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

無論是移動或定位物體，進入危險環(huán)境，處理醫(yī)療廢物等危險材料，還是僅僅在家里幫忙，都對自主移動機器人有著巨大的需求。它們不僅能完成人類勞動難以完成的、重復的或不方便的任務，而且能正確地執(zhí)行這些任務，在需要精確性的地方尤其有效。本文對自主移動機器人進行了概述，描述了它們的操作、市場需要和需求、應用要求、選擇標準、設計優(yōu)化和未來進展。

AMR（自主移動機器人）的操作和熱門應用

AMR在地面上導航，使用電動輪子來推動自己。與使用踏板或腿的機器人不同，AMR更容易設計、建造和編程，以便在平坦、不那么崎嶇的地形上移動。它們在消費市場上特別受歡迎，因為它們的差速轉(zhuǎn)向裝置價格低廉，實施簡單。機器人可以有任何數(shù)量的輪子，但三個輪子足以實現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)平衡。額外的輪子可以增加平衡；然而，將需要更多的機構來保持所有的輪子在地面上--特別是當?shù)匦尾黄教沟臅r候。運動系統(tǒng)包括與驅(qū)動車輪的齒輪箱相耦合的電機，這增加了扭矩能力，以獲得更好的駕駛性能。

除了在消費市場上的廣泛使用，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、醫(yī)療廢物運送、生化標本運送和一般醫(yī)療任務。它們還被部署在全球范圍內(nèi)對抗COVID-19大流行病的斗爭中。另一個不斷增長的市場是在航空航天和國防（A&D）行業(yè)，機器人在監(jiān)視和軍事行動中發(fā)揮著關鍵作用。在石油和天然氣（O&G）行業(yè)，由于它們能夠拍攝結構的內(nèi)部以幫助識別裂縫或故障，預計它們將成為管道檢查的寶貴工具。

申請要求

在大多數(shù)應用中，運動系統(tǒng)通常必須滿足以下要求：

●體積小，重量輕

●高扭力

●耐用和長壽命

●低噪音，特別是用于醫(yī)療和 A&D 設備時

●高效率和低電流

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

●電機：空心杯有刷直流或無刷直流電機

●變速箱配置：行星；? 級，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。

選擇標準

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

圖 2. 為AMR設計選擇電機和變速箱時要考慮的重要方面。

扭矩  首先，確定所需的輸出扭矩，然后逆向查找您的電機和傳動裝置。輪子上的扭矩應基于機器人加速度、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整個機器人，以及要克服的最小坡度和潛在障礙。摩擦和效率也應該考慮到最終的扭矩計算中。

速度  為了計算輪子需要旋轉(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，您可以選擇電機和齒輪。機器人制造商一般會最終確定機器人的驅(qū)動速度，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、制動器、電機和齒輪組成的電機組適合機器人并且可以干凈地包裝。編碼器可讓您測量電機軸轉(zhuǎn)動了多少，制動系統(tǒng)有助于保持扭矩并在緊急情況下提供動態(tài)停止。

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

工作溫度  雖然溫度通常不是問題，但確保您的電機組不會過熱仍然很重要——尤其是在封閉的情況下。變速箱是另一個值得關注的領域，因為隨著時間的推移，溫度會影響其潤滑壽命和性能。

重量  負載的質(zhì)量也決定了電機選擇的扭矩。因此，您需要估計質(zhì)量或知道實際質(zhì)量才能選擇電機。如果您的設計基于質(zhì)量估算，我們建議應用 25% 的安全裕度。請參考電機數(shù)據(jù)表中提供的扭矩常數(shù)，以計算每安培可實現(xiàn)多少扭矩輸出。

成本  雖然從頭開始構建齒輪箱可能更便宜，但設計、組裝和測試新齒輪所需的時間和精力可以使標準齒輪箱成為更經(jīng)濟的選擇。

精度、準確性和效率  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，輪式電機機器人應用的精度和準確度可能會稍低一些。而且，由于并非所有應用都需要低噪音或低振動等高性能特性，因此可以容忍較低的精度。然而，機械臂或儀器通常需要更精確和準確的低背隙系統(tǒng)。

