在機器人系統中，有什麼方式可以減低電機的轉速而不提升力矩？

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通常伺服電機通過齒輪去減速並提升力矩。但有時候機器人需要與人或其他東西接觸，需要同時設置速度及最大力矩（例如與人握手）。另一方面，一般的舵機或步進電機在不通電的時候，也很難以外力轉動輸出軸，向舵機施力的話還可能弄壞齒輪。這兩種情況是否有解決辦法？（例如無刷電機、fluid coupling?）

第一個問題，與人或者物體接觸時，如何調整電機的轉速和扭矩？

1. 首先要判斷是否有人或者物體在附近，獲取的方式有兩種：一種是主動的通過攝像頭、紅外、超聲波或者激光燈感測器判斷附近是否有障礙物或者人。另一種則是被動的，當人或者物體接觸到機器人後，通過感知接觸的力來判斷。

第一種通過攝像頭：比如Baxter頭頂的攝像頭檢測是否有人靠近，ABB也在N年前就推出了safemove的option，當然目的不是為了人機協作，而是為了在去掉圍欄的情況下還能保證安全，機器人與人能在一個房間里工作。

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ABB機器人SafeMove功能重新樹立安全高標準 RobotPartner.cn

紅外和超身波屬於比較便宜的感測器，移動平台比如AGV，掃地機器人用的比較多。一方面可以用來檢測前方障礙物,另一方面布置在機器人底端還能判斷是否會從高台跌落。激光是一種比較靠譜的測障礙工具了，像Neato用的旋轉式的激光頭，不僅能發現障礙物，還能實時的根據所測距離構建室內的地圖。

圖1 自左向右分別為Baxter robot；Neato掃地機器人，激光感測器在頂部；DLR LWR內部結構，包括齒輪箱，力矩感測器，驅動等。

而被動的判斷人也有不止一種方式。對於KUKA的LWR系列，以及SCHUNK(雄客)的關節球，他們的做法則是在關節的內部加上力感測器，通過檢測力矩來判斷是否有接觸。Baxter手臂內也有檢測力的功能，方法和精度則不如上面這種。另一種被動的方式則是通過電機電流的變化來判斷是否遇到了阻礙，典型的代表有ABB今年推出的YuMi，以及Universal的UR系列。

這兩種方式各有優劣，採用內置多自由度力感測器的形式能掌握每一個關節的手裡的方向和角度，對於某些應用會有幫助，但是成本會比較高，KUKA的一台IIWA從我了解的價格來看還是比較昂貴的。而對於第二種方式而言，價格則親民多了，UR系列和YuMi的價格從我了解來看並沒有比普通的工業機器人要高（YuMi得算兩條臂），而且尺寸上更加緊湊。

對於人機協作的安全性方面，採用何種方式最為穩妥，目前並沒有一個明確的規定，還處於探索的階段。像ABB這樣的公司則會採取最穩妥最安全的方式，除了電流檢測意外，輕量化的設計，軟性材料包裹機械臂，輕負載設計，最高運動速度限制，以及還有很多軟體，電機，控制等方面的設計和想法，保證了出錯誤判以及安全故障的概率非常低，甚至及時出了故障機械臂砸到人也不會產生較大的傷害。

圖2 ABB YuMi機器人，雙臂14自由度，表面包裹軟性塑料，內置控制櫃，總重38kg。

另一方面，能夠對外界的力矩進行感知也是leadthrough編程的基礎，雖然ABB很早很早以前就做過Leadthrough方式的編程：在機器人的末端裝個工具，然後用手拽著工具進行示教編程，但是當時一方面都是大機器人，要考控制櫃去主動適合人太難了，另一面當時的技術也不夠好，因此沒有推廣開來。這麼多年過去了，對於桌面級別的小機器人，人工示教的方式又開始熱炒起來。

2.在獲取機器人外界的信息後，機器人則需要根據不同情況作出動作。 如題主所說機器人關節末端的減速器是用來減速增距，機器人的關節不可能像汽車一樣裝個變速箱來適應不同的速度和應用場景，通常減速器的減速比從一開始就是固定的。

