人形機器人多關節(jié)的電機伺服控制系統(tǒng)

1、本月初上海國際機器人展示會，展出的幾乎都是進口設備，國產(chǎn)的機器人演示的速度與精度遠低于進口的，在上海電視臺的采訪中，國產(chǎn)廠家（機器人與伺服電機廠家）也坦言關鍵技術(shù)受制于人，尤其是精密伺服電機減速箱，基本都被日本公司控制，其實這跟我們的發(fā)展是在學日本人有關，伺服電機的編碼器的使用都是裝在了電機尾部，這種安裝形式優(yōu)點是增量脈沖信號對于速度貢獻的精度高，動態(tài)響應好，同時輸出的UVW信號提供電機換相信號，我也經(jīng)常被問到有沒有國產(chǎn)的絕對值編碼器可以替換現(xiàn)在裝在伺服電機尾部的增量編碼器, 伺服電機要選用絕對值編碼器，如果還是裝在電機尾部，那樣的編碼器要求分辨率很高（為滿足伺服電機的動態(tài)特性要求，最少17位

2、以上）、信號輸出響應要求快（比如EnDat等專用信號），這對于絕對值編碼器國產(chǎn)化以及成本要求帶來了很大的難度。但是這種安裝對于最終的機械輸出的精度還是要取決于精密減速箱與機械傳動上的精度，而這個恰恰又是日本及德國的加工強項。如果照樣學習日本的（德國的成本更貴，我們國內(nèi)較少有人去學的），那就必然鉆進了日本精密機械加工的圈了。實際上裝絕對值編碼器與原來已經(jīng)使用的增量編碼器并沒有對立，而一定要替換掉，其實這次展會，就算是日本的尼康公司，也提出了僅僅在伺服電機高速端裝編碼器不夠的弊端，歐洲早有在低速端加裝絕對值編碼器補充信號提高精度，電機高速端用增量編碼器確保電機動態(tài)特性的使用方法。這樣可以避開減速箱

3、精密性問題，實現(xiàn)用絕對值編碼器的確定絕對位置的重復精度，但那樣機械設計與電氣增加絕對值編碼器信號接口就要重新考慮設計了，在國內(nèi)普遍只會照樣子學國外而不愿冒險創(chuàng)新，或者嫌麻煩不愿重新設計機械結(jié)構(gòu)，這種想法恐怕也就一閃而過了。于是，明年的展會上我們國產(chǎn)的廠家可能還是在抱怨精密減速箱。仿人機器人關節(jié)的電機伺服系統(tǒng) 摘要：本文圍繞電機伺服系統(tǒng)在仿人機器人上的應用，簡要介紹了電機伺服系統(tǒng)各部件的發(fā)展現(xiàn)狀和幾款適用于仿人機器人的電機伺服系統(tǒng)，并在此基礎上分析了系統(tǒng)選型時須要重點考慮的因素。指出了今后仿人機器人關節(jié)電機伺服系統(tǒng)發(fā)展的方向和應著重研究的方面。關鍵詞： 電氣傳動；仿人機器人；伺服系統(tǒng)；永磁同步電

4、機0 引言2000 年，日本本田公司發(fā)布的仿人機器人ASIMO 吸引了全世界的目光。過去十年里，得益于計算機、電氣工程、材料工程、傳感器科學等相關學科的發(fā)展，仿人機器人技術(shù)也有了長足的發(fā)展1。世界范圍內(nèi)，各個公司、大學、研究所開發(fā)了數(shù)以百計的仿人機器人。其中較為突出的有日本本田公司、美國麻省理工大學、俄亥俄州立大學、北京理工大學、哈爾濱工業(yè)大學等2。仿人機器人由控制系統(tǒng)、關節(jié)伺服系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和本體結(jié)構(gòu)五部分組成。關節(jié)伺服系統(tǒng)按驅(qū)動方式可以分為液壓伺服、氣動伺服、電機伺服、壓電伺服等。這幾種系統(tǒng)中，液壓伺服抗污染能力差、調(diào)試維護困難、瞬間過載能力低；氣動伺服非線性程度高、定位剛度小

