IFR曾給過預(yù)測(cè)，稱隨著服務(wù)機(jī)器人的不斷滲透，預(yù)計(jì)未來行業(yè)將持續(xù)增長(zhǎng)，至2023年銷量將超過50萬臺(tái)，銷售額預(yù)計(jì)達(dá)到277億美元。BuyShares的預(yù)測(cè)則更為樂觀，稱兩年內(nèi)市場(chǎng)將增長(zhǎng)30%，銷售額超過300億美元。

　　與應(yīng)用局限于工廠等指定場(chǎng)所的工業(yè)用機(jī)器人相比，服務(wù)機(jī)器人因著眼于感知、決策與執(zhí)行高技術(shù)，完成有益于人類的服務(wù)工作，所覆蓋的場(chǎng)景和可實(shí)現(xiàn)的功能將十分廣泛，擁有更多想象空間。

　　作為機(jī)器人的動(dòng)力來源，電機(jī)直接影響其有效負(fù)載、工作半徑等關(guān)鍵參數(shù)，其設(shè)計(jì)上的技術(shù)選擇和性能取舍將直接關(guān)系機(jī)器人的性能和應(yīng)用范圍，服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)的潛在應(yīng)用也將對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)提出更多要求。

　　基于集萃智造多年的電機(jī)研究和產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)目前無刷電機(jī)因體積小、重量輕、出力大、響應(yīng)快、速度高、慣量小、轉(zhuǎn)動(dòng)平滑、力矩穩(wěn)定、實(shí)現(xiàn)智能化、換相方式靈活、免維護(hù)，效率很高，運(yùn)行溫度低，電磁輻射很小，長(zhǎng)壽命，可用于各種環(huán)境等一系列優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域，在服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用中前景可觀。

　　一般意義上，在面向服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，以下三點(diǎn)需要特別注意。

圖 | 集萃智造自研永磁無刷力矩電機(jī)

　　01 顏值和性能都要——中空設(shè)計(jì)大輸出

　　功率密度是電機(jī)單位體積產(chǎn)生的功率數(shù)量(能量傳輸時(shí)間速率)，功率越大并且(或者) 電機(jī)外形尺寸越小，功率密度就越高。

　　目前，受產(chǎn)品小型化、輕量化等要求影響，機(jī)器人產(chǎn)品電機(jī)空間一般比較受限。此時(shí)在進(jìn)行機(jī)器人電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，使用盡可能小的空間提供盡可能高的功率輸出就是我們的目標(biāo)，因此功率密度是我們?cè)谠O(shè)計(jì)電機(jī)的重要考慮因素之一。

圖 | 電機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)

　　一般在進(jìn)行服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)時(shí)，為減小體積、重量，節(jié)約布局空間， 無框電機(jī)方案是進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)的主流選擇。

　　這里根據(jù)計(jì)算公式，氣隙半徑與扭矩成正相關(guān)，氣隙半徑越大，扭矩值越大。扭矩的平方值與氣隙半徑的三次方值成正相關(guān)關(guān)系，所以為提高功率扭矩密度，氣隙半徑的選擇很關(guān)鍵。

圖 | 氣隙半徑計(jì)算方法

　　02 兩大法寶——低速平穩(wěn)、爆發(fā)力強(qiáng)

　　考慮到服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景需求，電機(jī)的低速平穩(wěn)性和短時(shí)過載能力一般需要多做考慮。

　　在低速平穩(wěn)性這項(xiàng)重要考量指標(biāo)上，對(duì)其造成影響的主要原因是電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，包括電動(dòng)勢(shì)或電流非正弦引起的紋波轉(zhuǎn)矩和齒槽轉(zhuǎn)矩。其中，非正弦引起的紋波轉(zhuǎn)矩主要由電流換向、電磁因素、電樞反應(yīng)等原因造成。

　　永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩影響可以通過電機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行改善，目前在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，主要改善的方法有：(1)優(yōu)化極槽數(shù)組合;(2)采用斜極和斜槽;(3)優(yōu)化極弧系數(shù);(4)采用不等厚磁極;(5)磁極分段布置。其他方法基于成本等因素考慮使用較少。

　　目前的服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域，特別是足式機(jī)器人等應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)電機(jī)的短時(shí)過載能力和峰值扭矩密度要求更高。言下之意，在做此類電機(jī)的挑選時(shí)，關(guān)鍵需要考慮的是，電機(jī)設(shè)計(jì)者如何處理溫度這一變量。

　　在冷卻方案的選擇上，服務(wù)機(jī)器人的電機(jī)追求扭矩輸出密度，即單位體積或質(zhì)量下的輸出功率，這意味著油冷水冷等增加整機(jī)質(zhì)量的冷卻方式不太可能作為優(yōu)選。

　　在足式機(jī)器人場(chǎng)景中，相比于液壓、氣動(dòng)等傳動(dòng)方式，電驅(qū)動(dòng)在密度輸出上仍然具有天然的弱勢(shì)。

　　目前，市面一般通過提高磁密、降低電流負(fù)荷、輕量化設(shè)計(jì)、提高材料性能等思路來提高輸出密度。在電驅(qū)動(dòng)扭矩輸出密度提升上，市場(chǎng)上也已經(jīng)出現(xiàn)很多折中方案，并取得了不錯(cuò)的效果，不過如何提高電機(jī)的扭矩密度將一直是行業(yè)研究的熱點(diǎn)。

　　03 關(guān)節(jié)要靈活——伺服帶寬的度量

　　在伺服系統(tǒng)中，伺服帶寬是系統(tǒng)快速響應(yīng)和抑制擾動(dòng)能力的度量，直接決定了關(guān)節(jié)的加速性能。伺服帶寬參數(shù)衡量著其對(duì)變化的輸入指令的響應(yīng)速度，也決定了它能夠以多快的速度去響應(yīng)位置、速度或扭矩方面參數(shù)如反饋、誤差等的變化。

　　對(duì)于電機(jī)本體設(shè)計(jì)來說，在對(duì)伺服帶寬參數(shù)進(jìn)行計(jì)算的過程中，機(jī)械時(shí)間常數(shù)是一個(gè)重要的參考量。它指的是機(jī)械系統(tǒng)從零加速到額定轉(zhuǎn)速時(shí)被系統(tǒng)的機(jī)械慣性所延時(shí)的時(shí)間。

　　最后

　　目前，針對(duì)協(xié)作機(jī)器人、足式機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人和飛行機(jī)器人，集萃智造團(tuán)隊(duì)傾心打造的電機(jī)，在可靠性、控制靈敏度、運(yùn)行平滑、低速啟動(dòng)性能等方面均具備一定優(yōu)勢(shì)，媲美國(guó)外同類產(chǎn)品。

　　其中，我們的輕型協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)品采用的是自研的電機(jī)，并廣泛應(yīng)用在新零售等服務(wù)場(chǎng)景中。集萃智造長(zhǎng)期專注于機(jī)器人研發(fā)，從驅(qū)控一體化關(guān)節(jié)、高精度磁編碼器等關(guān)鍵零部件，到輕型協(xié)作機(jī)器人、無人消毒殺菌車等產(chǎn)品，以及自動(dòng)化產(chǎn)線的打造，公司均有深厚積累，歡迎大家詢問和交流。