步进电机,无刷电机与人工肌肉

步进电机，无刷电机与人工肌肉

今天的内容不算多，主要就是介绍两种特殊的电机，步进电机，以及无刷电机。

一说到电机，就想到直流减速电机，因为这个最常见，其实步进电机，也一样常用，只要我们稍微留意。最典型的步进电机应用，莫过于硬盘，呵呵。最近的就是硬盘软驱光驱一类了。大家都是知道硬盘是通过控制磁头，来读写扇区，和磁道的。那么这个读写头的移动，就是通过步进电机，来控制的。

步进电机最大的特点，就是它其实不是连续运转的，而是一步一步的。给一个脉冲，就转一步，那么这一步究竟有多大？这就有一个概念，叫做步进角。当然这个步进角越小，精度就越高了。我这里就不详细去给大家分析步进电机里面，究竟是如何通过多个线圈来实现这个步进的，估计大家听着肯定烦。我主要就是把步进电机的特点交代清楚，然后告诉大家该用在哪里，如何用就好。步进电机的特点，除了一步一步来运转之外，还有一个最大的特点，就是转速，与输出的扭矩，有一个很有意思的关系，在驱动能力一致的前提下，步进电机的输出扭矩，也就是出力，会相对恒定，或者说变化很小，直到速度到某一个极限值。也就是说，步进电机，从低速，加速，输出的扭矩，基本上变化很小，而且这个扭矩也比较大。所以很多应用的场合，步进电机，是不需要再加减速箱的

我以前用步进电机，做过移动机器人平台。就是把步进电机轴，直接接轮子了，呵呵，没有用减速箱，扭矩也够用，这是相比直流减速电机的一个优点。缺点也有，就是我刚刚提到的那个极限速度。当步进电机转速高过某一个极限速度的时候，扭矩就会迅速减小，迅速到，几乎就是垂直下来了。也就是说，当电机转速，快到一定时候，电机的出力，基本上就没有了，由于电机输出扭矩基本上掉到零，电机也就转不动了。所以我们以前做的步进电机机器人，经常会出现这个现象让它跑，然后逐渐加速，当速度到一定之后，机器人突然就停下来，静止不动了。当然电机还是在嗡嗡的叫，但是就是不动，这就是说明，电机的速度，超过了极限速度，扭矩变小，已经带不动机器人运行了。这点可以说是步进电机一个需要注意的大问题。所以我们当时做的移动机器人平台，速度有限，跑的不快。

那么为什么我们还要用步进电机呢，它最大的好处，就是在不丢步的情况下，输出很准确，什么意思呢，就是控制器，给多少脉冲出去，它就转动多少角度，即使不使用反馈控制，电机的转角精度，也非常高。而且这个误差还不积累，当

然如果步进电机的负载过大，超过扭矩，就会出现带不动的情况，也就是丢步。控制器让电机转一步，但是由于电机转不动，就等于这一步没有做，也就是丢了一步，很多情况下，如果步进电机的负载比较大，那么容易出现丢步的现象。我们原来做的移动机器人，如果在不平整的地面上，可能出现丢步的现象,结果导致机器人不走直线。因为两个步进电机，分别驱动两个轮子，如果受到地面来的阻力不同，两个电机出现丢步情况，但是情况不一样，有的丢的多，有的丢的少。结果就是两个轮子转过的角度不同了,效果就是，机器人不走直线。

除了一些要求精度非常高的应用之外，一般情况下，步进电机，都直接用开环控制，精度就很好了。这样会使得系统的机械结构，要简单很多。比如我们当时做移动机器人，本来为了给本科生做硬件实习平台的。所以我们要求每台机器人的成本，要足够的低，而机器人的运行精度，还需要保证。我们首先选择使用直流减速电机，但是直流减速电机，如果开环控制，肯定不靠谱，机器人都不带走直线的。而如果要加上编码器，加上闭环控制算法，主要是国产电机，当时还买不到直接装编码器的，己装，机械结构复杂不说，而且精度也无法保证。而买进口电机，比如我上次讲座提到的，Minimotor或者Maxon，就非常贵，给本科生做实验平台，用不起。为需要的量太大。在这样的情况下，我们选择了步进电机作为移动机器人驱动电机，加减速箱，因为输出扭矩足够，而且速度本来就慢，再减速，就受不了了，不用编码器了，因为步进电机的输出，精度足够，这样，我们的机器人机械结构，就非常简单，呵呵。就是一个地板，上面固定两个步进电机，直接接上轮子，就搞定。还便宜。一般的步进电机，大概也就是100-200，也就差不多了，所以这样下来，我们的成本基本上就下来了。我上次说过，机器人的成本，主要就是电机成本，呵呵。其他的东西，都很便宜，而且可以自己做，比如控制器，如果自己买芯片，做电路板，设计传感器，就可以非常便宜。但是电机不行呀，从来没有听说哪个大牛，不买电机，自己用电线绕线圈，做电机的，呵呵。所以要做机器人，电机是肯定要买的。电机的成本，对机器人的成本，影响很大。

