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集萃智造分享 | 服务机器人电机设计需要注意什么?

2020-10-23 点击次数:

受2020年疫情“无接触”需求对数字化经济的刺激,服务机器人的应用得到有力推动,尤其是医疗、物流、商业服务等细分领域,出现了爆发式增长。IFR曾给过预测,称随着服务机器人的不断渗透,预计未来行业将持续增长,至2023年销量将超过50万台,销售额预计达到277亿美元。BuyShares的预测则更为乐观,称两年内市场将增长30%,销售额超过300亿美元。

与应用局限于工厂等指定场所的工业用机器人相比,服务机器人因着眼于感知、决策与执行高技术,完成有益于人类的服务工作,所覆盖的场景和可实现的功能将十分广泛,拥有更多想象空间。作为机器人的动力来源,电机直接影响其有效负载、工作半径等关键参数,其设计上的技术选择和性能取舍将直接关系机器人的性能和应用范围,服务机器人市场的潜在应用也将对电机设计提出更多要求。基于集萃智造多年的电机研究和产品设计经验,我们发现目前无刷电机因体积小、重量轻、出力大、响应快、速度高、惯量小、转动平滑、力矩稳定、实现智能化、换相方式灵活、免维护,效率很高,运行温度低,电磁辐射很小,长寿命,可用于各种环境等一系列优点而广泛应用于机器人领域,在服务机器人的应用中前景可观。一般意义上,在面向服务机器人领域进行电机设计时,以下三点需要特别注意。

图 | 集萃智造自研永磁无刷力矩电机

01颜值和性能都要——中空设计大输出

功率密度是电机单位体积产生的功率数量(能量传输时间速率),功率越大并且(或者) 电机外形尺寸越小,功率密度就越高。目前,受产品小型化、轻量化等要求影响,机器人产品电机空间一般比较受限。此时在进行机器人电机设计时,使用尽可能小的空间提供尽可能高的功率输出就是我们的目标,因此功率密度是我们在设计电机的重要考虑因素之一。

图 | 电机的传动系统一般在进行服务机器人的设计时,为减小体积、重量,节约布局空间, 无框电机方案是进行电机设计的主流选择。这里根据计算公式,气隙半径与扭矩成正相关,气隙半径越大,扭矩值越大。扭矩的平方值与气隙半径的三次方值成正相关关系,所以为提高功率扭矩密度,气隙半径的选择很关键。

图 | 气隙半径计算方法

02两大法宝——低速平稳、爆发力强

考虑到服务机器人的应用场景需求,电机的低速平稳性和短时过载能力一般需要多做考虑。在低速平稳性这项重要考量指标上,对其造成影响的主要原因是电机低速运行时的脉动转矩,包括电动势或电流非正弦引起的纹波转矩和齿槽转矩。其中,非正弦引起的纹波转矩主要由电流换向、电磁因素、电枢反应等原因造成。永磁电机齿槽转矩影响可以通过电机设计进行改善,目前在设计电机时,主要改善的方法有:(1)优化极槽数组合;(2)采用斜极和斜槽;(3)优化极弧系数;(4)采用不等厚磁极;(5)磁极分段布置。其他方法基于成本等因素考虑使用较少。目前的服务机器人领域,特别是足式机器人等应用场景,对电机的短时过载能力和峰值扭矩密度要求更高。言下之意,在做此类电机的挑选时,关键需要考虑的是,电机设计者如何处理温度这一变量。在冷却方案的选择上,服务机器人的电机追求扭矩输出密度,即单位体积或质量下的输出功率,这意味着油冷水冷等增加整机质量的冷却方式不太可能作为优选。在足式机器人场景中,相比于液压、气动等传动方式,电驱动在密度输出上仍然具有天然的弱势。目前,市面一般通过提高磁密、降低电流负荷、轻量化设计、提高材料性能等思路来提高输出密度。在电驱动扭矩输出密度提升上,市场上也已经出现很多折中方案,并取得了不错的效果,不过如何提高电机的扭矩密度将一直是行业研究的热点。

03关节要灵活——伺服带宽的度量

在伺服系统中,伺服带宽是系统快速响应和抑制扰动能力的度量,直接决定了关节的加速性能。伺服带宽参数衡量着其对变化的输入指令的响应速度,也决定了它能够以多快的速度去响应位置、速度或扭矩方面参数如反馈、误差等的变化。对于电机本体设计来说,在对伺服带宽参数进行计算的过程中,机械时间常数是一个重要的参考量。它指的是机械系统从零加速到额定转速时被系统的机械惯性所延时的时间。

最后

目前,针对协作机器人、足式机器人、医疗机器人和飞行机器人,集萃智造团队倾心打造的电机,在可靠性、控制灵敏度、运行平滑、低速启动性能等方面均具备一定优势,媲美国外同类产品。其中,我们的轻型协作机器人产品采用的是自研的电机,并广泛应用在新零售等服务场景中。集萃智造长期专注于机器人研发,从驱控一体化关节、高精度磁编码器等关键零部件,到轻型协作机器人、无人消毒杀菌车等产品,以及自动化产线的打造,公司均有深厚积累,欢迎大家询问和交流。

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