雖然機(jī)器人變得更加多樣化和能力，但在過去的半個(gè)世紀(jì)中，有一個(gè)組件沒有太大變化：它們的執(zhí)行器。

絕大多數(shù)機(jī)器人使用耦合到齒輪箱的電動(dòng)機(jī)來移動(dòng)它們的每個(gè)輪子和關(guān)節(jié)。電機(jī)旋轉(zhuǎn)迅速，因?yàn)樗莾?yōu)化的，而齒輪箱降低了輸出軸的轉(zhuǎn)速，增加了過程中的扭矩。這種類型的執(zhí)行器為機(jī)器人提供動(dòng)力，如工業(yè)武器，行走人形機(jī)器人和火星探測(cè)器。但它遠(yuǎn)非完美：齒輪馬達(dá)通常笨重而且遲鈍。它們無法處理沖擊并且維護(hù)很重。如果你需要很大的扭矩，準(zhǔn)備付出慘重的代價(jià)。機(jī)器人專家一直希望找到更好的選擇。

現(xiàn)在，一家加拿大創(chuàng)業(yè)公司表示，確實(shí)有更好的方法來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。位于不列顛哥倫比亞省蘭利市的Genesis Robotics公司希望用一種特殊類型的電機(jī)代替普通電機(jī)，這種電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和速度可以更精確地控制。因?yàn)檫@樣的電機(jī)可以以更慢的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，所以有時(shí)可以使用它來為機(jī)器人關(guān)節(jié)提供動(dòng)力而根本不使用傳動(dòng)裝置，這就是為什么設(shè)計(jì)被稱為直接驅(qū)動(dòng)，即使在許多情況下這些電機(jī)與最小的杠桿比率。

直接驅(qū)動(dòng)代表了數(shù)十年前的技術(shù)，您可以在工業(yè)設(shè)備和消費(fèi)產(chǎn)品中找到它們。但Genesis聲稱其LiveDrive設(shè)計(jì)可以提供相同重量的傳統(tǒng)直接驅(qū)動(dòng)器的三倍扭矩，精度是其100倍，而且成本更低。該公司還發(fā)明了一種緊湊，輕便的變速箱，名為Reflex，可以用注塑塑料制成，降低制造成本。相比之下，大多數(shù)高性能執(zhí)行器使用應(yīng)變波齒輪，這種齒輪特別昂貴，因?yàn)樗鼈儽仨毤庸さ礁吖睢?/p>

Genesis創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官詹姆斯克拉森說：“機(jī)器人技術(shù)在控制方面遙遙領(lǐng)先，傳感器與人工智能相結(jié)合。” “阻礙它的是驅(qū)動(dòng)力。”

這家擁有60名員工的公司在過去幾年中一直在積累專利，去年4月，它收到了位于堪薩斯州威奇托市的巨型企業(yè)集團(tuán)Koch Industries的大筆投資。從2019年開始，Genesis將出售或許可其直系親屬。驅(qū)動(dòng)器和變速箱到機(jī)器人制造商。

在它們的結(jié)構(gòu)中，直接驅(qū)動(dòng)與無刷直流電動(dòng)機(jī)沒有什么不同，無刷直流電動(dòng)機(jī)由配有永磁體的轉(zhuǎn)子和帶有銅繞組的定子組成。但直流電機(jī)通常只有不到十幾個(gè)磁鐵和繞組，直接驅(qū)動(dòng)的數(shù)量是其數(shù)倍。

直接驅(qū)動(dòng)器具有超越齒輪馬達(dá)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，您可以通過調(diào)節(jié)繞組電流更精確地控制其扭矩，而無需昂貴的力傳感器。直接驅(qū)動(dòng)也具有非常低的慣性，因此它們幾乎可以瞬間加速甚至停止或反向。并且沒有間隙 - 齒輪聯(lián)軸器的松弛導(dǎo)致齒輪馬達(dá)中的運(yùn)動(dòng)損失 - 直接驅(qū)動(dòng)也非常精確。

那么為什么它們不被廣泛用于機(jī)器人技術(shù)呢?

