決定機器人行動(dòng)的關(guān)鍵——電機控制系統

如果說(shuō)機器人各類(lèi)技術(shù)中哪個(gè)要求最特別，電機控制系統當仁不讓。作為機器人各個(gè)部位中最需要接近甚至超越人類(lèi)行為的環(huán)節，電機控制系統是機器人動(dòng)起來(lái)過(guò)程中必不可少的環(huán)節，更是決定機器人性能和功能的最關(guān)鍵環(huán)節。

如果類(lèi)比到人體的各個(gè)部位，電機控制就是人體的各個(gè)關(guān)節，據統計人體中有明確命名的關(guān)節就78種，還有一些沒(méi)有明確名字的細小關(guān)節，關(guān)節在人體中的復雜性和多樣性可見(jiàn)一斑。而對于機器人特別是最近爆火的人形機器人來(lái)說(shuō)，不僅要在很多動(dòng)作上像人類(lèi)看起，更要在部分關(guān)節實(shí)現比人類(lèi)關(guān)節甚至動(dòng)物關(guān)節更多的活動(dòng)方向，真正實(shí)現超越大自然的“鬼斧神工”。

當然電機控制系統本身并不是機器人應用獨有的，或者可以說(shuō)電機控制是數字化時(shí)代最普遍的應用大門(mén)類(lèi)，在電動(dòng)車(chē)應用爆火之前的統計數據表示，全球電能的46%-47%消耗在各類(lèi)電機應用中，現在這個(gè)數據可能接近50%了。在龐大的電機產(chǎn)品系列中，直流電機(DC Motor)、步進(jìn)電機(Stepper Motor)、伺服電機(Servo Motor)、無(wú)刷直流電機(BLDC Motor)在不同類(lèi)型機器人中得到了廣泛的應用，此外，機器人用電機系統還包括減速器、傳感器、執行器等其他關(guān)鍵技術(shù)和組件。相比于傳統的電機控制系統，機器人應用的電機控制存在著(zhù)諸多特定的要求，綜合起來(lái)主要圍繞提高性能、降低成本、增強智能化和靈活性以及提升能效等多個(gè)方面進(jìn)行擴展。

一、 電機在機器人中的作用

電機在機器人中扮演著(zhù)核心角色，是機器人實(shí)現各種功能的關(guān)鍵部件，負責如下幾個(gè)方面的重要功能。

能量轉換：電機能夠將電能轉換為機械能，為機器人提供動(dòng)力。這是電機在機器人中最基本的作用，使得機器人能夠執行各種運動(dòng)。

驅動(dòng)關(guān)節：在機器人中，電機通常用于驅動(dòng)關(guān)節，實(shí)現機器人的轉動(dòng)、移動(dòng)和抓取等功能。通過(guò)精確控制電機的旋轉角度和速度，可以確保機器人關(guān)節的精確運動(dòng)。

實(shí)現復雜動(dòng)作：機器人需要執行各種復雜的動(dòng)作，如行走、抓取、搬運等。這些動(dòng)作的實(shí)現離不開(kāi)電機的支持。電機通過(guò)精確控制輸出扭矩和轉速，使機器人能夠完成各種任務(wù)。

提升機器人性能：電機的性能直接影響到機器人的整體性能。高性能的電機可以提供更大的輸出扭矩和轉速，使機器人具有更強的負載能力和更快的響應速度。

在各類(lèi)機器人應用中，電機提供了各式各樣的活動(dòng)能力，比如在工業(yè)機器人中，電機通常用于驅動(dòng)機械臂、傳送帶和其他執行機構。在移動(dòng)機器人中，電機通常用于驅動(dòng)輪子、履帶等移動(dòng)機構。在人形機器人中，電機通常用于驅動(dòng)關(guān)節和執行器。例如，特斯拉的人形機器人Optimus就采用了無(wú)框力矩電機來(lái)驅動(dòng)其關(guān)節和執行器，實(shí)現了類(lèi)似人類(lèi)的靈活運動(dòng)。

二 機器人應用的電機技術(shù)特點(diǎn)

機器人用電機控制是一個(gè)涉及多個(gè)方面和組件的復雜系統。通過(guò)選擇合適的電機類(lèi)型、應用先進(jìn)的控制算法以及集成其他關(guān)鍵技術(shù)和組件，可以實(shí)現機器人對電機轉速、位置和轉矩的精確控制，從而滿(mǎn)足各種任務(wù)需求。

