在机器人系统中，有什么方式可以减低电机的转速而不提升力矩？
在机器人系统中，想要在不提升力矩的情况下降低电机转速，这本质上是一个关于控制策略和动力学调整的问题。虽然直接“减低转速而不提升力矩”听起来有些矛盾，因为在许多情况下，为了维持相同的负载并降低转速，需要更大的力矩来克服摩擦和惯性，但我们可以通过一些巧妙的方法来实现这一目标，重点在于改变系统的运行方式和优化控制。
以下是一些详细的方式：
1. 调整PWM（脉冲宽度调制）占空比
这是最直接、最常用的方法。电机驱动器通过PWM信号来控制电机的转速。PWM信号是一个周期性的方波，通过改变方波中“高电平”的时间比例（占空比），来改变施加到电机上的平均电压。
原理：
高占空比： 平均电压高，电机转速快。
低占空比： 平均电压低，电机转速慢。
如何实现：
在电机控制器（如Arduino、Raspberry Pi上的PWM输出引脚，或专用的电机驱动板）上，通过软件指令调整发送给电机的PWM占空比。
例如，在Arduino中，`analogWrite(pin, value)`函数中的`value`就是占空比的表示，范围通常是0255。将`value`调小，占空比就降低，转速也降低。
对力矩的影响：
理论上： 对于一个理想的无刷直流电机，如果负载恒定，降低电压（降低占空比）会直接导致转速下降，并且力矩也会相应下降。这是因为电机产生的力矩与施加到其上的电压（或电流）大致成正比。
实际情况下的“不提升力矩”： 这里的关键在于如何定义“不提升力矩”。如果我们是指相对于当前低速状态下的力矩不主动去提升，那么调整PWM占空比是有效的。当你降低占空比，转速会下降，同时力矩也会下降。如果机器人系统原本的负载需求在这个新的低速下是可以满足的，那么你并没有“提升”力矩。
需要注意的陷阱： 如果你仅仅是简单地降低PWM占空比，并且负载没有改变，那么机器人可能会因为力矩不足而无法维持转速或无法驱动负载。所以，仅仅调整PWM通常需要与其他控制策略结合，或者是在负载很小、几乎恒定的情况下进行。
2. 使用齿轮减速箱（Mechanical Gearing）
这是最“物理”的方式来改变转速和力矩的关系，但它确实是降低转速、提升力矩的。然而，在某些特定场景下，我们可以利用齿轮减速箱来在较低转速下获得更高的控制精度，并间接实现“不提升力矩”的目的。
原理：
齿轮减速箱通过齿轮的啮合，在输入轴（电机轴）和输出轴之间实现转速和力矩的转换。
减速比 (Gear Ratio, N): 输出轴转速 / 输入轴转速 = 1 / N。输入轴转速快，输出轴转速慢。
力矩传输： 输出轴力矩 / 输入轴力矩 = N (忽略摩擦和效率损失)。输入轴力矩小，输出轴力矩大。
如何实现“不提升力矩”的策略：
选择合适的减速比： 选择一个合适的减速比，使得电机工作在一个可以接受的、相对较低的转速范围，同时输出轴的力矩能够满足机器人的基本运行需求。
电机选择： 选择一个本身就能在较低转速下提供足够力矩的电机（例如，某些低KV值的无刷电机或直流有刷电机），然后通过减速箱进一步降低输出轴的转速。这样，即使在较低的输出轴转速下，电机的实际转矩需求也不会过高。
精确控制： 在使用减速箱后，即使电机以更高的转速（但更低的占空比）运转，输出轴的转速会变得非常慢且稳定，这使得机器人能够实现更精确的位置控制和动作。在这个过程中，我们不是在“主动提升力矩”，而是在利用减速箱的特性，在期望的低转速下满足必要的力矩。
优点：
提高了低速时的控制精度和稳定性。
电机可以在更高效的转速范围内工作。
能够驱动更大的负载（尽管不是我们的首要目标）。
缺点：
增加了系统的复杂性、重量和成本。
存在机械摩擦和效率损失。
可能引入反向间隙（backlash）。
3. 更高级的电机控制算法
在现代机器人系统中，常用的有位置控制（PID控制）、速度控制等。这些算法可以通过调整控制参数来影响输出转速和力矩。
