如果說芯片是智能行業(yè)最為重要的核心元件，那么電機幾乎可以說是支撐了整個自動化和大工業(yè)生產(chǎn)以及現(xiàn)代社會最為重要的部件，全世界90%的能源是由電機發(fā)出來的，而70%是由電機消耗調(diào)的，電機可以說是整個人類社會能源循環(huán)的占有絕對地位的產(chǎn)品。

普通伺服電機


伺服電機其實已經(jīng)算是電動機中比較高端的類型，特別是永磁同步類型的伺服電機，由于其啟動快速，慣量低，平滑的運行，調(diào)速范圍寬，功率密度高，效率高等優(yōu)勢，在高端裝備中的普及率在逐年增加，大多數(shù)伺服應(yīng)用采用了減速器+電機的傳動方式。傳統(tǒng)系統(tǒng)的初始成本具有吸引力，而且性能已經(jīng)在各種不同應(yīng)用中得到了廣泛應(yīng)用，減速器+電機的傳動方式因為有傳動間隙，會導(dǎo)致高精度的場合可能的累計誤差，因此對于伺服電機和伺服驅(qū)動器的要求尤其高，而且減速器的壽命也在減少，這也增加了總壽命成本。用戶不得不對更多的部件進(jìn)行庫存管理，其次這些附加的部件所造成的系統(tǒng)故障會增加系統(tǒng)計劃外停機時間，使得機器的產(chǎn)量出現(xiàn)下降。

直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機

直接產(chǎn)生驅(qū)動作用的旋轉(zhuǎn)電機本質(zhì)上是一種大力矩的盤式永磁電機，它直接與負(fù)載連接。這種設(shè)計消除了所有機械傳動部件，如齒輪變速箱、皮帶、滑輪和連軸器。直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)為設(shè)計者和使用者帶來了許多好處。因為一個機械傳動需要定期的維護(hù)而且會頻繁地造成計劃外停機，所以，直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機技術(shù)從根本上提高了機器的可靠性，減少了維護(hù)時間，降低了控制難度。

無框架直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機

無框架直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機是直驅(qū)電機技術(shù)的“祖父”，毫無疑問，它們提供了目前最緊湊的機械伺服解決方案。無框架直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機采用了獨立的轉(zhuǎn)子和定子，而未使用軸承。這些零件成為機器的一個整體組成部分，另外還包括了必要的反饋裝置。它們對于機器預(yù)留空間有限或者總重量有著關(guān)鍵影響的應(yīng)用來說是理想的選擇。

這些電機就本質(zhì)上來說是專門定制的，因此更為昂貴，需要數(shù)周、甚至數(shù)月的設(shè)計和集成時間。此外，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，電機或者反饋裝置的取出更換過程也極為復(fù)雜。因此，無框架直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機技術(shù)并非適用于每一種應(yīng)用，它最廣泛的應(yīng)用是在機載和地面車輛方面，如夜視裝置、雷達(dá)系統(tǒng)和武器系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)控制，以及那些對尺寸、重量或性能有著較高要求的高端工業(yè)應(yīng)用，如機器人或者精密研磨機。

一體化直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機

一體化直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機，則是將轉(zhuǎn)子、定子和在出廠前完成對準(zhǔn)的反饋裝置集成到一個帶有精密軸承的外殼中，屬于一種完整的解決方案。一體化直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機對于負(fù)載可以騎跨在電機軸承上的應(yīng)用來說極為理想。對于已經(jīng)使用了軸承的電機而言，用戶需要把電機連接到負(fù)載上，或者讓3個或更多的軸承完成對準(zhǔn)，這將是一項繁重、費時的工作。因此，一體化直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機一般用于分度和速率轉(zhuǎn)臺應(yīng)用。

綜上，直驅(qū)電機具有如下優(yōu)勢

直接驅(qū)動。電機與被驅(qū)動工件之間，直接采用剛性連接，無需絲桿、齒輪、減速機等中間環(huán)節(jié)，最大程度上避免了傳動絲桿傳動系統(tǒng)存在的反向間隙、慣性、摩擦力以及剛性不足的問題。

