機(jī)器人的種類愈加繁多，功能越來越強(qiáng)，但在過去半個(gè)世紀(jì)，機(jī)器人的一個(gè)部件鮮有變化，這個(gè)部件就是執(zhí)行器。

絕大多數(shù)機(jī)器人使用與變速箱相連的電機(jī)來移動(dòng)輪子和關(guān)節(jié)。經(jīng)過優(yōu)化，電機(jī)的轉(zhuǎn)速通常很高，而變速箱則降低了輸出軸的轉(zhuǎn)速，在此過程中增加了扭矩。工業(yè)機(jī)械臂、類人行走式機(jī)器人和火星探測器都用這類執(zhí)行器。但它遠(yuǎn)非完美：齒輪電機(jī)通常笨重而緩慢。它們無法抵抗撞擊，維護(hù)繁瑣。如要增大扭矩，需要付出高昂的成本。機(jī)器人專家一直希望找到更好的替代品。

如今，加拿大一家初創(chuàng)公司表示，確實(shí)有一種更好的方式來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。位于加拿大不列顛哥倫比亞省蘭利市的創(chuàng)世紀(jì)機(jī)器人公司（Genesis Robotics）力圖用一種能夠更精確地控制扭矩和轉(zhuǎn)速的特殊電機(jī)來代替普通電機(jī)。這種電機(jī)能夠以很慢的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，可用它來為機(jī)器人關(guān)節(jié)提供動(dòng)力而無需任何傳動(dòng)裝置。盡管在很多情況下這些電機(jī)可連接少量的傳動(dòng)裝置，但這種設(shè)計(jì)仍被稱為直接驅(qū)動(dòng)。

直接驅(qū)動(dòng)是一種幾十年前的技術(shù)，現(xiàn)用于工業(yè)產(chǎn)品和消費(fèi)產(chǎn)品。但是創(chuàng)世紀(jì)機(jī)器人公司宣稱，與同等重量的傳統(tǒng)直接驅(qū)動(dòng)相比，其LiveDrive的設(shè)計(jì)扭矩是前者的3倍，精準(zhǔn)度是前者的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Reflex，用注塑塑料制成，降低了制造成本。相比之下，大多數(shù)高性能執(zhí)行器使用的應(yīng)力波變速箱必須在制造過程中獲得較高的耐力，因而價(jià)格非常昂貴。

創(chuàng)世紀(jì)機(jī)器人公司創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官杰姆斯?克拉森（James klassen）說：“機(jī)器人技術(shù)在控制、傳感器和人工智能方面已經(jīng)取得了長足進(jìn)步。阻礙它前進(jìn)的是執(zhí)行?！?/p>

過去幾年，這家擁有60名員工的公司一直在積聚專利。去年4月，公司獲得堪薩斯州威奇托市大型企業(yè)集團(tuán)科氏工業(yè)集團(tuán)的大力投資。自2019年起，創(chuàng)世紀(jì)機(jī)器人公司將向機(jī)器人制造商出售或授權(quán)其直接驅(qū)動(dòng)和變速箱系列產(chǎn)品。

在結(jié)構(gòu)上，直接驅(qū)動(dòng)與無刷直流電機(jī)無太大差別，包含一個(gè)裝有永磁體的轉(zhuǎn)子和一個(gè)裝有銅繞組的定子。但是，直流電機(jī)通常只有十幾個(gè)磁鐵和繞組，而直接驅(qū)動(dòng)的磁鐵和繞組數(shù)量是直流電機(jī)的好幾倍。

與齒輪電機(jī)相比，直接驅(qū)動(dòng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，其可以通過調(diào)節(jié)繞組電流精確地控制扭矩，無需昂貴的力傳感器。直接驅(qū)動(dòng)的慣性也非常低，可以極快地加速，瞬間停止或轉(zhuǎn)向。直接驅(qū)動(dòng)無齒輪間隙，不會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)損失，因而非常精確。

那么它們?yōu)楹螞]有廣泛應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域呢？

麻省理工學(xué)院仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室主任桑巴?基姆（Sangbae Kim）表示，自20世紀(jì)80年代起，機(jī)器人專家就一直在探索這類執(zhí)行器。它已應(yīng)用于高速機(jī)械臂和觸覺設(shè)備，許多供應(yīng)商為機(jī)器人應(yīng)用提供直接驅(qū)動(dòng)。他解釋說，直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的一大挑戰(zhàn)是體積過大。隨后他補(bǔ)充道，你可以做成緊湊型的小電機(jī)，“但扭矩密度會(huì)下降”。換句話說，直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)可能很適合你的機(jī)器人，但其動(dòng)力不足以讓機(jī)器人移動(dòng)。另一個(gè)缺點(diǎn)是直接驅(qū)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，這意味著需要在設(shè)計(jì)中增加風(fēng)扇甚至水冷系統(tǒng)。

創(chuàng)世紀(jì)機(jī)器人公司表示，可通過簡化轉(zhuǎn)子和定子的幾何結(jié)構(gòu)，減少部件數(shù)量，盡可能緊密地整合為一體，來解決這些問題?？死f，他的團(tuán)隊(duì)縮小了磁鐵的尺寸，磁鐵的間距只有幾毫米，繞組也緊密嵌在電樞中。該結(jié)構(gòu)既能夠承受電機(jī)內(nèi)的強(qiáng)大磁力，又可有效散熱。

他說：“它的強(qiáng)度較高，容易制造，而且非常便宜?！?/p>

創(chuàng)世紀(jì)機(jī)器人公司設(shè)計(jì)了兩個(gè)LiveDrive模型，直徑分別為250和110毫米。在貿(mào)易展上，模型給觀眾留下了深刻印象。公司現(xiàn)正與研究人員合作改進(jìn)電機(jī)參數(shù)。

“直徑略長，但寬度正好?！北壤麜r(shí)布魯塞爾阿姆斯特丹自由大學(xué)的機(jī)器人專家，兼任該公司顧問的布拉姆?范德堡（Bram Vanderborght）說。他正在測試250毫米的LiveDrive。他目前正考慮并排放置兩個(gè)或更多LiveDrive單元，以增加扭矩。他表示：“這是一個(gè)更加模塊化的系統(tǒng)?！?/p>

大多數(shù)機(jī)器人需要的扭矩比單個(gè)LiveDrive提供的扭矩要大。因此創(chuàng)世紀(jì)機(jī)器人公司創(chuàng)造了Reflex變速箱。它基于行星齒輪結(jié)構(gòu)，較小的齒輪圍繞較大的齒輪旋轉(zhuǎn)。與多級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪相比，這種設(shè)計(jì)令執(zhí)行器更加協(xié)調(diào)，響應(yīng)更加靈敏。Reflex最初將采用金屬材質(zhì)制造，但目標(biāo)是使用塑料制造，讓成本遠(yuǎn)低于現(xiàn)有的應(yīng)力波齒輪。應(yīng)力波齒輪是機(jī)器人硬件成本居高不下的一個(gè)主要原因。

克拉森說，展示執(zhí)行器優(yōu)點(diǎn)的最好方法是將其應(yīng)用于真正的機(jī)器人。他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)了機(jī)械臂機(jī)器人、足式機(jī)器人和外骨骼機(jī)器人，現(xiàn)正構(gòu)建一個(gè)家用機(jī)器人原型。他說：“我們喜歡創(chuàng)造，喜歡改進(jìn)，我們是一群機(jī)器人發(fā)燒友?！?/p>