Startup表示直驱电机是机器人执行器的未来

虽然机器人变得更加多样化和能力，但在过去的半个世纪中，有一个组件没有太大变化：它们的执行器。

绝大多数机器人使用耦合到齿轮箱的电动机来移动它们的每个轮子和关节。电机旋转迅速，因为它是优化的，而齿轮箱降低了输出轴的转速，增加了过程中的扭矩。这种类型的执行器为机器人提供动力，如工业武器，行走人形机器人和火星探测器。但它远非完美：齿轮马达通常笨重而且迟钝。它们无法处理冲击并且维护很重。如果你需要很大的扭矩，准备付出惨重的代价。机器人专家一直希望找到更好的选择。

现在，一家加拿大创业公司表示，确实有更好的方法来驱动机器人。位于不列颠哥伦比亚省兰利市的Genesis Robotics公司希望用一种特殊类型的电机代替普通电机，这种电机的转矩和速度可以更精确地控制。因为这样的电机可以以更慢的速度转动，所以有时可以使用它来为机器人关节提供动力而根本不使用传动装置，这就是为什么设计被称为直接驱动，即使在许多情况下这些电机与最小的杠杆比率。

直接驱动代表了数十年前的技术，您可以在工业设备和消费产品中找到它们。但Genesis声称其LiveDrive设计可以提供相同重量的传统直接驱动器的三倍扭矩，精度是其100倍，而且成本更低。该公司还发明了一种紧凑，轻便的变速箱，名为Reflex，可以用注塑塑料制成，降低制造成本。相比之下，大多数高性能执行器使用应变波齿轮，这种齿轮特别昂贵，因为它们必须加工到高公差。

Genesis创始人兼首席技术官詹姆斯克拉森说：“机器人技术在控制方面遥遥领先，传感器与人工智能相结合。” “阻碍它的是驱动力。”

这家拥有60名员工的公司在过去几年中一直在积累专利，去年4月，它收到了位于堪萨斯州威奇托市的巨型企业集团Koch Industries的大笔投资。从2019年开始，Genesis将出售或许可其直系亲属。驱动器和变速箱到机器人制造商。

在它们的结构中，直接驱动与无刷直流电动机没有什么不同，无刷直流电动机由配有永磁体的转子和带有铜绕组的定子组成。但直流电机通常只有不到十几个磁铁和绕组，直接驱动的数量是其数倍。

直接驱动器具有超越齿轮马达的一个优点是，您可以通过调节绕组电流更精确地控制其扭矩，而无需昂贵的力传感器。直接驱动也具有非常低的惯性，因此它们几乎可以瞬间加速甚至停止或反向。并且没有间隙 - 齿轮联轴器的松弛导致齿轮马达中的运动损失 - 直接驱动也非常精确。

那么为什么它们不被广泛用于机器人技术呢?

麻省理工学院仿生机器人实验室主任桑巴金说，自20世纪80年代以来，机器人专家一直在探索这种类型的驱动。它已经用于高速武器和触觉设备，许多供应商 确实 为机器人应用提供直接驱动。他解释说，挑战在于这些电机相当大。他补充道，你可以把它们制成紧凑的尺寸，“但扭矩密度会下降。”换句话说，电机可能很适合你的机器人，但它们的强度不足以使它移动。另一个缺点是直接驱动产生大量热量，这意味着您需要在设计中添加风扇甚至水冷系统。

Genesis表示，它通过简化转子和定子的几何形状来解决这些问题，以减少零件数量并尽可能紧密地集成它们。Klassen说，他的团队缩小了磁铁的尺寸，这些磁铁只相隔几毫米，而绕组也紧密地嵌入电枢中。该结构能够承受电动机内的放大磁力，同时仍然允许热量有效地散热。

“它具有强度，易于制造，而且非常便宜，”他说。

磁性肌肉： Genesis Robotics设计了一种直接驱动器，将磁铁和绕组紧密集成在一个紧凑的包装中。该公司表示，其LiveDrive电机每转重量的扭矩是传统直接驱动器的三倍。

该公司设计了两个LiveDrive型号，一个直径250毫米，另一个110毫米。贸易展览会上的公众示威活动 普遍给观察者留下了深刻的印象，而Genesis现在正与研究人员合作改进其电机规格。

“直径有点大，但另一方面，宽度非常令人印象深刻，” 比利时Vrije Universiteit Brussel的机器人专家Bram Vanderborght说，他是该公司的顾问，并且一直在测试250毫米包括LiveDrive。他正在考虑的一种可能性是将两个或更多的LiveDrive装置并排放置以增加扭矩。“这是一个更模块化的系统，”他说。

大多数机器人都需要比LiveDrive单独提供的扭矩更大的扭矩。这就是为什么Genesis创造了它的Reflex变速箱。它基于行星齿轮的配置，较小的齿轮围绕较大的齿轮旋转。与多级齿轮系统中使用的相比，这种设计使得致动器更加柔顺，响应更灵敏。Reflex最初将由金属制成，但目标是使用塑料制造它，将成本降低到现有应变波齿轮的一小部分，这是机器人硬件如此昂贵的一个主要原因。

就他而言，克拉森说，炫耀他的执行器的好处的最好方法是将它们用于真正的机器人。他的团队设计了机器人手臂，腿式机器人和外骨骼，现在正在建造家用机器人原型。“我们喜欢建造东西，让事情变得更好，”他说。“我们是一群齿轮箱。”