關節機器人—直驅電機是機器人執行器的未來

盡管機器人變得越來越多樣化和功能強大，但在過去的半個世紀中，有一個組件并沒有發生太大變化：它們的執行器。

絕大多數機器人都使用與變速箱相連的電動機來移動其每個車輪和關節。電機經過優化后快速旋轉，而變速箱降低了輸出軸的轉速，從而增加了過程中的扭矩。這種執行器為機器人提供動力，例如工業手臂，人形機器人和火星漫游者。但這遠非完美：齒輪電動機通常體積龐大且呆滯。他們無法承受沖擊，而且維護繁重。如果您需要很大的扭矩，請準備付出高昂的代價。長期以來，機器人專家一直希望找到更好的替代方案。

現在，一家加拿大初創公司表示，確實存在更好的驅動機器人的方法。卑詩省蘭里市的Genesis Robotics公司希望用一種可以更精確地控制轉矩和速度的特殊電動機、直驅電機代替常規電動機。由于此類電動機的旋轉速度可能慢得多，因此有時您可以使用它完全不帶齒輪為機器人關節提供動力，這就是為什么將這種設計稱為直接驅動的原因，即使在許多情況下，這些電動機與最低負債率。

直接驅動器代表著數十年的技術，您可以在工業設備以及消費類產品中找到它們。但是Genesis聲稱其LiveDrive設計可提供的扭矩是相同重量的傳統直接驅動器的三倍，精確度是100倍，并且成本要低得多。該公司還發明了一種緊湊，輕便的變速箱，稱為Reflex，可以用注模塑料制成，從而降低了制造成本。相比之下，大多數高性能的執行器都使用應變波齒輪，因為必須將它們加工成高公差，所以它特別昂貴。

Genesis創始人兼首席技術官JamesKlassen表示：“機器人技術在控制，傳感器和AI方面都遙遙領先。” “阻礙它前進的是驅動力。”

這家擁有60名員工的公司在過去幾年中一直在積累專利，去年4月，它獲得了位于堪薩斯州威奇托的巨型企業集團Koch Industries的一筆巨額投資。從2019年開始，Genesis將出售或許可其直接家族驅動器和變速箱給機器人制造商。

在直接驅動器的結構上，它與無刷直流電動機沒有什么不同，無刷直流電機由裝有永磁體的轉子和裝有銅繞組的定子組成。但是，盡管直流電動機通常只有不到十二個磁鐵和繞組，但直接驅動器卻是它的數倍。

直接驅動器優于齒輪電動機的一個優勢是，無需昂貴的力傳感器，即可通過調節繞組電流來更精確地控制其轉矩。直接驅動器的慣性也非常低，因此它們可以非常快速地加速，甚至幾乎可以立即停止或反向。而且沒有間隙（直齒聯軸器的松弛會導致齒輪電動機的運動損失），直接驅動也非常精確。

那么為什么它們不能在機器人技術中廣泛使用呢？

麻省理工學院仿生機器人實驗室主任Sangbae Kim說，至少從1980年代開始，機器人專家就一直在探索這種類型的驅動。它已經用于高速手臂和觸覺設備中，許多供應商 的確 為機器人應用提供直接驅動器。他解釋說，挑戰在于這些電動機相當大。他補充說，您可以將它們制成緊湊的尺寸，“但是扭矩密度會下降。”換句話說，電動機可能很好地適合您的機器人，但它們的功能不足以使其運動。另一個缺點是直接驅動器會產生大量熱量，這意味著您需要在設計中增加風扇甚至水冷系統。

Genesis表示，它通過簡化轉子和定子的幾何形狀以減少零件數量并盡可能緊密地集成在一起，從而解決了這些問題。克拉森說，他的團隊縮小了相距僅幾毫米的磁鐵的尺寸，而繞組也緊密地嵌入了電樞中。該結構能夠承受電動機內放大的磁力，同時仍允許熱量有效散發。

他說：“它具有強度，易于制造，而且非常便宜。”

磁性肌肉： Genesis Robotics設計了一種直接驅動器，可將磁體和繞組緊密集成在緊湊的包裝中。該公司表示，其LiveDrive電動機每單位重量可提供的扭矩是傳統直接驅動器的三倍。

該公司設計了兩種LiveDrive模型，一種直徑為250毫米，另一種直徑為110毫米。貿易展覽會上的公開展示 給觀眾留下了深刻的印象，Genesis現在正與研究人員合作以改善其汽車規格。

“直徑有點大，但另一方面，寬度卻非常令人印象深刻，” 比利時布魯塞爾布魯塞爾自由大學的機器人專家Bram Vanderborght說，他一直是該公司的顧問，并且一直在測試250毫米包括LiveDrive。他正在考慮的一種可能性是將兩個或更多LiveDrive單元并排放置以增加扭矩。他說：“這是一個更具模塊化的系統。”

大多數機器人需要的扭矩超過LiveDrive所能提供的扭矩。這就是Genesis創建其Reflex變速箱的原因。它基于行星齒輪的配置，較小的齒輪圍繞較大的齒輪旋轉。與多級齒輪系統中使用的致動器相比，這種設計可產生更柔順，反應靈敏的致動器。Reflex最初將由金屬制成，但目標是使用塑料制造它，從而將成本降低到現有應變波齒輪的一小部分，這是機器人硬件如此昂貴的主要原因。

克拉森說，展示他的執行器優點的最好方法是將它們用于實際的機器人中。他的團隊設計了機械臂，有腿機器人和外骨骼，現在正在構建家用機器人原型。他說：“我們喜歡制造東西，使事情變得更好。