Введение в робототехнику: типы моторов

Мотор - это то, что превращает код в движение. От выбора мотора зависит всё остальное: какое нужно питание, какой контроллер, по какой шине с ним говорить, сколько будет стоить сустав и сможет ли робот вообще встать. Эта статья - обзорная карта: как устроены основные типы моторов, чем их питать и чем ими управлять, где их купить, и что брать под три типичных задачи - силовую платформу от 100 кг, шагающего робота до 100 кг и колёсного робота до 30 кг.

Цены - ориентировочные на сентябрь 2026 года, взяты с сайтов магазинов по ссылкам. В разных регионах добавляются доставка, НДС и пошлины.

1. Базовые понятия: момент, KV, редуктор, FOC
2. Карта типов моторов
3. Коллекторные (brushed) DC
4. Хобби-сервоприводы и умные сервы
5. Бесколлекторные (BLDC) для дронов
6. Гимбальные моторы (direct drive)
7. BLDC + энкодер + планетарка + ODrive
8. QDD и интегрированные актуаторы
9. Шаговые моторы
10. Мотор-колёса (hub motors)
11. Силовые: AC-сервы, червячные, линейные
12. Сводная таблица
13. Управление из софта
14. Много моторов: шины и проводка
15. Питание
16. Сценарии: 100+ кг, шагающие, колёсные
17. Калькулятор момента

Базовые понятия

Чтобы читать даташиты, достаточно десятка терминов.

Карта типов моторов

Грубо все моторы для роботов делятся по двум осям: есть ли щётки (коллекторный или бесколлекторный) и сколько интеграции в корпусе (голый мотор → мотор с редуктором → мотор с редуктором, энкодером и драйвером, говорящий по шине). Чем больше интеграции, тем дороже штука, но тем меньше проводов и отладки.

Коллекторные (brushed) DC-моторы

Самый старый и самый простой тип. Подключил к батарейке - крутится, поменял полярность - крутится в обратную сторону. Голый коллекторный мотор слишком быстрый (5-15 тыс. об/мин) и слабый, поэтому для роботов почти всегда покупают мотор-редуктор: мотор + металлический редуктор + опционально энкодер Холла на валу.

• Напряжение 6-24 В
• Ток 0.1-10 А (стоп-ток до 20+ А)
• Редуктор 10:1 - 300:1
• Момент 0.1-10 Н·м на выходе
• КПД 40-70% с редуктором
• Ресурс щёток ~1000-3000 ч

Контроллеры и библиотеки

• Драйверы H-моста: DRV8871 / TB6612FNG (до ~1-3 А), Cytron MDD10A / MDD20A (10 / 20 А на канал), RoboClaw (2x15 - 2x160 А, считает энкодеры и держит PID сам, есть Python- и ROS-драйверы), Sabertooth. Старый L298N лучше не брать: он теряет 2-4 В на себе и греется.
• Софт: на Arduino/ESP32 это просто analogWrite() + два пина направления; энкодеры - библиотека Encoder или аппаратный счётчик ESP32 (PCNT). Для ROS 2 - ros2_control с diff_drive_controller.

Где купить

• Pololu 37D - классика: 12 или 24 В, от 6.3:1 до 150:1, с энкодером; 30:1 даёт 330 об/мин и ~14 кг·см на 12 В. Примерно $40-60.
• goBILDA Yellow Jacket - планетарные мотор-редукторы со встроенным энкодером, $54.99; удобная экосистема крепежа.
• AliExpress: серии JGB37-520, JGA25-370 с энкодером - 8-15 €, но разброс качества большой.

Хобби-сервоприводы и умные сервы

Серва - это коллекторный (реже бесколлекторный) мотор с редуктором и датчиком угла в одном корпусе. Вы говорите «встань на 90°» - она встаёт и держит. Редуктор обычно очень большой, от 30:1 в быстрых до 300:1 в силовых, поэтому момент приличный, но выход невозможно провернуть рукой, а шестерни шумят.

