我希望制造一个可以举起有用重量的机器人手臂（例如，可以延伸到大约1.25米的手臂上3-6公斤）。有哪些执行器可以完成此任务。主要因素和设计要点是：

• 不贵啊
• 5至6自由度
• 安装在尚未设计的移动平台上
• 电池供电
• 比业余伺服器更强大（至少对于“肩膀”和“肘部”关节而言）
• 动作不慢

哪种执行器适合您的应用在很大程度上取决于您要构建哪种机械臂。一旦决定了要使用哪种臂，就可以为每个轴选择合适的执行器。

手臂

根据您的描述，假设龙门机器人不可行，然后根据您的特定应用，您可能需要考虑将SCARA臂放在铰接臂上，这是大多数人在想到机器人臂时会想到的。

SCARA臂的最大优势在于其大部分提升力都来自轴承。主要的肩膀，肘部和腕部（偏航）关节处在一个平面上，这意味着电动机只需要足够坚固即可产生所需的侧向力即可，而无需支撑其余轴的重量。

Z轴，俯仰和横滚（显然是抓地力）都必须克服重力，但Z轴易于调整到足够高的档位以能够支撑足够的重量，而俯仰，横滚和抓地力轴仅需支撑有效负载重量，而不是其他轴的重量。

将其与铰接臂进行比较，在铰接臂中，许多轴必须支撑运动链下游所有轴的重量。

执行器

龙门机器人

通常，龙门机器人会在X，Y和Z主轴上使用线性执行器。这些可能是低性能，低精度，高力致动器，例如带有伺服或步进驱动器的导螺杆（可以交换力和性能，但精度始终会受到游隙的限制），一直到高性能，高精度带精密编码器的直接驱动直线电机。

其余的3DOF机械手通常将需要针对螺距，横摇和偏航的精确旋转运动，因此通常最适合使用电动马达（步进电机或伺服电机）。即使是具有较高齿轮传动比的小型电动机，也可以抵抗相当高的负载的重力。

伺服电机与步进电机的区别

伺服器^（1）和步进器之间的区别是控制的复杂性和确定性之间的权衡。

伺服电机需要用于位置反馈的编码器，而步进电机则不需要。这意味着步进器在电气上要简单得多，而从控制的角度来看，如果要降低性能，则要简单得多。

如果您想最大程度地利用电动机（将其推向极限），则步进器的可控性将变得更加困难。随着对伺服位置反馈，你可以调整性能远更积极既然你知道，如果它不能达到它的目标位置或速度那么你的伺服环路将得到了解它，纠正它。

使用步进器，您必须调整系统，以便可以保证无论何时需要移动的速度或有效负载的重量，它都能始终执行该步骤。请注意，有些人会建议添加编码器以检测步进电机上的空步，但是如果您要这样做，那么您最好还是先使用伺服电机！

SCARA臂

对于SCARA臂，Z轴可能是唯一的线性轴，而其余的轴都可以由旋转电机完成，因此也可以由步进电机或伺服电机完成。这些电动机的尺寸比较容易，因为承载的重量对许多电动机而言并不重要。克服负载惯性所需的电动机要小于确定大小以克服重力的电动机。

关节臂

使用铰接臂时，计算会比较棘手，因为大多数轴都需要根据移动负载和提升负载来确定执行器尺寸，但是电动马达也是最易于控制和使用的。

抓手

最后是抓爪。这是我看到的执行器种类最多的地方。根据您的应用，您可以轻松使用任意数量的不同执行器。

我使用过的系统包括传统的电动夹爪，线性夹爪，压电挠性夹爪，气动夹爪，真空拾取器以及简单的插槽或钩子，其中许多都是针对该应用的。典型的有效载荷可能会极大地改变最适合您的执行器。^（2）

做你的计算

正如Rocketmagnet所建议的那样，最终您将不得不分解计算器。

您将需要考虑系统的运动学，每个电动机的最大负载（如果使用铰接臂设计，则应考虑臂完全伸展的最坏情况），速度（齿轮较小的电动机，齿轮传动更高）所需的力而没有速度，但是更强劲的电机可能会以较低的齿轮传动和较高的速度为您提供更高的扭矩）和所需的位置精度。

通常，您在问题上投入的资金越多，您将获得更好的性能（速度，准确性，功耗）。但是分析规格并做出明智的购买决策可以帮助优化机器人的价格/性能。

^{（1）请注意，我的经验是使用工业伺服器，通常是带有旋转编码器的有刷或无刷直流电机，因此这可能适用于业余RC伺服器，也可能不适用。}

^{（2）我建议对此发表另一个问题。}

选择执行器时，从计算末端执行器所需的功率开始很有帮助。当您说“不太慢”时，您应该知道这意味着什么，尤其是在不同的负载条件下。

例如，您可能会说：0.2kg / s时6kg，0.5m / s时0kg

现在添加手臂的估计重量：0.2m / s时为10kg，0.5m / s时为4kg

现在计算功率：100N * 0.2m / s = 20W和40N * 0.5m / s = 20W

因此，末端执行器的峰值输出功率为20W。您将需要一个可以舒适地产生超过20W功率的执行器。

我将假设您最终决定使用电动机作为执行器。这些仍然是功能强大的电动机器人系统的首选执行器。（如果您成功地使该机器人在不烧毁车间的情况下使用肌肉线工作，我将吞噬鼠标）。