機器人中的電機技術(shù)特點(diǎn)主要體現在以下幾個(gè)方面：

一是高精度與定位能力，機器人中的電機通常采用閉環(huán)或半閉環(huán)控制，通過(guò)編碼器和反饋機制實(shí)現高精度的位置、速度和加速度控制。這種高精度控制對于機器人執行精細操作至關(guān)重要。重復定位精度同樣重要，電機在多次執行相同動(dòng)作時(shí)應具備高度的重復性，確保每次都能達到相同的位置和姿態(tài)。這對于機器人執行重復性任務(wù)尤為重要。

二是高動(dòng)態(tài)響應性能，機器人中的電機需要具備快速響應外部環(huán)境變化和指令的能力。這要求電機能夠在短時(shí)間內迅速調整輸出扭矩和轉速，以滿(mǎn)足機器人的快速運動(dòng)需求。此外，為了實(shí)現快速啟動(dòng)和停止，電機應具備高加速度和減速度能力。這有助于機器人在執行復雜動(dòng)作時(shí)保持高效和穩定。

三是大扭矩與高負載能力，機器人中的電機通常需要提供足夠的扭矩來(lái)驅動(dòng)機器人的關(guān)節和執行器。特別是在執行重負載任務(wù)時(shí)，電機應具備大扭矩輸出能力。同時(shí)，電機應能夠承受機器人工作過(guò)程中的各種負載變化，確保機器人的穩定運行和可靠工作。

四是高能效與節能性，機器人中的電機應具備高效的電能轉換能力，將電能高效地轉換為機械能，減少能量損耗和發(fā)熱量。通過(guò)優(yōu)化電機的結構和控制算法，可以實(shí)現節能降耗的目的。這對于延長(cháng)機器人的工作時(shí)間和降低運行成本具有重要意義。

五是緊湊化與輕量化設計，為了適應機器人緊湊的內部空間，電機通常采用緊湊化設計，減小體積和重量，提高空間利用率。電機采用輕質(zhì)高強度的材料制造電機外殼和內部組件，有助于減輕機器人的整體重量，提高機器人的靈活性和運動(dòng)性能。

六是智能化與集成化趨勢，隨著(zhù)人工智能技術(shù)的發(fā)展，機器人中的電機逐漸融入智能控制算法，實(shí)現自適應控制、故障診斷和預測維護等功能。電機與其他傳感器、控制器和執行器緊密集成，形成高度一體化的系統。這種集成化設計有助于提高機器人的整體性能和可靠性。

七是多樣化的電機類(lèi)型，直流電機具有良好的啟動(dòng)和調速特性，而交流電機則具有結構簡(jiǎn)單、維護方便等優(yōu)點(diǎn)。根據機器人的不同需求選擇合適的電機類(lèi)型。伺服電機具備高精度、高動(dòng)態(tài)響應和高負載能力等特點(diǎn)，適用于需要高精度控制的機器人系統；而步進(jìn)電機則具有結構簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，適用于一些對精度要求不高的場(chǎng)合。力矩電機通常用于需要大扭矩輸出的機器人關(guān)節和執行器；而空心杯電機則因其體積小、重量輕、效率高等特點(diǎn)，在機器人靈巧手等部件中得到廣泛應用。

基于這些技術(shù)發(fā)展趨勢，電機控制系統對各個(gè)技術(shù)細節提出了更高的要求，最主要的特點(diǎn)就是多元化和智能化，其中以高性能功率半導體器件的應用和控制算法優(yōu)化最為基礎。碳化硅（SiC）MOSFET提供了更高的開(kāi)關(guān)頻率、更低的導通和開(kāi)關(guān)損耗，從而提高了電機驅動(dòng)系統的效率和功率密度。SiC MOSFET的發(fā)展使得電機控制系統可以在更小的封裝內提供更大的功率，同時(shí)減小系統的體積和重量，不過(guò)在很多機器人應用中，SiC器件的價(jià)格、尺寸和功耗都比較高，只在部分工業(yè)機器人應用不可或缺。而對其他大部分應用來(lái)說(shuō)，智能功率模塊（IPM）和功率集成模塊（PIM）集成了功率開(kāi)關(guān)、驅動(dòng)電路、保護功能等，簡(jiǎn)化了電機的設計并減少了系統體積，同時(shí)提高了可靠性和性能。為了提高系統集成度和降低整體成本，未來(lái)的電機控制系統將越來(lái)越傾向于集成化設計。例如，將驅動(dòng)器、控制器、傳感器和其他組件集成到單個(gè)模塊中。此外，模塊化設計使得電機驅動(dòng)更加靈活，便于根據不同的機器人需求進(jìn)行擴展和定制。通過(guò)標準化接口和模塊化組件，開(kāi)發(fā)者可以快速集成不同類(lèi)型的電機和傳感器。

