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论伺服电机在轨道式巡检机器人中的优势及应用实践

news 来源：原创 2025/8/25 18:27:35

一、引言

1.1 研究背景与意义

在现代工业生产、电力系统、轨道交通等诸多领域，保障设施设备的安全稳定运行至关重要。轨道式巡检机器人作为一种高效、智能的巡检工具，正逐渐在这些领域崭露头角。它能够沿着预设轨道，对目标区域进行全方位、周期性的巡检工作，极大地提高了巡检效率，减少了人工巡检的局限性与风险。而在轨道式巡检机器人的众多关键技术中，动力驱动系统起着核心作用。伺服电机凭借其卓越的性能特点，为轨道式巡检机器人的高效运行与精准作业提供了有力支撑。深入研究伺服电机在轨道式巡检机器人中的应用优势，不仅有助于提升机器人的性能与可靠性，还能推动相关行业智能化、自动化水平的进一步发展，对降低运营成本、保障生产安全具有深远意义。

1.2 国内外研究现状

近年来，国内外在轨道式巡检机器人动力系统的研究上取得了不少进展。国外一些发达国家在早期便投入大量资源，对机器人的驱动技术进行探索，在电机控制算法、高精度定位技术等方面积累了丰富经验。他们研发的部分轨道式巡检机器人，在复杂环境下能够实现较为稳定的运行。然而，这些成果往往存在成本高昂、对特定环境适应性不足等问题。国内在该领域的研究起步相对较晚，但发展迅速。众多科研机构与企业纷纷加大研发投入，推出了一系列具有自主知识产权的轨道式巡检机器人产品。在伺服电机应用方面，国内研究聚焦于如何优化电机与机器人系统的集成，提高电机在不同工况下的性能表现，但在技术的成熟度与创新性上，与国际先进水平仍存在一定差距。尤其在一些特殊环境应用场景下，如具有防爆需求的化工生产区域，相关技术的研究还不够深入。

1.3 研究方法与创新点

本研究综合运用多种研究方法，以全面剖析伺服电机在轨道式巡检机器人中的优势及应用。通过案例分析法，深入研究多个实际项目中轨道式巡检机器人使用伺服电机的情况，从实际运行数据与应用效果中提炼优势。同时，采用对比研究法，将使用伺服电机的机器人与采用其他驱动方式的机器人进行对比，直观展现伺服电机的独特性能。在研究视角上具有创新性，从扭矩稳定、牵引力大、高精度定位、灵活运动控制等多个维度，深入剖析伺服电机对轨道式巡检机器人性能提升的影响机制。并且，引入了北京玉麟科技有限公司挂轨巡检机器人这一独特案例，该案例在特殊环境应用方面具有代表性，为研究伺服电机在复杂工况下的应用提供了新的思路与参考。

二、轨道式巡检机器人与伺服电机概述

2.1 轨道式巡检机器人的工作原理与应用领域

2.1.1 工作原理

轨道式巡检机器人主要由机械本体、驱动系统、控制系统、检测系统以及通信系统等部分组成。机械本体是机器人的承载结构，依据不同的应用场景，其设计形态有所差异，常见的有轮式、履带式等，以适配不同的轨道类型。驱动系统负责为机器人提供动力，使其能够在轨道上移动。控制系统犹如机器人的 “大脑”，负责接收外部指令、规划运动路径，并对驱动系统、检测系统等进行协调控制。检测系统配备了各类传感器，如摄像头、红外传感器、气体传感器等，用于采集目标区域的图像、温度、气体浓度等信息。通信系统则实现了机器人与后台监控中心之间的数据传输，将检测到的信息实时反馈给操作人员，同时接收操作人员下达的指令。在实际巡检过程中，机器人按照预设程序沿着轨道移动，检测系统持续采集数据，并通过通信系统上传至后台，一旦发现异常情况，后台可及时发出警报并采取相应措施。

2.1.2 应用领域

轨道式巡检机器人在多个领域有着广泛应用。在电力领域，可对变电站、输电线路等进行巡检，及时发现设备的发热、放电、破损等异常情况，保障电力供应的稳定性。例如，在大型变电站中，机器人能够在复杂的电气设备间穿梭，对设备进行近距离、全方位的检测，弥补人工巡检的视觉盲区。在轨道交通领域，用于对铁路轨道、隧道、桥梁等基础设施以及车辆段设备进行巡检。通过实时监测轨道的几何尺寸变化、设备的运行状态等，提前预警潜在故障，确保列车运行安全。在工业生产领域，适用于化工、钢铁、汽车制造等行业的生产车间，对生产设备、管道等进行巡检，及时发现设备的泄漏、振动异常等问题，提高生产效率，降低安全风险。

