如果說(shuō)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(shuō)是支撐了整個(gè)自動(dòng)化和大工業(yè)生產(chǎn)以及現代社會(huì )最為重要的部件，全世界90%的能源是由電機發(fā)出來(lái)的，而70%是由電機消耗調的，電機可以說(shuō)是整個(gè)人類(lèi)社會(huì )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(shí)已經(jīng)算是電動(dòng)機中比較高端的類(lèi)型，特別是永磁同步類(lèi)型的伺服電機，由于其啟動(dòng)快速，慣量低，平滑的運行，調速范圍寬，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，大多數伺服應用采用了減速器+電機的傳動(dòng)方式。傳統系統的初始成本具有吸引力，而且性能已經(jīng)在各種不同應用中得到了廣泛應用，減速器+電機的傳動(dòng)方式因為有傳動(dòng)間隙，會(huì )導致高精度的場(chǎng)合可能的累計誤差，因此對于伺服電機和伺服驅動(dòng)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(hù)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故障會(huì )增加系統計劃外停機時(shí)間，使得機器的產(chǎn)量出現下降。

直接驅動(dòng)旋轉電機

直接產(chǎn)生驅動(dòng)作用的旋轉電機本質(zhì)上是一種大力矩的盤(pán)式永磁電機，它直接與負載連接。這種設計消除了所有機械傳動(dòng)部件，如齒輪變速箱、皮帶、滑輪和連軸器。直接驅動(dòng)旋轉系統為設計者和使用者帶來(lái)了許多好處。因為一個(gè)機械傳動(dòng)需要定期的維護而且會(huì )頻繁地造成計劃外停機，所以，直接驅動(dòng)旋轉電機技術(shù)從根本上提高了機器的可靠性，減少了維護時(shí)間，降低了控制難度。

無(wú)框架直接驅動(dòng)旋轉電機

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

這些電機就本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是專(zhuān)門(mén)定制的，因此更為昂貴，需要數周、甚至數月的設計和集成時(shí)間。此外，一旦系統出現故障，電機或者反饋裝置的取出更換過(guò)程也極為復雜。因此，無(wú)框架直接驅動(dòng)旋轉電機技術(shù)并非適用于每一種應用，它最廣泛的應用是在機載和地面車(chē)輛方面，如夜視裝置、雷達系統和武器系統的瞄準控制，以及那些對尺寸、重量或性能有著(zhù)較高要求的高端工業(yè)應用，如機器人或者精密研磨機。

一體化直接驅動(dòng)旋轉電機

一體化直接驅動(dòng)旋轉電機，則是將轉子、定子和在出廠(chǎng)前完成對準的反饋裝置集成到一個(gè)帶有精密軸承的外殼中，屬于一種完整的解決方案。一體化直接驅動(dòng)旋轉電機對于負載可以騎跨在電機軸承上的應用來(lái)說(shuō)極為理想。對于已經(jīng)使用了軸承的電機而言，用戶(hù)需要把電機連接到負載上，或者讓3個(gè)或更多的軸承完成對準，這將是一項繁重、費時(shí)的工作。因此，一體化直接驅動(dòng)旋轉電機一般用于分度和速率轉臺應用。

綜上，直驅電機具有如下優(yōu)勢

直接驅動(dòng)。電機與被驅動(dòng)工件之間，直接采用剛性連接，無(wú)需絲桿、齒輪、減速機等中間環(huán)節，最大程度上避免了傳動(dòng)絲桿傳動(dòng)系統存在的反向間隙、慣性、摩擦力以及剛性不足的問(wèn)題。

高速度。直線(xiàn)電機的正常高峰速度可達5-10m/s，傳統滾珠絲桿，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(dòng)子和定子之間無(wú)接觸摩擦，直線(xiàn)電機能達到較高的加速度，較大的直線(xiàn)電機有能力做到加速度3-5g，更小的直線(xiàn)電機可以做到30-50g以上(焊線(xiàn)機)。