PID控制器（比例积分微分）:
原理： PID控制器通过计算当前误差（目标值与实际值之差）、误差的累积和误差的变化率，来输出控制信号（通常是给PWM占空比）。
如何实现“不提升力矩”的低转速控制：
调整比例增益 (Kp)： 降低Kp值，使得控制器对误差的反应更迟缓，输出的控制信号（即电压/占空比）更小，从而降低转速。同时，Kp的降低也会减少因快速响应而产生的瞬间力矩峰值。
调整积分增益 (Ki)： 适当降低Ki，减少积分项对控制信号的累积效应，避免在低速稳定状态下因微小误差的累积而导致输出电压过高，从而可能提升不必要的力矩。
调整微分增益 (Kd)： Kd主要影响系统的阻尼。在某些情况下，增加Kd可以平滑系统的响应，减少超调，但也可能在低速时使系统更“僵硬”，需要谨慎调整。
设定目标速度： 最直接的当然是设定一个较低的目标转速。PID控制器会努力使实际转速达到这个目标。
速度控制（Velocity Control）:
原理： 许多现代电机控制器和伺服驱动器内置了速度控制环。用户只需设定所需速度，控制器内部会自行调整PWM占空比（或电压）以达到该速度。
如何实现： 直接在控制器或上位机中设置一个较低的目标速度值。
力矩控制（Torque Control）/电流控制（Current Control）:
原理： 某些高级电机驱动器支持力矩控制或电流控制模式。在这种模式下，你直接指定一个期望的力矩（或与之相关的电流），控制器会输出相应的信号。
如何实现“不提升力矩”：
直接限制力矩输出： 如果你的控制器支持力矩模式，直接将期望的力矩设定为零或一个非常小的正值。这确保了无论转速如何变化，输出的力矩都不会增加。
电流限制： 在某些驱动器中，可以通过限制最大电流来间接限制力矩（力矩与电流成正比）。将电流限制设定在一个较低的值，可以防止电机产生过大的力矩。
结合速度控制： 你可以设定一个低的目标速度，并同时将力矩/电流限制设定在一个足够低的水平，以满足低速运行的需求，但又不至于产生过大的力矩。
平滑启动/停止（Ramping）:
原理： 在机器人系统中，从静止到低速，或者从低速到静止，通常需要一个平滑的加速和减速过程，而不是瞬间切换。
如何实现： 在控制算法中加入速度斜坡（velocity ramping）功能。这意味着目标速度会以一个设定的速率逐渐改变。例如，从0 RPM到10 RPM，不是瞬间跳变，而是经过一段时间平滑地增加。这种平滑的过渡可以避免由于惯性或突发力矩而造成的“抬升力矩”。
4. 利用电机本身的特性（选择合适的电机）
电机类型和参数选择对转速和力矩有很大影响。
低KV值电机（Low Kv Motors）：
原理： 电机的KV值（每伏特电压对应的转速）直接决定了在相同电压下电机能达到的转速。低KV值电机在相同电压下转速较低。
如何实现： 选择低KV值的电机。例如，一个100 RPM/V的电机在12V下最高转速为1200 RPM，而一个200 RPM/V的电机在12V下最高转速为2400 RPM。
力矩关联： 通常情况下，低KV值电机在相同电流下能产生更高的力矩。所以，如果你选择低KV值电机来降低转速，可能需要在其他方面（如减速箱或更小的负载）来配合，以避免“提升”力矩。但重点是，在相同的电压下，低KV值电机确实能实现低转速。然后，你可以通过前面提到的PWM占空比调整，进一步降低其转速，而此时的力矩需求相对较低。
直流有刷电机（DC Brushed Motors）：
原理： 直流有刷电机的力矩大致与电流成正比，转速大致与电压成正比。通过调整施加的电压（PWM占空比），可以直接控制转速，同时力矩也会随之降低。
如何实现：
使用PWM来控制电压，从而控制转速。
关键点： 确保你的目标转速以及由此产生的力矩需求是在电机能力范围内，并且不会对系统造成不必要的力矩增加。
无刷直流电机（Brushless DC Motors, BLDC）:
