作者： Portescap公司的 Pradeep Deshmane（首席工程師）和 Manoj Pujari（首席工程師）

無論是移動(dòng)或定位物體，進(jìn)入危險(xiǎn)環(huán)境，處理醫(yī)療廢物等危險(xiǎn)材料，還是僅僅在家里幫忙，都對(duì)自主移動(dòng)機(jī)器人有著巨大的需求。它們不僅能完成人類勞動(dòng)難以完成的、重復(fù)的或不方便的任務(wù)，而且能正確地執(zhí)行這些任務(wù)，在需要精確性的地方尤其有效。本文對(duì)自主移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行了概述，描述了它們的操作、市場(chǎng)需要和需求、應(yīng)用要求、選擇標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)優(yōu)化和未來進(jìn)展。

AMR（自主移動(dòng)機(jī)器人）的操作和熱門應(yīng)用

AMR在地面上導(dǎo)航，使用電動(dòng)輪子來推動(dòng)自己。與使用踏板或腿的機(jī)器人不同，AMR更容易設(shè)計(jì)、建造和編程，以便在平坦、不那么崎嶇的地形上移動(dòng)。它們?cè)谙M(fèi)市場(chǎng)上特別受歡迎，因?yàn)樗鼈兊牟钏俎D(zhuǎn)向裝置價(jià)格低廉，實(shí)施簡(jiǎn)單。機(jī)器人可以有任何數(shù)量的輪子，但三個(gè)輪子足以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)平衡。額外的輪子可以增加平衡；然而，將需要更多的機(jī)構(gòu)來保持所有的輪子在地面上--特別是當(dāng)?shù)匦尾黄教沟臅r(shí)候。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括與驅(qū)動(dòng)車輪的齒輪箱相耦合的電機(jī)，這增加了扭矩能力，以獲得更好的駕駛性能。

除了在消費(fèi)市場(chǎng)上的廣泛使用，AMR還可以在醫(yī)院里發(fā)現(xiàn)，執(zhí)行感染控制、醫(yī)療服務(wù)、醫(yī)療廢物運(yùn)送、生化標(biāo)本運(yùn)送和一般醫(yī)療任務(wù)。它們還被部署在全球范圍內(nèi)對(duì)抗COVID-19大流行病的斗爭(zhēng)中。另一個(gè)不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)是在航空航天和國(guó)防（A&D）行業(yè)，機(jī)器人在監(jiān)視和軍事行動(dòng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在石油和天然氣（O&G）行業(yè)，由于它們能夠拍攝結(jié)構(gòu)的內(nèi)部以幫助識(shí)別裂縫或故障，預(yù)計(jì)它們將成為管道檢查的寶貴工具。

申請(qǐng)要求

在大多數(shù)應(yīng)用中，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)通常必須滿足以下要求：

●體積小，重量輕

●高扭力

●耐用和長(zhǎng)壽命

●低噪音，特別是用于醫(yī)療和 A&D 設(shè)備時(shí)

●高效率和低電流

AMR中的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)通常由有刷或無刷直流電機(jī)和緊湊型行星齒輪箱組成。此要求可能因應(yīng)用而略有不同，但運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)通常具有以下規(guī)格：

●電機(jī)：空心杯有刷直流或無刷直流電機(jī)

●變速箱配置：行星；? 級(jí)，30:1 至 120:1 比例

●包裝尺寸：<40 mm2

●變速箱輸出扭矩：4 至 8 Nm

●變速箱輸出轉(zhuǎn)速：50 至 150 rpm

圖 1. AMR的兩種常見軸配置。

選擇標(biāo)準(zhǔn)

選擇電機(jī)和齒輪箱的第一步是確定產(chǎn)品的運(yùn)行條件和最大條件。因此，您需要確認(rèn)車輪輸出端所需的速度和扭矩。

圖 2. 為AMR設(shè)計(jì)選擇電機(jī)和變速箱時(shí)要考慮的重要方面。

扭矩  首先，確定所需的輸出扭矩，然后逆向查找您的電機(jī)和傳動(dòng)裝置。輪子上的扭矩應(yīng)基于機(jī)器人加速度、輪子直徑和承載能力。確保承載能力能夠在某些執(zhí)行器發(fā)生故障或車輪打滑的情況下拉動(dòng)整個(gè)機(jī)器人，以及要克服的最小坡度和潛在障礙。摩擦和效率也應(yīng)該考慮到最終的扭矩計(jì)算中。

速度  為了計(jì)算輪子需要旋轉(zhuǎn)的速度，您必須為輪子定義所需的速度或最終輸出。根據(jù)這些信息，您可以選擇電機(jī)和齒輪。機(jī)器人制造商一般會(huì)最終確定機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)速度，輪徑?jīng)Q定了輪子輸出端所需的速度。

包裝空間  確保由編碼器、制動(dòng)器、電機(jī)和齒輪組成的電機(jī)組適合機(jī)器人并且可以干凈地包裝。編碼器可讓您測(cè)量電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)了多少，制動(dòng)系統(tǒng)有助于保持扭矩并在緊急情況下提供動(dòng)態(tài)停止。

電壓  工作電壓用于為電機(jī)供電。通常，電壓越高，電機(jī)的速度能力就越高。電機(jī)的數(shù)據(jù)表將提供電壓常數(shù)——也稱為反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)——因此您可以計(jì)算電機(jī)每伏特的旋轉(zhuǎn)速度。

工作溫度  雖然溫度通常不是問題，但確保您的電機(jī)組不會(huì)過熱仍然很重要——尤其是在封閉的情況下。變速箱是另一個(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域，因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，溫度會(huì)影響其潤(rùn)滑壽命和性能。

