创世纪机器人公司认为直驱电机是机器人执行器的未来

IEEE电气电子工程师学会 2019-04-08 21:17

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机器人的种类愈加繁多,功能越来越强,但在过去半个世纪,机器人的一个部件鲜有变化,这个部件就是执行器。

绝大多数机器人使用与变速箱相连的电机来移动轮子和关节。经过优化,电机的转速通常很高,而变速箱则降低了输出轴的转速,在此过程中增加了扭矩。工业机械臂、类人行走式机器人和火星探测器都用这类执行器。但它远非完美:齿轮电机通常笨重而缓慢。它们无法抵抗撞击,维护繁琐。如要增大扭矩,需要付出高昂的成本。机器人专家一直希望找到更好的替代品。

如今,加拿大一家初创公司表示,确实有一种更好的方式来驱动机器人。位于加拿大不列颠哥伦比亚省兰利市的创世纪机器人公司(Genesis Robotics)力图用一种能够更精确地控制扭矩和转速的特殊电机来代替普通电机。这种电机能够以很慢的速度转动,可用它来为机器人关节提供动力而无需任何传动装置。尽管在很多情况下这些电机可连接少量的传动装置,但这种设计仍被称为直接驱动。

直接驱动是一种几十年前的技术,现用于工业产品和消费产品。但是创世纪机器人公司宣称,与同等重量的传统直接驱动相比,其LiveDrive的设计扭矩是前者的3倍,精准度是前者的100倍,而且成本更低。该公司还发明了一种紧凑、轻便的变速箱Reflex,用注塑塑料制成,降低了制造成本。相比之下,大多数高性能执行器使用的应力波变速箱必须在制造过程中获得较高的耐力,因而价格非常昂贵。

创世纪机器人公司创始人兼首席技术官杰姆斯•克拉森(James klassen)说:“机器人技术在控制、传感器和人工智能方面已经取得了长足进步。阻碍它前进的是执行。”

过去几年,这家拥有60名员工的公司一直在积聚专利。去年4月,公司获得堪萨斯州威奇托市大型企业集团科氏工业集团的大力投资。自2019年起,创世纪机器人公司将向机器人制造商出售或授权其直接驱动和变速箱系列产品。

在结构上,直接驱动与无刷直流电机无太大差别,包含一个装有永磁体的转子和一个装有铜绕组的定子。但是,直流电机通常只有十几个磁铁和绕组,而直接驱动的磁铁和绕组数量是直流电机的好几倍。

与齿轮电机相比,直接驱动的一个优点是,其可以通过调节绕组电流精确地控制扭矩,无需昂贵的力传感器。直接驱动的惯性也非常低,可以极快地加速,瞬间停止或转向。直接驱动无齿轮间隙,不会导致运动损失,因而非常精确。

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那么它们为何没有广泛应用于机器人领域呢?

麻省理工学院仿生机器人实验室主任桑巴•基姆(Sangbae Kim)表示,自20世纪80年代起,机器人专家就一直在探索这类执行器。它已应用于高速机械臂和触觉设备,许多供应商为机器人应用提供直接驱动。他解释说,直接驱动电机的一大挑战是体积过大。随后他补充道,你可以做成紧凑型的小电机,“但扭矩密度会下降”。换句话说,直接驱动电机可能很适合你的机器人,但其动力不足以让机器人移动。另一个缺点是直接驱动会产生大量热量,这意味着需要在设计中增加风扇甚至水冷系统。

创世纪机器人公司表示,可通过简化转子和定子的几何结构,减少部件数量,尽可能紧密地整合为一体,来解决这些问题。克拉森说,他的团队缩小了磁铁的尺寸,磁铁的间距只有几毫米,绕组也紧密嵌在电枢中。该结构既能够承受电机内的强大磁力,又可有效散热。

他说:“它的强度较高,容易制造,而且非常便宜。”

创世纪机器人公司设计了两个LiveDrive模型,直径分别为250和110毫米。在贸易展上,模型给观众留下了深刻印象。公司现正与研究人员合作改进电机参数。

“直径略长,但宽度正好。”比利时布鲁塞尔阿姆斯特丹自由大学的机器人专家,兼任该公司顾问的布拉姆•范德堡(Bram Vanderborght)说。 他正在测试250毫米的LiveDrive。他目前正考虑并排放置两个或更多LiveDrive单元,以增加扭矩。他表示:“这是一个更加模块化的系统。”

大多数机器人需要的扭矩比单个LiveDrive提供的扭矩要大。因此创世纪机器人公司创造了Reflex变速箱。它基于行星齿轮结构,较小的齿轮围绕较大的齿轮旋转。与多级传动系统中的齿轮相比,这种设计令执行器更加协调,响应更加灵敏。Reflex最初将采用金属材质制造,但目标是使用塑料制造,让成本远低于现有的应力波齿轮。应力波齿轮是机器人硬件成本居高不下的一个主要原因。

克拉森说,展示执行器优点的最好方法是将其应用于真正的机器人。他的团队已经设计了机械臂机器人、足式机器人和外骨骼机器人,现正构建一个家用机器人原型。他说:“我们喜欢创造,喜欢改进,我们是一群机器人发烧友。”

文章来源:悦智网。发表在IEEE Spectrum上的英文原文可点击“阅读原文”查看。

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