模块化直驱电机及机器人关节模组

Posted 2021-04-27 慧摩森

如果说芯片是智能行业最为重要的核心元件，那么电机几乎可以说是支撑了整个自动化和大工业生产以及现代社会最为重要的部件，全世界90%的能源是由电机发出来的，而70%是由电机消耗调的，电机可以说是整个人类社会能源循环的占有绝对地位的产品。

普通伺服电机

伺服电机其实已经算是电动机中比较高端的类型，特别是永磁同步类型的伺服电机，由于其启动快速，惯量低，平滑的运行，调速范围宽，功率密度高，效率高等优势，在高端装备中的普及率在逐年增加，大多数伺服应用采用了减速器+电机的传动方式。传统系统的初始成本具有吸引力，而且性能已经在各种不同应用中得到了广泛应用，减速器+电机的传动方式因为有传动间隙，会导致高精度的场合可能的累计误差，因此对于伺服电机和伺服驱动器的要求尤其高，而且减速器的寿命也在减少，这也增加了总寿命成本。用户不得不对更多的部件进行库存管理，其次这些附加的部件所造成的系统故障会增加系统计划外停机时间，使得机器的产量出现下降。

直接驱动旋转电机

直接产生驱动作用的旋转电机本质上是一种大力矩的盘式永磁电机，它直接与负载连接。这种设计消除了所有机械传动部件，如齿轮变速箱、皮带、滑轮和连轴器。直接驱动旋转系统为设计者和使用者带来了许多好处。因为一个机械传动需要定期的维护而且会频繁地造成计划外停机，所以，直接驱动旋转电机技术从根本上提高了机器的可靠性，减少了维护时间，降低了控制难度。

无框架直接驱动旋转电机

无框架直接驱动旋转电机是直驱电机技术的“祖父”，毫无疑问，它们提供了目前最紧凑的机械伺服解决方案。无框架直接驱动旋转电机采用了独立的转子和定子，而未使用轴承。这些零件成为机器的一个整体组成部分，另外还包括了必要的反馈装置。它们对于机器预留空间有限或者总重量有着关键影响的应用来说是理想的选择。

这些电机就本质上来说是专门定制的，因此更为昂贵，需要数周、甚至数月的设计和集成时间。此外，一旦系统出现故障，电机或者反馈装置的取出更换过程也极为复杂。因此，无框架直接驱动旋转电机技术并非适用于每一种应用，它最广泛的应用是在机载和地面车辆方面，如夜视装置、雷达系统和武器系统的瞄准控制，以及那些对尺寸、重量或性能有着较高要求的高端工业应用，如机器人或者精密研磨机。

一体化直接驱动旋转电机

一体化直接驱动旋转电机，则是将转子、定子和在出厂前完成对准的反馈装置集成到一个带有精密轴承的外壳中，属于一种完整的解决方案。一体化直接驱动旋转电机对于负载可以骑跨在电机轴承上的应用来说极为理想。对于已经使用了轴承的电机而言，用户需要把电机连接到负载上，或者让3个或更多的轴承完成对准，这将是一项繁重、费时的工作。因此，一体化直接驱动旋转电机一般用于分度和速率转台应用。

综上，直驱电机具有如下优势

• 直接驱动。电机与被驱动工件之间，直接采用刚性连接，无需丝杆、齿轮、减速机等中间环节，最大程度上避免了传动丝杆传动系统存在的反向间隙、惯性、摩擦力以及刚性不足的问题。

• 高速度。直线电机的正常高峰速度可达5-10m/s，传统滚珠丝杆，速度一般限制于1m/s，产生的磨损量也较高。

• 高加速度。由于动子和定子之间无接触摩擦，直线电机能达到较高的加速度，较大的直线电机有能力做到加速度3-5g，更小的直线电机可以做到30-50g以上(焊线机)。

• 高精度。由于采用直接驱动技术，大大减小了中间机械传动系统带来的误差。采用高精度的光栅检测进行位置定位，提高系统精度，可使得重复定位精度达到1um以内，满足超精密场合的应用。

• 运动速度范围宽。直线电机运行的速度最低可实现1um/s，最高可实现10m/s，满足各种场合需求。

• 噪音小，结构简单，维护成本低，可运行于无尘环境等等。

在无框架和一体化直接驱动旋转电机的基础上，又更新出了一款模块化直接驱动旋转电机。

模块化直接驱动旋转电机

大多数直接驱动旋转电机所面临的相关挑战是，如果将封闭式或无框架直接驱动旋转解决方案应用于传统型伺服电机系统，可能导致相关成本的增加。为了解决这个难题，一种新型直接驱动选择技术已经出现。此种新型技术被称为模块化直接驱动旋转，该技术将无框架直接驱动旋转电机的性能与全框架电机的安装便捷性相结合。

