決定機器人行動的關鍵——電機控制系統(tǒng)

如果說機器人各類技術中哪個要求最特別，電機控制系統(tǒng)當仁不讓。作為機器人各個部位中最需要接近甚至超越人類行為的環(huán)節(jié)，電機控制系統(tǒng)是機器人動起來過程中必不可少的環(huán)節(jié)，更是決定機器人性能和功能的最關鍵環(huán)節(jié)。

如果類比到人體的各個部位，電機控制就是人體的各個關節(jié)，據(jù)統(tǒng)計人體中有明確命名的關節(jié)就78種，還有一些沒有明確名字的細小關節(jié)，關節(jié)在人體中的復雜性和多樣性可見一斑。而對于機器人特別是最近爆火的人形機器人來說，不僅要在很多動作上像人類看起，更要在部分關節(jié)實現(xiàn)比人類關節(jié)甚至動物關節(jié)更多的活動方向，真正實現(xiàn)超越大自然的“鬼斧神工”。

當然電機控制系統(tǒng)本身并不是機器人應用獨有的，或者可以說電機控制是數(shù)字化時代最普遍的應用大門類，在電動車應用爆火之前的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表示，全球電能的46%-47%消耗在各類電機應用中，現(xiàn)在這個數(shù)據(jù)可能接近50%了。在龐大的電機產(chǎn)品系列中，直流電機(DC Motor)、步進電機(Stepper Motor)、伺服電機(Servo Motor)、無刷直流電機(BLDC Motor)在不同類型機器人中得到了廣泛的應用，此外，機器人用電機系統(tǒng)還包括減速器、傳感器、執(zhí)行器等其他關鍵技術和組件。相比于傳統(tǒng)的電機控制系統(tǒng)，機器人應用的電機控制存在著諸多特定的要求，綜合起來主要圍繞提高性能、降低成本、增強智能化和靈活性以及提升能效等多個方面進行擴展。

一、 電機在機器人中的作用

電機在機器人中扮演著核心角色，是機器人實現(xiàn)各種功能的關鍵部件，負責如下幾個方面的重要功能。

能量轉(zhuǎn)換：電機能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為機械能，為機器人提供動力。這是電機在機器人中最基本的作用，使得機器人能夠執(zhí)行各種運動。

驅(qū)動關節(jié)：在機器人中，電機通常用于驅(qū)動關節(jié)，實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)動、移動和抓取等功能。通過精確控制電機的旋轉(zhuǎn)角度和速度，可以確保機器人關節(jié)的精確運動。

實現(xiàn)復雜動作：機器人需要執(zhí)行各種復雜的動作，如行走、抓取、搬運等。這些動作的實現(xiàn)離不開電機的支持。電機通過精確控制輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，使機器人能夠完成各種任務。

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(zhuǎn)速，使機器人具有更強的負載能力和更快的響應速度。

在各類機器人應用中，電機提供了各式各樣的活動能力，比如在工業(yè)機器人中，電機通常用于驅(qū)動機械臂、傳送帶和其他執(zhí)行機構(gòu)。在移動機器人中，電機通常用于驅(qū)動輪子、履帶等移動機構(gòu)。在人形機器人中，電機通常用于驅(qū)動關節(jié)和執(zhí)行器。例如，特斯拉的人形機器人Optimus就采用了無框力矩電機來驅(qū)動其關節(jié)和執(zhí)行器，實現(xiàn)了類似人類的靈活運動。

二 機器人應用的電機技術特點

機器人用電機控制是一個涉及多個方面和組件的復雜系統(tǒng)。通過選擇合適的電機類型、應用先進的控制算法以及集成其他關鍵技術和組件，可以實現(xiàn)機器人對電機轉(zhuǎn)速、位置和轉(zhuǎn)矩的精確控制，從而滿足各種任務需求。

機器人中的電機技術特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

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，通過編碼器和反饋機制實現(xiàn)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(zhí)行精細操作至關重要。重復定位精度同樣重要，電機在多次執(zhí)行相同動作時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(zhí)行重復性任務尤為重要。