麻省理工學(xué)院仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室主任桑巴金說，自20世紀(jì)80年代以來，機(jī)器人專家一直在探索這種類型的驅(qū)動(dòng)。它已經(jīng)用于高速武器和觸覺設(shè)備，許多供應(yīng)商 確實(shí) 為機(jī)器人應(yīng)用提供直接驅(qū)動(dòng)。他解釋說，挑戰(zhàn)在于這些電機(jī)相當(dāng)大。他補(bǔ)充道，你可以把它們制成緊湊的尺寸，“但扭矩密度會(huì)下降。”換句話說，電機(jī)可能很適合你的機(jī)器人，但它們的強(qiáng)度不足以使它移動(dòng)。另一個(gè)缺點(diǎn)是直接驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生大量熱量，這意味著您需要在設(shè)計(jì)中添加風(fēng)扇甚至水冷系統(tǒng)。

Genesis表示，它通過簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)子和定子的幾何形狀來解決這些問題，以減少零件數(shù)量并盡可能緊密地集成它們。Klassen說，他的團(tuán)隊(duì)縮小了磁鐵的尺寸，這些磁鐵只相隔幾毫米，而繞組也緊密地嵌入電樞中。該結(jié)構(gòu)能夠承受電動(dòng)機(jī)內(nèi)的放大磁力，同時(shí)仍然允許熱量有效地散熱。

“它具有強(qiáng)度，易于制造，而且非常便宜，”他說。

磁性肌肉： Genesis Robotics設(shè)計(jì)了一種直接驅(qū)動(dòng)器，將磁鐵和繞組緊密集成在一個(gè)緊湊的包裝中。該公司表示，其LiveDrive電機(jī)每轉(zhuǎn)重量的扭矩是傳統(tǒng)直接驅(qū)動(dòng)器的三倍。

該公司設(shè)計(jì)了兩個(gè)LiveDrive型號(hào)，一個(gè)直徑250毫米，另一個(gè)110毫米。貿(mào)易展覽會(huì)上的公眾示威活動(dòng) 普遍給觀察者留下了深刻的印象，而Genesis現(xiàn)在正與研究人員合作改進(jìn)其電機(jī)規(guī)格。

“直徑有點(diǎn)大，但另一方面，寬度非常令人印象深刻，” 比利時(shí)Vrije Universiteit Brussel的機(jī)器人專家Bram Vanderborght說，他是該公司的顧問，并且一直在測(cè)試250毫米包括LiveDrive。他正在考慮的一種可能性是將兩個(gè)或更多的LiveDrive裝置并排放置以增加扭矩。“這是一個(gè)更模塊化的系統(tǒng)，”他說。

大多數(shù)機(jī)器人都需要比LiveDrive單獨(dú)提供的扭矩更大的扭矩。這就是為什么Genesis創(chuàng)造了它的Reflex變速箱。它基于行星齒輪的配置，較小的齒輪圍繞較大的齒輪旋轉(zhuǎn)。與多級(jí)齒輪系統(tǒng)中使用的相比，這種設(shè)計(jì)使得致動(dòng)器更加柔順，響應(yīng)更靈敏。Reflex最初將由金屬制成，但目標(biāo)是使用塑料制造它，將成本降低到現(xiàn)有應(yīng)變波齒輪的一小部分，這是機(jī)器人硬件如此昂貴的一個(gè)主要原因。

就他而言，克拉森說，炫耀他的執(zhí)行器的好處的最好方法是將它們用于真正的機(jī)器人。他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了機(jī)器人手臂，腿式機(jī)器人和外骨骼，現(xiàn)在正在建造家用機(jī)器人原型。“我們喜歡建造東西，讓事情變得更好，”他說。“我們是一群齒輪箱。”