5、；電機伺服通常需要減速機構(gòu)，使其體積增大；壓電伺服一般不需要減速機構(gòu)，易于實現(xiàn)微型化，但其驅(qū)動電路復雜，多用于微型機器人或仿人機器人的手指關節(jié)3。比較幾種伺服系統(tǒng)的優(yōu)缺點，電機伺服系統(tǒng)，尤其是旋轉(zhuǎn)電機伺服系統(tǒng)由于技術(shù)成熟、可靠性高、剛度強、較易驅(qū)動，是目前仿人機器人關節(jié)伺服系統(tǒng)的首選。許多文章詳細介紹了工業(yè)用電機伺服系統(tǒng)的選型方法，但在仿人機器人中，由于使用電池供電，供電電壓低、功率/能量密度受限，且機器人的體積、重量均有嚴格的要求，所以仿人機器人關節(jié)中使用的電機伺服系統(tǒng)有其特殊的要求。例如低工作電壓、低損耗、高功率密度、輕重量、單一電源供電、高可靠性。本文圍繞仿人機器人的需求特點，對其關節(jié)電

6、機伺服系統(tǒng)的組成、類別、現(xiàn)有產(chǎn)品的性能和功能進行介紹和對比，為相關領域的伺服系統(tǒng)選型提供依據(jù)。1 伺服系統(tǒng)的組成電機伺服系統(tǒng)一般是由電動機、位置傳感器、電流傳感器、功率器件和控制器五部分組成的閉環(huán)系統(tǒng)，如圖1 所示。1.1 電機永磁無刷電動機無需勵磁繞組和勵磁電源，結(jié)構(gòu)相對簡單，具有很高的功率密度，非常適合仿人機器人這種對體積、重量十分敏感的場合。在伺服系統(tǒng)中應用的永磁無刷電動機分為無刷直流電動機（brushless dc motor, BLDCM）和永磁同步電動機（permanent-magnetsynchronous motor, PMSM）兩種。前者設計和生產(chǎn)費用低，但轉(zhuǎn)動時不可避免有矩

7、脈動；后者正弦波驅(qū)動，理論上可完全消除轉(zhuǎn)矩脈動，但需要更高精度的轉(zhuǎn)子位置傳感器和更復雜的控制器件。1.2 位置傳感器1.2.1 光電編碼器在位置伺服系統(tǒng)中，光電編碼器常被采用作為位置傳感器。它具有精度高、分辨率力高、工作范圍大、功耗低、非接觸測量等優(yōu)點，但由于光柵盤是精密的光學元件，其抗振性能差，軸向的振動極易使其破碎，煙霧、灰塵等雜質(zhì)也會影響光路系統(tǒng)。光源、鏡頭、光柵盤和光電傳感器組成的光路系統(tǒng)只能軸向排布，也令光電編碼器的厚度難以縮小。目前商品化的光電編碼器中，體積較小的是SCANCON 公司的增量式光電編碼器，其分辨率為1000 線/轉(zhuǎn)，尺寸為。1.2.2 磁編碼器磁編碼器是近年發(fā)展起來

8、的以一種新型電磁敏感元件為基礎的檢測裝置。這種編碼器使用具有交替變化磁場的永磁體盤代替光柵盤，使用巨磁電阻（giant magneto resistance，GMR）等磁敏元件代替光電元件，把磁信號變?yōu)殡娦盘?，如圖1 所示，從左至右依次為：外殼體、永磁盤、電路板（含傳感器和調(diào)理電路）、外殼蓋。在工作中，磁編碼器不易受塵埃和結(jié)露影響，抗振能力強，可靠性高，同時其結(jié)構(gòu)簡單緊湊，無需復雜的光源和光學元件，易于實現(xiàn)小型化，尺寸可至。但受充磁技術(shù)的制約，磁編碼器的精度一般不高，采用細分技術(shù)后可達到1000 線/轉(zhuǎn)。1.3 功率器件在中小功率的應用中，一般使用電力MOSFET 或IGBT 作為功率器件。電