高速度。直線電機的正常高峰速度可達(dá)5-10m/s，傳統(tǒng)滾珠絲桿，速度一般限制于1m/s，產(chǎn)生的磨損量也較高。

高加速度。由于動子和定子之間無接觸摩擦，直線電機能達(dá)到較高的加速度，較大的直線電機有能力做到加速度3-5g，更小的直線電機可以做到30-50g以上(焊線機)。

高精度。由于采用直接驅(qū)動技術(shù)，大大減小了中間機械傳動系統(tǒng)帶來的誤差。采用高精度的光柵檢測進(jìn)行位置定位，提高系統(tǒng)精度，可使得重復(fù)定位精度達(dá)到1um以內(nèi)，滿足超精密場合的應(yīng)用。

運動速度范圍寬。直線電機運行的速度最低可實現(xiàn)1um/s，最高可實現(xiàn)10m/s，滿足各種場合需求。

噪音小，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)成本低，可運行于無塵環(huán)境等等。

在無框架和一體化直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機的基礎(chǔ)上，又更新出了一款模塊化直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機。

模塊化直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機

大多數(shù)直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機所面臨的相關(guān)挑戰(zhàn)是，如果將封閉式或無框架直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)解決方案應(yīng)用于傳統(tǒng)型伺服電機系統(tǒng)，可能導(dǎo)致相關(guān)成本的增加。為了解決這個難題，一種新型直接驅(qū)動選擇技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)。此種新型技術(shù)被稱為模塊化直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，該技術(shù)將無框架直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機的性能與全框架電機的安裝便捷性相結(jié)合。

模塊化直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機是一種全新的直接驅(qū)動解決方案，其結(jié)構(gòu)包括一個獨特的無軸承外殼以及外殼中集成的轉(zhuǎn)子、定子和出廠前完成了對準(zhǔn)的高分辨率反饋裝置。圓筒式直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機技術(shù)的應(yīng)用消除了機械傳動部件，既保留了直接驅(qū)動所有的優(yōu)點，又避開了傳統(tǒng)的封閉式或者無框架直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機解決方案復(fù)雜而昂貴的缺點。模塊化的直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機利用新穎的壓縮聯(lián)結(jié)裝置來將轉(zhuǎn)子與軸連接到一起，并且附帶提供一種獨特的夾頭設(shè)計，從而實現(xiàn)了“即裝即用”，所花時間不到30分鐘。

模塊化技術(shù)的優(yōu)勢，連同其有競爭力的價位和總壽命成本方面的顯著降低，將加速直接驅(qū)動技術(shù)在諸多領(lǐng)域中的新機器設(shè)計中的應(yīng)用，如冶煉、包裝、印刷、半導(dǎo)體和工廠自動化。

當(dāng)前主流的協(xié)作機器人都采用“模塊化”思想的關(guān)節(jié)設(shè)計，采用直驅(qū)電機+諧波減速器的方式，每個關(guān)節(jié)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一致，只是大小不太一樣，例如iiwa的每個軸基本都是下圖這樣：


每一個關(guān)節(jié)中都包含了電機、伺服驅(qū)動、諧波減速器、電機端編碼器、關(guān)節(jié)端位置傳感器和力矩傳感器，電機和減速器采用直連。

協(xié)作機器人將成為未來發(fā)展的主流機器人，其要滿足目前機器人的新興市場的主要客戶——中小企業(yè)。當(dāng)人與協(xié)作機器人共同工作的時候，安全是首要考慮的指標(biāo)之一，安全意味著動能小，為了減少機器人運動時的動能，協(xié)作機器人就要較輕，結(jié)構(gòu)簡單。

在小型機械臂中，通常需要使用無框直接驅(qū)動電機，以減小機器人關(guān)節(jié)的尺寸、減輕機器人重量，并提升其動作效率。而使用直接驅(qū)動電機，也會帶來一個新的問題，就是較高的技術(shù)實施難度和應(yīng)用集成成本。

這一方面是因為無框電機本身復(fù)雜的操作使用流程，另一方面，在設(shè)計制造機器人過程中，需要將力矩電機、編碼器反饋、制動抱閘和諧波減速機等多個零散的運控傳動組件集成到機器人關(guān)節(jié)這個尺寸極為有限的狹小空間中，同時還必須確保機械臂快速、靈活和可靠的運動性能。由此而帶來的超長開發(fā)周期和高昂制造成本，在一定程度上阻礙了小型關(guān)節(jié)機器人的廣泛應(yīng)用和普及。