Аналоговые и цифровые

Аналоговые сервы регулируют мотор с частотой входного сигнала (50 Гц): мягче, тише, но «мёртвая зона» и хуже удержание. Цифровые обрабатывают тот же ШИМ-сигнал микроконтроллером и подают импульсы на мотор сотни раз в секунду: точнее, сильнее держат позицию, но больше потребляют и характерно пищат. С точки зрения софта разницы нет - обе управляются одинаково.

Умные сервы по шине (serial bus servo)

Следующий уровень: вместо ШИМ - полудуплексный UART или RS-485, у каждой сервы свой ID, все сидят на одном шлейфе цепочкой. Можно не только задать угол, но и прочитать текущий угол, ток, температуру, напряжение; есть режим колеса и режим ограничения момента. Именно на таких сервах собраны популярные open-source руки LeRobot SO-ARM100/101.

• Хобби: 4.8-8.4 В
• Шинные: 7.4-14.8 В
• Момент 0.2-6 Н·м (2-60 кг·см), бесколлекторные до 50+ Н·м
• Угол 180°, 270° или 360° + режим колеса
• Ток до 2-3 А на серву в стопе

Где купить

• Feetech STS3215 (12 В, 30 кг·см, магнитный энкодер) - около $16; такая же у Waveshare как ST3215 - $21.90. Там же есть бесколлекторные версии на 450-1000 кг·см за $399-650.
• ROBOTIS Dynamixel - эталон умных серв с отличной документацией: XL430 от ~€50-60, серия X/XM сотни долларов, Pro - тысячи.
• Хобби-сервы: MG996R (клон, 3-5 €), Savöx, Hitec, KST - от 20 до 100+ €.

Контроллеры и библиотеки

• Хобби-сервы напрямую: Arduino Servo, ESP32 ESP32Servo. Больше 4-6 серв - плата PCA9685 (16 каналов по I²C, ~5 €) + Adafruit PWM Servo Driver или adafruit-circuitpython-servokit на Raspberry Pi.
• Dynamixel: Dynamixel SDK (C++, Python, ROS 2), адаптер U2D2.
• Feetech: SCServo SDK от производителя, драйвер в LeRobot; адаптер - Waveshare Bus Servo Driver Board или любой USB-UART с полудуплексной схемой.

Бесколлекторные (BLDC) моторы для дронов

Бесколлекторный мотор - это «вывернутый наизнанку» коллекторный: обмотки неподвижны, магниты вращаются, а переключение тока делает контроллер. Отсюда высокий КПД (80-90%), отсутствие износа щёток и огромная удельная мощность. Дроновые моторы оптимизированы под высокие обороты с пропеллером, поэтому у них высокий KV (900-2500), и для робота их используют либо с редуктором, либо берут низко-KV «толстые» модели (5010, 6374, 8308, 8318).

• Обозначение 2207, 5010, 8308 = диаметр × высота статора в мм
• KV 50-2500
• Напряжение 2S-12S LiPo (7.4-44 В)
• Ток 10-80 А
• Мощность 100 Вт - 3+ кВт

Анимация: как три синусоиды вращают магнитное поле

Катушка на зубе статора - это электромагнит. Контроллер подаёт на неё напряжение (на самом деле быстрый ШИМ, среднее которого - синус), из-за индуктивности ток в катушке нарастает плавно и повторяет эту синусоиду. Ток в одну сторону делает торец зуба полюсом S, в обратную - полюсом N, а сила полюса пропорциональна току. Три катушки стоят под углом 120° друг к другу, их поля складываются как векторы - и если токи сдвинуты по времени тоже на 120°, сумма получается одним полем постоянной силы, которое плавно вращается. Магнит ротора тянется за ним.

Нажмите «Пауза» и двигайте ползунок угла, чтобы рассмотреть отдельные моменты. Переключите режим, чтобы сравнить FOC с простым ESC.

Контроллеры

• ESC для дронов (прошивки BLHeli_32, Bluejay, AM32) - управляются ШИМ, DShot, PWM. Только скорость, без позиции. 10-40 €.
• VESC - open-source контроллер для электроскейтов и робототехники: FOC, датчики Холла или энкодер, CAN, UART; 50-200 € у Flipsky, Trampa, MakerX. Отлично для колёс.
• FOC-драйверы для суставов - ODrive, moteus, Tinymovr, SimpleFOC: см. следующие разделы.