與人握手這種應用，應該是低轉速低扭矩。轉速的控制是由控制櫃的開關頻率所來控制，牆上來的交流電先通過整流橋編程直流，然後再通過開關管再變成交流，而這個交流的頻率則控制了機器人關節的轉速。

而對於機器人力矩的控制，上一張電機轉速與扭矩之間關係的示意圖

圖3，電機轉速與扭矩關係圖，下面平的線為電機可提供的連續轉矩，上面的曲線為短時間可提供的轉矩。

可以看出當電機處於連續轉矩和最大轉速所覆蓋的範圍內時，電機可以提供任何一種扭矩和轉速，這個區域的大小主要受限於電機的最大額定溫度以及驅動器能夠持續提供的電流大小，當然環境溫度也重要，電機的能力取決於工作時的溫升，出色的冷卻系統能提高電機的能力。

對於短時間大扭矩的狀況，則主要受限於系統的峰值扭矩和電壓，峰值扭矩與驅動和電機的耐操程度相關。

因此第一個問題可以回答為，先通過主動或被動的方式監測到附件是否有人或物體，然後通過控制電流值和頻率來改變力矩的大小和運動的速度。

第二個問題，外界對機器人施加力的時候是否會毀壞機器人的傳動鏈？

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題主需要查閱有關Backdrivability特性的軟硬體設計。這個在與人協作的機器人上是必備特性。其中非常重視反向驅動能力（也就是能夠手工扭動機器人關節而且不傷害硬體）和力控制。這在不少工業機器人產品上已經有所應用。

降低轉速不增力矩可以簡單通過降低電機輸入電壓（線性驅動時）或占空比（PWM驅動時）來實現。這是基本的電機控制問題。

可以通過在控制系統內引入反饋的辦法解決問題。

例如可以將感測器布置在機械手上，與人握手時，壓力達到設定值時就不繼續動作。

這要求更高的成本，增加系統的複雜程度，好處是靈活性。

控制電流來控制力矩，控制電壓來控制轉速

用編碼器測到的角加速度，電流環測到的電流做個干擾力矩觀測器來觀測外界干擾力矩是多少，然後把力矩輸出控制到允許的干擾力矩大小就行了。不過這要求編碼器的解析度足夠高才能測出角加速度，在電機屁股加個超高量程的陀螺儀做微分出角加速度會更靠譜點。而且由於剛度的原因扭矩滯後可能會導致觀測值滯後。

最靠譜的還是接觸端加壓力或扭矩感測器。

Series Elastic Actuator (SEA)

優點：任意減速比，穩定力矩控制，只用2個encoder

缺點：控制帶寬低

很多新的robot設計都用到這個

控制電流即可。

伺服電機有力矩模式

在直流控制里變負載情況下保持速度不變用的是雙閉環控制，所以我認為變速度情況下保持負載不變也可以用雙閉環控制做到。

然後直流電機有一個電壓平衡方程式，一個轉矩平衡方程式，做拉普拉斯變換，根據你的需求做一個雙閉環控制就行

Dynamic Model of a Permanent Magnet DC Motor Prof. Dr. ?smail H. ALTA?

可以參考上面的論文

我不是專業人士，有什麼問題儘管提。

第一個問題很好解決就是控制電壓電流

第二個問題需要降低齒輪減速比，減速比越高扭力越大。力是相對的外面扭動舵機當然吃力了。

降低功率，可以有各種各樣的方式控制各種各樣的變數達到低轉速低扭矩輸出，但是最後都是歸結到降低輸出功率上

1，伺服電機，選擇恆力矩模式即可；

2，電機不帶自鎖

帶阻尼的軸承估計可以，最後輸出的力矩和阻尼相關。

伺服電機原生支持，難道還有人用步進電機做六軸機械手嗎？我說的是工業級別，玩具不懂

皮帶輪可能嗎？