuǎn)方向可以通過改變供電電壓的符號來改變；

　　小型直流電機一般運行在高速低轉(zhuǎn)矩運行范圍內(nèi)，這與機器人中電機驅(qū)動要求是矛盾的；機器人領(lǐng)域通常要求電機運行在低速大轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)；因而，為了降低電機轉(zhuǎn)速同時提高電機轉(zhuǎn)速，一般在電機與輸出軸之間增加軸系，即減速器；通過組合不同的減速器，電機可以獲得不同的額定轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)矩；目前市面上購買的直流電機很多出廠時已經(jīng)帶有減速器，因而常成為直流減速電機；

　　減速電機的優(yōu)勢在于：使用簡單、輸出轉(zhuǎn)矩高、轉(zhuǎn)速低、可供選擇范圍大。

　　主要缺點在于精度較低，即使是同一廠家生產(chǎn)的同一批次的減速電機，施加相同的電壓或者電流，那么減速電機的輸出也有可能不同；因而，在機器人應(yīng)用中，對減速電機進行控制時一般需要引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，而不能使用開環(huán)控制；

　　下面是選擇減速電機時需要考慮的一些常見的因素：

　　a）通用性——一般而言，電機通用性越強，價格約便宜；

　　b）工作電壓——一般小型減速電機工作范圍為6-24V;

　　c）輸出轉(zhuǎn)矩——一般小型減速電機輸出轉(zhuǎn)矩在0.1-0.5Nm之間；一般可以用于驅(qū)動在20-30kg的機器人；

　　d）轉(zhuǎn)速——電機轉(zhuǎn)速將與輪胎尺寸決定機器人最大運行速度；一般輪式機器人中，輪胎尺寸在5-20cm之間，其中以6-10cm最為常見；

　　雖然大部分減速電機都是可以正反轉(zhuǎn)的，但是也有些減速電機只可以單方向旋轉(zhuǎn)。另外，雖然減速電機一般具有很多參數(shù)，但是從機器人的角度來講，許多參數(shù)如電機軸的轉(zhuǎn)動慣量等我們一般并不關(guān)注。對于機器人應(yīng)用減速電機最重要的參數(shù)為電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和額定電壓。

　　下面是一個淘寶上某款減速電機的例子：

　　其參數(shù)為：

　　品牌：** 安裝方式：臥式 級數(shù)：3級 齒面硬度：硬齒面 布局形式：同軸式

　　減速比：103 額定電壓：24V 額定轉(zhuǎn)速：131RPM

　　空載轉(zhuǎn)速：155RPM 額定轉(zhuǎn)矩：0.014Nm 峰值轉(zhuǎn)矩：0.075Nm

　　電機尺寸：

　　電機直徑：20mm 電機長度：45.5mm 輸出軸直徑：4mm

　　輸出軸臺階高度：0.5mm 輸出軸長度：11mm

　　通過產(chǎn)品介紹，我們可以看到產(chǎn)品的型號、控制轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩等。在進一步的討論減速電機之前，我們首先確定一下機器人中對電機參數(shù)的具體要求。

　　電機參數(shù)要求：

　　首先我們需要確定機器人的運行環(huán)境，如機器人主要運行于室外還是室內(nèi)，光滑地面還是粗糙地面，需不需要爬坡等等。其次，我們需要確定機器人的具體機械參數(shù)，如大小、重量等等。接下來就需要確定機器人運行的一些參數(shù)，如運行速度以及轉(zhuǎn)矩。

　　電機通過驅(qū)動機器人輪胎從而使得機器人運動。機器人的運動速度主要取決于電機轉(zhuǎn)速與輪胎直徑。而電機的旋轉(zhuǎn)速度取決于輸入電壓和其負載轉(zhuǎn)矩。在相同供電電壓下，空載時電機旋轉(zhuǎn)速度要高于負載時旋轉(zhuǎn)速度。在相同供電電壓下，電機所需要出力越大，那么電機轉(zhuǎn)速越低，電機電流越大，當出力增大到一定程度時，電機將會停止旋轉(zhuǎn)，也就是堵轉(zhuǎn)。此時，電機電流最大，電機長時間堵轉(zhuǎn)將會引起電機溫度上升，嚴重時會造成電機損壞。