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(jī)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(xiàn)代社會(huì)最為重要的部件，全世界90%的能源是由電機(jī)發(fā)出來(lái)的，而70%是由電機(jī)消耗調(diào)的，電機(jī)可以說(shuō)是整個(gè)人類社會(huì)能源循環(huán)的占有絕對(duì)地位的產(chǎn)品。

普通伺服電機(jī)


伺服電機(jī)其實(shí)已經(jīng)算是電動(dòng)機(jī)中比較高端的類型，特別是永磁同步類型的伺服電機(jī)，由于其啟動(dòng)快速，慣量低，平滑的運(yùn)行，調(diào)速范圍寬，功率密度高，效率高等優(yōu)勢(shì)，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(jī)的傳動(dòng)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(jī)的傳動(dòng)方式因?yàn)橛袀鲃?dòng)間隙，會(huì)導(dǎo)致高精度的場(chǎng)合可能的累計(jì)誤差，因此對(duì)于伺服電機(jī)和伺服驅(qū)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。用戶不得不對(duì)更多的部件進(jìn)行庫(kù)存管理，其次這些附加的部件所造成的系統(tǒng)故障會(huì)增加系統(tǒng)計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間，使得機(jī)器的產(chǎn)量出現(xiàn)下降。

直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)

直接產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)作用的旋轉(zhuǎn)電機(jī)本質(zhì)上是一種大力矩的盤式永磁電機(jī)，它直接與負(fù)載連接。這種設(shè)計(jì)消除了所有機(jī)械傳動(dòng)部件，如齒輪變速箱、皮帶、滑輪和連軸器。直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)為設(shè)計(jì)者和使用者帶來(lái)了許多好處。因?yàn)橐粋€(gè)機(jī)械傳動(dòng)需要定期的維護(hù)而且會(huì)頻繁地造成計(jì)劃外停機(jī)，所以，直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)技術(shù)從根本上提高了機(jī)器的可靠性，減少了維護(hù)時(shí)間，降低了控制難度。

無(wú)框架直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)

無(wú)框架直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)是直驅(qū)電機(jī)技術(shù)的“祖父”，毫無(wú)疑問(wèn)，它們提供了目前最緊湊的機(jī)械伺服解決方案。無(wú)框架直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)采用了獨(dú)立的轉(zhuǎn)子和定子，而未使用軸承。這些零件成為機(jī)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(duì)于機(jī)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(lái)說(shuō)是理想的選擇。

這些電機(jī)就本質(zhì)上來(lái)說(shuō)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(jì)和集成時(shí)間。此外，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，電機(jī)或者反饋裝置的取出更換過(guò)程也極為復(fù)雜。因此，無(wú)框架直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(jī)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(duì)尺寸、重量或性能有著較高要求的高端工業(yè)應(yīng)用，如機(jī)器人或者精密研磨機(jī)。

一體化直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)

一體化直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，則是將轉(zhuǎn)子、定子和在出廠前完成對(duì)準(zhǔn)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(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)對(duì)于負(fù)載可以騎跨在電機(jī)軸承上的應(yīng)用來(lái)說(shuō)極為理想。對(duì)于已經(jīng)使用了軸承的電機(jī)而言，用戶需要把電機(jī)連接到負(fù)載上，或者讓3個(gè)或更多的軸承完成對(duì)準(zhǔn)，這將是一項(xiàng)繁重、費(fèi)時(shí)的工作。因此，一體化直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)一般用于分度和速率轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)用。

綜上，直驅(qū)電機(jī)具有如下優(yōu)勢(shì)

直接驅(qū)動(dòng)。電機(jī)與被驅(qū)動(dòng)工件之間，直接采用剛性連接，無(wú)需絲桿、齒輪、減速機(jī)等中間環(huán)節(jié)，最大程度上避免了傳動(dòng)絲桿傳動(dòng)系統(tǒng)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。直線電機(jī)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(dòng)子和定子之間無(wú)接觸摩擦，直線電機(jī)能達(dá)到較高的加速度，較大的直線電機(jī)有能力做到加速度3-5g，更小的直線電機(jī)可以做到30-50g以上(焊線機(jī))。

高精度。由于采用直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)，大大減小了中間機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)帶來(lái)的誤差。采用高精度的光柵檢測(cè)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(chǎng)合的應(yīng)用。

運(yùn)動(dòng)速度范圍寬。直線電機(jī)運(yùn)行的速度最低可實(shí)現(xiàn)1um/s，最高可實(shí)現(xiàn)10m/s，滿足各種場(chǎng)合需求。

噪音小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低，可運(yùn)行于無(wú)塵環(huán)境等等。

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

模塊化直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)

大多數(shù)直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)所面臨的相關(guān)挑戰(zhàn)是，如果將封閉式或無(wú)框架直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)解決方案應(yīng)用于傳統(tǒng)型伺服電機(jī)系統(tǒng)，可能導(dǎo)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(qū)動(dòng)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(dòng)旋轉(zhuǎn)，該技術(shù)將無(wú)框架直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的性能與全框架電機(jī)的安裝便捷性相結(jié)合。