9、力MOSFET具有易驅(qū)動、開關速度快的優(yōu)點，但其導通損耗和耐壓能力之間存在矛盾，故一直局限于在低壓場合使用。IGBT 是一種復合型的功率器件，整合了MOSFET 和BJT 的優(yōu)點，驅(qū)動端類似MOSFET 的結(jié)構(gòu)，通過電壓控制，所需功率小，而開關端則與BJT 相似，耐壓水平高、電流大、導通損耗小。但其關斷時間較長，因此開關損耗較大，而且其導通壓降為固定值，與流過電流無關，在開關電壓較高的時候才能體現(xiàn)出其低損耗的優(yōu)點。仿人機器人電源電壓一般在100V 以下，故其關節(jié)伺服系統(tǒng)多采用電力MOSFET 作為功率器件。1.4 控制器在仿人機器人領域，為了滿足體積和重量這兩個關鍵指標，一般會帶有為電機控制優(yōu)

10、化的硬件模塊（如PWM 調(diào)制、增量編碼器計數(shù)）的DSP 或MCU 作為微控制器。有的微控制器甚至將坐標變換、空間矢量控制等算法也做成硬件模塊?，F(xiàn)代仿人機器人一般通過網(wǎng)絡總線實現(xiàn)對各個關節(jié)的控制，因此控制器DSP 也會集成UART、CAN 等通訊模塊。2 國內(nèi)外產(chǎn)品國內(nèi)仿人機器人領域使用較多的是Copley、Elmo、MAXON 等國外公司的伺服產(chǎn)品。國內(nèi)廠家和研究機構(gòu)中，北京和利時也有自主研發(fā)的低壓小型伺服產(chǎn)品；哈爾濱工業(yè)大學成功研制了適用于仿人機器人的低壓微小型伺服系統(tǒng)。本節(jié)將分別介紹上述產(chǎn)品的功能、性能以及特點。2.1 美國 Copley Controls 伺服驅(qū)動器該公司的 Acceln

11、et 系列伺服驅(qū)動器采用Freescale 公司DSP56F807 16 位數(shù)字信號控制器為主控芯片，該控制器整合了DSP 強大的處理能力和微控制器多樣的功能，最高主頻80MHz，使用3.3V 單電源供電，片上穩(wěn)壓器可為數(shù)字和模擬電路提供更低的功耗和噪聲。該系列驅(qū)動器可用2055V 單一直流電源供電，通過反激變換器產(chǎn)生多路獨立穩(wěn)壓輸出，采用了平面變壓器，變壓器繞組印制在電路板上，整個變壓器體積僅為18mmmm。功率器件使用六個Fairchild 公司SOP-8 封裝的分立MOSFET，焊在一塊95mm的鋁基電路板上，鋁基板為外殼的一部分，熱傳導率高、散熱性能好。驅(qū)動器支持 CANopen 和D

12、eviceNet 兩種CAN 總線協(xié)議，一條總線上最多可掛接127 臺驅(qū)動器。配套的Copley Motion Explorer 軟件可進行組網(wǎng)、電機配置、參數(shù)自整定、運動程序下載和調(diào)試等操作，操作界面友好，可視化程度高。2.2 以色列 Elmo Motion Control 伺服驅(qū)動器該公司的Whistle 系列伺服驅(qū)動器采用與Accelnet 驅(qū)動器相同的主控芯片，通過進一步的精簡和優(yōu)化，大量使用BGA 封裝等微型貼片元器件，Whistle 驅(qū)動器在更小的體積內(nèi)實現(xiàn)了更高的持續(xù)功率輸出。該驅(qū)動器沒有使用反激變換器，而是采用多個Buck 降壓電路級聯(lián)的形式來獲得12V、5V、3.3V 電壓輸

