小型仿生机器人的四种常用驱动系统

对于常见的小型仿生机器人来说，目前常用的驱动系统有四种，分别是：直流无刷电动机、步进电动机、伺服电动机、舵机。

1.直流无刷电动机

直流有刷电动机因电刷的换向使得由永久磁钢产生的磁场与绕组通电后产生的磁场在电动机运行过程中始终保持垂直，从而产生最大转矩驱使电动机运转。由于电刷以机械方法进行换向，存在相对机械摩擦，导致直流有刷电动机存在噪声大、电磁干扰、寿命短等缺点。

图1 直流无刷电动机

直流无刷电动机（图1）跟直流有刷电动机一样有转子和定子部分（二者结构是相反的）：永磁磁钢是转子，同外壳一起与输出轴相连；绕组线圈是定子。无刷电动机依靠改变输入到定子线圈上的电流频率和波形，在绕组线圈周围形成一个绕电动机几何轴心旋转的磁场，该磁场驱动转子上的永磁磁钢转动，从而实现电动机输出轴转动。由于它摒弃了有刷电动机用来交替变换电磁场的换向电刷，因而得名“无刷电动机”。因其借助高性能半导体功率器件和高性能永磁材料，因此具备结构简单、调速性能强、运行及维护方便可靠等优点。

2.步进电动机

步进电动机（图2）是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制驱动器件，其转速和停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响（非超载状态）。当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，就会驱动步进电动机按照设定的方向转动一个固定的“步距角”角度，其旋转是以固定的角度“一步一步”运行的，因此得名“步进电动机”。当然，通过控制脉冲的频率就可以方便地来控制步进电动机转动的速度和加速度，从而实现调速。

图2 步进电动机

步进电动机属于感应电动机，它利用电子电路将直流电变为分时供电的多相时序控制电流。在这种动力的驱使下，步进电动机才能够正常工作。

3.伺服电动机

“伺服系统”是使物体的位置、方向或状态等输出被控量能够跟随给定值或输入目标而任意变化的自动控制系统，伺服主要是靠脉冲来进行定位的。伺服电动机（图3）是将控制电压（输入的电压信号）转换为转矩和转速，从而驱动控制对象。伺服电动机转子的转速是受输入信号控制的，反应快，通常在自动控制系统中被用作执行元件，优点是机电时间常数小、线性度高。

图3 伺服电动机

因为伺服电动机每旋转一个角度都会发出对应数量的脉冲，因此，伺服电动机每接收到一个脉冲就会旋转一个脉冲对应的角度，从而实现位移变化，定位非常准确。

4.舵机

最早应用于航模制作的“舵机”（图4）是由直流电动机、减速齿轮组、传感器和控制电路等组成的一套自动控制系统。舵机的可控转动是通过发送信号指定舵机输出轴的旋转角度来实现的，有最大旋转角度（比如180°）。与直流电动机不同，舵机虽只能在一定的角度范围内转动（除数字舵机外都不能连续转动），但能够正确反馈转动的角度信息，因为舵机主要是被用来控制机器人的关节转动一定的角度。

图4 “舵机”

舵机中的控制电路板会接收来自信号线的控制信号，然后控制舵机带动一系列齿轮组转动，再经减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴与位置反馈电位计相连，舵盘的转动会带动位置反馈电位计输出一个电压信号至控制电路板，最终再反馈至控制电路板，控制电路板根据所在位置来决定电动机的转动方向和速度，实现既定的控制目标之后再停止动作。舵机控制电路板主要是用来驱动舵机和接收电位器反馈回来的信息，电位器通过舵机旋转后所产生的电阻变化再将信号发送至舵机控制面板，从而判断输出轴的角度是否为正确的有效输出。减速齿轮组是将电动机的扭矩动力进行“放大”，从一级齿轮经二、三、四级齿轮组和输出轴，最终能得到大约15kg·cm的扭力。