Startup表示直驅電機是機器人執行器的未來

雖然機器人變得更加多樣化和能力，但在過去的半個世紀中，有一個組件沒有太大變化：它們的執行器。

絕大多數機器人使用耦合到齒輪箱的電動機來移動它們的每個輪子和關節。電機旋轉迅速，因為它是優化的，而齒輪箱降低了輸出軸的轉速，增加了過程中的扭矩。這種類型的執行器為機器人提供動力，如工業武器，行走人形機器人和火星探測器。但它遠非完美：齒輪馬達通常笨重而且遲鈍。它們無法處理沖擊并且維護很重。如果你需要很大的扭矩，準備付出慘重的代價。機器人專家一直希望找到更好的選擇。

現在，一家加拿大創業公司表示，確實有更好的方法來驅動機器人。位于不列顛哥倫比亞省蘭利市的Genesis Robotics公司希望用一種特殊類型的電機代替普通電機，這種電機的轉矩和速度可以更精確地控制。因為這樣的電機可以以更慢的速度轉動，所以有時可以使用它來為機器人關節提供動力而根本不使用傳動裝置，這就是為什么設計被稱為直接驅動，即使在許多情況下這些電機與最小的杠桿比率。

直接驅動代表了數十年前的技術，您可以在工業設備和消費產品中找到它們。但Genesis聲稱其LiveDrive設計可以提供相同重量的傳統直接驅動器的三倍扭矩，精度是其100倍，而且成本更低。該公司還發明了一種緊湊，輕便的變速箱，名為Reflex，可以用注塑塑料制成，降低制造成本。相比之下，大多數高性能執行器使用應變波齒輪，這種齒輪特別昂貴，因為它們必須加工到高公差。

Genesis創始人兼首席技術官詹姆斯克拉森說：“機器人技術在控制方面遙遙領先，傳感器與人工智能相結合。” “阻礙它的是驅動力。”

這家擁有60名員工的公司在過去幾年中一直在積累專利，去年4月，它收到了位于堪薩斯州威奇托市的巨型企業集團Koch Industries的大筆投資。從2019年開始，Genesis將出售或許可其直系親屬。驅動器和變速箱到機器人制造商。

在它們的結構中，直接驅動與無刷直流電動機沒有什么不同，無刷直流電動機由配有永磁體的轉子和帶有銅繞組的定子組成。但直流電機通常只有不到十幾個磁鐵和繞組，直接驅動的數量是其數倍。

直接驅動器具有超越齒輪馬達的一個優點是，您可以通過調節繞組電流更精確地控制其扭矩，而無需昂貴的力傳感器。直接驅動也具有非常低的慣性，因此它們幾乎可以瞬間加速甚至停止或反向。并且沒有間隙 - 齒輪聯軸器的松弛導致齒輪馬達中的運動損失 - 直接驅動也非常精確。

那么為什么它們不被廣泛用于機器人技術呢?

麻省理工學院仿生機器人實驗室主任桑巴金說，自20世紀80年代以來，機器人專家一直在探索這種類型的驅動。它已經用于高速武器和觸覺設備，許多供應商 確實 為機器人應用提供直接驅動。他解釋說，挑戰在于這些電機相當大。他補充道，你可以把它們制成緊湊的尺寸，“但扭矩密度會下降。”換句話說，電機可能很適合你的機器人，但它們的強度不足以使它移動。另一個缺點是直接驅動產生大量熱量，這意味著您需要在設計中添加風扇甚至水冷系統。

Genesis表示，它通過簡化轉子和定子的幾何形狀來解決這些問題，以減少零件數量并盡可能緊密地集成它們。Klassen說，他的團隊縮小了磁鐵的尺寸，這些磁鐵只相隔幾毫米，而繞組也緊密地嵌入電樞中。該結構能夠承受電動機內的放大磁力，同時仍然允許熱量有效地散熱。

“它具有強度，易于制造，而且非常便宜，”他說。

磁性肌肉： Genesis Robotics設計了一種直接驅動器，將磁鐵和繞組緊密集成在一個緊湊的包裝中。該公司表示，其LiveDrive電機每轉重量的扭矩是傳統直接驅動器的三倍。

該公司設計了兩個LiveDrive型號，一個直徑250毫米，另一個110毫米。貿易展覽會上的公眾示威活動 普遍給觀察者留下了深刻的印象，而Genesis現在正與研究人員合作改進其電機規格。

“直徑有點大，但另一方面，寬度非常令人印象深刻，” 比利時Vrije Universiteit Brussel的機器人專家Bram Vanderborght說，他是該公司的顧問，并且一直在測試250毫米包括LiveDrive。他正在考慮的一種可能性是將兩個或更多的LiveDrive裝置并排放置以增加扭矩。“這是一個更模塊化的系統，”他說。

大多數機器人都需要比LiveDrive單獨提供的扭矩更大的扭矩。這就是為什么Genesis創造了它的Reflex變速箱。它基于行星齒輪的配置，較小的齒輪圍繞較大的齒輪旋轉。與多級齒輪系統中使用的相比，這種設計使得致動器更加柔順，響應更靈敏。Reflex最初將由金屬制成，但目標是使用塑料制造它，將成本降低到現有應變波齒輪的一小部分，這是機器人硬件如此昂貴的一個主要原因。

就他而言，克拉森說，炫耀他的執行器的好處的最好方法是將它們用于真正的機器人。他的團隊設計了機器人手臂，腿式機器人和外骨骼，現在正在建造家用機器人原型。“我們喜歡建造東西，讓事情變得更好，”他說。“我們是一群齒輪箱。”