2.2 伺服电机的工作原理与特性

2.2.1 工作原理

伺服电机是一种能够精确控制转速、位置和转矩的电机。其工作基于电磁感应原理，当电机的定子绕组通入三相交流电时，会产生一个旋转磁场。该旋转磁场切割转子绕组，在转子绕组中产生感应电流，进而使转子受到电磁力的作用而旋转。伺服电机采用闭环控制方式，通过编码器实时反馈电机转子的位置和速度信息。控制系统将接收到的反馈信号与预设的目标值进行比较，根据偏差值调整电机的输入电流和频率，从而实现对电机转速、位置和转矩的精确控制。例如，当需要电机以特定速度运行时，控制系统根据编码器反馈的当前速度与目标速度的偏差，自动调整输入电流，使电机转速快速、准确地达到目标值。

2.2.2 特性分析

伺服电机具有扭矩稳定的特性。通过先进的传感器和精密的调速电路，能够实时监测和调整电机的输出扭矩，使其在不同负载和运行状态下都能保持稳定的输出。这一特性使得搭载伺服电机的轨道式巡检机器人在运行过程中，能够有效避免因扭矩波动而产生的振动和卡顿现象，保证巡检工作的平稳进行。伺服电机的牵引力较大，其设计结构和控制方式决定了它能够输出较大的动力，以克服轨道式巡检机器人在运行过程中遇到的各种阻力，如爬坡、越障时的重力分力和摩擦力等。在高精度定位方面，编码器能够将电机转子的角度信号精确转化为位置信息反馈给控制系统。由于编码器的分辨率极高，使得伺服电机能够实现高精度的位置控制，为轨道式巡检机器人的精确定位提供了有力保障。在灵活运动控制方面，伺服电机通过驱动器可以实现位置、转矩、速度三种控制方式的灵活切换。在不同的巡检场景下，可根据实际需求快速调整控制方式，实现机器人的提速、减速、急停、缓停等动作，具有极高的运动灵活性和响应速度。

三、伺服电机在轨道式巡检机器人中的优势分析

3.1 扭矩稳定优势

3.1.1 稳定扭矩对机器人运行的重要性

对于轨道式巡检机器人而言，稳定的扭矩输出是保障其可靠运行的关键因素之一。在巡检过程中，机器人可能会遇到轨道表面不平整、负载变化等情况。如果电机扭矩不稳定，机器人就容易出现振动或卡顿现象，这不仅会影响机器人的运行速度和效率，还可能导致检测数据不准确，甚至损坏机器人的检测设备。例如，在对电力设备进行红外测温巡检时，机器人的轻微振动都可能使测温数据产生偏差，无法准确反映设备的真实温度。而稳定的扭矩输出能够确保机器人在各种工况下都能平稳运行，为检测系统提供稳定的工作平台，提高巡检数据的准确性和可靠性。

3.1.2 伺服电机扭矩稳定的原理及技术实现

伺服电机扭矩稳定主要依靠先进的传感器技术和精密的调速算法。电机内部集成了高精度的扭矩传感器，能够实时监测电机输出扭矩的大小。同时，控制系统采用了先进的调速算法，如矢量控制算法。该算法通过对电机的电压、电流进行精确控制，将电机的定子电流分解为励磁电流和转矩电流，分别对其进行独立控制，从而实现对电机输出扭矩的精确调节。当电机负载发生变化时，扭矩传感器迅速将信号反馈给控制系统，控制系统根据预设的控制策略，通过调整励磁电流和转矩电流的大小，使电机输出扭矩保持稳定。此外，伺服电机的驱动器还具备电流补偿功能，能够对电机运行过程中的电流波动进行实时补偿，进一步提高扭矩的稳定性。

