本文來自電子發(fā)燒友網(wǎng)，作者/吳子鵬。
今年的政府工作報告提出，大力推進現(xiàn)代化產業(yè)體系建設，加快發(fā)展新質生產力。近一段時間以來，“新質生產力”一詞廣受關注。在新質生產力理念的帶動下，制造業(yè)在積極進行升級，人形機器人得到了飛速的發(fā)展。不過，目前人形機器人距離規(guī)模性商業(yè)落地還很遠，加大機械臂使用率、滲透率和覆蓋率成為當前的重點。
新質生產力要求機械臂進化成為智能機械臂，將會更加靈活，能夠勝任更加復雜的生產任務。這給機械臂里面的核心元件——電機，提出了更高的要求。
機械臂里面應用到的電機
機械臂作為現(xiàn)代工業(yè)和服務領域中的重要工具，其運動系統(tǒng)中所使用的電機類型豐富多樣，常見的有直流電機、步進電機和伺服電機等。
機械臂是一個復雜的系統(tǒng)，大部分機械臂的連桿以串聯(lián)形式連接，且每個關節(jié)位置由一個變量定義，因此關節(jié)數(shù)量和關節(jié)靈活度決定了機械臂的性能。作為核心部位，機械臂的關節(jié)主要由傳動裝置、運動軸系、驅動器、傳感器組成。目前，機械臂的驅動方式主要包括液壓驅動、氣壓驅動和電氣驅動。其中，電氣驅動具有控制性能好、控制精度高、使用可靠、維護簡單等優(yōu)點，且適用于所有尺寸的機械臂，因而電氣驅動式機械臂是目前使用得最多的一種機械臂。
在電氣驅動的機械臂中，伺服電機是一種通過反饋系統(tǒng)進行閉環(huán)控制的電機，能夠提供高性能的運動控制。這種電機類型在機械臂中常用于需要高精度、高速度和高扭矩的應用。在精密加工、醫(yī)療手術輔助等應用的機械臂中，伺服電機有著很高的市占率。
步進電機是一種通過一步一步地移動來實現(xiàn)精確位置控制的電機。機械臂中常常需要高精度的定位和控制，這時步進電機就發(fā)揮了重要作用。步進伺服電機具有精度高、轉矩大、控制簡單等特點，適用于組裝線精密控制等機械臂。
在電氣驅動式機械臂中，直流伺服電機具有可靠性好、反應迅速、可以得到精確的旋轉角度等優(yōu)點，是目前主要的驅動電機。直流伺服電機由減速器、編碼器、直流電機構成。在具體工作的過程中，減速器用來改變電機方向傳來的轉速，以達到適合機械臂所需的轉速;編碼器記錄電機旋轉的角度速度等信息;通過對直流電機進行控制，可以使直流伺服電機按期望的轉速和力矩運動到期望的轉角。
當機械臂進化到人形機器人之后，力矩電機的應用就會非常廣泛。力矩電機是一種特殊類型的電機，它以扭矩為控制方向，能夠在電機低速甚至堵轉時仍能提供穩(wěn)定的力矩給負載。力矩電機通常用于對扭矩有特定要求的應用，如機器人關節(jié)驅動。
智能機械臂需要的電機
在新質生產力的要求下，機械臂下一步發(fā)展的明顯趨勢是智能化升級。當前，越來越多協(xié)作機器人企業(yè)開始積極投身于新形態(tài)工業(yè)機器人的探索與開發(fā)之中，除了人形機器人的研發(fā)，也將更多的功能加入機械臂中，打造更高性能的機械臂。比如，在今年的工博會上，F(xiàn)ranka Research 3就是一款升級產品，得益于Franka AI Companion的助力，這款機械臂可以快速實現(xiàn)FCI、ROS、相機驅動等環(huán)境觸發(fā)模型的開發(fā)，同時1kHz頻率的運行控制算法使機器人即刻接收到力反饋，幾乎沒有延時，實現(xiàn)了高精度、高靈敏度的力控反饋和高效、安全的人機協(xié)作功能。
再比如基恩士三維機械手視覺系統(tǒng)CV-X480D，由于4臺相機可生成無死角的圖像，新開發(fā)的三維檢測能在超快速度內提供更佳的檢測結果。不受工件位置或朝向的影響，能實現(xiàn)穩(wěn)定檢測。
而要實現(xiàn)這些智能化功能，機械臂里面的電機也要有更好的性能支持。比如，在關節(jié)控制和視覺控制方面，步進電機是這些精準控制系統(tǒng)主要采用的電機。在機械臂智能化升級之后，步進電機需要能夠快速響應指令，使機器人能夠準確地完成各種動作。同時，步進電機還需要優(yōu)化效率和穩(wěn)定性，以保證復雜任務執(zhí)行的可靠性。
另外，現(xiàn)在很多機械臂延伸出了機械手，機械手的關節(jié)眾多且部署空間更小，對電機微型化有著更高的要求。為了實現(xiàn)電機的微型化，研發(fā)人員需要不斷優(yōu)化電機的結構設計，采用新型的材料和制造工藝，如微機電系統(tǒng)(MEMS)技術等，在減小電機體積的同時，確保其性能不受影響。
結語
數(shù)據(jù)顯示，全球機械臂市場規(guī)模已突破數(shù)百億美元大關，預計在未來幾年內將以約12%的年均增長率持續(xù)擴張。目前，機械臂的智能化升級趨勢明顯，電機作為機械臂里面的核心元件，也需要迎合這種趨勢，無論是電機本體、控制系統(tǒng)，還是驅動系統(tǒng)，都需要做相應的升級。
