如何改良直線電機,可以使其作為人形機器人的驅動器?

現今的電磁驅動機器人使用的都是旋轉電機加減速器。

直線電機的優點是可以直接驅動,不需要將圓周運動轉換為直線運動。可以有效利用極度寶貴的空間。

直線電機的缺點是發熱大,推力重量比小。


謝謝邀請!收到邀請之後拖了很久,始終不知道該怎麼回答。說實話,我到現在還沒有被convince 用直線電機驅動機器人是個好主意。眾所周知,旋轉電機+絲杠螺母的方式相比直線電機,成本低了不止十倍,效率高得多,力矩大得多,佔地方要更小(請注意直線電機真的不省地方,那巨大的定子啊)

而直線電機最重要的優點,是其優越的動力學特性。直線電機沒有傳動,沒有因此而帶來的非線性,加之軸承特殊設計,可以達到非常高的帶寬和準確性。比如製造晶元用的光刻機,就全部都用直線(或者平板,相當於二維直線電機)電機,每一個自由度多級控制,並且所有的自由度都用磁懸浮軸承,在真空中運行,只有這樣才能達到納米級的精度和高through put.

對於機器人來說,最重要的還是高力矩。驅動器本身力矩大的話,就不需要大齒輪比傳動,非線性和inertia能大幅度減小。而這卻恰恰是直線電機不擅長的。。。

如果說非要改進直線電機讓它適用於機器人,或許也可以從大推進力方向著手,增大在moving part上能產生推力的面積,比如說在其周圍全都布置上定子(可是這樣好佔地方成本又高=。=)

總的來說,我覺得這兩種驅動器應該是各有所長,而機器人驅動器的需求恰恰是最不符合直線電機特點的。。。

知識有限,只好根據問題說一下自己的觀點。然而看自己的答案實在是對問題沒有什麼建設性。。。眾位大神們快來提靠譜的改進方案!


這個問題是我提的。想了好久。現在分享一下思路,順便填坑。

這個問題也是如何設計驅動部件,可以增強機器人的運動能力? 和 為什麼不能直接控制伺服電機轉子轉速控制關節運動,為何還需要減速器?問題的答案。

  • 直線電機的優點很多,缺點主要是推重比太低。
    • 電機有許多零件,有些零件是不能產生力的,為了提高推重比,所以要將無效物質盡量去掉。舉例來說,就像一個蘋果,只果皮是有效物質,就將蘋果皮削成一條條的,然後整齊的重疊排列起來就好,蘋果肉可以不要。
    • 在電機中有效物質是磁體和線圈,為了減重還要繼續分解,繼續去掉無效重量,或儘力利用有效重量,榨乾最後一滴性能。
      • 對於磁體來說,磁場的利用要充分,盡量不要有漏磁,氣隙要小,要將全尺寸空間的磁場要盡量同時利用起來(對應的磁場空間里要有電流)。
      • 對於線圈來說要盡量縮小無效邊。另外,線圈盡量全時通電。還有,能使用方波就不要使用正弦波。
    • 磁體和線圈本身有一定強度,還可以作為支撐結構,進一步減輕重量。

放圖,順便分享一下思路

下圖是左手定律,紅色箭頭是電流,藍色是磁場,黃色是運動方向。

為了更好的利用空間,要利用回程的電流,並壓縮無效邊,將線圈做成扁矩形

下圖是1個線圈

為了更有力度,將許多線圈串聯起來

下圖 S形線圈只是單相線圈,通上交流電只能來回振動,線圈跨越磁場邊界時會卡住。

為了線圈可以順利跨越磁場邊界,直線電機可以大幅運動,可以設置2個或多個線圈

下圖是2相線圈,(展示了線圈的正反面)。為了壓縮高度,線圈製作成扁平的形狀。可以多個線圈重疊得到更大的推力。

下圖是 柔性釹鐵硼磁體,(左側展示了柔性磁體,右側是柔性磁體充磁的邊界,每一個黑色方塊是一個磁極,亮條是邊界),如果使用柔性磁體甚至可能製作出可以彎曲的柔性電機。

  • 即使是這樣改良設計,也不會有太高的推重比,因為相對於生物肌肉,電磁電機密度還是太重,同樣的輸出功率因為重量而敗下來。不過如果用來安裝在2足機器人上,因為機器人主要的重量是落在骨骼上,所以也不會有太大問題。

  • 至於這種設計是不是最優解,尚不能確定,就當拋磚引玉,歡迎討論。

  • 另外提2個問題
    • 有誰會用模擬軟體(例如ansoft),優化電機磁體、線圈尺寸,並減小輸出力矩波動。我只想把直線電機製造出來,不想發paper。不過這確實是個做研究的好題目,如果有心發文不要錯過哦。
    • 哪家廠商能夠設計、製造類似電機,誰能推薦一下?


談不上改進直線電機。直線電機種類繁多,個人認為需要的是選擇一種適合人形機器人的直線電機結構。比如,採用圓筒型直線電機模擬實現人體結構緩衝功能,是不錯的選擇。

另外,直線電機一定發熱大??還是要看直線電機結構。


謝邀~我@了做直線電機的朋友來回答啦~


為了能應用於機器人和外骨骼系統,我們開發了高響應速度和功率密度的直線驅動器,目前已有可供測試的第一代模型,歡迎相關行業人士前來觀摩,


當能製造的永久磁鐵足夠強的時候就能省去減速裝置

直線電機最近的普及,也和磁鐵製造技術的進步有關

至於減速器的自鎖特性,倒不是什麼大事,可以輕易為直線電機加摩擦離合器


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