减速器凭什么替代电机转速来控制机器人关节运动？

从机器人臂部结构图中，我们可以清晰地看到每一个关节处都安装了电机和减速机。这引发了一个有趣的问题：在机器人系统中，为何不能直接控制伺服电机的转子转速来驱动关节运动，而还需要减速器的参与呢？

要解答这个问题，我们首先需要了解工业机器人关节的工作情况。

工业机器人的关节承受着来自后端机构因重力产生的扭矩。这是一个不小的挑战，需要关节具备足够的稳定性和力量来应对。

工业机器人的关节转速并不高。实际上，机器人关节的角速度相对较低。如果直接让电机在如此低的转速下工作，其转动可能会变得不平稳，控制起来也会更加困难。这就需要一个机械装置——减速机，来使电机在更合理的转速范围内运动，确保运动的平稳和精准。

当我们谈论一个50:1的谐波减速机，它如何能将一个额定100mNm的电机扭矩提升至惊人的5Nm时，这背后所付出的代价似乎成为了话题的焦点。这款减速机让电机的转子转速直逼极限，飙升至直驱模式的49倍。工业机器人的关节虽然转速本就较慢，一般仅为一两转每秒，但这款电机的转速却能轻松达到每分钟数千转。若想进一步提升转速，那么提高电压是一个解决方案，但这绝对是一场考验，考验轴承和转子能否承受如此高强度的运转。

重量问题更是不可忽视。为了获得更高的性能，这款电机的重量会增加至原来的三倍。以maxon EC45和EC90两款电机为例，EC45电机额定转矩为83mNm，重量仅为110g，而EC90的额定转矩提升至560mNm的重量也相应跃升至600g。那么，想象一下，一款额定转矩达到5Nm的电机，其重量又将如何翻倍呢？这无疑给机器人的设计和运行带来了新的挑战。但无论如何，这一切都是为了追求更高的性能和技术突破，为了满足日益增长的工业自动化需求。在维持恒定扭矩的条件下，发热功率相较于不使用减速机的情况，将显著降低至四分之一。这并非意味着额定为100mNm的电机无法实现较低的扭矩输出，如5Nm，实际上通过加大电流可以达到这一目的。这种方式将使电机迅速升温，可能仅维持数秒便会出现过热现象，即便采用水冷降温措施，电费支出也将显著上升。若想在不使电机过热的情况下达到相同的扭矩输出，就必须更换具有较高扭矩/发热效率、较小热阻和较大热容量的电机，但这无疑又回到了先前的问题。

使用减速机的好处众多。它能帮助我们以较低的机械成本实现更高的分辨率。例如，一个普通的5k线光电码盘，在使用减速机后就能达到1.44mdeg的角度分辨率。这种高分辨率的优势在于，转速控制更为精确，因量化而产生的阶跃高频分量将大大减小，使得控制过程更为平滑流畅。通过细分技术，如使用正余弦编码器，我们还可以进一步提高分辨率。再如，一个5相1000步的步进电机，在配合减速机后，可以实现7.2mdeg的超高分辨率。如东方电机的33步进+50:1的谐波减速机制便是一个很好的实例。

减速机在提高机械性能、优化能源利用以及提升设备精度等方面发挥了重要作用。它不仅降低了运营成本，而且提高了工作效率和产品质量，是现代机械工程中不可或缺的重要部件。深化闭环精度，优化控制环路性能

在技术领域，存在一个引人注目的现象：通过减速机的大减速比，出轴扰动被显著减少，传递到电机端时，其影响相较于直驱方式减少了37dB。这犹如在波澜壮阔的海洋中稳稳把握住舵，使闭环精度在减速机出轴上显得更加精准。而背后的原理，与转子等效转动惯量的提升密切相关，它在此情况下提高了2500倍。这使得控制环路中的滞后环节更多地受到转子惯量的主导。值得注意的是，转子本身并未受到刚度的扭矩滞后影响，因为它直接受到电磁力的驱动，这使得控制更加流畅，直驱方式难以企及。

对于异步电机的功率与转矩特性曲线，若存在疑惑，可细查下图。请注意，异步电机与直流电机有所不同，其工作范围可超越横转矩区。

在机器人应用中，直流电机除了具备低速大扭矩的特性外，可能还受到其他因素的影响。其中，所使用的减速机传动比可能较高，达到2级传动或更高。

使用减速机并非毫无缺陷，它也存在一些不足。在权衡之下，选择使用减速机仍然是更为明智的决策。

上述内容通过生动的语言和丰富的文体，深入解读了异步电机的特性以及直流电机在机器人应用中的优势与减速机的使用选择，保持了原文的风格特点。探讨减速机的应用及其局限：

在现代工业中，减速机广泛应用于机器人和其他机械设备中。尽管它为我们的技术带来了诸多便利，但它也存在一些不可忽视的缺点。下面我们就来深入探讨一下这些缺点及其背后的原因。

当编码器被安装在电机端，而同时又配置了减速机时，减速机的制造精度会对整体系统的实际精度产生影响。这是因为减速机的内部机械结构，如齿轮的啮合，可能会引入一定的误差。

对于多级减速机而言，其内部的齿隙油膜厚度变化等微小误差在经过多级放大后，会导致重复精度的降低。这意味着，在多级减速机的使用过程中，精度损失可能会成为一个问题。

减速机的工作原理基于齿轮的啮合或柔轮的变形，这就决定了它有一定的寿命限制。随着使用时间的增长，减速机的性能可能会逐渐下降，需要进行维护和更换。

对于多连杆机构，减速机的齿隙非线性耦合会导致机器人的绝对精度较差。这一现象使得工业机器人在定位精度上更多地依赖于重复定位精度，而非绝对精度。这增加了机器人编程的复杂性，使得离线编程变得更加困难，从而提高了部署的难度和成本。

由于上述种种局限，我们不能直接控制伺服电机的转子转速来控制关节运动，而需要通过减速器来进行调节。尽管直驱电机驱动的机器人在近年来得到了发展，但由于技术成熟度的问题，它还不能完全替代减速机。

工业机器人在使用减速机时，实际上是以电机的高转速换取了高扭矩和优质性能。虽然这为我们的工业生产带来了便利，但我们也需要认识到其存在的局限和挑战。