如何選擇機器人電機

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，由於價格便宜，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。據不完全估計，單就國內就有上千家電機生產廠家。更不要提日本、德國等老牌電機生產強國。即使對於一個很小的直流電機，它都具有複雜的內部結構和大量的產品資料。這裡，我們僅從機器人的角度出發考慮其對電機性能的要求。

電機的選擇往往是我們對於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，從中篩選出對我們重要的參數，結合我們的需要，選擇合適的電機。

對於一個電機來說，其往往具有多條運行特性曲線，這裡我們將列出其中最重要的一些特性，然後對這些特性進行一些解釋。對於一個電機，從機器人驅動的角度，我們主要的關心的有：

a) 工作電壓——對於一個電機來說，可能會存在多個電壓參數；其中最為常用的為連續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速和轉矩的方式運行，但是運行一段時間後可能會出現局部過熱問題；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) 轉速——電機旋轉速度，一般單位為轉每分鐘，有時也使用弧度每秒或者角度每秒表示；

c) 轉矩——電機改變旋轉速度的能力；如當使用扳手擰動螺絲時，扳手的轉矩使得螺絲旋轉；在機器人領域，轉矩一般用於使得機器人移動或者使得機械臂完成各種動作；轉矩等於力與力臂的成績，其單位為Nm;

d)電流——對於一個電機，可能存在多個電流參數，如空載電流、額定電流以及堵轉電流等；

e)物理參數——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——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，但是在基本參數上一般是一致的；直流電機的旋轉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矩運行範圍內，這與機器人中電機驅動要求是矛盾的；機器人領域通常要求電機運行在低速大轉矩範圍內；因而，為了降低電機轉速同時提高電機轉速，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速與額定轉矩；目前市面上購買的直流電機很多出廠時已經帶有減速器，因而常成為直流減速電機；

減速電機的優勢在於：使用簡單、輸出轉矩高、轉速低、可供選擇範圍大。

主要缺點在於精度較低，即使是同一廠家生產的同一批次的減速電機，施加相同的電壓或者電流，那麼減速電機的輸出也有可能不同；因而，在機器人應用中，對減速電機進行控制時一般需要引入轉速閉環控制，而不能使用開環控制；

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範圍為6-24V;

c)輸出轉矩——一般小型減速電機輸出轉矩在0.1-0.5Nm之間；一般可以用於驅動在20-30kg的機器人；

d)轉速——電機轉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的，但是也有些減速電機只可以單方向旋轉。另外，雖然減速電機一般具有很多參數，但是從機器人的角度來講，許多參數如電機軸的轉動慣量等我們一般並不關注。對於機器人應用減速電機最重要的參數為電機轉速、轉矩和額定電壓。

下面是一個淘寶上某款減速電機的例子：

其參數為：

品牌：** 安裝方式：卧式 級數：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 額定轉速：131RPM

空載轉速：155RPM 額定轉矩：0.014Nm 峰值轉矩：0.075Nm

電機尺寸：

電機直徑：20mm 電機長度：45.5mm 輸出軸直徑：4mm

輸出軸台階高度：0.5mm 輸出軸長度：11mm

通過產品介紹，我們可以看到產品的型號、控制轉速、額定轉速、額定轉矩等。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的具體要求。

電機參數要求：

首先我們需要確定機器人的運行環境，如機器人主要運行於室外還是室內，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，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，如運行速度以及轉矩。

電機通過驅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於電機轉速與輪胎直徑。而電機的旋轉速度取決於輸入電壓和其負載轉矩。在相同供電電壓下，空載時電機旋轉速度要高於負載時旋轉速度。在相同供電電壓下，電機所需要出力越大，那麼電機轉速越低，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，也就是堵轉。此時，電機電流最大，電機長時間堵轉將會引起電機溫度上升，嚴重時會造成電機損壞。

機器人輪胎速度與電機旋轉速度關係為：

V=0.02*pi*w*R/60;

其中：V為機器人運行速度(m/s);

w為經過減速器後電機旋轉速度(rpm);R為電機半徑(cm);

假設我們要求機器人運行平均速度為Vavg,那麼要求減速電機轉速為：

w=60*Vavg/(0.02*pi*R) （1）

電機轉矩要求：

電機轉矩要求主要有機器人運行地面摩擦、坡度有關。

假設機器人運行地面摩擦因數為C,機器人質量為m(kg),此時機器人在地面勻速運行要求轉矩為：

T=0.01Ff*R=0.01C*mg*R;

其中Ff為摩擦力(N),R為輪胎半徑(cm);

在勻速運動之外，可能我們還會規定機器人的最大爬坡角度theta以及要求的最大加速度a等，此時，可以將兩者等效為摩擦，此時：

C=C0+sin(theta)+a/g;