高精度。由于采用直接驅動(dòng)技術(shù)，大大減小了中間機械傳動(dòng)系統帶來(lái)的誤差。采用高精度的光柵檢測進(jìn)行位置定位，提高系統精度，可使得重復定位精度達到1um以?xún)?，滿(mǎn)足超精密場(chǎng)合的應用。

運動(dòng)速度范圍寬。直線(xiàn)電機運行的速度最低可實(shí)現1um/s，最高可實(shí)現10m/s，滿(mǎn)足各種場(chǎng)合需求。

噪音小，結構簡(jiǎn)單，維護成本低，可運行于無(wú)塵環(huán)境等等。

在無(wú)框架和一體化直接驅動(dòng)旋轉電機的基礎上，又更新出了一款模塊化直接驅動(dòng)旋轉電機。

模塊化直接驅動(dòng)旋轉電機

大多數直接驅動(dòng)旋轉電機所面臨的相關(guān)挑戰是，如果將封閉式或無(wú)框架直接驅動(dòng)旋轉解決方案應用于傳統型伺服電機系統，可能導致相關(guān)成本的增加。為了解決這個(gè)難題，一種新型直接驅動(dòng)選擇技術(shù)已經(jīng)出現。此種新型技術(shù)被稱(chēng)為模塊化直接驅動(dòng)旋轉，該技術(shù)將無(wú)框架直接驅動(dòng)旋轉電機的性能與全框架電機的安裝便捷性相結合。

模塊化直接驅動(dòng)旋轉電機是一種全新的直接驅動(dòng)解決方案，其結構包括一個(gè)獨特的無(wú)軸承外殼以及外殼中集成的轉子、定子和出廠(chǎng)前完成了對準的高分辨率反饋裝置。圓筒式直接驅動(dòng)旋轉電機技術(shù)的應用消除了機械傳動(dòng)部件，既保留了直接驅動(dòng)所有的優(yōu)點(diǎn)，又避開(kāi)了傳統的封閉式或者無(wú)框架直接驅動(dòng)旋轉電機解決方案復雜而昂貴的缺點(diǎn)。模塊化的直接驅動(dòng)旋轉電機利用新穎的壓縮聯(lián)結裝置來(lái)將轉子與軸連接到一起，并且附帶提供一種獨特的夾頭設計，從而實(shí)現了“即裝即用”，所花時(shí)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(jià)位和總壽命成本方面的顯著(zhù)降低，將加速直接驅動(dòng)技術(shù)在諸多領(lǐng)域中的新機器設計中的應用，如冶煉、包裝、印刷、半導體和工廠(chǎng)自動(dòng)化。

當前主流的協(xié)作機器人都采用“模塊化”思想的關(guān)節設計，采用直驅電機+諧波減速器的方式，每個(gè)關(guān)節的內部結構基本一致，只是大小不太一樣，例如iiwa的每個(gè)軸基本都是下圖這樣：


每一個(gè)關(guān)節中都包含了電機、伺服驅動(dòng)、諧波減速器、電機端編碼器、關(guān)節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(lái)發(fā)展的主流機器人，其要滿(mǎn)足目前機器人的新興市場(chǎng)的主要客戶(hù)——中小企業(yè)。當人與協(xié)作機器人共同工作的時(shí)候，安全是首要考慮的指標之一，安全意味著(zhù)動(dòng)能小，為了減少機器人運動(dòng)時(shí)的動(dòng)能，協(xié)作機器人就要較輕，結構簡(jiǎn)單。

在小型機械臂中，通常需要使用無(wú)框直接驅動(dòng)電機，以減小機器人關(guān)節的尺寸、減輕機器人重量，并提升其動(dòng)作效率。而使用直接驅動(dòng)電機，也會(huì )帶來(lái)一個(gè)新的問(wèn)題，就是較高的技術(shù)實(shí)施難度和應用集成成本。