這就引出了另一類產(chǎn)品——機器人關(guān)節(jié)模組。

機器人關(guān)節(jié)模組

這款RGM 機器人關(guān)節(jié)模組， 體積僅一只拳頭大小。側(cè)面看，其外形框架呈 T 字型。下方為模組的法蘭底座，用于將其安裝在上一級機械臂的端部，左側(cè)為電機端蓋，右側(cè)為電機軸輸出，連接下一級機械臂。


此款 RGM 將包括伺服驅(qū)動器、無框直驅(qū)電機、諧波減速機、反饋編碼器和制動器抱閘等在內(nèi)的多個機器人關(guān)節(jié)核心部件連接整合在一起，集成在一個模塊化組件中，并被設(shè)計封裝成適合機器人關(guān)節(jié)的 90° 轉(zhuǎn)角外形樣式，可以作為一個完整的關(guān)節(jié)總成直接用在工業(yè)機器人的機械臂上。

這就是說，用戶在設(shè)計和制造機器人時，可以不必考慮復(fù)雜的機械臂關(guān)節(jié)連接和動力集成，直接使用 RGM 關(guān)節(jié)模組連接和驅(qū)動機械臂，從而省去大量零散組件的設(shè)計、安裝、集成和測試等一系列復(fù)雜步驟和流程，尤其是，無需再為無框力矩電機的使用而消耗大量工時。

動力配置方面，由于每臺關(guān)節(jié)模組內(nèi)部都集成了電機驅(qū)動器，采用 48V 直流動力電源和 CANopen 控制總線，所以，如果使用 RGM 關(guān)節(jié)模組，便無需再為機器人的各個關(guān)節(jié)軸配備單獨的伺服驅(qū)動器，只需要使用集成 CANopen 總線的機器人運動控制器即可。這將節(jié)省大量電氣柜安裝空間，讓設(shè)備系統(tǒng)變得更加緊湊。

再看電氣連接，因為多個關(guān)節(jié)模組的電源和通訊端口，是可以按照鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)串行連接的，加之 RGM 使用了空心軸無框電機和諧波減速機，這樣，集成了 RGM 關(guān)節(jié)模組的機器人手臂，其電氣線纜是可以直接串聯(lián)敷設(shè)在機械臂空腔內(nèi)部的，而不是像傳統(tǒng)機器人那樣并排掛在機械臂表面。這樣不僅讓機器人外觀變得十分簡潔，更重要的是，因為在關(guān)節(jié)處并沒有多根并聯(lián)電纜的扭轉(zhuǎn)彎折，從而降低了機器人工作時的運動負(fù)載。同時，更少的線纜數(shù)量還將會減輕機械臂的重量，這些都有助于提升機器人的工作效率。


RGM 采用了 19 位 Biss 反饋，可以達(dá)到 0.001° 的重復(fù)定位精度。同時，RGM 內(nèi)部在輸入端和輸出端分別各有一個編碼器，通過比較兩個編碼器的位置和速度反饋，參照驅(qū)動電流和電機扭矩的輸出，可以判斷出模組所在關(guān)節(jié)受到外界作用力的大小，將這一系列數(shù)據(jù)信息反饋給控制器，就能夠在不額外增加輔助傳感器的情況下，很方便的實現(xiàn)對機器人的安全控制。

如此看來，通過將多個零散的機械臂關(guān)節(jié)組件整合封裝在一個集成模組中，RGM 實際相當(dāng)于是一套用于機器人關(guān)節(jié)的一站式解決方案。這種集成模組化關(guān)節(jié)部件，將很有可能徹底改變工業(yè)機器人的制造流程，因為相比傳統(tǒng)的機器人制造方法，使用 RGM 這種集成式關(guān)節(jié)模組，將極大簡化機器人關(guān)節(jié)的動力集成，并降低工業(yè)機器人的開發(fā)和應(yīng)用門檻，讓機器人制造商更加專注于其機器人應(yīng)用場景的開發(fā)，而不是糾結(jié)于復(fù)雜的動力機械組件。