机 器 人 执 行 预 先 规 划 好 的 具 体 任 务 ， 比 如 组 装 线 作业、手术帮助、库房提货/检索，乃至是扫除地雷等风险任 务。现在的机器人不只能够处理高重复性的作业，还能完结 在方向和动作上需求灵活性的杂乱功用（图1）。跟着技能 的前进、速度与灵活性的提高、本钱的下降，机器人将被逐 渐广泛选用。低于人工的本钱优势也让我们看到了机器人产 业的曙光。此外，机器视觉、核算才能以及网络的前进也将 推进机器人运用的遍及。
这 些 高 性 能 机 器 人 的 实 现 得 益 于 以 下 几 个 方 面 的 提 升：
• 杂乱的传感器；
• 完结实时决议计划与动作的核算才能与算法；
• 快速、准确前进机械动力完结杂乱使命的电机；
图1 现在机器人被许多运用在各个范畴，从小的贴片机到大的轿车拼装
范畴，如在拼装线上抬、放置、装置乃至焊接零件与部件。（图片来历： IStockPhoto.com）
图2 在无刷电机里，当线圈磁场与转子上的永久磁铁相互作用时，定子
绕组里的线圈进行电流切换。图中，空缺的转子坐落中心方位。（图片 来历：Microchip AN885）
图3 装备了一切元件的步进电机框图，其间MOSFET坐落功率级。
在详细挑选电机类型和类型时，规划师要考虑三个首要的要素规划师要考虑：
1. 电机的最小和最大转速（还有加速度）；
2. 电机能够供给的最大扭矩，以及扭矩和速度曲线的 联系；
3. 电机操作（不必传感器和闭环操控时）的准确性和 重复性；
当然，在挑选电机时还有许多其它如尺度、分量还有 本钱等重要要素要考虑。简直关于一切小型到中型等巨细的 机器人驱动器来说，驱动电机的挑选一般有刷直流电机、无 刷直流电机(BLDC)和步进电机。（但是，某些景象下液压 与气压机才是最好的挑选。）
有刷直流电机是最陈旧的直流电机技能，最简略、成 本也最低。因为电刷与转子间的触摸，电机转子的滚动会切 换（换向）绕在转子上的绕组磁场。电机的速度是施加电压 的函数，因而驱动要求不高，但办理扭矩却很难。因为电刷 磨损、需求整理保护，以及或许会成为电子噪声源(电磁干 扰)等要素，作业时也存在牢靠性问题。因为这些问题的存 在，大多数情况下，有刷直流电机成为机器人规划中最不具 有吸引力的挑选。
无刷直流电机（图2）呈现于19世纪60年代，它得益于两方面的开展：一是呈现了巩固、体积小、低本钱 的 永 磁 铁 ； 二 是 出 现 了 体积小效率高的电子开关（一般为MOSFET）来切 换流向绕组的电流。“电 子换向”替代了有刷电机 的机械换历来操控磁场的 切换，周围固定的切换线 圈与旋转芯上的磁铁间的 相互作用替代了有刷电机 的机械换向，即利用了磁 场 与 电 场 之 间 的 相 互 作 用。经过改动MOFSET的 开关频率，电机速度然后 能够被操控。别的，相对 于有刷电机，其电机操控器 能 更 好 地 控 制 电 机 功能。
更妙的是，高档算法如PID（份额-积分-微分）校对算 法或许FOC（磁场定向操控，有时也称之为矢量操控）操控 算法能被固化到电机操控器中。这使抱负的电机操作与实 际的负载及负载改变相匹配，然后使电机功能愈加强壮与精 确。例如，电机操控算法/程序能够考虑到转子惯性等相关 要素，而且使电机驱动器习惯并逐渐削减因为机械要素导致 的过错。这样的算法使准确操控加速度和转矩成为或许。
与有刷电机比较，无刷电机 (BLDC) 虽需更杂乱的操控 电路但却能够表现出更优的功能。一般BLDC电机需求装备 一个方位反应传感器，比方霍尔效应传感器、光学编码器， 或许反电动势检测器材。
机 器 人 中 常 用 的 另 一 种 B L D C 电 机 是 步 进 电 机 （ 图
3），此刻用到开关式电磁铁，坐落永磁环中心磁芯旁。步 进电机不以惯例办法“旋转”；而是凭借于不断滚动的轴， 逐渐提高转速，因而能够完结某一个视点的旋转或继续旋 转。步进电机具有可重复的运动操控；在需求时能够回来之 前的方位。
步进视点规模为1.8°(200步/转)至30°(12步/转)，步 进角或步数取决于电机所具有的永磁铁个数，但这个规模之外的值也是能够完结的。