原理： BLDC电机通过电子换向（ESC Electronic Speed Controller）来控制转速和力矩。ESC通过切换线圈的供电顺序来实现。
如何实现：
通过ESC的PWM信号输入来控制转速。
许多ESC也允许设定电流限制。如果你将电流限制设定得非常低，那么无论电机转速如何，它产生的力矩都不会过大。这可以说是最直接的“不提升力矩”的方式之一，因为它直接限制了力的来源。
总结和策略选择
要降低电机转速而不提升力矩，通常需要结合多种方法，并根据具体的机器人应用场景和电机类型来选择最合适的策略：
1. 首选方法：
调整PWM占空比： 这是最基本、最直接的降低转速的方法。在负载恒定且不高的情况下，降低占空比会同时降低转速和力矩。
使用电流/力矩限制（如果支持）： 这是最能保证“不提升力矩”的方法。设定一个较低的电流或力矩限制，然后通过其他方式（如调整PID的Kp或目标速度）来达到期望的低转速。
2. 辅助方法：
选择低KV值电机： 从源头上降低转速潜力，使得在较低电压下就能获得较低转速，并且更容易控制其力矩。
使用速度斜坡： 确保平滑过渡，避免突然的力矩变化。
3. 高级但需谨慎的方法：
齿轮减速箱： 主要用于提高低速下的控制精度和扭矩放大（虽然我们不希望放大），但通过精心设计，可以使电机在较低转速下工作，并能满足系统在低速下的基本力矩需求，避免不必要的力矩“提升”。
关键在于理解：
在恒定负载下，仅仅降低电压（PWM占空比）会同时降低转速和力矩。
如果你想要在低速下保持特定的力矩，通常是不希望力矩“增加”，而是希望它保持在某个满足需求的低水平。
“不提升力矩”的核心是避免产生超出当前低速运行所需的额外或不必要的力矩。
在实际应用中，通常需要通过闭环控制（例如PID控制器）来实现精确的速度控制，并在控制算法中集成力矩/电流限制，以确保在降低转速的同时，力矩也保持在安全和所需的范围内。
以下是一些详细的方式：
1. 调整PWM（脉冲宽度调制）占空比
这是最直接、最常用的方法。电机驱动器通过PWM信号来控制电机的转速。PWM信号是一个周期性的方波，通过改变方波中“高电平”的时间比例（占空比），来改变施加到电机上的平均电压。
原理：
高占空比： 平均电压高，电机转速快。
低占空比： 平均电压低，电机转速慢。
如何实现：
在电机控制器（如Arduino、Raspberry Pi上的PWM输出引脚，或专用的电机驱动板）上，通过软件指令调整发送给电机的PWM占空比。
例如，在Arduino中，`analogWrite(pin, value)`函数中的`value`就是占空比的表示，范围通常是0255。将`value`调小，占空比就降低，转速也降低。
对力矩的影响：
理论上： 对于一个理想的无刷直流电机，如果负载恒定，降低电压（降低占空比）会直接导致转速下降，并且力矩也会相应下降。这是因为电机产生的力矩与施加到其上的电压（或电流）大致成正比。
实际情况下的“不提升力矩”： 这里的关键在于如何定义“不提升力矩”。如果我们是指相对于当前低速状态下的力矩不主动去提升，那么调整PWM占空比是有效的。当你降低占空比，转速会下降，同时力矩也会下降。如果机器人系统原本的负载需求在这个新的低速下是可以满足的，那么你并没有“提升”力矩。
需要注意的陷阱： 如果你仅仅是简单地降低PWM占空比，并且负载没有改变，那么机器人可能会因为力矩不足而无法维持转速或无法驱动负载。所以，仅仅调整PWM通常需要与其他控制策略结合，或者是在负载很小、几乎恒定的情况下进行。
2. 使用齿轮减速箱（Mechanical Gearing）
这是最“物理”的方式来改变转速和力矩的关系，但它确实是降低转速、提升力矩的。然而，在某些特定场景下，我们可以利用齿轮减速箱来在较低转速下获得更高的控制精度，并间接实现“不提升力矩”的目的。
原理：
齿轮减速箱通过齿轮的啮合，在输入轴（电机轴）和输出轴之间实现转速和力矩的转换。
