機器人的種類愈加繁多,功能越來越強,但在過去半個世紀,機器人的一個部件鮮有變化,這個部件就是執行器。
絕大多數機器人使用與變速箱相連的電機來移動輪子和關節。經過優化,電機的轉速通常很高,而變速箱則降低了輸出軸的轉速,在此過程中增加了扭矩。工業機械臂、類人行走式機器人和火星探測器都用這類執行器。但它遠非完美:齒輪電機通常笨重而緩慢。它們無法抵抗撞擊,維護繁瑣。如要增大扭矩,需要付出高昂的成本。機器人專家一直希望找到更好的替代品。
如今,加拿大一家初創公司表示,確實有一種更好的方式來驅動機器人。位于加拿大不列顛哥倫比亞省蘭利市的創世紀機器人公司(Genesis Robotics)力圖用一種能夠更精確地控制扭矩和轉速的特殊電機來代替普通電機。這種電機能夠以很慢的速度轉動,可用它來為機器人關節提供動力而無需任何傳動裝置。盡管在很多情況下這些電機可連接少量的傳動裝置,但這種設計仍被稱為直接驅動。
直接驅動是一種幾十年前的技術,現用于工業產品和消費產品。但是創世紀機器人公司宣稱,與同等重量的傳統直接驅動相比,其LiveDrive的設計扭矩是前者的3倍,精準度是前者的100倍,而且成本更低。該公司還發明了一種緊湊、輕便的變速箱Reflex,用注塑塑料制成,降低了制造成本。相比之下,大多數高性能執行器使用的應力波變速箱必須在制造過程中獲得較高的耐力,因而價格非常昂貴。
創世紀機器人公司創始人兼首席技術官杰姆斯?克拉森(James klassen)說:“機器人技術在控制、傳感器和人工智能方面已經取得了長足進步。阻礙它前進的是執行。”
過去幾年,這家擁有60名員工的公司一直在積聚專利。去年4月,公司獲得堪薩斯州威奇托市大型企業集團科氏工業集團的大力投資。自2019年起,創世紀機器人公司將向機器人制造商出售或授權其直接驅動和變速箱系列產品。
在結構上,直接驅動與無刷直流電機無太大差別,包含一個裝有永磁體的轉子和一個裝有銅繞組的定子。但是,直流電機通常只有十幾個磁鐵和繞組,而直接驅動的磁鐵和繞組數量是直流電機的好幾倍。
與齒輪電機相比,直接驅動的一個優點是,其可以通過調節繞組電流精確地控制扭矩,無需昂貴的力傳感器。直接驅動的慣性也非常低,可以極快地加速,瞬間停止或轉向。直接驅動無齒輪間隙,不會導致運動損失,因而非常精確。
那么它們為何沒有廣泛應用于機器人領域呢?
麻省理工學院仿生機器人實驗室主任桑巴?基姆(Sangbae Kim)表示,自20世紀80年代起,機器人專家就一直在探索這類執行器。它已應用于高速機械臂和觸覺設備,許多供應商為機器人應用提供直接驅動。他解釋說,直接驅動電機的一大挑戰是體積過大。隨后他補充道,你可以做成緊湊型的小電機,“但扭矩密度會下降”。換句話說,直接驅動電機可能很適合你的機器人,但其動力不足以讓機器人移動。另一個缺點是直接驅動會產生大量熱量,這意味著需要在設計中增加風扇甚至水冷系統。
創世紀機器人公司表示,可通過簡化轉子和定子的幾何結構,減少部件數量,盡可能緊密地整合為一體,來解決這些問題。克拉森說,他的團隊縮小了磁鐵的尺寸,磁鐵的間距只有幾毫米,繞組也緊密嵌在電樞中。該結構既能夠承受電機內的強大磁力,又可有效散熱。
他說:“它的強度較高,容易制造,而且非常便宜。”
創世紀機器人公司設計了兩個LiveDrive模型,直徑分別為250和110毫米。在貿易展上,模型給觀眾留下了深刻印象。公司現正與研究人員合作改進電機參數。
“直徑略長,但寬度正好。”比利時布魯塞爾阿姆斯特丹自由大學的機器人專家,兼任該公司顧問的布拉姆?范德堡(Bram Vanderborght)說。他正在測試250毫米的LiveDrive。他目前正考慮并排放置兩個或更多LiveDrive單元,以增加扭矩。他表示:“這是一個更加模塊化的系統。”
大多數機器人需要的扭矩比單個LiveDrive提供的扭矩要大。因此創世紀機器人公司創造了Reflex變速箱。它基于行星齒輪結構,較小的齒輪圍繞較大的齒輪旋轉。與多級傳動系統中的齒輪相比,這種設計令執行器更加協調,響應更加靈敏。Reflex最初將采用金屬材質制造,但目標是使用塑料制造,讓成本遠低于現有的應力波齒輪。應力波齒輪是機器人硬件成本居高不下的一個主要原因。
克拉森說,展示執行器優點的最好方法是將其應用于真正的機器人。他的團隊已經設計了機械臂機器人、足式機器人和外骨骼機器人,現正構建一個家用機器人原型。他說:“我們喜歡創造,喜歡改進,我們是一群機器人發燒友。”
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原文標題:創世紀機器人公司認為直驅電機是機器人執行器的未來
文章出處:【微信號:IEEE_China,微信公眾號:IEEE電氣電子工程師】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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