其中，C0為固有的地面摩擦係數，theta為最大爬坡解讀，a為最大加速度，g為重力加速度；

T=0.01CmgR； （2）

上述1式和2式即為機器人電機轉速和轉矩選擇方法。

第二部分：電機運行條件

當直流電機開始供電時，電機軸尚未開始旋轉，此時點擊處於堵轉狀態，電機電流最大為iS，電機所產生的轉矩也最大；因而，電機開始旋轉，此時，隨著電機轉速上升，由於電機反電勢增大，電機電流下降，轉矩下降，當電機轉矩與負載轉矩相等時，電機達到平衡狀態，即為平衡狀態電機轉速。

電機平衡狀態指的是電機轉矩與負載轉矩相等，在機器人中，負載轉矩主要包括摩擦、爬坡、加速等因素。

在機器人應用領域中，我們往往比較關心電機在不同負載條件下所能達到的最高轉速。

如，空載條件下，電機所能達到的最大轉速，空載轉速為w0；在負載條件下，電機堵轉時所能產生的轉速為最大轉矩，堵轉轉矩為Ts;

其他條件下，電機運行在兩者之間的線性連線上；

即如果負載轉矩為T，那麼此時，電機最高轉速為：

w=w0*(1-T/Ts);

如果電機要求最高轉速為w,那麼此時，電機所能產生的最大轉矩為：

T=Ts*(1=w/w0);

電機空載最高轉速為w0,空載電流為i0;隨著負載轉矩增大，電機轉速線性下降，電流增大；直至負載轉矩達到最大轉矩，電機堵轉。如果電機轉矩繼續增大，那麼電機將處於發電狀態。

在電機轉矩為T時，電機電流為：

i=i0+(is-i0)*T/Ts;

其中i0為空載電流，is為堵轉電流;Ts為堵轉轉矩；

經過上述討論，我們可以得出這樣的結論，在選擇減速電機時，應該首先重點考慮如下幾個參數：

電機運行電壓、空載轉速、一定轉矩下的轉速、一定轉矩下的電流。

1. 電機運行電壓：選擇電機運行電壓時，我們需要選擇一個和機器人電池對應的電機運行電壓。大部分電機運行電壓為6V,12V,24V.對於一般尺寸在15cm-30cm的機器人，一般使用鎳氫電池，對於大型機器人，一般使用鉛酸電池；鎳氫電池一般為標準AA,C,D尺寸，電壓在3.6-48V不等。對於12V電機，一般使用7.2V或者9.6V供電；對於24V電機，一般使用3*9.6V供電。

2. 電機轉速：對於電機轉速的估計，我們一般選擇在額定電壓和額定轉矩下，所能滿足條件的電機轉速，對於一般輪胎尺寸在5-20cm之間的機器人來說，電機轉速範圍一般從40-300rpm;

3.電機轉矩：選擇電機轉矩時，我們一般在上一部分計算的基礎上留有50%的裕量；另外，如果電機數量多於一個，一般可以對電機轉矩要求除以相應的數量。

4.電機電流：電機電流將決定機器人運行時間，一般根據電機電流數據，我們能夠大概評估其應用範圍，如一個電機電流為0.01A，那麼對於絕大多數機器人場合，電機都將太小；相反，如果電機額定電流為1A，那麼電機將會太大；

另外，選擇時還需要注意根據機器人本體的尺寸確保電機能夠安裝。另外，還要根據控制精度要求，選擇合適的位置感測器-光電碼盤或者旋轉變壓器等。

第三部分：機器人電機選擇舉例

這裡以筆者正在開發的一款移動機器人平台為例，詳細說明電機的選擇過程。

機器人平台大概如上圖所示，重4kg，要求最快運行速度為1m/s，兩台電機驅動其行走，最大爬坡角度為5度，電機供電電壓為24V，輪胎輪胎直徑為65mm。

1. 轉速要求： Speed=60*Velocity/(PI*d)=290rpm;

2.轉矩要求：對於電機轉矩要求，由於整體系統重量為4kg，假設摩擦係數為0.03，此時點擊轉矩為：T=Ff*R=(0.03+sin5)*4kg*9.8kgm/s^2*32.5*10^-3m=100mNm; 將其分擔到兩個電機上，此時每個電機轉矩為50mNm.

初步減速電機參數為：轉矩：50mNm,轉速290rpm.

淘寶上選擇幾款電機如下：

然後可以根據其他的一些機械或者價格因素決定最終電機選型。

參考文獻：

Piccirillo J. The art and science of selecting robot motors[J]. Unpublished draft paper. Accessed: March, 2009, 1: 2013.

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