減速器如何替代電機(jī)轉(zhuǎn)速來控制機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動

要回答這個(gè)問題，首先要明確工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的工況：

1. 工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)需要撐住后端機(jī)構(gòu)由于重力產(chǎn)生的扭矩。

2. 工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速不高。機(jī)器人關(guān)節(jié)角速度很低，可電機(jī)在極低的速度下轉(zhuǎn)動是不平穩(wěn)的，控制不易，需要一個(gè)機(jī)械讓電機(jī)在較合理的轉(zhuǎn)速下運(yùn)動，保證運(yùn)動的平順。

那么使用減速機(jī)的原因有兩點(diǎn)，第一點(diǎn)是提扭矩，第二點(diǎn)就是提控制分辨率和閉環(huán)精度。

例如，一個(gè)50:1的諧波減速機(jī)就能輕松將一個(gè)額定100mNm的電機(jī)的額定扭矩提升到5Nm，代價(jià)是：

此外，使用減速機(jī)的好處有：

1.以更低價(jià)格的機(jī)械實(shí)現(xiàn)更高的分辨率

一個(gè)普通5k線的光電碼盤就能實(shí)現(xiàn)1.44mdeg的角度分辨率（當(dāng)然，如果資金太多上正余弦編碼器使勁細(xì)分也可以實(shí)現(xiàn)的）；或者是一個(gè)5相1000步的步進(jìn)電機(jī)可以做到7.2mdeg的分辨率（此處說的就是東方電機(jī)的33步進(jìn)+50:1的諧波）。分辨率高的好處是轉(zhuǎn)速控制可以更精確，由于量化造成的階躍產(chǎn)生的高頻分量變得很小，控制更加平滑。

2. 提高閉環(huán)精度，更好的控制控制環(huán)路

由于有個(gè)50:1的大減速比，減速機(jī)出軸受到擾動傳遞到電機(jī)端就比直驅(qū)縮減了37dB，使得閉環(huán)精度在減速機(jī)出軸顯得更高。同時(shí)轉(zhuǎn)子等效的轉(zhuǎn)動慣量提高到了2500倍，使得控制環(huán)路的滯后環(huán)節(jié)受轉(zhuǎn)子慣量占主導(dǎo)，而轉(zhuǎn)子由于直接受電磁力的驅(qū)動從而沒有由于剛度造成的扭矩滯后，比直驅(qū)要好控。

除了上面技術(shù)性方面的解答，這里還有一個(gè)案例，可來從另一個(gè)角度間接回答此問題。

某客戶一種型號為6150的車床，卡盤為10寸（直徑約250mm）液壓卡盤，為了達(dá)到單邊7mm的切削能力，利用主軸電機(jī)（交流異步電機(jī)）的低速大扭矩（轉(zhuǎn)矩）特性，擬選取一款7.5kw額定轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)的電機(jī)，同時(shí)使用1：2傳動比（減速）的齒輪。

已知傳動比和功率、轉(zhuǎn)矩成正比，即使用1：2的傳動比，7.5kw的電機(jī)達(dá)到了15kw、同時(shí)2倍轉(zhuǎn)矩（注意，此處不是指2倍額定轉(zhuǎn)矩）的特性。如果選擇的是15kw的電機(jī)，價(jià)格就要貴不少，安裝尺寸也要變大；而加工出1：2傳動比的一對齒輪不需要很多錢。

不明白的可查看下面這張異步電機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩特性曲線圖。（注意：和直流電機(jī)不同，異步電機(jī)是可能工作在超過橫轉(zhuǎn)矩區(qū)的。）

除了獲得低速、大扭矩特性，機(jī)器人上用的直流電機(jī)可能也有這方面原因，而所用的減速機(jī)的傳動比可能更大（2級傳動或更高）。

當(dāng)然，使用減速機(jī)并不是完美的，還是有一些缺點(diǎn)，但是，兩相比較之下，還是使用減速機(jī)更為合適。          

以上就是為什么不能直接控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來控制關(guān)節(jié)運(yùn)動，而是需要使用減速器的原因。雖然現(xiàn)在有直驅(qū)電機(jī)驅(qū)動的機(jī)器人，但是由于上述問題，成熟度上還差一些。

總之，工業(yè)機(jī)器人上用減速機(jī)就是用電機(jī)容易達(dá)到的高轉(zhuǎn)速換取電機(jī)不易做到的高扭矩和低質(zhì)量。