13、出。功率器件使用六個IR 公司TO-252 封裝的MOSFET，更大的封裝使其可提供100V/42A 的持續(xù)輸出能力，導通電阻為18m。散熱方面沒有采用鋁基板技術(shù)，用導熱粘合劑把鋁制外殼粘到電路板MOSFET 背面，通過電路板上的銅箔和鋁制外殼散熱。通訊功能和配套軟件方面與Accelnet 驅(qū)動器類似。2.3 瑞士 MAXON 伺服電機瑞士 maxon motor 是一個面向全球提供高精密電機和驅(qū)動系統(tǒng)的產(chǎn)品的公司。其EC-powermax 系列無刷電機采用無槽繞組和釹鐵硼磁鋼，具有極高的功率密度，100W 的型號尺寸為，無齒槽效應，在低壓下仍可獲得高轉(zhuǎn)速。電機可與前面兩種伺服驅(qū)動器構(gòu)成伺服系

14、統(tǒng)。2.4 北京和利時伺服系統(tǒng)該公司的蜂鳥系列伺服驅(qū)動器是一款低壓直流供電的小體積、高性能全數(shù)字伺服驅(qū)動器。采用32 位高速RISC 專用芯片作為控制器，內(nèi)嵌高級運動控制功能，通過通訊接口即可完成如多段點到點、直線插補、圓弧插補等功能，在100mm的體積內(nèi)可持續(xù)輸出360W 功率。其配套的海豚系列低壓無刷伺服電機，采用正弦波方式驅(qū)動，裝有磁性絕對值編碼器，外尺寸為，功率為250W。該系列伺服系統(tǒng)的功率密度、工作電壓范圍、定位精度等指標在國內(nèi)現(xiàn)有產(chǎn)品中均處于領先地位，但仍無法滿足仿人機器人對空間、重量的要求。2.5 HIT-PEED II 伺服系統(tǒng)哈爾濱工業(yè)大學電力電子與電力傳動研究所研制的HI

15、T-PEED II 伺服系統(tǒng)，其驅(qū)動器采用TI 公司TMS320F2808 DSP 作為控制器，該DSP 專門為電機控制設計，具有ePWM、eQEP等硬件模塊，主頻最高可達100MHz，能夠很好地滿足坐標變換、矢量控制、位置伺服等復雜算法的需求。驅(qū)動器只需單一電源供電，工作電壓范圍寬（1575VDC），支持CAN 總線通訊，能實現(xiàn)BLDCM 和PMSM 的三閉環(huán)控制，適用性廣。采用IR 公司MOSFET 作為功率器件，導通電阻只有18m伲?鈧漲?饜?士紗。驅(qū)動器大量使用微型SMD 元器件和先進的焊接工藝，令功率密度最大化。伺服電機是采用高磁能積的稀土釹鐵硼材料的永磁同步電動機，采用無槽定子繞組

16、，能減少鐵心損耗，提高電機效率（見圖2）。電機配套使用自主研發(fā)的磁編碼器，擺脫了對國外編碼器產(chǎn)品的依賴，其分辨率可達12 位。150W 的電機含編碼器尺寸為，重495g，額定電壓48V，額定轉(zhuǎn)速9000rpm，額定轉(zhuǎn)矩160mN穖。哈工大電力電子與電力傳動研究所與生產(chǎn)企業(yè)積極展開合作與探索，該型號伺服系統(tǒng)已形成小批量生產(chǎn)能力。2.6 幾種伺服系統(tǒng)的對比表 1、表2 列出了以上幾種伺服驅(qū)動器和電機的具體性能指標。從上面的數(shù)據(jù)可以看出HIT-PEED II 型伺服驅(qū)動器的各項指標已經(jīng)達到或超過國外同類產(chǎn)品；伺服電機由于受國產(chǎn)諧波減速器機械性能的限制，其額定速度比maxon 電機低，較低的速度使其外