模塊化直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)是一種全新的直接驅(qū)動(dòng)解決方案，其結(jié)構(gòu)包括一個(gè)獨(dú)特的無(wú)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(duì)準(zhǔn)的高分辨率反饋裝置。圓筒式直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用消除了機(jī)械傳動(dòng)部件，既保留了直接驅(qū)動(dòng)所有的優(yōu)點(diǎn)，又避開了傳統(tǒng)的封閉式或者無(wú)框架直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)解決方案復(fù)雜而昂貴的缺點(diǎn)。模塊化的直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)利用新穎的壓縮聯(lián)結(jié)裝置來(lái)將轉(zhuǎn)子與軸連接到一起，并且附帶提供一種獨(dú)特的夾頭設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)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(shì)，連同其有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)位和總壽命成本方面的顯著降低，將加速直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)在諸多領(lǐng)域中的新機(jī)器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，如冶煉、包裝、印刷、半導(dǎo)體和工廠自動(dòng)化。

當(dāng)前主流的協(xié)作機(jī)器人都采用“模塊化”思想的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，采用直驅(qū)電機(jī)+諧波減速器的方式，每個(gè)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(gè)軸基本都是下圖這樣：


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

協(xié)作機(jī)器人將成為未來(lái)發(fā)展的主流機(jī)器人，其要滿足目前機(jī)器人的新興市場(chǎng)的主要客戶——中小企業(yè)。當(dāng)人與協(xié)作機(jī)器人共同工作的時(shí)候，安全是首要考慮的指標(biāo)之一，安全意味著動(dòng)能小，為了減少機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能，協(xié)作機(jī)器人就要較輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

在小型機(jī)械臂中，通常需要使用無(wú)框直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以減小機(jī)器人關(guān)節(jié)的尺寸、減輕機(jī)器人重量，并提升其動(dòng)作效率。而使用直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，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(yīng)用集成成本。

這一方面是因?yàn)闊o(wú)框電機(jī)本身復(fù)雜的操作使用流程，另一方面，在設(shè)計(jì)制造機(jī)器人過(guò)程中，需要將力矩電機(jī)、編碼器反饋、制動(dòng)抱閘和諧波減速機(jī)等多個(gè)零散的運(yùn)控傳動(dòng)組件集成到機(jī)器人關(guān)節(jié)這個(gè)尺寸極為有限的狹小空間中，同時(shí)還必須確保機(jī)械臂快速、靈活和可靠的運(yùn)動(dòng)性能。由此而帶來(lái)的超長(zhǎng)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(jī)器人的廣泛應(yīng)用和普及。

這就引出了另一類產(chǎn)品——機(jī)器人關(guān)節(jié)模組。

機(jī)器人關(guān)節(jié)模組

這款RGM 機(jī)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(jí)機(jī)械臂的端部，左側(cè)為電機(jī)端蓋，右側(cè)為電機(jī)軸輸出，連接下一級(jí)機(jī)械臂。


此款 RGM 將包括伺服驅(qū)動(dòng)器、無(wú)框直驅(qū)電機(jī)、諧波減速機(jī)、反饋編碼器和制動(dòng)器抱閘等在內(nèi)的多個(gè)機(jī)器人關(guān)節(jié)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(shè)計(jì)封裝成適合機(jī)器人關(guān)節(jié)的 90° 轉(zhuǎn)角外形樣式，可以作為一個(gè)完整的關(guān)節(jié)總成直接用在工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械臂上。

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

動(dòng)力配置方面，由于每臺(tái)關(guān)節(jié)模組內(nèi)部都集成了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，采用 48V 直流動(dòng)力電源和 CANopen 控制總線，所以，如果使用 RGM 關(guān)節(jié)模組，便無(wú)需再為機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)軸配備單獨(dú)的伺服驅(qū)動(dòng)器，只需要使用集成 CANopen 總線的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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?yàn)槎鄠€(gè)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(wú)框電機(jī)和諧波減速機(jī)，這樣，集成了 RGM 關(guān)節(jié)模組的機(jī)器人手臂，其電氣線纜是可以直接串聯(lián)敷設(shè)在機(jī)械臂空腔內(nèi)部的，而不是像傳統(tǒng)機(jī)器人那樣并排掛在機(jī)械臂表面。這樣不僅讓機(jī)器人外觀變得十分簡(jiǎn)潔，更重要的是，因?yàn)樵陉P(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(jī)器人工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)負(fù)載。同時(shí)，更少的線纜數(shù)量還將會(huì)減輕機(jī)械臂的重量，這些都有助于提升機(jī)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(shí)，RGM 內(nèi)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(qū)動(dòng)電流和電機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的安全控制。

如此看來(lái)，通過(guò)將多個(gè)零散的機(jī)械臂關(guān)節(jié)組件整合封裝在一個(gè)集成模組中，RGM 實(shí)際相當(dāng)于是一套用于機(jī)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(jī)器人的制造流程，因?yàn)橄啾葌鹘y(tǒng)的機(jī)器人制造方法，使用 RGM 這種集成式關(guān)節(jié)模組，將極大簡(jiǎn)化機(jī)器人關(guān)節(jié)的動(dòng)力集成，并降低工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)和應(yīng)用門檻，讓機(jī)器人制造商更加專注于其機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景的開發(fā)，而不是糾結(jié)于復(fù)雜的動(dòng)力機(jī)械組件。