二是高動態(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間內(nèi)迅速調(diào)整輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，以滿足機器人的快速運動需求。此外，為了實現(xiàn)快速啟動和停止，電機應具備高加速度和減速度能力。這有助于機器人在執(zhí)行復雜動作時保持高效和穩(wěn)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驅(qū)動機器人的關節(jié)和執(zhí)行器。特別是在執(zhí)行重負載任務時，電機應具備大扭矩輸出能力。同時，電機應能夠承受機器人工作過程中的各種負載變化，確保機器人的穩(wěn)定運行和可靠工作。

四是高能效與節(jié)能性，機器人中的電機應具備高效的電能轉(zhuǎn)換能力，將電能高效地轉(zhuǎn)換為機械能，減少能量損耗和發(fā)熱量。通過優(yōu)化電機的結(jié)構(gòu)和控制算法，可以實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。這對于延長機器人的工作時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(nèi)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(nèi)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性能。

六是智能化與集成化趨勢，隨著人工智能技術的發(fā)展，機器人中的電機逐漸融入智能控制算法，實現(xiàn)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(zhí)行器緊密集成，形成高度一體化的系統(tǒng)。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型，直流電機具有良好的啟動和調(diào)速特性，而交流電機則具有結(jié)構(gòu)簡單、維護方便等優(yōu)點。根據(jù)機器人的不同需求選擇合適的電機類型。伺服電機具備高精度、高動態(tài)響應和高負載能力等特點，適用于需要高精度控制的機器人系統(tǒng)；而步進電機則具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)點，適用于一些對精度要求不高的場合。力矩電機通常用于需要大扭矩輸出的機器人關節(jié)和執(zhí)行器；而空心杯電機則因其體積小、重量輕、效率高等特點，在機器人靈巧手等部件中得到廣泛應用。

基于這些技術發(fā)展趨勢，電機控制系統(tǒng)對各個技術細節(jié)提出了更高的要求，最主要的特點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提供了更高的開關頻率、更低的導通和開關損耗，從而提高了電機驅(qū)動系統(tǒng)的效率和功率密度。SiC MOSFET的發(fā)展使得電機控制系統(tǒng)可以在更小的封裝內(nèi)提供更大的功率，同時減小系統(tǒng)的體積和重量，不過在很多機器人應用中，SiC器件的價格、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說，智能功率模塊（IPM）和功率集成模塊（PIM）集成了功率開關、驅(qū)動電路、保護功能等，簡化了電機的設計并減少了系統(tǒng)體積，同時提高了可靠性和性能。為了提高系統(tǒng)集成度和降低整體成本，未來的電機控制系統(tǒng)將越來越傾向于集成化設計。例如，將驅(qū)動器、控制器、傳感器和其他組件集成到單個模塊中。此外，模塊化設計使得電機驅(qū)動更加靈活，便于根據(jù)不同的機器人需求進行擴展和定制。通過標準化接口和模塊化組件，開發(fā)者可以快速集成不同類型的電機和傳感器。

智能化是機器人中電機系統(tǒng)的另一個主要趨勢，智能化革命很早就蔓延到電機控制領域，比如采用正弦波控制和磁場定向控制（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，位置傳感器技術得到了快速發(fā)展。這些傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測電機的運行狀態(tài)，確保電機在復雜環(huán)境中的穩(wěn)定運行。一些先進的電機控制系統(tǒng)集成了專門的AI加速單元（如NPU），以增強算法處理能力，實現(xiàn)性能的飛躍。這使得電機控制系統(tǒng)能夠支持更強大的電機檢測功能，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。先進的電機控制系統(tǒng)還具備故障檢測和診斷功能，能夠在故障發(fā)生時及時報警并采取相應措施，避免事故的發(fā)生。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，未來的電機控制系統(tǒng)將能夠通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控和控制。通過數(shù)據(jù)分析優(yōu)化電機的運行參數(shù)，提高系統(tǒng)的能效和可靠性。

針對高能效和節(jié)能性的需求，能量回收技術開始廣泛應用在電機控制系統(tǒng)中，特別是在再生制動系統(tǒng)中，將制動時產(chǎn)生的能量回收并重新利用，提高系統(tǒng)的能效。這種技術在新能源汽車領域已經(jīng)得到了廣泛應用，未來也將逐漸擴展到機器人領域。此外，通過優(yōu)化控制算法和采用更高效的功率半導體器件，實現(xiàn)電機驅(qū)動系統(tǒng)的高效節(jié)能。