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

這就引出了另一類(lèi)產(chǎn)品——機器人關(guān)節模組。

機器人關(guān)節模組

這款RGM 機器人關(guān)節模組， 體積僅一只拳頭大小。側面看，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，左側為電機端蓋，右側為電機軸輸出，連接下一級機械臂。


此款 RGM 將包括伺服驅動(dòng)器、無(wú)框直驅電機、諧波減速機、反饋編碼器和制動(dòng)器抱閘等在內的多個(gè)機器人關(guān)節核心部件連接整合在一起，集成在一個(gè)模塊化組件中，并被設計封裝成適合機器人關(guān)節的 90° 轉角外形樣式，可以作為一個(gè)完整的關(guān)節總成直接用在工業(yè)機器人的機械臂上。

這就是說(shuō)，用戶(hù)在設計和制造機器人時(shí)，可以不必考慮復雜的機械臂關(guān)節連接和動(dòng)力集成，直接使用 RGM 關(guān)節模組連接和驅動(dòng)機械臂，從而省去大量零散組件的設計、安裝、集成和測試等一系列復雜步驟和流程，尤其是，無(wú)需再為無(wú)框力矩電機的使用而消耗大量工時(shí)。

動(dòng)力配置方面，由于每臺關(guān)節模組內部都集成了電機驅動(dòng)器，采用 48V 直流動(dòng)力電源和 CANopen 控制總線(xiàn)，所以，如果使用 RGM 關(guān)節模組，便無(wú)需再為機器人的各個(gè)關(guān)節軸配備單獨的伺服驅動(dòng)器，只需要使用集成 CANopen 總線(xiàn)的機器人運動(dòng)控制器即可。這將節省大量電氣柜安裝空間，讓設備系統變得更加緊湊。

再看電氣連接，因為多個(gè)關(guān)節模組的電源和通訊端口，是可以按照鏈式拓撲結構串行連接的，加之 RGM 使用了空心軸無(wú)框電機和諧波減速機，這樣，集成了 RGM 關(guān)節模組的機器人手臂，其電氣線(xiàn)纜是可以直接串聯(lián)敷設在機械臂空腔內部的，而不是像傳統機器人那樣并排掛在機械臂表面。這樣不僅讓機器人外觀(guān)變得十分簡(jiǎn)潔，更重要的是，因為在關(guān)節處并沒(méi)有多根并聯(lián)電纜的扭轉彎折，從而降低了機器人工作時(shí)的運動(dòng)負載。同時(shí)，更少的線(xiàn)纜數量還將會(huì )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，可以達到 0.001° 的重復定位精度。同時(shí)，RGM 內部在輸入端和輸出端分別各有一個(gè)編碼器，通過(guò)比較兩個(gè)編碼器的位置和速度反饋，參照驅動(dòng)電流和電機扭矩的輸出，可以判斷出模組所在關(guān)節受到外界作用力的大小，將這一系列數據信息反饋給控制器，就能夠在不額外增加輔助傳感器的情況下，很方便的實(shí)現對機器人的安全控制。

如此看來(lái)，通過(guò)將多個(gè)零散的機械臂關(guān)節組件整合封裝在一個(gè)集成模組中，RGM 實(shí)際相當于是一套用于機器人關(guān)節的一站式解決方案。這種集成模組化關(guān)節部件，將很有可能徹底改變工業(yè)機器人的制造流程，因為相比傳統的機器人制造方法，使用 RGM 這種集成式關(guān)節模組，將極大簡(jiǎn)化機器人關(guān)節的動(dòng)力集成，并降低工業(yè)機器人的開(kāi)發(fā)和應用門(mén)檻，讓機器人制造商更加專(zhuān)注于其機器人應用場(chǎng)景的開(kāi)發(fā)，而不是糾結于復雜的動(dòng)力機械組件。