Где купить: T-Motor (включая серию для роботов), iFlight, BrotherHobby, Flipsky (моторы 63xx для скейтов), AliExpress (Eaglepower 8308/8318, Maytech).

Гимбальные моторы: direct drive без редуктора

Это BLDC, намотанный тонким проводом с большим числом витков: сопротивление фазы 5-15 Ом вместо 0.05-0.2 Ом у дронового. Он медленный и слабый (обычно 0.05-0.3 Н·м), зато его можно питать малым током, он плавно держит любой угол и крутится без единой шестерёнки. Сочетание «мотор прямо на суставе» называют direct drive.

• Типичные: GM2804, GM3506, GM4108, GM5208
• Сопротивление фазы 5-15 Ом
• Ток 0.3-2 А
• Момент 0.05-0.5 Н·м
• 12-24 В

Контроллеры и цены

• Tinymovr R5.4 (сейчас бренд Motionlayer) - FOC-контроллер размером с мотор, крепится прямо на заднюю крышку, встроенный энкодер, CAN; €88, стартовый набор - €124. Python-библиотека tinymovr и GUI Studio.
• SimpleFOC - open-source библиотека FOC для Arduino/STM32/ESP32 и дешёвые платы SimpleFOC Shield / Mini (10-30 €). Лучший способ разобраться в FOC руками.
• Сами моторы: iFlight iPower GM-серия, T-Motor GB-серия, AliExpress - 20-60 €.

BLDC + магнитный энкодер + планетарка + ODrive

Классический путь самодельных шагающих роботов со времён MIT Mini Cheetah: берёте толстый низко-KV BLDC, приклеиваете на вал диаметрально намагниченный магнит, ставите напротив плату магнитного энкодера, добавляете напечатанный или купленный планетарный редуктор 6:1 - 10:1 и управляете всем через FOC-драйвер. Получается сустав, похожий на коммерческий QDD, но в 1.5-3 раза дешевле и полностью под вашим контролем. Классический разбор такой конструкции - магистерская работа Бена Каца «A low cost modular actuator for dynamic robots» (MIT, 2018).

Из чего складывается цена

QDD и полностью интегрированные актуаторы

Quasi-direct drive (квази-прямой привод) - компромисс между direct drive и сервой: мощный плоский BLDC с маленьким редуктором 6:1 - 10:1. Этого хватает, чтобы умножить момент до нужных значений, но передаточное число ещё настолько мало, что сустав остаётся backdrivable: его можно провернуть рукой, и драйвер «чувствует» внешнюю силу по току - без отдельного датчика момента. Для шагающих роботов это критично: нога мягко принимает удар о землю, а не ломает шестерни, как у сервы.

Полностью интегрированный актуатор - это QDD (или планетарный с бОльшим передаточным числом), в котором мотор, редуктор, энкодер, иногда второй энкодер на выходе, драйвер и температурный датчик собраны в один «толстый цилиндр». Наружу выходят только два провода питания и пара проводов CAN. Все моторы на ноге подключаются цепочкой к одной шине.

• Питание 24-48 В
• Номинал 3-40 Н·м, пик 9-120+ Н·м
• Масса 0.3-2.5 кг
• Скорость 100-500 об/мин на выходе
• CAN 1 Мбит/с или CAN-FD, иногда RS-485 / EtherCAT
• Режимы: позиция, скорость, момент, «MIT-режим» (импеданс)

Популярные производители и цены

Цены RobStride в юанях - официальный прайс производителя; у европейских реселлеров они заметно выше. У RobStride есть и RS04 на 120 Н·м для крупных гуманоидов. Ещё стоит посмотреть на MyActuator (серия RMD-X, CAN/EtherCAT) и SteadyWin (GIM). CubeMars пишет, что AK-серия (интегрированный драйвер) и AKE-серия (QDD без драйвера, «голый» модуль под свой контроллер) - разные линейки.

