机器人算法工程师一定要懂电机的原因
- 机器人运动控制的核心需求
- 电机是机器人的动力来源，就像人的肌肉一样。机器人的各种运动，如机械臂的抓取、移动机器人的行走、旋转关节的转动等，都需要电机来驱动。对于机器人高级算法工程师来说，熟悉电机是至关重要的，因为他们需要根据电机的特性来设计运动控制算法。
- 例如，不同类型的电机（直流电机、交流电机、步进电机等）有不同的速度 - 转矩特性曲线。如果算法工程师不了解这些，就无法准确地控制机器人的运动速度和力量，可能导致机器人运动不稳定、效率低下或者无法完成任务。
- 精确的运动规划和路径跟踪
- 为了让机器人准确地完成任务，需要进行精确的运动规划和路径跟踪。这就要求算法工程师熟悉电机的动态特性，包括电机的响应时间、加速度、减速特性等。
- 比如，在工业机械臂进行高精度的装配任务时，需要电机能够快速而准确地响应算法发出的指令。如果算法工程师不了解电机的动态性能，所设计的路径跟踪算法可能无法使机械臂精确地到达指定位置，影响装配质量。
- 能量管理和效率优化
- 电机的能耗直接影响机器人的工作时长和性能。熟悉电机的高级算法工程师可以通过优化控制算法来提高电机的运行效率，从而延长机器人的工作时间或者降低能耗成本。
- 例如，了解电机在不同负载和速度下的效率曲线后，算法工程师可以设计智能的功率控制算法，使电机在高效区间运行。对于电池供电的移动机器人来说，这一点尤为重要，可以有效提升机器人的续航能力。
- 故障诊断和系统可靠性
- 电机是机器人系统中容易出现故障的部件之一。熟悉电机的工程师可以通过监测电机的运行参数（如电流、温度、振动等）来进行故障诊断。
- 例如，当电机电流异常增大时，可能是电机负载过重或者电机本身出现故障。算法工程师可以设计故障检测算法，基于电机的运行参数及时发现问题，采取相应的措施，如调整运动策略或者发出警报，从而提高机器人系统的可靠性。
机器人高级算法工程师还需要掌握哪些电机相关的知识？
- 电机类型及原理
直流电机：
了解其工作原理，即通过直流电源供电，利用磁场和电流的相互作用产生转矩。要知道直流电机分为永磁直流电机和他励直流电机等类型。例如，永磁直流电机内部有永磁体产生磁场，当电流通过电枢绕组时，会受到磁场力的作用而旋转。
熟悉其调速方法，如改变电枢电压调速、改变励磁电流调速。对于改变电枢电压调速，工程师需要掌握其调速范围、调速平滑性等特点，这在机器人运动速度控制中有重要应用。
交流电机：
掌握异步电机和同步电机的原理。异步电机基于电磁感应原理，转子的转速总是略低于旋转磁场的转速；同步电机的转子转速与旋转磁场转速相同。例如，在一些大型工业机器人的驱动中，可能会用到同步电机来保证精确的运动同步。
理解交流电机的变频调速原理。这涉及到对变频器的了解，包括如何通过改变电源频率来改变电机的转速，以及频率变化对电机转矩、效率等性能的影响。
步进电机：
明白其工作原理是通过电脉冲信号控制，每输入一个脉冲，电机就会转动一个固定的角度。这在机器人的精确定位场合很有用，比如机械臂关节的小角度精确调整。
知道其细分驱动技术，即通过细分控制可以提高电机的步距角分辨率，使电机运行更加平稳，对于要求高精度定位的机器人系统至关重要。 - 电机特性参数
转矩 - 速度特性曲线：
这是电机最重要的特性曲线之一。要能够解读曲线，了解电机在不同速度下能够输出的转矩大小。例如，在机器人搬运重物时，根据此曲线可以确定电机是否能够提供足够的转矩来完成任务，并且合理安排机器人的运动速度，以确保电机工作在合适的区间。
效率特性曲线：
熟悉电机在不同负载和速度下的效率变化情况。对于节能要求高的机器人应用，根据此曲线可以优化电机的控制策略，使电机在效率较高的区域运行，降低机器人的能耗。
电流 - 转矩特性曲线：
理解电机转矩与电流之间的关系。这在电机的过载保护和故障诊断中有重要应用。如果电机电流异常增大，可能是因为负载过重或者电机出现故障，通过监测电流与转矩的关系可以及时发现问题。 - 电机的控制方式
开环控制：
了解其基本原理，即不考虑电机的实际输出状态，只根据给定的输入信号控制电机。例如，在一些对精度要求不高的简单机器人运动场景中，如小型玩具机器人的简单动作，可能会使用开环控制方式。
知道开环控制的优缺点。其优点是简单、成本低，但缺点是精度差、容易受到干扰。在实际应用中，需要权衡这些特点来决定是否采用开环控制。
闭环控制：
掌握闭环控制的原理，通过反馈元件（如编码器、旋转变压器等）将电机的实际状态（如位置、速度、转矩等）反馈给控制器，控制器根据反馈信息和目标值之间的差异进行调整。在高精度机器人运动控制中，如工业机械臂的精确定位和精密装配，闭环控制是必不可少的。
熟悉常用的闭环控制策略，如 PID 控制（比例 - 积分 - 微分控制）。了解如何调节 PID 参数来优化电机的控制性能，使机器人的运动更加稳定、精确。 - 电机的选型与匹配
负载匹配：
根据机器人的负载特性（如惯性、摩擦力、重力等）来选择合适的电机。例如，对于负载惯性大的机器人关节，需要选择具有高转矩输出能力的电机，并且要考虑电机的启动转矩是否能够克服负载的静摩擦力。
考虑负载的变化情况，选择能够适应负载动态变化的电机类型和控制方式。在机器人执行不同任务，如抓取不同重量的物体时，电机要能够稳定地工作。
与机器人传动系统匹配：
了解机器人的传动方式（如齿轮传动、皮带传动、谐波传动等），并根据传动比和传动效率等因素选择电机。例如，在谐波传动的机器人关节中，电机的输出转速和转矩需要根据谐波减速器的传动比进行合理匹配，以满足关节的运动要求。