重量  負(fù)載的質(zhì)量也決定了電機(jī)選擇的扭矩。因此，您需要估計(jì)質(zhì)量或知道實(shí)際質(zhì)量才能選擇電機(jī)。如果您的設(shè)計(jì)基于質(zhì)量估算，我們建議應(yīng)用 25% 的安全裕度。請(qǐng)參考電機(jī)數(shù)據(jù)表中提供的扭矩常數(shù)，以計(jì)算每安培可實(shí)現(xiàn)多少扭矩輸出。

成本  雖然從頭開始構(gòu)建齒輪箱可能更便宜，但設(shè)計(jì)、組裝和測(cè)試新齒輪所需的時(shí)間和精力可以使標(biāo)準(zhǔn)齒輪箱成為更經(jīng)濟(jì)的選擇。

精度、準(zhǔn)確性和效率  您可以承受多少滯后？通常，根據(jù)所涉及的地形和扭矩曲線，輪式電機(jī)機(jī)器人應(yīng)用的精度和準(zhǔn)確度可能會(huì)稍低一些。而且，由于并非所有應(yīng)用都需要低噪音或低振動(dòng)等高性能特性，因此可以容忍較低的精度。然而，機(jī)械臂或儀器通常需要更精確和準(zhǔn)確的低背隙系統(tǒng)。

可靠性和噪音  大多數(shù)應(yīng)用需要更高的可靠性，因此電機(jī)組必須能夠承受所需的工作點(diǎn)。監(jiān)控機(jī)器人等一些關(guān)鍵應(yīng)用需要低噪音和更高的可靠性，電機(jī)和齒輪箱必須同時(shí)滿足這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

選擇最佳設(shè)計(jì)

以下是使用 Portescap 設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的自主移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用示例：

●電機(jī)：有刷 DC 35 GLT

●主變速箱：行星變速箱，3 級(jí)，正齒輪，99.8 總變速箱比

許多AMR采用差動(dòng)轉(zhuǎn)向，依靠單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的輪子進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。另一種設(shè)計(jì)是具有兩對(duì)動(dòng)力輪的四輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，由于每對(duì)都可以朝同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，因此提供了更多的平衡。但是，如果兩人的速度不同，機(jī)器人就會(huì)移動(dòng)緩慢，無法直線行駛。最佳設(shè)計(jì)具有類似于汽車中使用的差動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，它允許機(jī)器人左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)，只需要一個(gè)電機(jī)。另一種常見的機(jī)器人配置使用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪子的電機(jī)，而不是差動(dòng)轉(zhuǎn)向。在這種情況下，需要單獨(dú)的電機(jī)來驅(qū)動(dòng)每個(gè)車輪?？傮w系統(tǒng)規(guī)格為：

●包裝：32 -mm2 x 115 mm 長(zhǎng)

●變速箱輸出扭矩容量：8 Nm

●變速箱輸出轉(zhuǎn)速：80 rpm

●預(yù)期壽命：1,000 小時(shí)

●最高溫度：125°C

Portescap 產(chǎn)品（如圖 3 所示）提供更小的封裝、更高的扭矩承載能力和更高的耐用性，使其非常適合廣泛的自主機(jī)器人應(yīng)用。

圖 3. 帶齒輪箱的 Portescap 有刷直流 35 GLT 電機(jī)。

AMR的未來發(fā)展

AMR并非沒有缺點(diǎn)。例如，它們不能很好地穿越多巖石的地形、陡峭的斜坡或低摩擦區(qū)域。為了讓機(jī)器人克服這些限制，必須修改驅(qū)動(dòng)架構(gòu)以包括諸如帶履帶的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、滑移轉(zhuǎn)向四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或兩輪加被動(dòng)腳輪差動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)制。然而，這些架構(gòu)增加了更多的復(fù)雜性，需要對(duì)其成本影響進(jìn)行詳細(xì)研究。

在整體架構(gòu)沒有重大變化的情況下，機(jī)器人設(shè)計(jì)人員必須將精力集中在優(yōu)化運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)上。以下進(jìn)步有助于提高AMR在耐用性、效率和降噪方面的性能：

圖 4. 滾針軸承

圖 5. 低噪聲齒輪箱的轉(zhuǎn)換誤差分析

高級(jí)組件  滾針軸承，例如圖 4 中所示的軸承，可避免磨損故障并確保行星齒輪在行星銷上平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)。此外，某些齒輪箱的齒輪齒布置成可降低扭力以降低噪音。

基于 FEA 的高級(jí)分析  結(jié)構(gòu)分析有助于識(shí)別潛在故障并在設(shè)計(jì)過程的早期消除它們。圖 6 顯示了一個(gè)示例。

圖 6. 高級(jí) FEA 分析。

高級(jí)聲學(xué)模擬。使用軟件預(yù)測(cè)噪聲（例如圖 7 中的仿真）有助于優(yōu)化需要低噪聲的關(guān)鍵應(yīng)用的設(shè)計(jì)。

圖 7. 高級(jí)聲學(xué)模擬

與合適的電機(jī)供應(yīng)商合作

隨著機(jī)器人在工業(yè)和家庭中成為我們生活中不可或缺的一部分，AMR將處于發(fā)展的最前沿。為了讓您的AMR應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)精度和最佳性能，您需要合適的運(yùn)動(dòng)組件。Portescap 提供范圍廣泛的標(biāo)準(zhǔn)和定制微型電機(jī)，具有高扭矩密度、可靠性和效率以及工程支持，以確保您的自主移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)可以到達(dá)需要的地方并完成工作。