一体化的机器人关节电机（有时候也称为关节模组），是机器人最核心的元件之一，通常在一个人形机器人中，就有20个以上的关节电机。

采购时单个成本可能上千甚至更多，但如果自主研发，批量加工情况下，成本应该可以降到100出头。所以估计后面很多机器人公司，都会选择自主研发制作电机。

为了后面找到月薪3000的工作，最近做了一个集电机、减速器、驱动器的一体化关节电机，完成后的实物如下图所示。

图1-1：关节电机实物图（24V供电、减速后，峰值扭矩大概12牛米、转速300RPM）

其实怎么说呢，这不是重点，只要你愿意，你可以做市面上任何参数的电机，因为电机都遵循同样的物理规律，只是在工程上有非常多的细节。比如你想做一个和宇树性能参数差不多的电机，那就设计一个像他们那样的电机好了，技术路线都是差不太多的。

那么本项目中的关节电机用的技术路线是什么样的呢？

通常关节电机的技术方案涵盖电磁设计、机械结构设计、电子硬件设计和软件固件设计四个主要领域。本项目中，各个环节所采用的核心工具和技术选型如下：

表2-1：技术方案总览

那么为什么选择这样技术路线呢？

表3-1：电磁仿真软件对比

本项目采用Motor-CAD和Maxwell双软件协同的设计流程，这种组合发挥了两者的优势：

电磁设计的基本流程如下：

图3-1：Motor-CAD电机模型

图3-2：Maxwell仿真图

关节电机的结构包含电机本体、减速器和外壳等。

关节电机的整体结构设计需要考虑紧凑性（在满足性能要求的前提下，尽可能缩小外形尺寸）、安装接口（输出法兰和安装法兰的标准化设计）、线缆出口（电源线、信号线的合理布置）等等。下面是设计的关节电机结构爆炸图

图4-1：关节电机结构爆炸图

通常电机本体和外壳之类的建模有很多的软件可以使用，我比较熟悉SolidWorks，所以选择了它，大家可以选择自己熟悉的工件。SolidWorks是目前应用最广泛的三维机械设计软件之一，也比较容易上手。一些加工图纸的绘制，用的是AutoCAD（也可以是SolidWorks直接出工程图编辑）。

对于机器人关节电机，集成减速器是必不可少的组成部分。在机器人关节电机中，行星减速器是使用最多的，当然可供选择的还有谐波减速器、RV减速器、蜗轮蜗杆等。他们的特点如下表所示：

综合考虑减速比需求、传动效率、成本和可加工性，本项目选择行星减速器作为减速方案。相比谐波减速器和RV减速器，行星减速器的齿轮可以自行设计加工，便于定制化，且传动效率较高。

行星减速器的设计软件，当然也可以用SolidWorks之类的，不过还是建议使用更加专业的软件，比如KISSsoft。

KISSsoft是专业齿轮传动设计软件，广泛应用于各类齿轮和传动系统的设计计算。在行星减速器设计中，KISSsoft提供了行星轮系的参数优化（包括齿数配比、变位系数等）、齿面接触应力和齿根弯曲应力校核、齿轮修形设计、寿命预测和可靠性分析、3D齿轮几何输出等关键功能，输出的几何模型可以直接在SolidWorks中进行装配。

图4-2：KISSsoft行星减速器设计界面

一体化的驱动器，是关节电机必备的，因此驱动器必须配合电机本体来设计。在网上有非常多的电机控制开源方案，虽然没有可以直接用的，但是能参考的很多。

别裁伪体亲风雅，转益多师是汝师。

网上典型的开源方案有VESC、ODrive、SimpleFOC等等

表5-1：电机驱动方案对比

本项目在VESC的基础上，结合其他项目的优点进行开发。VESC是由本杰明开发的开源电子调速器项目，最初用于电动滑板等个人电动交通工具，因其优秀的性能和开源特性，被广泛应用于各类电机驱动场合。

VESC的硬件原理图和PCB是用KiCad设计的，这是一款开源的EDA套件，不过我用的不多，我比较熟悉立创EDA和Altium Designer，因此本项目的原理图和PCB是采用Altium Designer画的。

最终在Altium Designer中设计的PCB如下图所示：

图5-1：驱动板PCB图（实物图懒得拍了）

原生的VESC固件基于ChibiOS实时操作系统，使用GCC工具链编译。本项目将固件移植到Keil MDK开发环境，主要出于以下考虑：我对Keil更加熟悉。

固件的核心功能包括FOC电流环控制、速度环控制、位置环控制、编码器接口、通信协议栈等。移植过程中保留了VESC成熟的控制算法，同时针对具体应用进行了优化调整。

当然实际中，还需要根据驱动器的硬件和电机本身开发特定的算法，比如双编码器如何融合、多圈位置控制机器人关节电机需要新增的功能。至于各种通信控制的命令，都比较容易定制。

上位机主要是调试的时候用得多，在实际的机器人上，是不用上位机的，而是直接使用CAN通信进行控制。但在调试的时候，有上位机还是要方便很多。

上位机软件参考VESC Tool开发，这是一个基于Qt的C++工程，因为我本身也比较熟悉这块，就顺便把上位机软件改一下，更方便调试。调试的主要功能包括：电流、速度、多圈位置控制、电机参数配置（相电阻、相电感、磁链常数等）、控制参数整定（PID参数调节）、实时数据监控（电流、速度、位置、温度等）、波形显示（各物理量的实时曲线）、固件升级（通过通信接口更新固件）。

图5-2：上位机软件界面

关节电机的经过减速器后，如果要确定断电后的位置，就需要在减速后的轴上装编码器，才能得到断电后的位置，否则只在电机减速前的轴上，是无法知道确定位置的。

本项目采用双磁编码器方案，其中一个编码器与VESC驱动板设计在同一块电路板上，另一个编码器的电路板需要单独设计，因为减速器轴的磁环离驱动板比较远。不过现在也有其他关节电机把双编码器都设计在一块电路板上，但那需要在电机结构上进行修改，单独加齿轮减速。单编码器和双编码器的对比如下：

表6-1：单编码器与双编码器方案对比

本项目两个位置都采用磁编码器，其中电机轴上使用的MT6816，减速器轴上用的是MT6708，分辨率都是14位。磁相比光学编码器具有以下优点：体积小巧，便于在紧凑空间中安装；抗污染能力强，不怕灰尘和油污；无接触式测量，寿命长；成本相对较低；支持多圈绝对位置（配合减速比计算），下图中标出的是第二编码器电路板，第一编码器在图中的绿色驱动板上。

图6-1：图中标出的是第二编码器，第一编码器在绿色驱动板上