| 我們大多數人都很了解科幻小說(shuō)里的機器人，但現實(shí)中真正大量增多的是能夠自我引導和遠程引導的機器。這些機器人操作預先規劃好的具體任務(wù)，比如組裝線(xiàn)工作，手術(shù)援助，倉庫提貨/檢索，甚至是如排除地雷等危險任務(wù)。如今的機器人不僅能夠處理高重復度的工作，還能完成在方向和動(dòng)作上需求靈活性的復雜功能。
圖1：如今機器人被大量運用在小的領(lǐng)域如貼片機、安裝機器到大的領(lǐng)域如自動(dòng)組裝線(xiàn)上，它們在組裝線(xiàn)上抬、放置、安裝甚至焊接和組裝零件。（圖片來(lái)源：IStockPhoto.com）
這些高性能機器的實(shí)現得益于以下幾個(gè)方面的提升：一是幫助它們“聽(tīng)”、“看”、“感覺(jué)”的傳感器的提升；二是實(shí)現實(shí)時(shí)決策及動(dòng)作的計算能力及算法復雜性的提升；三是用速度、準確度和機械動(dòng)力來(lái)實(shí)現這些決策的電機的提升。上述的每個(gè)方面在機器人設計中都扮演了重要的角色，因為技術(shù)進(jìn)步以及它們之間的協(xié)同作用都迅速在本身建立。
傳統意義上來(lái)看，電機控制對電子工程師來(lái)說(shuō)一直是個(gè)難題，因為此時(shí)要考慮諸多關(guān)鍵問(wèn)題和我們在常見(jiàn)電子所遇到的有很大不同。幸運的是，由于技術(shù)的提高，使得這些問(wèn)題更容易被理解和處理，同時(shí)也使高性能表現成為可能。例如，TI公司DRV8816雙半橋電機驅動(dòng)器已經(jīng)集成了包括短地保護、高溫報警、高溫斷電等內部保護功能。低功耗睡眠模式關(guān)閉內部電路，以達到非常低的靜態(tài)電流。高度集成的控制器和驅動(dòng)器反映了電子和電機在靈活性和集成性方面所達到的層次。
從電機選擇開(kāi)始
在具體選擇電機型號時(shí)，有三個(gè)首要的因素設計師要考慮：
1.電機的最小最大轉速(還有加速度)
2.電機可以提供的最大扭矩，還有扭矩和速度曲線(xiàn)的關(guān)系
3.電機操作（不用傳感器和閉環(huán)控制時(shí)）的精確性和重復性
當然，在選擇電機時(shí)還有許多其它如尺寸、重量還有成本等重要因素要考慮。幾乎對于所有小到中等大小的機器人驅動(dòng)器來(lái)說(shuō)，驅動(dòng)器電機的選擇通常有有刷直流電機，無(wú)刷直流電機(BLDC)和步進(jìn)電機。（然而，某些情形下液壓與氣壓機是最好的選擇；請看欄目“利用流體動(dòng)力？”。）
有刷電機，這個(gè)最古老的的直流電機技術(shù)，是最簡(jiǎn)單、成本也最低的選擇（圖2）。由于載流刷與轉子間的接觸，電機轉子的轉動(dòng)會(huì )切換（轉向）圍繞在轉子周?chē)@組的場(chǎng)。電機的速度是所加電壓的函數，因此驅動(dòng)要求不高，但管理扭矩和關(guān)聯(lián)位置很難。由于電機磨損、因刷和彈簧臟了需要清理、并且由于刷和轉子接觸時(shí)產(chǎn)生的火花可能會(huì )成為電子噪聲源(電磁干擾)等因素，驅動(dòng)條件也存在可靠性問(wèn)題。由于這些問(wèn)題的存在，大多數情況下，有刷電機對于機器人設計來(lái)說(shuō)是最不具有吸引力的選擇。
圖2：在有刷電機里，導電刷(用銅刷毛或更有可能是石墨塊制作而成)接觸轉子上的觸點(diǎn)。隨著(zhù)轉子變向，它會(huì )切換周?chē)�(xiàn)圈電流的極性。(圖片來(lái)源：Microchip Webinar)
無(wú)刷電機（圖3）的出現開(kāi)始于19世紀60年代，這得益于兩方面的發(fā)展：一是出現了堅固、體積小、低成本的永磁鐵；二是出現了體積小效率高的電子開(kāi)關(guān)（通常為mos管，但有時(shí)候是具有低壓降的雙極型晶體管）來(lái)切換流向繞組的電流。周?chē)潭ǖ那袚Q線(xiàn)圈與旋轉芯上的磁鐵間的相互作用取代了有刷電機的機械換向。通過(guò)精確控制mos管（通常配置在H橋結構）的通斷，線(xiàn)圈上的磁場(chǎng)因此被切換。通過(guò)改變mos管通斷的頻率，電機速度從而可以被控制。另外，通過(guò)一個(gè)傳感器，電機控制器能獲取到機器人的位置，這樣對機器人的性能上能有更好的控制。
圖3：在無(wú)刷電機里，當線(xiàn)圈磁場(chǎng)與轉子上的永久磁鐵相互作用時(shí)，定子繞組里的線(xiàn)圈電流被電切換。圖中，空缺的轉子屬于中間位置。 |
