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[知识点] 机器人大赛动力系统及其选型（执行机构篇）（上）

机器人大赛动力系统及其选型（执行机构篇）（上）

执行机构篇会是最繁琐的一篇，一方面是因为对执行机构特性的描述较为复杂，另一方面是因为各种舵机、电机及其附属装置的型号极其繁杂，有着不同的结构特性。

执行机构简单介绍

执行机构，在本文中指在机器人最终执行相应动作的机构。

常见的执行机构包括舵机和电机。舵机根据外壳机械结构分为普通舵机和机器人舵机（关节舵机），根据工作模式分为指定角度型和连续旋转型，根据控制信号分为PWM信号舵机和总线舵机。而电机有各种细分，我们遇到的大致分为无刷电机和有刷电机。无刷电机根据有无霍尔传感器分为有感无刷电机和无感无刷电机，根据转子设计，可分为内转子无刷电机和外转子无刷电机；而有刷电机虽然结构较为固定，几乎全部采用内转子设计，有一系列标准规格，但是市面上产品类目极多，良莠不齐，性能特点各异。另外，还有两种较为特殊的无刷电机——步进电机和云台电机。

舵机

首先上图：

左边是机器人舵机，多用作迷你机器人的关节动力,外形设计利于安装关节支架；右边是用于车、船、航模转向的普通舵机。

而连续旋转型和指定角度型几乎无法从外表来分辨，只能从给予一定信号后的表现来判断。指定角度型会根据信号来转到指定角度（相对于舵机内部的角度传感器的指定角度），连续旋转型则会以恒定的速度正转、反转或停止。

总线舵机和PWM信号舵机的外形区别在于PWM信号舵机会有固定的三跟线（VCC、GND和SIGNAL），而总线舵机会用集成了VCC和GND的总线来供电和传输信息。总线舵机可以一个接一个地串起来，而PWM舵机必须一个舵机接一个PWM信号口。

除了舵机的典型用途，即机器人关节、车船转向等，还可以加装专用机械手用来抓取物料，也可以加装摇臂执行一些简单动作。

有刷电机的外形结构

有刷电机结构较为固定，定子一般二或四片瓦型永磁体，外面是钢质的外壳；转子的铁芯用硅钢片叠成，铜线绕组就绕在铁芯上。通常，有刷电机会加一个减速器，牺牲转速以输出更大的扭矩。

一般的，有刷电机会在电机出轴面留下两个安装孔，带内攻丝，以利于安装，购买的时候应注意。
机器人大赛动力系统及其选型（执行机构篇）（上）图6
有刷电机的尺寸一般以三位数字来标定。如385电机，“3”表示这个电机的直径，为3系标准；“8”表示电机长度为8级别；“5”表示电机采用5极转子。注意这里的数字均没有实际字面上的意义，仅代表级别。

1系电机：

主要包括130和180。130和180电机的截面轮廓和安装孔完全一致，只是180电机要比130电机更长，而“0”代表三极转子。常见的黄色TT减速马达的电机便是130电机；同时，130电机也是我们小时候常见的四驱车的动力。虽然外形上180只是比130长了一点，但市售的130电机永磁体质量很差，功率不高，而180有很多为航模而设计生产的高性能电机，功率是常见的130的两三倍不止。

2系电机较少见，不加介绍。

3系电机：

大多数直径系列的标称直径是一样的，但3系电机的标称直径有三种，分别是25mm、27mm和28mm。25mm的标称直径从最短的300、310电机一直用到370级别，而385的电机标称直径27mm，395电机的标称直径28mm，使用时应当注意。在这一级别上，有“25GA-370”这一型号的370减速电机，以及基于其尺寸规格的“黑皮370减速电机”，可选配编码器。其在市场上应用很多，体积小，也有不错的功率，适合在重量较轻（2kg以下）、速度要求不是很大的车型上采用。需要注意的是，这种电机的减速器不能承受太高的扭矩，不建议武术擂台赛使用。（25GA-370这一规格似乎是由驰海电机开发的，黑皮370确定是驰海电机开发，而且市面上的370减速电机几乎被驰海电机的产品所垄断。大家购买这两种型号建议从驰海电机工厂店进行购买，货源有保障，也好开发票。）左为25GA-370，右为基于同款减速器、同规格的黑皮370减速电机。

4系电机：

为专用于水弹枪、车船模型、电动工具的460、480电机，大部分没有安装孔，故而不进行介绍。

5系电机：

最常见的是用于飞思卡尔智能车的520减速编码电机：
机器人大赛动力系统及其选型（执行机构篇）（上）图9
这种减速编码电机应用较为广泛，并且集成了编码器和减速器，具有完善的功能，作为5系电机动力也比较充沛，比较建议大家使用。（这种电机的原产商似乎还是驰海……）