减速比 (Gear Ratio, N): 输出轴转速 / 输入轴转速 = 1 / N。输入轴转速快，输出轴转速慢。
力矩传输： 输出轴力矩 / 输入轴力矩 = N (忽略摩擦和效率损失)。输入轴力矩小，输出轴力矩大。
如何实现“不提升力矩”的策略：
选择合适的减速比： 选择一个合适的减速比，使得电机工作在一个可以接受的、相对较低的转速范围，同时输出轴的力矩能够满足机器人的基本运行需求。
电机选择： 选择一个本身就能在较低转速下提供足够力矩的电机（例如，某些低KV值的无刷电机或直流有刷电机），然后通过减速箱进一步降低输出轴的转速。这样，即使在较低的输出轴转速下，电机的实际转矩需求也不会过高。
精确控制： 在使用减速箱后，即使电机以更高的转速（但更低的占空比）运转，输出轴的转速会变得非常慢且稳定，这使得机器人能够实现更精确的位置控制和动作。在这个过程中，我们不是在“主动提升力矩”，而是在利用减速箱的特性，在期望的低转速下满足必要的力矩。
优点：
提高了低速时的控制精度和稳定性。
电机可以在更高效的转速范围内工作。
能够驱动更大的负载（尽管不是我们的首要目标）。
缺点：
增加了系统的复杂性、重量和成本。
存在机械摩擦和效率损失。
可能引入反向间隙（backlash）。
3. 更高级的电机控制算法
在现代机器人系统中，常用的有位置控制（PID控制）、速度控制等。这些算法可以通过调整控制参数来影响输出转速和力矩。
PID控制器（比例积分微分）:
原理： PID控制器通过计算当前误差（目标值与实际值之差）、误差的累积和误差的变化率，来输出控制信号（通常是给PWM占空比）。
如何实现“不提升力矩”的低转速控制：
调整比例增益 (Kp)： 降低Kp值，使得控制器对误差的反应更迟缓，输出的控制信号（即电压/占空比）更小，从而降低转速。同时，Kp的降低也会减少因快速响应而产生的瞬间力矩峰值。
调整积分增益 (Ki)： 适当降低Ki，减少积分项对控制信号的累积效应，避免在低速稳定状态下因微小误差的累积而导致输出电压过高，从而可能提升不必要的力矩。
调整微分增益 (Kd)： Kd主要影响系统的阻尼。在某些情况下，增加Kd可以平滑系统的响应，减少超调，但也可能在低速时使系统更“僵硬”，需要谨慎调整。
设定目标速度： 最直接的当然是设定一个较低的目标转速。PID控制器会努力使实际转速达到这个目标。
速度控制（Velocity Control）:
原理： 许多现代电机控制器和伺服驱动器内置了速度控制环。用户只需设定所需速度，控制器内部会自行调整PWM占空比（或电压）以达到该速度。
如何实现： 直接在控制器或上位机中设置一个较低的目标速度值。
力矩控制（Torque Control）/电流控制（Current Control）:
原理： 某些高级电机驱动器支持力矩控制或电流控制模式。在这种模式下，你直接指定一个期望的力矩（或与之相关的电流），控制器会输出相应的信号。
如何实现“不提升力矩”：
直接限制力矩输出： 如果你的控制器支持力矩模式，直接将期望的力矩设定为零或一个非常小的正值。这确保了无论转速如何变化，输出的力矩都不会增加。
电流限制： 在某些驱动器中，可以通过限制最大电流来间接限制力矩（力矩与电流成正比）。将电流限制设定在一个较低的值，可以防止电机产生过大的力矩。
结合速度控制： 你可以设定一个低的目标速度，并同时将力矩/电流限制设定在一个足够低的水平，以满足低速运行的需求，但又不至于产生过大的力矩。
平滑启动/停止（Ramping）:
原理： 在机器人系统中，从静止到低速，或者从低速到静止，通常需要一个平滑的加速和减速过程，而不是瞬间切换。
如何实现： 在控制算法中加入速度斜坡（velocity ramping）功能。这意味着目标速度会以一个设定的速率逐渐改变。例如，从0 RPM到10 RPM，不是瞬间跳变，而是经过一段时间平滑地增加。这种平滑的过渡可以避免由于惯性或突发力矩而造成的“抬升力矩”。