17、徑和體積難以進一步縮小。圖4 展示了三種伺服驅(qū)動器，從左到右依次為Accelnet、Whistle、HIT-PEED II3 實際性能測試體積、重量、定位精度、響應速度和工作效率是仿人機器人關節(jié)伺服系統(tǒng)的幾個關鍵指標。其中，體積和重量可以通過簡單的測量得到，因此，本節(jié)將對上述三種伺服系統(tǒng)的其它三個關鍵指標進行測試。3.1 定位精度與響應速度關節(jié)伺服系統(tǒng)的定位精度直接影響對運動控制器指令執(zhí)行的準確程度，所謂差之毫厘，謬以千里，關節(jié)處微小的偏差也能在肢體末端產(chǎn)生很大的偏移。另外，伺服系統(tǒng)是否能及時完成指令動作，也將影響到整個運動系統(tǒng)的可靠性與機器人動作的協(xié)調(diào)性。為了測試這兩項指標，本文利用伺服系統(tǒng)

18、配套的上位機軟件的監(jiān)視功能進行測試。此方法相當于利用伺服系統(tǒng)電機軸端的1000 線增量編碼器作為傳感器，在4 倍頻計數(shù)模式下，分辨率可達1/4000 圈。當肢體長度為0.3 米時，關節(jié)1/4000 圈的誤差僅在末端產(chǎn)生約0.47毫米的位置偏差，能滿足測試的精度要求。從圖中可以看出，三種伺服系統(tǒng)都能在170ms 左右完成動作，其中HIT-PEED II 伺服系統(tǒng)的響應時間較短，但超調(diào)也更大，另外兩種伺服系統(tǒng)的響應曲線相似。而放大后的曲線中可以看出，三種系統(tǒng)在250ms 時，與位置誤差均小于100 脈沖數(shù)（即1%），其中Elmo驅(qū)動器+MAXON 電機組成的系統(tǒng)誤差最小，但是有一些振蕩，另外兩種伺

19、服系統(tǒng)則逐步接近給指令位置?？紤]到控制參數(shù)對響應造成的影響，以上三種伺服系統(tǒng)在合理調(diào)整參數(shù)后，都應能獲得相似、優(yōu)秀的定位速度和精度。3.2 工作效率仿人機器人的伺服系統(tǒng)是整機消耗電能最多的部分，伺服系統(tǒng)的工作效率一方面影響電池供電時機器人的續(xù)航時間，另一方面，低效率的伺服系統(tǒng)也會給整機帶來散熱方面的問題。本文搭建了一套用于測試伺服系統(tǒng)整體工作效率的系統(tǒng)，系統(tǒng)通過可編程直流電源供電，其輸出軸連接到磁滯式測功機上，整體工作效率為測功機測得的功率與直流電源輸出的功率之比值。從上面兩個圖表可以看出，伺服系統(tǒng)的功率損耗主要由伺服電機引起。電機由于受體積的約束，效率一般較低，且隨速度的下降迅速下降。HIT

20、-PEED II 伺服系統(tǒng)在接近額定速度，工作效率與國外伺服系統(tǒng)相同，但在轉(zhuǎn)速降低時，效率下降得稍快一些。因此，在實際應用中，應當尤其注意伺服電機的散熱問題，采取合理、足夠的散熱措施。驅(qū)動器的功率損耗主要來自功率器件，但因為低壓MOSFET 的技術(shù)比較成熟，損耗較小，故驅(qū)動器的溫升較低，且很快穩(wěn)定。從圖5 中還可以看到，采用鋁基電路板的Copley 驅(qū)動器工作溫升要低優(yōu)于另外兩種實用鋁外殼散熱的驅(qū)動器。4 伺服系統(tǒng)的選型仿人機器人伺服系統(tǒng)選型時，在滿足功率要求的前提下，體積和重量是首要考慮的因素。一些低壓伺服產(chǎn)品，雖然有很好的性能指標，但其面向的是功能多而全的通用伺服市場。在仿人機器人中，無需

