机器人执行器 —— 电机介绍

在机器人系统中，执行器是将电能、液压能或气压能等转化为机械能的关键部件，而电机是最常用的执行器之一，广泛应用于机器人的运动控制（如关节转动、移动底盘驱动等）。以下从电机的作用、分类、关键参数及典型应用等方面进行详细介绍。

一、电机在机器人中的作用

电机的核心功能是将 electrical energy（电能）转化为 mechanical energy（机械能），为机器人提供动力，实现以下运动控制：

• 关节转动（如机械臂的肩关节、肘关节）；
• 移动机器人的前进、转向（如轮式机器人的驱动轮）；
• 末端执行器动作（如 gripper 抓取、工具旋转）；
• 精密操作（如摄像头云台转动、传感器微调）。

二、机器人常用电机分类

根据工作原理和结构，机器人中常用的电机可分为以下几类：

1. 直流电机（DC Motor）

• 原理：通过直流电流驱动，利用电磁感应使转子旋转，由定子（永磁体或励磁绕组）、转子（电枢绕组）和换向器组成。
• 特点：
  • 转速高（通常数千 RPM），但扭矩较小，需配合减速器使用；
  • 控制简单，通过电压调节转速（电压越高，转速越快）；
  • 成本低，适合对精度要求不高的场景。
• 细分类型：
  • 有刷直流电机：结构简单，但换向器易磨损，寿命较短，适合低成本小型机器人（如玩具机器人）；
  • 无刷直流电机（BLDC）：无换向器，靠电子换向，寿命长、效率高、噪音低，常用于中型机器人（如服务机器人底盘）。

2. 步进电机（Stepper Motor）

• 原理：通过脉冲信号控制，每接收一个脉冲，转子转动固定角度（步距角），实现精确的位置控制。
• 特点：
  • 无需传感器即可实现开环位置控制，精度由步距角决定（常见步距角 1.8° 或 0.9°）；
  • 扭矩随转速升高而下降，高速性能较差；
  • 适合需要精确位置但转速低的场景（如机械臂末端旋转、3D 打印喷头驱动）。
• 细分类型：
  • 永磁式步进电机：转子为永磁体，步距角较大（如 7.5°），扭矩较小；
  • 混合式步进电机：结合永磁和电磁原理，步距角小、扭矩大，应用最广泛。

3. 伺服电机（Servo Motor）

• 原理：由电机、减速器、编码器（传感器）组成闭环控制系统，通过反馈信号实时调整转速和位置，确保输出与指令一致。
• 特点：
  • 精度高（位置误差可小于 0.1°）、响应快、扭矩大；
  • 需配合控制器使用，成本较高；
  • 适合高精度运动控制（如工业机械臂关节、人形机器人的腿部关节）。
• 典型应用：舵机（Servo）是小型伺服电机的一种，常用于机器人关节（如舵机机械臂），角度范围通常 0°-180°。

4. 其他特殊电机

• 直线电机：直接输出直线运动，无需齿轮或丝杠转换，适合需要直线驱动的场景（如精密传送机器人）；
• 超声波电机：利用压电材料振动驱动，精度极高、无电磁干扰，适合微型机器人（如手术机器人）。

三、电机选型关键参数

1. 扭矩（Torque）：电机输出的旋转力，需根据机器人负载计算（如机械臂关节需克服自重和外部负载）；
2. 转速（Speed）：单位 RPM（转 / 分钟），需匹配机器人运动速度需求（如移动机器人底盘需较高转速）；
3. 精度：包括位置精度（如步进电机步距角）和速度精度（如伺服电机闭环控制误差）；
4. 效率：电能转化为机械能的比例，影响机器人续航（如电池供电的移动机器人需高效率电机）；
5. 尺寸与重量：受机器人结构限制（如小型无人机需轻量化电机）；
6. 控制方式：开环（如步进电机）或闭环（如伺服电机），需与控制器兼容。

四、电机与机器人系统的配合

电机需与减速器（降低转速、提升扭矩）、控制器（如 Arduino、PLC）、传感器（如编码器、霍尔传感器）配合工作：

• 例如：机械臂关节通常采用 “伺服电机 + 谐波减速器” 组合，既保证高精度，又能输出大扭矩；
• 移动机器人底盘常用 “无刷直流电机 + 编码器 + PID 控制器”，实现速度闭环控制。

五、总结

电机作为机器人的 “肌肉”，其性能直接决定机器人的运动能力。选型时需结合场景需求（精度、负载、速度、成本等），例如：

• 低成本玩具机器人：有刷直流电机；
• 精密机械臂：伺服电机；
• 小型位置控制场景：步进电机；
• 高寿命、高效率场景：无刷直流电机。

随着机器人技术发展，电机正朝着小型化、高精度、高集成度（如一体化伺服电机）方向演进，进一步拓展其应用边界。