关于步进电机，假如通电却没有步进指向，它们会维持在原方位；步进电机能以低rpm供给高扭矩。让步进电机 滚动最直接的办法是有序通断电磁铁，但这或许会带来颤动 或振荡。无刷电机和步进电机的运用范畴有部分堆叠。步进电 机更适合需求准确的进退动作(如捡拾和安顿)的运用范畴， 而不是需求长期继续滚动的范畴，也适合于不需求电机提 供高转矩或速度的小运用范畴。此外，步进电机关于动力效 率的要求也低于无刷直流电机。除了这儿列出的电机以外，还有许多其它类型可供选 择。电机系列许多而且也很杂乱，有许多的分支。例如，永 磁铁同步电机 (PMSM)是无刷直流电机（相关于转子）和交 流感应电机（相关于定子结构）的结合体。它具有高能效、 单位小体积相对密度高、扭矩分量比、快速呼应时刻，以及 相对简单操控等特色，但价格相对也比较高。
2 操控需求技巧
机器人运动体系不只触及电机，它包含三个首要功用 模块。
1. 实时操控器，表现为以下三种方式。
• 作一般用处、 运转运动-操控固件的快速核算处理 器；
• 运用在操控方面、面向DSP的FPGA ；
• 带硬连线和内置算法的专用操控器IC电路。
2. 一个或多个级联的驱动层，以把低层信号从操控器 输出中取出，然后输出操控电子器材通断所需求的高电压/ 电流。
3. MOSFET（或许其它开关器材，如IGBT或许双极型 晶体管），它操控流向电机绕组的电流。
详细MOSFET的选取首要取决于电机和绕组所需的电 流和电压巨细。MOSFET类型承认下来之后再挑选驱动器， MOSFET驱动器的挑选由MOSFET的额定值决议；有时或许 需求一系列升压驱动器，详细取决于MOSFET的尺度。
3 挑选操控器时或许会遇到的问题
操控器类型挑选也很富有策略性，需求在挑选详细供 应商和类型之前作出决议。挑选是运用一个仅作电机操控的 通用处理器，仍是具有高核算才能的FPGA，抑或是一个专 用的操控IC电路（一般出自特定的电机操控供货商）时有许多需求权衡考虑的当地。规划师需求考虑要素包含：
• 你需求何种杂乱度的操控算法，有多少I/O口？
• 谁来供给操控算法及代码：是IC供货商、第三方协作 同伴，仍是不相关的第三方开发者？他们怎么承认并验证电 机及其运用的功能？
• 你需求多少用户编程才能？即使是专用的、不需求编 程的操控器，也会要求用户挑选算法类型、闭环操控形式
（方位、速度或加速度），而且需求设置一些操作参数。
• 电机和运用有共同的特点要设置吗？假如答案是必定 的，那挑选可编程IC会更好。相反，假如不需求修正算法， 这种情况下，比较彻底可编程的IC，挑选带有硬连线、固化 算法的专用IC会比较好。
• 操控器需求支撑多种电机型吗？即便是同一种，操控 器是只需支撑该类型中某种尺度的电机，仍是支撑一系列尺 寸规模？
• 供货商供给何种程度的技能支撑？他们有哪些实践动 手开发的电机经历？他们会不会供给从前建立且验证过的具 体参阅规划，包含操控%&&&&&%和MOSFET驱动器间的接口电路？
• 是否有一些监管问题需求留意？如授权的能效评价
（许多电机运用现在有必要满意各种“绿色”环保要求）。如 果是，供货商了解这些问题吗，他们的元器材和算法满意这 些要求吗？
4 开发套件展现操控器与接口功能
关于许多工程师来说，将一切的部分 – 包含带有固化或 独立算法的操控器、驱动器、MOSFET等 – 融合到一同，是 一个需求多部分合作完结的使命，一个他们不想“从零开 始”的使命。出于这个缘由，许多供货商供给包含了操控 器、示例算法、驱动器和MOSFET的评价板乃至是完好的套 件。举例来说，Freescale MTRCKTSPNZVM128三相无传感 器PMSM套件选用无传感器电机操控技能驱动三相BLDC或 PMSM电机。该套件规划用于经过凭借微操控器集成ADC模 块支撑运用反电动势快速进行原型规划和评价。此外，此套 件（具有MC9S12ZVML12 微操控器）还可装备为根据传感 器评价运用霍尔传感器或解析器的操作。
跟着技能的前进，包含经过改善电机操控和传感所带 来的准确执即将发明新的机会，机器人的远景也十分可观。 传感、操控和电机这些要害范畴的革新将继续影响机器人技 术的革新。