再说说步进电机的控制。步进电机的控制，也是通过PWM来控制的。不过它不需要再调整脉宽了。实际上，只要固定的脉宽，就可以了。主要是需要调整频率，因为频率越高，对于电机来说，接收到的脉冲就越多，所以转的速度也就越快。由于步进电机里面，其实是两个线圈，所以驱动步进电机，是需要同时两个H桥，一起工作才行的。我们以前的机器人，为了节省成本，就自己搭双H桥，来驱动步进电机。后来发现，买现成的驱动器，大概也就是50-60元人民币，那是相当的便宜。所以后来我们干脆就直接买步进电机和驱动器一起了。我们自己用MSP430做了一个小板子，输出一个固定脉宽的PWM信号。上位机是一台

笔记本，通过串口与MSP430连接。笔记本把电机目标转速的命令，通过串口，发给430，430接收到之后。通过定时器，来调节输出PWM的频率。把这个PWM信号，送给现成的驱动器，就OK了。笔记本上面，接一个摄像头，这样移动机器人平台，还有视觉功能。除了笔记本和摄像头之外，我们那个移动机器人平台，硬件成本，基本上可以做到1000元之下，也就几百块。那个感觉，是相当的好，呵呵。而且是很大的一个平台，可不是RCJ现在比赛的那个样子，后来我们还接加装了全景视觉，发现性能和大学RoboCup中型组机器人差不了多少。不过不能比赛，因为这个小平台，不能碰撞，呵呵，基本上没有太大劲。毕竟是步进电机，开环控制，没有闭环那么猛。

从我幻灯上面那张步进电机的照片，大家可以看到。步进电机，后面是一把线，而不是象直流电机那样，只有两根线，大家不用着急说，不会接线，因为那个线的颜色，实际上，是国际标准，只要把相应颜色的线，接到驱动器相应颜色的口上，就OK了。如果哪位老师，想做低成本移动机器人平台，我是比较推荐这个方案的，呵呵

当然一会讲到的无刷电机，效果也不错，不过我自己没有亲自用过，所以无法实际比较。我的PPT文件上，有一个连接，是某个电机厂的介绍文章，感觉写的还不错，所以把链接写出来，大家有兴趣，可以去看看。

包括我们下面要讲到的无刷电机，我觉得对于我们做机器人的应用来说，在预算有限的情况下，都是好的选择，因为步进和无刷，都不用加装额外的编码器要知道这个编码器，是最麻烦的。直流减速电机，国产的，几乎没有加装编码器，只能买进口的，有极其贵。而如果自己装，又无法把编码器加到减速前，也就是电机的屁股后头。很多老师自己加装编码器，都是在轮子上。其实这个是减速之后的，精度已经差太多了。基本上意义不大了，基于这个精度的反馈信号，即使做PID控制，效果也好不到那里。所以如果要用编码器，还要保证精度，基本上就是进口电机，一条路了。非常贵，性价比，差。在这种情况下，无论是步进电机，还是无刷电机，都是不错的选择。首先国内的质量，还说得过去。其次，不需要编码器，步进电机，本身就是步进角，只要不丢步，就是准的。而无刷电机，就更猛了，自己带着霍尔元件，来测量电机的转子位置，因为无刷电机的原理，就是要自动换位的。因此，无刷电机，等于自己就带了位置传感器，当然没有必要再加装编码器了。由于我没有使用过无刷电机，也没有买过，所以这里也就是简单讲讲原理。我不知道价钱，不过按道理说，应该和步进电机价格差不多，肯定不会象进口电机那么贵。不过无刷和步进有类似的地方，就是驱动相对来说，复杂一些。无刷，其实就是一种交流电机，里面三个转子，需要三项交流信号来

