在人工智能的浪潮中，人形机器人正以其独特的魅力走进我们的视野。它们不仅在外观上模仿人类，更在动作上追求极致的流畅与精确。今天，让我们一起探索仿人机器人背后的技术——有刷直流电机，它是如何成为机器人“心脏”的跳动之源。
一、人形机器人的“心脏”：有刷直流电机
人形机器人中，有些被设计成与人类密切互动，它们在很大程度上依赖于平稳且可控的关节和肢体运动。这使得为运动轴提供动力的有刷直流电机的选择至关重要。
除了高转矩密度和响应性之外，实现长电池续航时间的效率也是关键。可靠性很重要。实现自由运动需要整合众多的运动轴，这最好通过与该领域的专家密切合作来实现。
在教育和治疗应用中，人形机器人被用于在一系列学科和需求中辅助实践学习和发展。在工程学研究中，学生可以培养编程技能。而在健康和治疗环境中，患者可以通过人机交互接受康复护理。
人形机器人可以配备针对其特定任务定制的 “大脑”，并由有针对性的编程和人工智能支持。尽管有这种定制化，但它们具有共同的类人形态，包括手或夹具。
虽然可以添加传感器和工具以实现物理模块化，但人形机器人在不同任务中的运动技能要求大致相似。
对于机器人开发者来说，物理 “运动” 中的普遍通用性使得单一的人形机器人设计能够作为多种应用的基础。然而，为了实现这种规模的运动和广泛任务的实用性，人形机器人通常需要优化 20 个或更多的自由度。因此，为这些运动轴提供动力的执行器的操作性能至关重要。
Portescap推出的微型电机，最近为现有的人形机器人设计指定了一种运动解决方案。机器人制造商需要与现有的驱动器和控制器兼容，但希望增加转矩密度并减少质量。这对于通过优化运动控制、提高响应速度和减少惯性来提高机器人的精度至关重要。
机器人开发者还希望延长电池寿命，因此电机需要具有高效率。由于每个单元有 20 多个电机，并且机器人在各种不同的环境中使用，可靠性也是一个优先考虑的问题。每个机器人相对较高的电机数量，加上最终用户市场的购买需求，意味着平衡成本与价值的需求也很重要。
工程团队确定有刷直流电机的特性最能满足要求。这种电机设计提供简单的控制，将确保与人形机器人现有的架构集成。
在达到原始设备制造商要求的成本点的同时，有刷直流电机的固有特性与人形机器人与人类的密切交互非常匹配，其中低速高转矩的优势将实现精细控制。
二、为何选择有刷直流电机？
为什么选择有刷直流电机？典型的有刷直流电机由外部定子（通常由永磁体或电磁绕组制成）和内部转子（由带有线圈绕组的铁片叠层制成）组成。分段换向器和电刷控制转子绕组通电的顺序，以产生连续旋转。它们在机器人应用中具有许多有用的特性。
- 高效率与长寿命
有刷直流电机能够提供高效率，这对于需要长时间运行的机器人来说至关重要，能够显著延长电池寿命。在教育和治疗应用中，仿人机器人需要持续工作，而不会频繁更换电池，因此电机的效率和耐用性成为了选择的关键因素。 - 可靠性
在多变的环境中，机器人需要稳定可靠的电机来保证性能，有刷直流电机以其耐用性满足了这一需求。无论是在实验室还是在户外，机器人都必须在各种条件下保持最佳性能。 - 成本效益
在保证性能的同时，有刷直流电机还能够帮助平衡成本与价值，这对于大规模生产和应用至关重要。通过优化设计和材料选择，有刷直流电机在保持高性能的同时，也实现了成本效益。
三、无铁芯直流电机的优势
与有铁芯的直流电机不同，无铁芯直流电机去除了转子中的叠片铁芯，转子绕组以倾斜或蜂窝状的方式缠绕，形成一个自支撑的空心圆柱体或 “篮筐”。由于没有铁芯来支撑绕组，它们通常用环氧树脂固定在一起。定子由稀土磁体制成，如钕、铝镍钴（铝 – 镍 – 钴）或钐钴（钐 – 钴）。无铁芯直流电机中使用的电刷可以由贵金属或石墨制成。贵金属电刷（银、金、铂或钯）与贵金属换向器配对。这种设计具有低接触电阻，常用于低电流应用。当使用烧结金属或石墨作为电刷时，换向器则由铜制成。铜 – 石墨组合更适合需要更高功率和更高电流的应用。
无铁芯直流电机的结构与传统的铁芯直流电机相比具有几个优势。
首先，去除铁芯显著降低了转子的质量和惯性，因此可以实现非常快的加速和减速。没有铁芯的损耗，使得无铁芯设计的效率（高达 90%）明显高于传统直流电机。无铁芯设计还降低了绕组电感，因此减少了电刷和换向器之间的火花，延长了电机寿命并降低了电磁干扰（EMI）。由于无铁芯设计中没有叠层，因此永磁体和铁片叠层的磁干扰也被消除了，这降低了电机的振动和噪声，让电机更平稳的旋转。
由于没有铁芯作为散热器，电机外壳通常包含端口以促进散热。无铁芯直流电机的紧凑设计适用于需要高功率体积比的应用，电机尺寸通常在 6 至 75 毫米范围内，甚至可以做到1 毫米，功率通常为 250 瓦或更低。
无铁芯设计对于电池供电设备来说是一个特别好的解决方案，因为它们在空载条件下消耗的电流极低。无铁芯直流电机广泛应用于医疗应用中，包括假肢、小型泵（如胰岛素泵）、实验室设备和 X 光机。它们处理快速动态运动的能力也使其适用于机器人应用。
简而言之，无铁芯直流电机的优势如下：
4. 轻量化设计
无铁芯设计减少了电机的质量和惯性，使得机器人能够实现快速的加速和减速。这对于需要快速反应和精确控制的机器人来说，是一个巨大的优势。
5. 高效率
无铁芯电机的效率可高达90%，远超过传统电机，减少了能量损耗。这意味着机器人可以在消耗更少能量的情况下完成更多的工作。
6. 减少电磁干扰
无铁芯设计减少了绕组电感，降低了电磁干扰，提高了电机的使用寿命。这对于需要在电磁敏感环境中工作的机器人来说尤为重要。
7. 平滑运动
无铁芯电机的扭矩波动极低，提供了平滑的电机旋转，减少了振动和噪音。这不仅提高了机器人的性能，也提升了用户体验。
四、Portescap的创新解决方案
Portescap公司为仿人机器人提供了基于无铁芯设计的16DCT Athlonix电机，这种设计不仅减轻了重量，还提高了响应性和运动的平滑性。通过使用钕磁铁和优化的电机构造，实现了更高的扭矩密度和效率，同时减轻了电机的体积和重量。这种电机的设计，使得仿人机器人在执行复杂动作时更加灵活和精确。
五、仿人机器人的应用前景
随着技术的不断进步，人形机器人的应用领域也在不断扩大。从工业自动化到家庭服务，从医疗辅助到教育娱乐，人形机器人正逐渐成为我们生活中不可或缺的一部分。有刷直流电机作为这些机器人的“心脏”，其性能的优劣直接影响到机器人的整体表现。
人形机器人的发展离不开先进的电机技术。有刷直流电机，尤其是无铁芯直流电机，以其卓越的性能成为了人形机器人开发中不可或缺的一部分。随着技术的不断进步，我们有理由相信，未来的人形机器人将更加灵活、智能，更好地服务于人类社会。让我们一起期待，这些高科技的“伙伴”将如何改变我们的未来。