3.1.3 实际案例分析

以某大型电力变电站的轨道式巡检机器人项目为例，该项目初期采用了普通电机作为驱动，在运行过程中发现，当机器人经过轨道的弯道或跨越轨道连接处时，由于普通电机扭矩波动较大，机器人会出现明显的振动，导致图像采集设备拍摄的照片模糊，无法清晰识别设备的运行状态。后来，项目团队将驱动电机更换为伺服电机，并对控制系统进行了优化。经过实际运行测试，使用伺服电机后，机器人在相同工况下运行平稳，振动现象得到了极大改善。通过对检测数据的统计分析，采用伺服电机后，设备缺陷的检测准确率从原来的 70% 提高到了 90% 以上，充分体现了伺服电机扭矩稳定对轨道式巡检机器人性能提升的显著作用。

3.2 牵引力大优势

3.2.1 大牵引力适应复杂工况的需求

轨道式巡检机器人在实际工作中往往会面临各种复杂工况。例如，在一些具有一定坡度的轨道上运行时，需要克服重力分力；在跨越轨道上的障碍物或通过轨道的不平整路段时，需要较大的牵引力来克服摩擦力和冲击阻力。此外，当机器人需要携带额外的检测设备或执行一些特殊任务时，如在电力巡检中携带较重的红外热成像仪，对电机的牵引力要求更高。如果电机牵引力不足，机器人可能会出现爬坡困难、无法跨越障碍物甚至停滞不前的情况，严重影响巡检工作的正常进行。因此，具备大牵引力的电机对于轨道式巡检机器人适应复杂工况、完成巡检任务至关重要。

3.2.2 决定伺服电机牵引力大的因素

伺服电机的牵引力大小主要取决于其电机设计、控制方式以及负载特性等因素。在电机设计方面，电机的功率、扭矩常数、转子结构等对牵引力有直接影响。一般来说，功率较大的伺服电机能够输出更大的扭矩，从而产生更大的牵引力。扭矩常数是衡量电机将电能转化为机械能能力的重要参数，扭矩常数越大，电机在相同电流下输出的扭矩越大。转子结构的设计也会影响电机的性能，例如采用高导磁率材料和优化的转子形状，能够提高电机的电磁转换效率，增大输出扭矩。在控制方式上，先进的控制算法能够充分发挥电机的性能潜力。如前文所述的矢量控制算法，通过精确控制电机的电流和磁场，使电机在不同工况下都能输出较大的扭矩。此外，负载特性也会影响伺服电机的牵引力表现。对于惯性较大或摩擦力较大的负载，需要电机能够提供足够的启动扭矩和持续牵引力来克服阻力，确保机器人正常运行。

3.2.3 应用案例展示

北京玉麟科技有限公司研发的防爆式挂轨巡检机器人在实际应用中充分展现了伺服电机大牵引力的优势。该机器人主要应用于具有防爆需求的化工生产区域，其工作轨道部分路段垂直地面 90°。在这样的特殊工况下，机器人需要克服自身重力以及携带设备的重力，对电机的牵引力要求极高。该机器人采用了防爆伺服电机，凭借其强大的牵引力，能够轻松沿着垂直轨道上下运行，运行过程平稳可靠。同时，该机器人还具备额外负载 200KG 设备的能力，在携带较重的检测设备时，依然能够在轨道上正常运行，完成巡检任务。这一案例充分证明了伺服电机大牵引力能够满足轨道式巡检机器人在复杂、特殊工况下的应用需求。

3.3 高精度定位优势

3.3.1 编码器数值用于机器人定位的原理

伺服电机所配备的编码器是实现高精度定位的关键部件。编码器可分为增量式编码器和绝对式编码器，其工作原理都是通过将电机转子的旋转角度转化为电信号输出。增量式编码器通过在码盘上刻制等间距的光栅，当电机转子带动码盘旋转时，光线透过光栅产生明暗交替的光信号，再通过光电传感器将光信号转换为电脉冲信号。控制系统根据单位时间内接收到的脉冲数量和脉冲方向，计算出电机转子的旋转角度和速度，进而推算出机器人的位置信息。绝对式编码器则采用独特的编码方式，通过在码盘上刻制不同的编码图案，每个位置对应一个唯一的编码值。无论电机处于何种位置，编码器都能直接输出当前位置对应的编码信息，控制系统通过解码即可获取机器人的精确位置。这种直接输出位置信息的方式，避免了增量式编码器在断电重启后需要重新归零的问题，提高了定位的可靠性和准确性。