智能化是機器人中電機系統的另一個(gè)主要趨勢，智能化革命很早就蔓延到電機控制領(lǐng)域，比如采用正弦波控制和磁場(chǎng)定向控制（FOC）具有更高的效率和更低的噪音，逐漸取代了許多梯形波控制方案。為了提高電機控制的精確性和可靠性，位置傳感器技術(shù)得到了快速發(fā)展。這些傳感器能夠實(shí)時(shí)監測電機的運行狀態(tài)，確保電機在復雜環(huán)境中的穩定運行。一些先進(jìn)的電機控制系統集成了專(zhuān)門(mén)的AI加速單元（如NPU），以增強算法處理能力，實(shí)現性能的飛躍。這使得電機控制系統能夠支持更強大的電機檢測功能，提升系統的穩定性和可靠性。先進(jìn)的電機控制系統還具備故障檢測和診斷功能，能夠在故障發(fā)生時(shí)及時(shí)報警并采取相應措施，避免事故的發(fā)生。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的電機控制系統將能夠通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現遠程監控和控制。通過(guò)數據分析優(yōu)化電機的運行參數，提高系統的能效和可靠性。

針對高能效和節能性的需求，能量回收技術(shù)開(kāi)始廣泛應用在電機控制系統中，特別是在再生制動(dòng)系統中，將制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量回收并重新利用，提高系統的能效。這種技術(shù)在新能源汽車(chē)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應用，未來(lái)也將逐漸擴展到機器人領(lǐng)域。此外，通過(guò)優(yōu)化控制算法和采用更高效的功率半導體器件，實(shí)現電機驅動(dòng)系統的高效節能。

三 人形機器人與空心杯電機

近年來(lái)，隨著(zhù)機器人逐漸從工業(yè)和物流等應用向大眾服務(wù)市場(chǎng)演進(jìn)，人形和類(lèi)人形機器人的應用越來(lái)越廣泛，并且逐漸成為機器人產(chǎn)業(yè)增長(cháng)的最大熱點(diǎn)。人形機器人相比于傳統機器人在電機控制方面，存在一系列特殊的技術(shù)要求。

比如人形機器人需要模擬人類(lèi)的精細動(dòng)作，因此電機控制必須具備極高的定位和控制精度。這要求電機控制系統能夠精確控制電機的轉動(dòng)角度、速度和加速度，以實(shí)現機器人關(guān)節的精準運動(dòng)。另一方面，人形機器人在執行任務(wù)時(shí)，需要更為快速響應外部環(huán)境的變化和指令的調整。因此，電機控制系統必須具備快速的響應速度，能夠在短時(shí)間內調整電機的輸出，以適應機器人的動(dòng)態(tài)需求。

人形機器人需要執行復雜多變的動(dòng)作，如行走、跑步、跳躍等，這就要求電機控制系統具備高動(dòng)態(tài)性能。電機需要能夠在短時(shí)間內產(chǎn)生大的扭矩和功率，以滿(mǎn)足機器人對高動(dòng)態(tài)性能的需求。相比于其他固定機器人或者輪式機器人，人形機器人在運動(dòng)過(guò)程中，電機控制系統需要保持穩定性，避免因外部干擾或內部參數變化而導致的系統失穩，特別的，人形機器人的應用場(chǎng)景可能更為負責，這就要求控制系統具備良好的魯棒性和抗干擾能力。

如文章開(kāi)頭提及，人體擁有近80種關(guān)節，映射到人形機器人就需要各個(gè)電機系統的多軸同步性。人形機器人擁有多個(gè)關(guān)節和執行器，這些關(guān)節和執行器需要協(xié)調運動(dòng)以實(shí)現復雜的任務(wù)。電機控制系統必須具備多軸同步控制的能力，確保各個(gè)關(guān)節和執行器能夠按照預定的軌跡和時(shí)序進(jìn)行運動(dòng)。此外，為了實(shí)現高效的運動(dòng)控制，電機控制系統需要具備運動(dòng)規劃與控制的能力。系統需要根據任務(wù)需求和外部環(huán)境的變化，實(shí)時(shí)規劃出最優(yōu)的運動(dòng)軌跡和控制策略，并調整電機的輸出以實(shí)現這些策略。