4. 利用电机本身的特性（选择合适的电机）
电机类型和参数选择对转速和力矩有很大影响。
低KV值电机（Low Kv Motors）：
原理： 电机的KV值（每伏特电压对应的转速）直接决定了在相同电压下电机能达到的转速。低KV值电机在相同电压下转速较低。
如何实现： 选择低KV值的电机。例如，一个100 RPM/V的电机在12V下最高转速为1200 RPM，而一个200 RPM/V的电机在12V下最高转速为2400 RPM。
力矩关联： 通常情况下，低KV值电机在相同电流下能产生更高的力矩。所以，如果你选择低KV值电机来降低转速，可能需要在其他方面（如减速箱或更小的负载）来配合，以避免“提升”力矩。但重点是，在相同的电压下，低KV值电机确实能实现低转速。然后，你可以通过前面提到的PWM占空比调整，进一步降低其转速，而此时的力矩需求相对较低。
直流有刷电机（DC Brushed Motors）：
原理： 直流有刷电机的力矩大致与电流成正比，转速大致与电压成正比。通过调整施加的电压（PWM占空比），可以直接控制转速，同时力矩也会随之降低。
如何实现：
使用PWM来控制电压，从而控制转速。
关键点： 确保你的目标转速以及由此产生的力矩需求是在电机能力范围内，并且不会对系统造成不必要的力矩增加。
无刷直流电机（Brushless DC Motors, BLDC）:
原理： BLDC电机通过电子换向（ESC Electronic Speed Controller）来控制转速和力矩。ESC通过切换线圈的供电顺序来实现。
如何实现：
通过ESC的PWM信号输入来控制转速。
许多ESC也允许设定电流限制。如果你将电流限制设定得非常低，那么无论电机转速如何，它产生的力矩都不会过大。这可以说是最直接的“不提升力矩”的方式之一，因为它直接限制了力的来源。
总结和策略选择
要降低电机转速而不提升力矩，通常需要结合多种方法，并根据具体的机器人应用场景和电机类型来选择最合适的策略：
1. 首选方法：
调整PWM占空比： 这是最基本、最直接的降低转速的方法。在负载恒定且不高的情况下，降低占空比会同时降低转速和力矩。
使用电流/力矩限制（如果支持）： 这是最能保证“不提升力矩”的方法。设定一个较低的电流或力矩限制，然后通过其他方式（如调整PID的Kp或目标速度）来达到期望的低转速。
2. 辅助方法：
选择低KV值电机： 从源头上降低转速潜力，使得在较低电压下就能获得较低转速，并且更容易控制其力矩。
使用速度斜坡： 确保平滑过渡，避免突然的力矩变化。
3. 高级但需谨慎的方法：
齿轮减速箱： 主要用于提高低速下的控制精度和扭矩放大（虽然我们不希望放大），但通过精心设计，可以使电机在较低转速下工作，并能满足系统在低速下的基本力矩需求，避免不必要的力矩“提升”。
关键在于理解：
在恒定负载下，仅仅降低电压（PWM占空比）会同时降低转速和力矩。
如果你想要在低速下保持特定的力矩，通常是不希望力矩“增加”，而是希望它保持在某个满足需求的低水平。
“不提升力矩”的核心是避免产生超出当前低速运行所需的额外或不必要的力矩。
在实际应用中，通常需要通过闭环控制（例如PID控制器）来实现精确的速度控制，并在控制算法中集成力矩/电流限制，以确保在降低转速的同时，力矩也保持在安全和所需的范围内。
网友意见
题主需要查阅有关Backdrivability特性的软硬件设计。这个在与人协作的机器人上是必备特性。其中非常重视反向驱动能力（也就是能够手工扭动机器人关节而且不伤害硬件）和力控制。这在不少工业机器人产品上已经有所应用。
降低转速不增力矩可以简单通过降低电机输入电压（线性驱动时）或占空比（PWM驱动时）来实现。这是基本的电机控制问题。
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