模块化直接驱动旋转电机是一种全新的直接驱动解决方案，其结构包括一个独特的无轴承外壳以及外壳中集成的转子、定子和出厂前完成了对准的高分辨率反馈装置。圆筒式直接驱动旋转电机技术的应用消除了机械传动部件，既保留了直接驱动所有的优点，又避开了传统的封闭式或者无框架直接驱动旋转电机解决方案复杂而昂贵的缺点。模块化的直接驱动旋转电机利用新颖的压缩联结装置来将转子与轴连接到一起，并且附带提供一种独特的夹头设计，从而实现了“即装即用”，所花时间不到30分钟。

模块化技术的优势，连同其有竞争力的价位和总寿命成本方面的显著降低，将加速直接驱动技术在诸多领域中的新机器设计中的应用，如冶炼、包装、印刷、半导体和工厂自动化。

当前主流的协作机器人都采用“模块化”思想的关节设计，采用直驱电机+谐波减速器的方式，每个关节的内部结构基本一致，只是大小不太一样，例如iiwa的每个轴基本都是下图这样：

每一个关节中都包含了电机、伺服驱动、谐波减速器、电机端编码器、关节端位置传感器和力矩传感器，电机和减速器采用直连。

协作机器人将成为未来发展的主流机器人，其要满足目前机器人的新兴市场的主要客户——中小企业。当人与协作机器人共同工作的时候，安全是首要考虑的指标之一，安全意味着动能小，为了减少机器人运动时的动能，协作机器人就要较轻，结构简单。

在小型机械臂中，通常需要使用无框直接驱动电机，以减小机器人关节的尺寸、减轻机器人重量，并提升其动作效率。而使用直接驱动电机，也会带来一个新的问题，就是较高的技术实施难度和应用集成成本。

这一方面是因为无框电机本身复杂的操作使用流程，另一方面，在设计制造机器人过程中，需要将力矩电机、编码器反馈、制动抱闸和谐波减速机等多个零散的运控传动组件集成到机器人关节这个尺寸极为有限的狭小空间中，同时还必须确保机械臂快速、灵活和可靠的运动性能。由此而带来的超长开发周期和高昂制造成本，在一定程度上阻碍了小型关节机器人的广泛应用和普及。

这就引出了另一类产品——机器人关节模组。

机器人关节模组

这款RGM 机器人关节模组， 体积仅一只拳头大小。侧面看，其外形框架呈 T 字型。下方为模组的法兰底座，用于将其安装在上一级机械臂的端部，左侧为电机端盖，右侧为电机轴输出，连接下一级机械臂。

此款 RGM 将包括伺服驱动器、无框直驱电机、谐波减速机、反馈编码器和制动器抱闸等在内的多个机器人关节核心部件连接整合在一起，集成在一个模块化组件中，并被设计封装成适合机器人关节的 90° 转角外形样式，可以作为一个完整的关节总成直接用在工业机器人的机械臂上。

这就是说，用户在设计和制造机器人时，可以不必考虑复杂的机械臂关节连接和动力集成，直接使用 RGM 关节模组连接和驱动机械臂，从而省去大量零散组件的设计、安装、集成和测试等一系列复杂步骤和流程，尤其是，无需再为无框力矩电机的使用而消耗大量工时。

动力配置方面，由于每台关节模组内部都集成了电机驱动器，采用 48V 直流动力电源和 CANopen 控制总线，所以，如果使用 RGM 关节模组，便无需再为机器人的各个关节轴配备单独的伺服驱动器，只需要使用集成 CANopen 总线的机器人运动控制器即可。这将节省大量电气柜安装空间，让设备系统变得更加紧凑。

再看电气连接，因为多个关节模组的电源和通讯端口，是可以按照链式拓扑结构串行连接的，加之 RGM 使用了空心轴无框电机和谐波减速机，这样，集成了 RGM 关节模组的机器人手臂，其电气线缆是可以直接串联敷设在机械臂空腔内部的，而不是像传统机器人那样并排挂在机械臂表面。这样不仅让机器人外观变得十分简洁，更重要的是，因为在关节处并没有多根并联电缆的扭转弯折，从而降低了机器人工作时的运动负载。同时，更少的线缆数量还将会减轻机械臂的重量，这些都有助于提升机器人的工作效率。

RGM 采用了 19 位 Biss 反馈，可以达到 0.001° 的重复定位精度。同时，RGM 内部在输入端和输出端分别各有一个编码器，通过比较两个编码器的位置和速度反馈，参照驱动电流和电机扭矩的输出，可以判断出模组所在关节受到外界作用力的大小，将这一系列数据信息反馈给控制器，就能够在不额外增加辅助传感器的情况下，很方便的实现对机器人的安全控制。

如此看来，通过将多个零散的机械臂关节组件整合封装在一个集成模组中，RGM 实际相当于是一套用于机器人关节的一站式解决方案。这种集成模组化关节部件，将很有可能彻底改变工业机器人的制造流程，因为相比传统的机器人制造方法，使用 RGM 这种集成式关节模组，将极大简化机器人关节的动力集成，并降低工业机器人的开发和应用门槛，让机器人制造商更加专注于其机器人应用场景的开发，而不是纠结于复杂的动力机械组件。

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