由于您使用的是电动机，因此几乎可以肯定会使用某种齿轮。假设电动机上的齿轮系的效率约为50％。这意味着您需要额定功率至少为40W的电动机。如果您希望它成为可靠的机械臂，我建议使用额定功率至少为60W的电动机。

接下来，您需要指定齿轮系。需要什么扭矩？100N * 1.25m = 125Nm。但是像往常一样，您需要为齿轮系指定比此更大的扭矩，尤其是因为您将需要一些备用扭矩才能使负载向上加速。选择一个可以承受超过额定负载的齿轮系。

最后，确保电动机的扭矩乘以齿轮比乘以效率超过了您的扭矩要求，但没有超过最大齿轮负载。

移动平台：对于可以安装在移动平台上的轻型执行机构而言，机电线性执行器是一个不错的选择。

电池供电：机电式线性执行器是伺服电机的不错选择，因为线性执行器仅在移动时才消耗功率，并且不需要电源来保持其位置。

5-6自由度：使用机电线性致动器可能很难实现这一目标，因为它们机械复杂且运动范围有限

您可以从www.firgelli.com试用线性执行器。它们还具有微型线性执行器，非常适合小规模应用。

使用线性执行器的机械臂的机械设计概念：大多数土方设备都具有液压线性执行器。线性执行器的某些关节可以在这条生产线上实现。

还有两个要考虑的因素：复杂性和成本。

像这样的工业机械手

工业机械手http://halcyondrives.com/images/robotic_arm.png
^{图片来自http://halcyondrives.com}

通常使用来自变速箱的扭矩直接驱动关节，现在考虑齿轮减速器应支持的扭矩及其大小/重量？它简单而又庞大又昂贵，它们的材料需要承受巨大的扭矩。

让我们以手臂水平延伸的示例为例。让我们考虑在1m处的6Kg负载，$600Kgf/cm$。这不包括机械手的自重（轻松增加4Kg），并且仅考虑1m。

一些解决方案行业使用

应变波齿轮传动或谐波传动

^{图片来自http://commons.wikipedia.org}

为了获得较轻的齿轮减速比和较高的减速比，大多数传动机构都使用应变波齿轮传动或谐波传动。它的重量轻，坚固耐用，并且据Wikipedia所述，$200:1$ （维基百科说更多）行星齿轮可以存放的地方 $~ 10:1$。

但是这种类型的传动装置非常昂贵且复杂。

弹簧和配重

^{图片来自http://www.globalrobots.ae}

其他甚至简单的解决方案是添加如您在图像中看到的配重。这具有作用于前臂（我忘了名字）和手臂的作用。弹簧也有帮助，如果将其安装在关节的同一轴线上但稍微偏移一点，则随着臂的伸展度增加，它将施加更大的力。

机械驱动系统的低成本和简单的解决方案

现在，为了降低成本和解决方案的复杂性，我应该考虑的是消除齿轮传动装置上的高扭矩，从而可以使用更便宜的材料。对于纯电子驱动器，这将是线性致动器。

有多种线性执行器。但是这个想法是，它将花费更少的力（取决于它所附着的手臂的哪些点）。

• “螺母”和丝杠类型

这种类型的执行器有许多子类型，会影响效率，磨损，力等等。但总的来说，它们具有较高的作用力和相对中等的速度（这将再次取决于类型，可以快速变化，就像某些运动平台模拟器上使用的速度一样）。

带有电动线性执行器的6自由度运动平台http://cfile29.uf.tistory.com/T250x250/195BAD4B4FDB0AF104C30F。

在此应用中，电动线性执行器代替了液压线性执行器，它们需要快速而坚固，某些模拟器的重量很容易超过2吨。

• 皮带或链条传动

对于更高的速度和其他简单的方法，像这样的皮带或链条驱动器

^{图片来自http://images.pacific-bearing.com}

这当然是工业制造的，这是DIY的，它还有更多的应用空间：（是的，它还有很大的改进空间，但是它是一个很好的形式，展示了即使在这种设计中它也可以多么快速和强大。 ）。 http://bffsimulation.com/linear-act.php

如果电动机可以输出，则可以减少齿轮传动 $50Kgf/cm$ 而您使用2厘米直径的滑轮，您将得到 $50Kgf$ （不考虑损失）全行程。

同样，该执行器上的轴承将需要承受大部分径向力，而在“丝杠和螺母”中，轴承将承受大部分轴向力。因此，根据力的不同，您需要使用推力球轴承。

我认为您最好的选择是常规的业余伺服系统，如果它们没有足够的扭矩，请在同一关节上并联使用多个伺服系统。一个很好的选择是Robotis的Dynamixel伺服器，但是它们比业余伺服器贵，而且您必须破解通信协议，因为它们是由ttl / rs232 / rs485控制的，或者使用usb2dynamixel（或usb2ax）转换器。优点是它们的扭矩，速度和精度。