CAN: как с ними говорить

Почти все интегрированные актуаторы общаются по CAN. Это дифференциальная пара CANH/CANL, до 1 Мбит/с (CAN-FD - до 5-8 Мбит/с в фазе данных), до ~110 узлов на шине, по два терминатора 120 Ом на концах. Каждому мотору задаётся свой ID, и все висят на одном кабеле.

• USB-CAN адаптер: CANine от Motionlayer - €34.50, USB-C, CAN 2.0A/B до 1 Мбит/с, встроенный переключаемый терминатор, прошивка slcan или candleLight (тогда в Linux это обычный can0 через SocketCAN). Подходит к Jetson Orin Nano, Raspberry Pi, ноутбуку. Аналоги: CANable, PEAK PCAN-USB, Waveshare USB-CAN.
• Встроенный CAN на Jetson Orin: у модулей Orin есть контроллер CAN (драйвер mttcan), но нужен внешний трансивер вроде SN65HVD230 и настройка pinmux. USB-адаптер обычно быстрее запустить.
• CAN-FD (для moteus): mjbots fdcanusb или pi3hat для Raspberry Pi с несколькими независимыми шинами - удобно выделить по шине на каждую ногу.
• Unitree использует RS-485 - нужен USB-RS485 адаптер и их SDK.

Шаговые моторы

Шаговый мотор двигается дискретными шагами. Драйвер получает два сигнала: STEP (один импульс = один шаг) и DIR (направление). Число шагов и есть позиция, поэтому энкодер не нужен. Размеры стандартизованы: NEMA 17 (42 мм, 3D-принтеры), NEMA 23 (57 мм, ЧПУ), NEMA 34 (86 мм, станки).

• 1.8° (200 шагов) или 0.9°
• Микрошаг до 1/256
• NEMA 17: 0.4-0.6 Н·м
• NEMA 23: 1-3 Н·м
• NEMA 34: 4-12 Н·м
• Драйвер 12-48 В (и выше для NEMA 34)

Драйверы и библиотеки

• TMC2209 (BigTreeTech и др., 5-10 €) - до 2 А RMS, 4.75-28 В, StealthChop (почти бесшумно), StallGuard (обнаружение упора без концевика), настройка по UART. Библиотека TMCStepper.
• Для NEMA 23/34 - DM542 / DM556 или закрытый контур StepperOnline CL57T ($33-51): энкодер на моторе, шаги не теряются.
• Генерация импульсов: AccelStepper (разгон и торможение), FastAccelStepper (аппаратные таймеры ESP32/AVR, до десятков кГц), прошивки Klipper / grblHAL / FluidNC для многоосевых систем.

Где купить: StepperOnline - всё от NEMA 8 до 34, комплект NEMA 17 closed loop + драйвер $46.64; LDO Motors, Moons', Trinamic/ADI.

Мотор-колёса (hub motors)

BLDC outrunner, у которого колокол - это и есть обод колеса с шиной. Самый доступный источник - гироскутеры (hoverboard): 6.5" колесо, 36 В, ~250-350 Вт, датчики Холла, пара колёс с рынка б/у стоит копейки. Новые 6.5-10" хаб-моторы с энкодером для AGV продаются на AliExpress примерно за $120-130 за штуку с заявленной нагрузкой до 200 кг на колесо.

• Драйверы: ODrive (S1 на колесо, Pro на тяжёлые; у ODrive есть руководство по гироскутерным моторам), VESC, или родная плата гироскутера с прошивкой hoverboard-firmware-hack-FOC (FOC, управление по UART) - почти бесплатный драйвер на два колеса.

Силовые приводы: AC-сервы, червячные, линейные актуаторы

Когда нужно поднимать или возить сотни килограммов, на первый план выходят не динамика и прозрачность, а надёжность, тормоза и безопасность.

Сводная таблица

* С TMC-драйвером в режиме StealthChop шаговый почти бесшумен на малых скоростях.

Управление из софта

С точки зрения программиста есть пять уровней интерфейса. Чем выше уровень, тем меньше реального времени нужно в вашем коде.