可靠性和噪音  大多數(shù)應用需要更高的可靠性，因此電機組必須能夠承受所需的工作點。監(jiān)控機器人等一些關鍵應用需要低噪音和更高的可靠性，電機和齒輪箱必須同時滿足這兩個標準。

選擇最佳設計

以下是使用 Portescap 設計的運動系統(tǒng)的自主移動機器人應用示例：

●電機：有刷 DC 35 GLT

●主變速箱：行星變速箱，3 級，正齒輪，99.8 總變速箱比

許多AMR采用差動轉(zhuǎn)向，依靠單獨驅(qū)動的輪子進行運動。另一種設計是具有兩對動力輪的四輪驅(qū)動機器人，由于每對都可以朝同一方向轉(zhuǎn)動，因此提供了更多的平衡。但是，如果兩人的速度不同，機器人就會移動緩慢，無法直線行駛。最佳設計具有類似于汽車中使用的差動轉(zhuǎn)向機構，它允許機器人左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)，只需要一個電機。另一種常見的機器人配置使用獨立驅(qū)動輪子的電機，而不是差動轉(zhuǎn)向。在這種情況下，需要單獨的電機來驅(qū)動每個車輪。總體系統(tǒng)規(guī)格為：

●包裝：32 -mm2 x 115 mm 長

●變速箱輸出扭矩容量：8 Nm

●變速箱輸出轉(zhuǎn)速：80 rpm

●預期壽命：1,000 小時

●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器人應用。

圖 3. 帶齒輪箱的 Portescap 有刷直流 35 GLT 電機。

AMR的未來發(fā)展

AMR并非沒有缺點。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。為了讓機器人克服這些限制，必須修改驅(qū)動架構以包括諸如帶履帶的差動驅(qū)動系統(tǒng)、滑移轉(zhuǎn)向四輪驅(qū)動系統(tǒng)或兩輪加被動腳輪差動驅(qū)動系統(tǒng)的機制。然而，這些架構增加了更多的復雜性，需要對其成本影響進行詳細研究。

在整體架構沒有重大變化的情況下，機器人設計人員必須將精力集中在優(yōu)化運動系統(tǒng)上。以下進步有助于提高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 的高級分析  結構分析有助于識別潛在故障并在設計過程的早期消除它們。圖 6 顯示了一個示例。

圖 6. 高級 FEA 分析。

高級聲學模擬。使用軟件預測噪聲（例如圖 7 中的仿真）有助于優(yōu)化需要低噪聲的關鍵應用的設計。

圖 7. 高級聲學模擬

與合適的電機供應商合作

隨著機器人在工業(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應用程序?qū)崿F(xiàn)精度和最佳性能，您需要合適的運動組件。Portescap 提供范圍廣泛的標準和定制微型電機，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機器人系統(tǒng)可以到達需要的地方并完成工作。

Portescap 起源于瑞士，以對精度、以客戶為中心的創(chuàng)新、卓越的技術和最優(yōu)質(zhì)的服務充滿熱情，已成為微型電機和精密運動控制解決方案領域公認的領先專家。從醫(yī)療設備到各種節(jié)省、改善和改善生命的工業(yè)應用，Portescap 提供微型電機技術，以解決各種終端市場的運動需求。我們通過廣泛的創(chuàng)新產(chǎn)品技術為客戶提供服務，包括無刷直流，有刷直流，罐堆疊電機，盤式磁鐵電機和步進線性執(zhí)行器，以優(yōu)化應用性能。我們的產(chǎn)品采用緊湊的封裝，具有高效率和低功耗。

基于卓越制造的傳統(tǒng)，并以對創(chuàng)新的熱情為動力，我們利用70多年的運動解決方案經(jīng)驗，將精確的動力放在最小的地方。我們與全球客戶在產(chǎn)品設計的每個階段都進行合作 - 從選擇最佳運動解決方案到定制產(chǎn)品以滿足他們的應用需求。我們的全球制造足跡和遍布全球的應用中心使我們能夠快速響應客戶需求，并提供本地支持和協(xié)作。