為什麼?使用減速器？為什麼不直接控制電機轉速來控制機器人關節運動？

從上面的機器人臂部結構圖中我們可以看到，在機器人關節處都安裝有電機和減速機用來控制關節運動，那麼問題來了：

在機器人系統中，為什麼不能直接控制伺服電機轉子轉速控制關節運動，為何還需要減速器？

要回答這個問題，首先要明確工業機器人關節的工況：

1. 工業機器人的關節需要撐住後端機構由於重力產生的扭矩。

2. 工業機器人關節轉速不高。機器人關節角速度很低，可電機在極低的速度下轉動是不平穩的，控制不易，需要一個機械讓電機在較合理的轉速下運動，保證運動的平順。

那麼使用減速機的原因有兩點，第一點是提扭矩，第二點就是提控制解析度和閉環精度。

例如，一個50:1的諧波減速機就能輕鬆將一個額定100mNm的電機的額定扭矩提升到5Nm，代價是：

1.轉子轉速比直驅高49倍

本來工業機器人的關節轉速就不高，一般都是每秒一兩轉，額定100mNm的電機輕鬆跑6k轉/min，白不轉那麼快。要是嫌轉的不夠快?解決辦法就是提電壓，但這要考慮的是軸承和轉子是否撐得住。

2.重量提高到原來3倍

舉個例子，maxon EC45最厚的電機額定轉矩為83mNm，重110g；maxon EC90的額定轉矩為560mNm，重600g。從這個兩個數據出發，可以腦補一下額定5Nm的電機重量是多少倍。

3.維持相同扭矩時，發熱功率是不加減速機的1/2500

其實不是說額定100mNm的電機干不到5Nm，也是可以做到的，只要往死里提電流就好了，但這樣將會造成電機快速發燙，撐不了幾秒就得冒煙，就算上了水冷電費也會比較多。要想達到相同扭矩又不想太燙就得換扭矩/發熱效率高且熱阻小、熱容量大的電機，但這樣就又回到2所說的問題了。

此外，使用減速機的好處有：

1.以更低價格的機械實現更高的解析度

一個普通5k線的光電碼盤就能實現1.44mdeg的角度解析度（當然，如果資金太多上正餘弦編碼器使勁細分也可以實現的）；或者是一個5相1000步的步進電機可以做到7.2mdeg的解析度（此處說的就是東方電機的33步進+50:1的諧波）。

解析度高的好處是轉速控制可以更精確，由於量化造成的階躍產生的高頻分量變得很小，控制更加平滑。

2. 提高閉環精度，更好的控制控制環路

由於有個50:1的大減速比，減速機出軸受到擾動傳遞到電機端就比直驅縮減了37dB，使得閉環精度在減速機出軸顯得更高。同時轉子等效的轉動慣量提高到了2500倍，使得控制環路的滯後環節受轉子慣量佔主導，而轉子由於直接受電磁力的驅動從而沒有由於剛度造成的扭矩滯後，比直驅要好控。

除了上面技術性方面的解答，這裡還有一個案例，可來從另一個角度間接回答此問題。

某客戶一種型號為6150的車床，卡盤為10寸（直徑約250mm）液壓卡盤，為了達到單邊7mm的切削能力，利用主軸電機（交流非同步電機）的低速大扭矩（轉矩）特性，擬選取一款7.5kw額定轉速1000轉的電機，同時使用1：2傳動比（減速）的齒輪。

已知傳動比和功率、轉矩成正比，即使用1：2的傳動比，7.5kw的電機達到了15kw、同時2倍轉矩（注意，此處不是指2倍額定轉矩）的特性。如果選擇的是15kw的電機，價格就要貴不少，安裝尺寸也要變大；而加工出1：2傳動比的一對齒輪不需要很多錢。

不明白的可查看下面這張非同步電機功率、轉矩特性曲線圖。（注意：和直流電機不同，非同步電機是可能工作在超過橫轉矩區的。）

除了獲得低速、大扭矩特性，機器人上用的直流電機可能也有這方面原因，而所用的減速機的傳動比可能更大（2級傳動或更高）。

當然，使用減速機並不是完美的，還是有一些缺點，但是，兩相比較之下，還是使用減速機更為合適。

使用減速機之缺點：

1. 如果配置了減速機而編碼器又裝在電機端的話，減速機的製造精度會影響實際精度；

2. 多級減速機里的齒隙油膜厚度變化等小誤差經過多級放大還是會造成重複精度的下降；

3. 還有減速機畢竟有齒輪嚙合或是柔輪變形，有壽命限制；

4. 對多連桿機構齒隙的非線性耦合使得機器人的絕對精度較差，所以工業機器人只談重複定位精度不談絕對精度，從而使得機器人很難純粹地進行離線編程，提高了部署的難度和成本。

以上就是為什麼不能直接控制伺服電機轉子轉速來控制關節運動，而是需要使用減速器的原因。雖然現在有直驅電機驅動的機器人，但是由於上述問題，成熟度上還差一些。

總之，工業機器人上用減速機就是用電機容易達到的高轉速換取電機不易做到的高扭矩和低質量。

特別說明：

此文章素材來源於知乎問題「在機器人系統中，為什麼不能直接控制伺服電機轉子轉速控制關節運動，為何還需要減速器？」 及其下面的回答，引用了知乎用戶小沖陳、Yifei Chen、白峰、虎虎等人的回答，經編者收集整理後所成，版權歸原作者所有！

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