Хобби-серва на Arduino

#include <Servo.h>
Servo s;
void setup() { s.attach(9); }          // сигнальный провод на пин 9
void loop() {
  s.write(0);   delay(1000);           // 1.0 мс импульс
  s.write(180); delay(1000);           // 2.0 мс импульс
}

Шаговый с TMC2209 и AccelStepper

#include <AccelStepper.h>
AccelStepper st(AccelStepper::DRIVER, 2, 3);  // STEP=2, DIR=3
void setup() {
  st.setMaxSpeed(4000);       // шагов/с (с учётом микрошага)
  st.setAcceleration(8000);
  st.moveTo(3200);            // 1 оборот при 1/16 микрошага
}
void loop() { st.run(); }     // вызывать как можно чаще

ODrive из Python (прошивка 0.6)

import odrive
from odrive.enums import AxisState, ControlMode

odrv = odrive.find_any()                      # USB
ax = odrv.axis0
ax.controller.config.control_mode = ControlMode.POSITION_CONTROL
ax.requested_state = AxisState.CLOSED_LOOP_CONTROL
ax.controller.input_pos = 2.5                 # в оборотах мотора
print(ax.pos_vel_mapper.pos_rel, ax.motor.foc.Iq_measured)

На роботе вместо USB используют CAN (протокол CANSimple, есть пакет odrive_can для ROS 2).

moteus по CAN-FD

import asyncio, math, moteus

async def main():
    c = moteus.Controller(id=1)
    await c.set_stop()                        # сбросить ошибки
    while True:
        state = await c.set_position(position=math.nan, velocity=0.5,
                                     maximum_torque=2.0, query=True)
        print(state.values[moteus.Register.POSITION])
        await asyncio.sleep(0.01)

asyncio.run(main())

«MIT-режим» (CubeMars, Damiao и многие клоны)

Самый распространённый протокол для QDD пришёл из Mini Cheetah. В одном 8-байтном CAN-кадре вы шлёте сразу желаемую позицию, скорость, жёсткость Kp, демпфирование Kd и момент прямой подачи. Драйвер сам считает τ = Kp·(p_des - p) + Kd·(v_des - v) + τ_ff на своей частоте. Это и есть импедансное управление: маленький Kp - мягкая «пружинящая» нога, большой - жёсткая.

import can

def f2u(x, lo, hi, bits):                     # float -> беззнаковое целое
    x = min(max(x, lo), hi)
    return int((x - lo) * ((1 << bits) - 1) / (hi - lo))

# Диапазоны берите из даташита своей модели! Здесь пример для AK70-10.
P, V, T, KP, KD = 12.5, 50.0, 25.0, 500.0, 5.0

def mit_frame(p, v, kp, kd, t):
    p_i, v_i = f2u(p, -P, P, 16), f2u(v, -V, V, 12)
    kp_i, kd_i, t_i = f2u(kp, 0, KP, 12), f2u(kd, 0, KD, 12), f2u(t, -T, T, 12)
    return bytes([p_i >> 8, p_i & 0xFF, v_i >> 4,
                  ((v_i & 0xF) << 4) | (kp_i >> 8), kp_i & 0xFF,
                  kd_i >> 4, ((kd_i & 0xF) << 4) | (t_i >> 8), t_i & 0xFF])

bus = can.Bus(interface="socketcan", channel="can0", bitrate=1_000_000)
ENTER = bytes([0xFF] * 7 + [0xFC])            # войти в режим управления
bus.send(can.Message(arbitration_id=1, data=ENTER, is_extended_id=False))
bus.send(can.Message(arbitration_id=1, data=mit_frame(0.5, 0, 20, 1, 0),
                     is_extended_id=False))
print(bus.recv(0.01))                          # ответ: позиция, скорость, ток

Поднять CANine в режиме candleLight в Linux: sudo ip link set can0 up type can bitrate 1000000. Для slcan-прошивки используйте interface="slcan" в python-can.

Библиотеки и фреймворки

• python-can - универсальный CAN из Python (SocketCAN, slcan, PCAN, Kvaser).
• ros2_control - стандартный слой ROS 2: пишете (или берёте готовый) hardware interface для своих моторов, и получаете контроллеры траекторий, diff drive, gravity compensation и т.д. Готовые интерфейсы есть для Dynamixel, ODrive, moteus, CubeMars, Feetech.
• LeRobot - обучение политик на руках с Feetech/Dynamixel.
• SimpleFOC, moteus, ODrive docs, гайд CubeMars, RobStride на Seeed Wiki.

