什么是光型机器人？

轻型机器人，或称“轻型机器人”，设计用于高效地穿越不确定地形，通常在与人类近距离或协作下作。这些机器人需要灵活、机动且强壮，但又不危险。他们还必须能够承受突发的冲击和力量。类人机器人、有腿机器人和协作机器人就是属于这一类别的机器人例子。

类人生物

类人机器人是多功能机器人，外形类似人类。它们通常被设计用来协助或替代人类完成各种任务，比如完成家务、搬运和搬运工厂中的物品，或探索潜在危险环境。为了模拟人类运动，类人生物配备了多个可动的肢体和关节，每个都必须由电机驱动。这些电机的尺寸、形状和性能需要多样化，以满足每个接头和执行器的具体需求。

有腿机器人

有腿机器人，如四足机器人，采用了与类人生物类似的设计方式，但它们不像人类，而是更像动物（例如狗）。这些机器人在可能对人类来说危险或体力消耗大的环境中执行检查、探索和交付等任务。通过协助人类工人，这些机器人不仅提高了生产力，也提高了安全性。与类人机器人类似，腿部机器人需要坚固、轻便且紧凑的电机，以最大化作时间并应对高强度任务。

图1。有腿机器人的例子。

协作机器人

协作机器人，即协作机器人，设计用于与人类在共享空间中并肩工作。他们执行诸如搬运重物、挑选和放置高精度且可重复性强的物品，或进行检查等任务。由于协作机器人在人类附近工作，安全是首要任务。与通常被保护屏障隔离的大型机器人不同，协同机器人必须能够安全地与人类互动。

其他轻型机器人的例子包括用于穿越不确定地形的探索机器人，如地震后的瓦砾或深处的洞穴。这些机器人必须迅速适应并应对外部力量的突发变化。

扭矩密度的重要性

在设计轻量化机器人时，最关键的两个因素是重量和强度。两者在机器人关节执行器的选择中都起着关键作用。这些机器人必须轻便以长时间运行，同时又足够强大以完成复杂任务。扭矩密度是实现这一平衡的关键。

这些机器人的关节通常是串联连接的，或者必须举起自身重量，这意味着电机成为移动有效载荷的一部分。这在多个阶段形成了复合效应。高扭矩密度确保每个关节能够提供必要的力量，同时最大限度地减轻重量。

齿轮解决方案

实现高扭矩密度的一种方法是采用齿轮解决方案。齿轮传动可以增加较小电机的扭矩输出。然而，同样重要的是考虑倒车性能——即当外部力施加时，电机向相反方向运动的能力。例如，如果有人抓住机械臂并向不同方向移动，电机/执行器应该允许这种动作。这对于确保机器人与人类安全互动以及便捷运输至关重要，尤其是在断电时。

因此，优先选择低齿比的变速箱。低比能确保背推力保持较低，同时使关节能够灵活应对突发冲击。准直驱（QDD）表现出与直驱类似的行为，但传动比较低。

机器人关节中的扭矩感应

扭矩传感对于轻量化机器人至关重要，因为它能实时反馈施加在特定关节上的扭矩。这种反馈实现了精准的控制、安全性以及与物体和人类的顺畅互动。专用的扭矩传感器通常用于此目的;然而，它们会增加成本、质量和复杂性。如果能消除机器人关节的非线性，就可以无需单独的扭矩传感器测量扭矩。

传统的槽马达采用铁齿，用于集中磁通。这些铁齿在转子和定子之间产生不对称的磁性相互作用，从而产生齿轮扭矩。相比之下，无槽电机采用简单的环形层压芯，消除齿轮扭矩，实现更线性的工作。此外，带槽电机在高负载下还会面临饱和问题。

什么是扭矩饱和，为什么这是个问题？

机器人需要精准、强壮且快速。在高负载下，传统槽电机可能发生饱和，导致损耗增加和电流与扭矩的非线性比。相比之下，无槽电机——没有铁齿——则不会经历饱和现象。这导致电流与扭矩的表现更线性，允许更高的峰值扭矩和更高的效率，尤其是在需要高扭矩且速度范围较宽的动态应用中。

图2。无槽的饱和度、非不饱和度和有槽的比较。
更多信息请参见：无槽电机与槽电机

最优QDD机器人关节架构

轻量机器人的关节需要紧凑。因此，麻省理工学院为Mini Cheetah执行器引入的联合架构逐渐流行。该设计采用位于电机中央的变速箱，显著节省了体积。其架构基于外侧电机，提供足够大的内径以适应齿轮箱。然而，由于定子和转子的物理位置，这带来了冷却和组装上的挑战。设计需要在转子周围设计一个大型外壳，以支撑执行器两侧的轴承。

而内置电机则是此类执行器的更佳选择。它消除了额外外壳的需求，并将定子置于外部，有效地使导电冷却表面翻倍，显著提升了散热效果。然而，历史上，内管电机内径不足以满足这一要求。

图3。带有齿轮箱的进气管电机模型。

SlimTorq™ 轻型机器人电机

Alva SlimTorq™ 纤维印刷无槽电机是这些应用的绝佳选择。这些电机提供市场领先的电机恒定密度，结合了高扭矩密度与提升效率。几何结构简单的FiberPrinting定子结合Halbach阵列转子，可以优化为在所有扭矩水平和温度下产生几乎完美的正弦反电动势。这几乎没有齿轮扭矩，峰值扭矩能力更高，实现了高质量机器人关节所需的高度动态、线性电流与扭矩的行为。

此外，SlimTorq™电机拥有最大的内径/外径比，设计紧凑，释放电机中央空间，这与传统内置跑道不同。这使得整合齿轮解决方案变得更容易，从而减少了机器人关节的整体占地面积。最后，柔性纤维打印制造技术使电机可按任何尺寸缩放，优化每种独特机器人关节设计的性能。想了解更多关于Alva SlimTorq™电机及其在轻量机器人中的应用，请访问Alva Industries。