控制驱动，所以无刷电机，需要一个三H桥来驱动。

我觉得如果是自己做一个平台，来玩，用步进，还是无刷，都无所谓，但是如果象RCJ这样竞赛，特别是足球这样冲撞比较猛的，我觉得步进是肯定不合适的，但是无刷肯定没有问题。

现在大家的机器人，应该都是直流减速电机，不过是开环控制。所以输出扭矩，还是不可靠的。如果要闭环，还要节省成本，就象我刚刚说过的，无刷电机，基本上就成了唯一的选择。步进的速度，一定是逐步增加的，如果你开始就给一个很高的频率，步进可能就根本转不起来。我们说，步进，是不要你调整信号，从慢到快，逐步给带起来，而无刷和直流，应该不用，你要多快，直接给目标就行了，它自己肯定能跑起来，现在应该在模型里，用无刷的是非常多的。我觉得无刷和直流，应该相差不大，它们相差最大的，其实就是驱动方式了。如果驱动器是自己做，那么要考虑如何实现。如果是买，那么又是预算问题了。

总结一下，直流减速电机，应该是控制容易，驱动器结构简单，因为只有两个线；缺点，是没法测量转速和转角，如果要实现闭环控制，提交精度，必须加编码器。而无刷电机，控制相对要复杂，驱动器结构复杂，一堆线。优点，就是可以自己传送回来转角信息，如果要做闭环控制，不需要加编码器了。再举一个例子，前面我们讨论的3D打印机，就是步进电机效果最好了。

PPT文件里，专门提到思考的问题，就是电机选型，我上面其实聊的就是这个问题。电机选型，应该是机电系统，和控制系统中，最核心的问题。之所以说它最麻烦，就是因为要把系统中所有的因素都要考虑到，经过分析，才能最后决定用什么电机，电机参数是什么。以我的经验，还真是没有什么有效的办法，四海一家的解决之道，只能就事论事，碰到具体任务，具体分析。

好的，我们再说说人工肌肉。就是个伺服系统而已，人工肌肉，应该说还没有普及。从大的分类上来说，人工肌肉的研究，大概可以分为三类。一类，应该说是人工皮肤，主要是医学的那帮人在研究，目的，就是为了给人做移植，比如某些不幸的人，由于事故，比如火灾，导致皮肤损伤，那么要做移植，现在一般都是把你身上，这个部分的，弄下来，然后移到其他的部分，呵呵。不过碰到那种可怜的，比如全身80%烧伤，那么就没有好地方可以移植了，呵呵。所以一直都有人在研究，人造皮肤，用来做移植。当然这个方向，我们不感兴趣，呵呵，因为和我们的机器人，没有关系。

另外两类人工肌肉，就和机器人有关了。一类人工肌肉，其实模拟的就是人

的表情肌肉，我们都知道，人身上的肌肉，也是有很多类型的。不过主要来说，可以分为两类，一类是用来做表情的，也就是输出的力很小，不过变形比较准。否则你脸上，笑和哭，就分不清楚了。还有一类肌肉，就象我们胳膊和腿上的大肌肉，主要是出力的，很粗壮，人工肌肉，也对应为这两类。

第一类，主要来实现表情的，是通过复合材料来实现的，这类复合材料，一般都是电控制，给一个电信号，就有一个小的形变。而且形变和电压信号，成比例关系。不过这种材料，一般都是薄膜，或者薄片式，很薄，大概不到1mm，用的时候，是很多的薄片，合在一起，来产生一个大的形变。所以这个研究，其实就是材料的研究。这类肌肉，其实出力很小，不过控制容易，而且控制准确，据说日本用这样的肌肉，做出来小的机器鱼，放在鱼缸里，和真的鱼一起游，人是无法区分，哪个真，哪个假的。这类肌肉，我们在机器人里面，其实目前，应用也不大，即使用，也是做秀的效果大 :)

最后一类肌肉，就是真正出力的，我们称之为功率器件，就是可以输出功率的。我也给出了两张照片，是Shadow的肌肉，目前世界范围内，做的最好的，大概就是这个Shadow和Festo了。Shadow是英国的，Festo是德国的。大家如果感兴趣，可以到他们公司网站上去看，这两种肌肉，都是一样的驱动方式，就是压缩空气，也就是说，这个人工肌肉，其实就是一种特殊的橡胶管子，冲入压缩空气，就变粗，收缩，而放气，就恢复了，这个效益，正好和人的大肌肉一样。这种肌肉最大的优点，就是出力与自重比，极高。而缺点，就是驱动麻烦，因为要用压缩空气，控制也麻烦，因为气动的东西，不是线性的，控制极其麻烦，还容易漏气，呵呵。但是有很多应用，是必须用人工肌肉不可，呵呵。非常有意思