3.3.2 定位精度对巡检任务的关键作用

对于轨道式巡检机器人的巡检任务而言，高精度定位至关重要。在对设备进行检测时，机器人需要精确停留在目标位置，才能确保检测设备能够准确采集到设备的相关信息。例如，在电力设备的局部放电检测中，检测传感器需要与设备的检测部位保持精确的距离和角度，才能获得准确的检测数据。如果机器人定位精度不足，检测传感器可能无法对准目标部位，导致检测数据偏差甚至检测失败。此外，在一些需要对设备进行定期对比监测的场景中，机器人每次都需要精确停留在相同位置，以便对设备的运行状态变化进行准确分析。高精度定位能够保证机器人在不同时间点采集的数据具有可比性，为设备的状态评估和故障预测提供可靠依据。

3.3.3 实际应用中的定位精度验证

以某工业生产车间的轨道式巡检机器人为例，该机器人采用了伺服电机及配套的高精度编码器进行定位控制。在实际运行过程中，通过在轨道上设置多个固定的检测点，并利用高精度测量设备对机器人在这些检测点的实际位置进行测量。经过多次测试，数据显示机器人在轨道上运行的任何位置定位精度均小于 1mm，完全满足了该工业生产车间对设备巡检定位精度的要求。同样，北京玉麟科技有限公司的防爆式挂轨巡检机器人在复杂的防爆环境下，凭借伺服电机编码器的精确反馈，在轨道上运行的任何位置定位精度也小于 1mm，确保了在特殊环境下对设备的精准检测与维护。这一高精度定位性能使得机器人能够准确完成各项巡检任务，有效提高了巡检工作的质量和效率。

3.4 灵活运动控制优势

3.4.1 伺服电机通过驱动器实现灵活运动控制的方式

伺服电机通过驱动器实现了位置、转矩、速度三种控制方式的灵活切换，以满足不同的运动需求。在位置控制方式下，驱动器根据控制系统发送的位置指令，精确控制电机转子的旋转角度，使机器人能够准确停留在指定位置。例如，当轨道式巡检机器人需要在特定位置对设备进行检测时，控制系统向驱动器发送目标位置指令，驱动器通过控制电机的运转，使机器人精确到达目标位置。在转矩控制方式下，驱动器根据负载的变化实时调整电机的输出转矩。当机器人遇到较大阻力，如跨越轨道上的障碍物时，驱动器自动增加电机的输出转矩，确保机器人能够顺利通过。在速度控制方式下，驱动器根据预设的速度指令，调节电机的转速，使机器人能够以不同的速度在轨道上运行。例如，在空旷的轨道区域，机器人可以高速运行以提高巡检效率；在接近检测目标时，降低速度以保证检测精度。通过这三种控制方式的灵活切换，伺服电机能够实现机器人复杂多样的运动控制。

3.4.2 灵活运动控制在不同巡检场景中的适应性

在不同的巡检场景中，轨道式巡检机器人对运动控制的灵活性有着不同的需求。在直线轨道上，机器人通常需要以稳定的速度运行，以提高巡检效率。此时，可采用速度控制方式，通过设置合适的速度参数，使机器人快速、平稳地通过直线轨道。当遇到弯道时，机器人需要根据弯道半径和轨道状况调整运行速度和转向角度，以确保安全、准确地通过弯道。这就需要在速度控制的基础上，结合位置控制，精确控制电机的运转，实现机器人的转向。在一些需要机器人进行急停或缓停的场景中，如遇到突发情况或接近重要检测设备时，灵活的运动控制能够使机器人迅速响应。通过驱动器的快速控制，伺服电机能够在短时间内实现急停，或者按照预设的减速曲线进行缓停，避免对设备造成冲击。

3.4.3 案例分析与经验总结

以某大型变电站的轨道式巡检机器人应用为例，该变电站的巡检轨道布局复杂，包含大量的直线段、弯道以及不同高度的升降段。在使用伺服电机之前，机器人在通过弯道和升降段时，由于运动控制不够灵活，经常出现卡顿、掉轨等问题。更换为伺服电机并优化控制系统后，机器人能够根据不同的轨道情况，灵活切换运动控制方式。在直线段，以较高速度运行，提高巡检效率；在弯道处，自动降低速度并精确调整转向；在升降段，平稳地完成高度变化。通过实际运行数据统计，采用伺服电机后，机器人的巡检效率提高了 30% 以上，且未再出现卡顿、掉轨等异常情况。这一案例充分体现了伺服电机灵活运动控制在复杂巡检场景中的优势，为轨道式巡检机器人的高效运行提供了有力保障。

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