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    集萃智造分享 | 服務機器人電機設計需要注意什么?

    2020-10-23 點擊次數:

    受2020年疫情“無接觸”需求對數字化經濟的刺激,服務機器人的應用得到有力推動,尤其是醫療、物流、商業服務等細分領域,出現了爆發式增長。IFR曾給過預測,稱隨著服務機器人的不斷滲透,預計未來行業將持續增長,至2023年銷量將超過50萬臺,銷售額預計達到277億美元。BuyShares的預測則更為樂觀,稱兩年內市場將增長30%,銷售額超過300億美元。

    與應用局限于工廠等指定場所的工業用機器人相比,服務機器人因著眼于感知、決策與執行高技術,完成有益于人類的服務工作,所覆蓋的場景和可實現的功能將十分廣泛,擁有更多想象空間。作為機器人的動力來源,電機直接影響其有效負載、工作半徑等關鍵參數,其設計上的技術選擇和性能取舍將直接關系機器人的性能和應用范圍,服務機器人市場的潛在應用也將對電機設計提出更多要求。基于集萃智造多年的電機研究和產品設計經驗,我們發現目前無刷電機因體積小、重量輕、出力大、響應快、速度高、慣量小、轉動平滑、力矩穩定、實現智能化、換相方式靈活、免維護,效率很高,運行溫度低,電磁輻射很小,長壽命,可用于各種環境等一系列優點而廣泛應用于機器人領域,在服務機器人的應用中前景可觀。一般意義上,在面向服務機器人領域進行電機設計時,以下三點需要特別注意。

    圖 | 集萃智造自研永磁無刷力矩電機

    01顏值和性能都要——中空設計大輸出

    功率密度是電機單位體積產生的功率數量(能量傳輸時間速率),功率越大并且(或者) 電機外形尺寸越小,功率密度就越高。目前,受產品小型化、輕量化等要求影響,機器人產品電機空間一般比較受限。此時在進行機器人電機設計時,使用盡可能小的空間提供盡可能高的功率輸出就是我們的目標,因此功率密度是我們在設計電機的重要考慮因素之一。

    圖 | 電機的傳動系統一般在進行服務機器人的設計時,為減小體積、重量,節約布局空間, 無框電機方案是進行電機設計的主流選擇。這里根據計算公式,氣隙半徑與扭矩成正相關,氣隙半徑越大,扭矩值越大。扭矩的平方值與氣隙半徑的三次方值成正相關關系,所以為提高功率扭矩密度,氣隙半徑的選擇很關鍵。

    圖 | 氣隙半徑計算方法

    02兩大法寶——低速平穩、爆發力強

    考慮到服務機器人的應用場景需求,電機的低速平穩性和短時過載能力一般需要多做考慮。在低速平穩性這項重要考量指標上,對其造成影響的主要原因是電機低速運行時的脈動轉矩,包括電動勢或電流非正弦引起的紋波轉矩和齒槽轉矩。其中,非正弦引起的紋波轉矩主要由電流換向、電磁因素、電樞反應等原因造成。永磁電機齒槽轉矩影響可以通過電機設計進行改善,目前在設計電機時,主要改善的方法有:(1)優化極槽數組合;(2)采用斜極和斜槽;(3)優化極弧系數;(4)采用不等厚磁極;(5)磁極分段布置。其他方法基于成本等因素考慮使用較少。目前的服務機器人領域,特別是足式機器人等應用場景,對電機的短時過載能力和峰值扭矩密度要求更高。言下之意,在做此類電機的挑選時,關鍵需要考慮的是,電機設計者如何處理溫度這一變量。在冷卻方案的選擇上,服務機器人的電機追求扭矩輸出密度,即單位體積或質量下的輸出功率,這意味著油冷水冷等增加整機質量的冷卻方式不太可能作為優選。在足式機器人場景中,相比于液壓、氣動等傳動方式,電驅動在密度輸出上仍然具有天然的弱勢。目前,市面一般通過提高磁密、降低電流負荷、輕量化設計、提高材料性能等思路來提高輸出密度。在電驅動扭矩輸出密度提升上,市場上也已經出現很多折中方案,并取得了不錯的效果,不過如何提高電機的扭矩密度將一直是行業研究的熱點。

    03關節要靈活——伺服帶寬的度量

    在伺服系統中,伺服帶寬是系統快速響應和抑制擾動能力的度量,直接決定了關節的加速性能。伺服帶寬參數衡量著其對變化的輸入指令的響應速度,也決定了它能夠以多快的速度去響應位置、速度或扭矩方面參數如反饋、誤差等的變化。對于電機本體設計來說,在對伺服帶寬參數進行計算的過程中,機械時間常數是一個重要的參考量。它指的是機械系統從零加速到額定轉速時被系統的機械慣性所延時的時間。

    最后

    目前,針對協作機器人、足式機器人、醫療機器人和飛行機器人,集萃智造團隊傾心打造的電機,在可靠性、控制靈敏度、運行平滑、低速啟動性能等方面均具備一定優勢,媲美國外同類產品。其中,我們的輕型協作機器人產品采用的是自研的電機,并廣泛應用在新零售等服務場景中。集萃智造長期專注于機器人研發,從驅控一體化關節、高精度磁編碼器等關鍵零部件,到輕型協作機器人、無人消毒殺菌車等產品,以及自動化產線的打造,公司均有深厚積累,歡迎大家詢問和交流。

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