有兴趣的老师，我倒是鼓励大家用人工肌肉，来做点东西，找找感觉。举一个具体例子。就用Shadow的肌肉，图上的那个。是小型的，大概16cm长，自身重量0.4kg，也就是不到一斤。如果用5个大气压的压缩空气来驱动，则可以提起78kg重的重物。这个大家可以想象吧，那是相当的牛。如果用电机，提起78Kg的重物，大家可以算，需要多大的功率？那么电机的体积，以及自身的重量，会有多大？想象这个肌肉，只要8两，就能提起如此的重量。美国军方，用这个肌肉，用的最爽，就是用来空投。

但是没有听说有人研究，最早清华精仪系，从863弄了一些钱，说是要自己做人工肌肉，最后不了了之，精仪系的人告诉我，说他们弄的漏气，呵呵。所以国内很多人用，比如北理工，他们和Festo成立了一个联合实验室，其实就是帮着Festo推销东西，然后他们提供技术支持，好处是，他们可以免费用Festo的产品。北理工的老师，用四个人工肌肉，做了一个机器板凳。就是板凳的四条腿，

是人工肌肉，直接撑地然后控制肌肉让这个板凳运动，呵呵。我们当时准备用人工肌肉，来做被动行走机器人模型的，不过后来没有做到，只做了第一步，基于电机的行走模型，人工肌肉做了一些实验和测试，但是把人工肌肉移植到行走模型上的工作，没有做完，挺可惜的。

也不算贵，那个肌肉，一条，就100多元人民币，其实不贵。但是驱动肌肉的那套启动系统，比较贵，呵呵。

现在说说美国军方是如何用的，一个应用，是空投。坦克，装甲车，都是从飞机上，直接扔下来的。坦克，是放在一个板子上，然后吊降落伞。其实板子低下，有大量的人工肌肉，这样板子在着陆时，肌肉会自动充气。可以把着陆是的冲击力，降到很低，这仅仅是初级应用。

下一个应用，那就超级牛了。也就是定点空投。大家知道，战略物资，要空投，最好要定点，东西能落在指定区域。而投出去之后，由于风的影响，一般只能祈祷了，呵呵，没有啥办法。现在，美国军方，在降落伞的伞的伞绳上，加了人工肌肉。然后远程遥控，控制肌肉的伸缩，来调整降落伞的姿态。这样可以保证降落伞在风的影响下，仍然飘向期望的目的地。而这个应用，就只有人工肌肉可以做。电机是无法用的，因为电机太重，而且出力不够大。大家可以到Shadow的网站上，看他们做的机器人手，基于人工肌肉的，还有手指，可以抓鸡蛋，抓灯泡，那是相当的牛。当年在中国，北航的张启先教授，就是做了能抓鸡蛋的灵巧手，评上的科学院院士。不过张院士已经去世了。

报告的内容，就这么多

现在开始答疑，

Q：

气动装置不可能体积太小吧……

A：

是的，人工肌肉体积不小

不过后面的气动，就体积比较大了

很麻烦

美军的应用，

因为都是一次性的,所以他把肌肉，压缩空气罐，弄在一起

也做的比较小，呵呵

Q：

从综合成本考虑气动型的性价比怎么样？

A：

那要看你做什么应用了？呵呵

要用多少条肌肉

肌肉很便宜

但是气动的那套东西，就比较郁闷了

Q:

控制部分呢？

Q：

可不可以用一套气动系统控制多条肌肉？

Q：

刚您说肌肉一条也就100多，

A：

我觉得目前的情况，仍然是研究和实验阶段，大规模应用，还不到时机 是的，也就是100多元，不贵

不过那套压缩空气，减压阀，气动阀门，就贵了，呵呵

Q：

那样的话成本就下来了，而且体积方面也可以做得很好

A：

具体的，大家也可以调研一下，呵呵

Q：

我关心这套东西能不能自制=

A：

我用人工肌肉，是在2004年，呵呵，所以这个价格，恐怕现在要更低，呵呵。自制，是需要你的控制器和控制算法结合在一起的