三 人形機器人與空心杯電機

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

比如人形機器人需要模擬人類的精細動作，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(tǒng)能夠精確控制電機的轉(zhuǎn)動角度、速度和加速度，以實現(xiàn)機器人關節(jié)的精準運動。另一方面，人形機器人在執(zhí)行任務時，需要更為快速響應外部環(huán)境的變化和指令的調(diào)整。因此，電機控制系統(tǒng)必須具備快速的響應速度，能夠在短時間內(nèi)調(diào)整電機的輸出，以適應機器人的動態(tài)需求。

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

如文章開頭提及，人體擁有近80種關節(jié)，映射到人形機器人就需要各個電機系統(tǒng)的多軸同步性。人形機器人擁有多個關節(jié)和執(zhí)行器，這些關節(jié)和執(zhí)行器需要協(xié)調(diào)運動以實現(xiàn)復雜的任務。電機控制系統(tǒng)必須具備多軸同步控制的能力，確保各個關節(jié)和執(zhí)行器能夠按照預定的軌跡和時序進行運動。此外，為了實現(xiàn)高效的運動控制，電機控制系統(tǒng)需要具備運動規(guī)劃與控制的能力。系統(tǒng)需要根據(jù)任務需求和外部環(huán)境的變化，實時規(guī)劃出最優(yōu)的運動軌跡和控制策略，并調(diào)整電機的輸出以實現(xiàn)這些策略。

此外，人形機器人需要適應不同的環(huán)境和任務需求，因此電機控制系統(tǒng)需要具備智能控制算法。這些算法能夠根據(jù)機器人的實際運行情況和外部環(huán)境的變化，自動調(diào)整控制參數(shù)和策略，以實現(xiàn)最優(yōu)的控制效果。特別的，智能化時代要求人形機器人的電機控制系統(tǒng)需要具備自適應能力，能夠根據(jù)機器人的負載變化、磨損情況等自動調(diào)整控制參數(shù)和策略，以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。人形機器人通常需要在復雜多變的環(huán)境中長時間運行，因此電機控制系統(tǒng)必須具備高可靠性。系統(tǒng)需要能夠長時間穩(wěn)定運行，避免出現(xiàn)故障和失效。電機控制系統(tǒng)也需要具備耐久性，能夠承受機器人長時間運行和頻繁動作帶來的磨損和疲勞。這要求系統(tǒng)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交互的過程中，需要保持低噪音水平，以避免對人類造成干擾。因此，電機控制系統(tǒng)需要采用低噪音的電機和驅(qū)動技術，以降低機器人的運行噪音。同時人形機器人的電力供應多數(shù)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(tǒng)需要具備高能效比。這要求系統(tǒng)能夠高效地轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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使其在眾多領域得到廣泛應用，并展現(xiàn)出巨大的市場潛力和發(fā)展前景。隨著智能社會的發(fā)展和新技術的不斷涌現(xiàn)，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域，空心杯電機的市場前景廣闊。

空心杯電機具有突出的節(jié)能特性，其能量轉(zhuǎn)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(tǒng)電機，空心杯電機在同等功率下能夠顯著減少能耗，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鐵芯結(jié)構(gòu)，徹底消除了鐵心產(chǎn)生的渦流和磁滯損耗，進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40mm，非常適合用于空間受限的人形機器人關節(jié)驅(qū)動。這種小尺寸設計使得人形機器人能夠更靈活地執(zhí)行各種動作?？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，能夠滿足人形機器人對關節(jié)運動的精確控制需求。這有助于提升人形機器人的操作精度和穩(wěn)定性。同時，空心杯電機響應速度快，通常在十毫秒級別，遠快于傳統(tǒng)電機的機械時間常數(shù)。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壽命同樣讓空心杯電機脫穎而出，空心杯電機運行時產(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體驗。在需要安靜環(huán)境的場合下，這一特點尤為重要?？招谋姍C采用無刷結(jié)構(gòu)，減少了機械磨損和故障率，延長了使用壽命。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值體現(xiàn)在高效能與節(jié)能特性、小尺寸與輕量化設計、高精度與高響應速度、低噪音與長壽命以及廣泛應用場景等多個方面。隨著人形機器人技術的不斷發(fā)展和市場需求的不斷擴大，空心杯電機的應用前景將更加廣闊。