此外，人形機器人需要適應不同的環(huán)境和任務(wù)需求，因此電機控制系統需要具備智能控制算法。這些算法能夠根據機器人的實(shí)際運行情況和外部環(huán)境的變化，自動(dòng)調整控制參數和策略，以實(shí)現最優(yōu)的控制效果。特別的，智能化時(shí)代要求人形機器人的電機控制系統需要具備自適應能力，能夠根據機器人的負載變化、磨損情況等自動(dòng)調整控制參數和策略，以保持系統的穩定性和性能。人形機器人通常需要在復雜多變的環(huán)境中長(cháng)時(shí)間運行，因此電機控制系統必須具備高可靠性。系統需要能夠長(cháng)時(shí)間穩定運行，避免出現故障和失效。電機控制系統也需要具備耐久性，能夠承受機器人長(cháng)時(shí)間運行和頻繁動(dòng)作帶來(lái)的磨損和疲勞。這要求系統具備良好的散熱設計、材料選擇和制造工藝等。

特別的，人形機器人在與人類(lèi)交互的過(guò)程中，需要保持低噪音水平，以避免對人類(lèi)造成干擾。因此，電機控制系統需要采用低噪音的電機和驅動(dòng)技術(shù)，以降低機器人的運行噪音。同時(shí)人形機器人的電力供應多數以電池供電為主，為了降低機器人的能耗和運行成本，電機控制系統需要具備高能效比。這要求系統能夠高效地轉換電能為機械能，減少能量損耗和浪費。

空心杯電機是一種具有獨特結構和性能優(yōu)勢的微型伺服直流電機。其高效率、小尺寸、輕量化、高精度和高響應速度等特點(diǎn)使其在眾多領(lǐng)域得到廣泛應用，并展現出巨大的市場(chǎng)潛力和發(fā)展前景。隨著(zhù)智能社會(huì )的發(fā)展和新技術(shù)的不斷涌現，空心杯電機的需求量不斷增加。特別是在人形機器人、靈巧手等高端應用領(lǐng)域，空心杯電機的市場(chǎng)前景廣闊。

空心杯電機具有突出的節能特性，其能量轉換效率通常在65-85%以上，部分產(chǎn)品甚至可達90%以上。相比傳統電機，空心杯電機在同等功率下能夠顯著(zhù)減少能耗，提升人形機器人的能源利用效率。特別是空心杯電機采用無(wú)鐵芯結構，徹底消除了鐵心產(chǎn)生的渦流和磁滯損耗，進(jìn)一步提高了能源利用效率。

人形機器人對電機尺寸和重量的要求更為苛刻?？招谋姍C通常尺寸較小，直徑一般不超過(guò)40mm，非常適合用于空間受限的人形機器人關(guān)節驅動(dòng)。這種小尺寸設計使得人形機器人能夠更靈活地執行各種動(dòng)作?？招谋姍C重量輕，有助于減輕人形機器人的整體重量，提升其運動(dòng)性能和靈活性。

在高精度與高響應速度方面，空心杯電機具備高精度的控制能力，能夠滿(mǎn)足人形機器人對關(guān)節運動(dòng)的精確控制需求。這有助于提升人形機器人的操作精度和穩定性。同時(shí)，空心杯電機響應速度快，通常在十毫秒級別，遠快于傳統電機的機械時(shí)間常數。這使得人形機器人能夠更迅速地響應指令和外部環(huán)境的變化。

人形機器人對低噪音與長(cháng)壽命同樣讓空心杯電機脫穎而出，空心杯電機運行時(shí)產(chǎn)生的噪音較低，有助于提升人形機器人的整體性能和用戶(hù)體驗。在需要安靜環(huán)境的場(chǎng)合下，這一特點(diǎn)尤為重要?？招谋姍C采用無(wú)刷結構，減少了機械磨損和故障率，延長(cháng)了使用壽命。這有助于降低人形機器人的維護成本和運行成本。

綜上所述，空心杯電機在人形機器人中的應用價(jià)值體現在高效能與節能特性、小尺寸與輕量化設計、高精度與高響應速度、低噪音與長(cháng)壽命以及廣泛應用場(chǎng)景等多個(gè)方面。隨著(zhù)人形機器人技術(shù)的不斷發(fā)展和市場(chǎng)需求的不斷擴大，空心杯電機的應用前景將更加廣闊。