Много моторов: насколько удобно подключать

Питание

Схема питания, которая не подведёт

1. Батарея → предохранитель → аварийная кнопка (e-stop), которая физически разрывает силовую линию моторов → анти-искровой разъём (XT90-S) или схема предзаряда → шина моторов.
2. Толстые провода: 48 В × 20 А суммарно - уже 12-14 AWG. Разъёмы XT30/XT60/XT90 по току.
3. Логика (Jetson, Raspberry Pi, датчики) - через отдельный DC-DC. Просадки напряжения при старте моторов не должны перезагружать компьютер.
4. Общая земля логики и драйверов, но без «земляных петель» через толстые силовые провода.
5. Для QDD: пиковый ток всех суставов при прыжке может быть в 3-5 раз выше среднего - батарея и BMS должны это выдерживать.

Сценарии

1. Силовые приводы: платформа или подъёмник от 100 кг

Пример: тележка 150 кг (с грузом) должна ехать 1.5 м/с и заезжать на уклон 10%. На колёсах радиусом 10 см: сила сопротивления ≈ m·g·(sin α + Crr) = 150 × 9.81 × (0.1 + 0.02) ≈ 176 Н, плюс разгон 0.5 м/с² даёт +75 Н. Итого ~250 Н, то есть ~25 Н·м на всех ведущих колёсах, по ~12.5 Н·м на каждое из двух. Проверьте в калькуляторе ниже.

2. Шагающие роботы до 100 кг

Главное требование - прозрачный, ударостойкий сустав с управлением моментом, то есть QDD. Грубая прикидка пикового момента в колене: вес, который приходится на одну ногу при беге, умножить на плечо (при сильно согнутой ноге - ~0.7-0.8 длины сегмента) и на коэффициент динамики 1.5-3.

• Для ориентира: MIT Mini Cheetah (~9 кг) использует актуаторы с пиком ~17 Н·м при редукторе 6:1, у колена есть дополнительная передача.
• Моторы ставят как можно ближе к корпусу (бедро), а колено приводят ремнём или тягой - это уменьшает инерцию ноги.
• Управление: MIT-режим на 500-1000 Гц, по CAN-шине на ногу, Jetson Orin / Raspberry Pi 5 / x86 с RT-патчем, ROS 2 + ros2_control или собственный цикл на C++. Политику часто обучают в симуляторе (Isaac Lab, MuJoCo).
• Питание 24-48 В, батарея с высоким пиковым током, обязательный e-stop и «безопасное приземление» (переход в демпфирование) при потере связи.

3. Колёсные роботы до 30 кг

Здесь хватает самых простых решений. Для 30 кг, колёс 150 мм и скорости 1 м/с нужно порядка 2-4 Н·м на каждое из двух ведущих колёс с учётом уклона и разгона.

Всенаправленным платформам (mecanum, omni) нужно 4 мотора с энкодерами и замкнутым контуром скорости - шаговые здесь работают хуже, чем мотор-редукторы с энкодером.

Калькулятор момента

С чего начать

1. Колёсный робот: два мотор-редуктора 24 В с энкодером, RoboClaw, Raspberry Pi 5, ROS 2 diff_drive_controller. Всё заведётся за выходные.
2. Понять FOC: гимбальный мотор + SimpleFOC или Tinymovr. Покрутите режимы позиции, скорости и момента, почувствуйте рукой «виртуальную пружину».
3. Рука на столе: 6 × STS3215 (набор SO-ARM101) + LeRobot - шинные сервы и обучение политик.
4. Первый QDD-сустав: один Damiao J4310 или CubeMars AK60-6 + CANine + python-can. Когда один сустав слушается в MIT-режиме, 12 суставов - вопрос масштабирования.
5. Большая платформа: гироскутерные колёса + ODrive или VESC, с e-stop с первого дня.