今年的政府工作報(bào)告提出，大力推進(jìn)現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)，加快發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力。近一段時(shí)間以來，“新質(zhì)生產(chǎn)力”一詞廣受關(guān)注。在新質(zhì)生產(chǎn)力理念的帶動下，制造業(yè)在積極進(jìn)行升級，人形機(jī)器人得到了飛速的發(fā)展。不過，目前人形機(jī)器人距離規(guī)模性商業(yè)落地還很遠(yuǎn)，加大機(jī)械臂使用率、滲透率和覆蓋率成為當(dāng)前的重點(diǎn)。

新質(zhì)生產(chǎn)力要求機(jī)械臂進(jìn)化成為智能機(jī)械臂，將會更加靈活，能夠勝任更加復(fù)雜的生產(chǎn)任務(wù)。這給機(jī)械臂里面的核心元件——電機(jī)，提出了更高的要求。

機(jī)械臂里面應(yīng)用到的電機(jī)

機(jī)械臂作為現(xiàn)代工業(yè)和服務(wù)領(lǐng)域中的重要工具，其運(yùn)動系統(tǒng)中所使用的電機(jī)類型豐富多樣，常見的有直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)等。

機(jī)械臂是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，大部分機(jī)械臂的連桿以串聯(lián)形式連接，且每個(gè)關(guān)節(jié)位置由一個(gè)變量定義，因此關(guān)節(jié)數(shù)量和關(guān)節(jié)靈活度決定了機(jī)械臂的性能。作為核心部位，機(jī)械臂的關(guān)節(jié)主要由傳動裝置、運(yùn)動軸系、驅(qū)動器、傳感器組成。目前，機(jī)械臂的驅(qū)動方式主要包括液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動。其中，電氣驅(qū)動具有控制性能好、控制精度高、使用可靠、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，且適用于所有尺寸的機(jī)械臂，因而電氣驅(qū)動式機(jī)械臂是目前使用得最多的一種機(jī)械臂。

在電氣驅(qū)動的機(jī)械臂中，伺服電機(jī)是一種通過反饋系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制的電機(jī)，能夠提供高性能的運(yùn)動控制。這種電機(jī)類型在機(jī)械臂中常用于需要高精度、高速度和高扭矩的應(yīng)用。在精密加工、醫(yī)療手術(shù)輔助等應(yīng)用的機(jī)械臂中，伺服電機(jī)有著很高的市占率。

步進(jìn)電機(jī)是一種通過一步一步地移動來實(shí)現(xiàn)位置控制的電機(jī)。機(jī)械臂中常常需要高精度的定位和控制，這時(shí)步進(jìn)電機(jī)就發(fā)揮了重要作用。步進(jìn)伺服電機(jī)具有精度高、轉(zhuǎn)矩大、控制簡單等特點(diǎn)，適用于組裝線精密控制等機(jī)械臂。

在電氣驅(qū)動式機(jī)械臂中，直流伺服電機(jī)具有可靠性好、反應(yīng)迅速、可以得到的旋轉(zhuǎn)角度等優(yōu)點(diǎn)，是目前主要的驅(qū)動電機(jī)。直流伺服電機(jī)由減速器、編碼器、直流電機(jī)構(gòu)成。在具體工作的過程中，減速器用來改變電機(jī)方向傳來的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到適合機(jī)械臂所需的轉(zhuǎn)速；編碼器記錄電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度速度等信息；通過對直流電機(jī)進(jìn)行控制，可以使直流伺服電機(jī)按期望的轉(zhuǎn)速和力矩運(yùn)動到期望的轉(zhuǎn)角。

當(dāng)機(jī)械臂進(jìn)化到人形機(jī)器人之后，力矩電機(jī)的應(yīng)用就會非常廣泛。力矩電機(jī)是一種特殊類型的電機(jī)，它以扭矩為控制方向，能夠在電機(jī)低速甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)仍能提供穩(wěn)定的力矩給負(fù)載。力矩電機(jī)通常用于對扭矩有特定要求的應(yīng)用，如機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動。

智能機(jī)械臂需要的電機(jī)

在新質(zhì)生產(chǎn)力的要求下，機(jī)械臂下一步發(fā)展的明顯趨勢是智能化升級。當(dāng)前，越來越多協(xié)作機(jī)器人企業(yè)開始積極投身于新形態(tài)工業(yè)機(jī)器人的探索與開發(fā)之中，除了人形機(jī)器人的研發(fā)，也將更多的功能加入機(jī)械臂中，打造更高性能的機(jī)械臂。比如，在今年的工博會上，F(xiàn)ranka Research 3就是一款升級產(chǎn)品，得益于Franka AI Companion的助力，這款機(jī)械臂可以快速實(shí)現(xiàn)FCI、ROS、相機(jī)驅(qū)動等環(huán)境觸發(fā)模型的開發(fā)，同時(shí)1kHz頻率的運(yùn)行控制算法使機(jī)器人即刻接收到力反饋，幾乎沒有延時(shí)，實(shí)現(xiàn)了高精度、高靈敏度的力控反饋和高效、安全的人機(jī)協(xié)作功能。

再比如基恩士三維機(jī)械手視覺系統(tǒng)CV-X480D，由于4臺相機(jī)可生成無死角的圖像，新開發(fā)的三維檢測能在超快速度內(nèi)提供更佳的檢測結(jié)果。不受工件位置或朝向的影響，能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定檢測。

而要實(shí)現(xiàn)這些智能化功能，機(jī)械臂里面的電機(jī)也要有更好的性能支持。比如，在關(guān)節(jié)控制和視覺控制方面，步進(jìn)電機(jī)是這些精準(zhǔn)控制系統(tǒng)主要采用的電機(jī)。在機(jī)械臂智能化升級之后，步進(jìn)電機(jī)需要能夠快速響應(yīng)指令，使機(jī)器人能夠準(zhǔn)確地完成各種動作。同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)還需要優(yōu)化效率和穩(wěn)定性，以保證復(fù)雜任務(wù)執(zhí)行的可靠性。

另外，現(xiàn)在很多機(jī)械臂延伸出了機(jī)械手，機(jī)械手的關(guān)節(jié)眾多且部署空間更小，對電機(jī)微型化有著更高的要求。為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的微型化，研發(fā)人員需要不斷優(yōu)化電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用新型的材料和制造工藝，如微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)等，在減小電機(jī)體積的同時(shí)，確保其性能不受影響。

結(jié)語

數(shù)據(jù)顯示，全球機(jī)械臂市場規(guī)模已突破數(shù)百億美元大關(guān)，預(yù)計(jì)在未來幾年內(nèi)將以約12%的年均增長率持續(xù)擴(kuò)張。目前，機(jī)械臂的智能化升級趨勢明顯，電機(jī)作為機(jī)械臂里面的核心元件，也需要迎合這種趨勢，無論是電機(jī)本體、控制系統(tǒng)，還是驅(qū)動系統(tǒng)，都需要做相應(yīng)的升級。