电机原理及在人形机器人中的作用

电机原理及在人形机器人中的作用

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/zmlovelx/article/details/142938333

电机是人形机器人实现运动功能的核心部件，其性能直接影响到机器人的灵活性和精确度。本文将从电机的基本原理出发，详细介绍电机在人形机器人中的应用及其分类，并重点阐述有刷直流电机和无刷电机的工作原理及优缺点。

电机简介

电机俗称马达，是一种将电能转换为机械能或将机械能转换为电能的电磁设备。电机原理主要基于电磁感应定律，即法拉第电磁感应定律和楞次定律。人形机器人的关节就是使用各种电机实现驱动的。

电机在人形机器人中的作用

从价值量占比来看，电机在人形机器人核心零部件中的价值量占比高达 25%。以特斯拉人形机器人为例，其全身有 28 个执行器，部分执行器采用无框力矩电机，而灵巧手则使用空心杯电机。单台机器人装配 12 个空心杯电机（左右手各 6 个）。

电机分类

1. 直流，使用直流电作为电源。
2. 交流，使用交流电作为电源。
3. 永磁
4. 无刷
5. 同步
6. 伺服电机（空心杯电机属于特殊的伺服电机）

电机原理

磁铁相互作用力

1. 磁铁同性相斥，异性相吸产生动能
   磁铁不同磁极靠近时，会有一个相同吸引的作用力，
   磁铁当相同磁极靠近时，会有一个向反向的作用力，如下图

2. 旋转力
   把左边磁铁中央固定住做为转子，右边磁铁固定平放做为定子，
   角度调整成有个夹角，不同极相斥发生旋转
   同极相斥时发生旋转。
   只要不停地有规律地改变右边磁极，就可以让左边磁铁持续旋转起来。

3. 用螺线管通电模拟磁铁
   通电螺线管形成磁铁功能，利用同性相斥，异性相吸来促成电机转动
   通电螺线管中的安培定则（安培定则二）：用右手握住通电螺线管，让四指指向电流的方向，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极， 可用通电螺线管来代替磁铁。

有刷直流电机

通电螺线管

1. 结构
   有刷电机的基本结构是：定子（磁极）、转子（线圈）、机械电刷（碳刷）及换向器。

2. 原理
   当电刷接触到转子时（螺线管），螺线管通电，会形成磁力，与定子组成的永磁铁作用，转子就会就会转动，转到后电刷就会与新的转子接触，形成磁力转动，如此循环。

3. 实例
   如下图
   左右两边是两块永磁铁，左边是N极，右边是S极当定子，中间线圈A、B、C为转子，绿色两根接电，根端连接线圈做为电刷。
   黑色箭头是电流方向，
   粉色箭头方向指向为线圈生成磁场的N极，
   左图：红色N与线圈B的N同性相斥，蓝色S与线圈C的N极异性相吸，产生虚线方向的力，使转子逆时针转动。
   右图：同上，转子逆时针转动。

通电导线在磁场中的作用力

除了通电螺线管做为转子外，还可以使用通电环形导线来做为转子

1. 通电导线
   安培力
   通电环形可以产生磁场，在两边放永磁铁，可以让环形动起来
   左手定则
   伸开左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，并且都跟手掌在同一个平面内，把手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，并使伸开的四指指向电流的方向，那么，大拇指所指的方向，就是通电导线在磁场中的受力方向。

2. 通电环形导线
   通电环形导线电流方向与受到的力作用方向如下图，
   安培力左边向上，右边向上，

优缺点

优点：

1. 控制简单
2. 结构简单

缺点：

1. 噪声大
2. 寿命短，电刷与换向器摩擦导致容易损坏。
3. 不适合高速场景

无刷电机

有刷直流电机因为要电刷与转子接触，会产生摩擦，易产生噪声及损坏。
把永磁铁做为转子，通电线圈做为定子，有续控制线圈使磁铁持续转起来，形成无刷电机。

定子通电形成磁力，推/拉动转子转动，动态图如下

优缺点

优点

1. 高效率：无刷电机的效率通常比有刷电机更高，因为它不需要电刷和换向器，减少了摩擦和能量损失。
2. 长寿命：无刷电机的寿命通常比有刷电机更长，因为它没有电刷和换向器的磨损，减少了故障的可能性。
3. 低噪音：无刷电机的噪音通常比有刷电机更低，因为它没有电刷和换向器的摩擦声。

缺点

1. 成本高
2. 技术复杂性
3. 过载能力相对较弱