还有就是555和540电机。555电机在市面上可以买到钕铁硼永磁体的高性能产品，追求极致功率和同学可以经过计算后购买使用。540电机则是常见于车模的型号，具有较高的功率和稳定性，产品均较为成熟，但是这些540电机的工作电压比较低，电流较大，给驱动板的压力较大，价格也较为昂贵，建议谨慎采购。

5系电机应用极为广泛，其37mm的标称直径算得上是电机行业上的一个通行标准。再大的电机，由于不是很用得上，故而不再介绍。

有刷电机的性能参数及其标定

有刷电机（包括加装了减速器的型号）主要性能参数包括两部分。一部分是电机的输出数据，即其输出的扭矩、转速等数据，包括额定电压下的空载转速、额定转速、额定扭矩、堵转（即用外力强迫电机无法转动）扭矩、额定功率、最大功率等；另一部分是其输入数据，即额定电压、额定电流和堵转电流。

在此贴出某型减速电机的数据表，供大家参考：
机器人大赛动力系统及其选型（执行机构篇）（上）图10

可以发现，这张表格列出了多种减速比；另外，还标注了减速箱可以承受的最大扭矩。这些数据都是选型时需要考虑在内的。

由于有刷电机的设计已经趋于同质化，所以对其功率影响最大的地方在于永磁体材质和电机尺寸。更大尺寸、永磁体磁性更强的电机拥有更大的功率和更高的扭矩。大部分是基于铁氧体的永磁体，少数掺入了稀土元素，只有极少数采用了磁性极强的钕铁硼永磁体。但在具体采购上，还是比较头痛的，只能建议大家尽量选择久经市场考验的电机，如25GA-370、黑皮370以及520减速电机，购买时尽量选择大店、老店和工厂店。钕铁硼的电机大部分是从小渠道流出的，数据不完善，只能凭经验和卖家给出的少量资料来推测其性能数据，有时候还需要适配合适的减速器和齿轮，不建议新手采用。

另外，永磁体更强的电机更容易在堵转的情况下电流过大、烧毁，需要注意。

一般在选型时，作为车轮的电机，各个轮子的牵引力合至少要是机器人重力的两倍，然后根据自己的需要选择合适的转速，一般空转的速度要达到所需转速的150%以上。转速和扭矩两项数据可大不可小。减速电机的允许扭矩一般不需要担心太多，注意不要堵转即可，但武术擂台赛例外，一定要认真选型并留出足够余量，因为武术擂台赛电机是经常堵转、瞬间反转的。

有时候，不能过于相信卖家的数据，一定要根据电机尺寸和永磁体来判断。常见的TT马达额定电压只有6V，但实际上12V甚至16V使用都不会有什么问题，这是因为其定位是安全的小玩具，所以永磁体较弱，标定也比较保守，堵转也比较安全；而额定电压12V的驰海黑皮370在12V下工作会很快发热，即使4V空转也会慢慢热起来。特别是某小品牌的395减速电机，额定电压标定24V，然而24V下空转一到两分钟，过高的热量就会将这台电机彻底烧毁，其真正的额定电压应为12V甚至更低。

最后提一句，部分有感无刷内转子电机也完全符合这样的参数标定法则。具体内容在无刷电机中详细讲解。

有刷电机的驱动

有刷电机均使用电机驱动板进行驱动。最常见的电机驱动板不外乎L298N，这是一种典型的双H桥双路电机驱动板。
机器人大赛动力系统及其选型（执行机构篇）（上）图14
虽然应用很广泛，但驱动能力极其有限，单路电流限制2A，最高可以驱动25GA-370级别的电机，连黑皮370都带不动。强行小马拉大车的话，驱动板会过热甚至烧毁。另外L298N的效率不高，发热较为严重，所以固定配置了较大的散热片，导致其体积较大，不利于机器人的整体布局。

在此，推荐大家使用A4950这款驱动板，用于小电流驱动的情况，最高可以驱动25GA-370级别的电机。模块逻辑和L298N差不多，也是双H桥双路，单路限流保护2A（也就是说最高输出2A电流，达到2A的话会触发板载保护，将电流牢牢限制在2A）。发热小，体积小，再加上限流保护，可以非常可靠地使用。相比如TB6612之类限压10V的驱动板，其允许电压高达40V，基本不会出现电压不够用的情况。当然，缺点就是有点贵，参考价20元。（下图为A4950电机驱动板）
机器人大赛动力系统及其选型（执行机构篇）（上）图13
在电流更大的情况，则建议使用爱控电子的某型驱动板（因为爱控电子真的没有给它起名字……）。