21、追求全面的功能和過于靈活的可擴展性，在滿足基本性能要求的情況下，首先滿足機器人空間、重量方面的要求。伺服系統(tǒng)的定位精度和響應速度關系到運動控制器的指令是否能被正確、及時地執(zhí)行，這兩個指標一方面與位置傳感器精度有關，另一方面受電機控制算法影響。一般來說，采用正弦波驅(qū)動的永磁同步電動機具有較好的定位精度，但同樣體積、重量下，方波驅(qū)動的無刷直流電動機具有更大的功率，即更高的轉(zhuǎn)矩，因而其響應速度也更快。伺服系統(tǒng)的工作效率也是考察的重要指標，因為機器人攜帶電池的能量密度有限，在一個低效的系統(tǒng)中，過多的電能轉(zhuǎn)以熱能的形式消耗了，機器人必須攜帶更多的電池以維持相同的續(xù)航時間，同時，還會帶來散熱方面的問題。然

22、而，目前國內(nèi)外的微小型伺服電機效率一般不高，這就導致系統(tǒng)需要良好的散熱措施。在與用戶溝通時，也發(fā)現(xiàn)散熱不良時，容易造成電機燒毀，因此，多數(shù)用戶在選型時會留出比較大的余量。由于動力來源的特殊性，一般來說，仿人機器人用伺服系統(tǒng)應有較寬的工作電壓，并且只需要單一電源供電，使用電池供電的機器人供電電壓從30V 到80V 不等，一般不具備多路電壓輸出能力。為了簡化供電線路，用戶希望伺服系統(tǒng)只需一對電源線即可工作，且在電池電壓變化時系統(tǒng)不會失效。一個完整的仿人機器人上會有數(shù)十個伺服關節(jié)，如果仍使用脈沖指令形式，整個系統(tǒng)的電氣線路將十分復雜，可靠性、可維護性都極低。支持總線通訊的伺服系統(tǒng)通過分時復用的方法，

23、只需一根通訊總線即可實現(xiàn)各個伺服關節(jié)與上位機之間雙向的信息交換，最大程度地降低了電氣線路引起的系統(tǒng)故障。5 結(jié)論目前在仿人機器人伺服系統(tǒng)領域，國外已有系列化的高性能產(chǎn)品，國內(nèi)使用主要依靠國外進口，國內(nèi)尚未形成規(guī)?；O計生產(chǎn)能力，更談不上產(chǎn)品的系列化。只有少數(shù)高校和研究所研制了適用于該領域的伺服系統(tǒng)，并積極探索其產(chǎn)業(yè)化道路。上面提到的既是仿人機器人關節(jié)電機伺服系統(tǒng)選型時需要重點考察的指標，也是伺服系統(tǒng)設計者在設計時需要重點考慮的方面。仿人機器人關節(jié)電機伺服系統(tǒng)的國產(chǎn)化道路是一條艱辛的道路，這個過程需要產(chǎn)、學、研、用四方面的共同努力與合作，各方齊心一致，我們才能走的更遠。提及停車會讓您頭疼嗎？還在

24、為小型車停車入位煩惱嗎？從此你將不再煩惱如何將車停入“非”字形車位。因為今天小型車停車入位技巧講解就讓您從此豁然開朗。說到泊位，最常見的就是“非”字形車位了。所以，今天的小型車停車入位技巧講解便以這常見的泊位作為切入點。第一步：判斷車位是否“合格”，可以的話，則稍微靠近車位。當前輪超過車位時，開始小幅度打方向，讓車朝背靠車位的方向駛?cè)?。第二步：利用可用的通道寬度，盡量將車的位置“擺斜”。這是很重要的一步，目的是要讓車子與車位的夾角減小，減小倒車時打方向的幅度。當車輛“擺斜”到駕駛席一側(cè)后視鏡可以看到車位左側(cè)車輛的邊角時，就可以開始倒車了。倒車時要觀察左后視鏡，留意左后輪與旁邊車輛的距離，這是倒

25、車過程中出現(xiàn)的第一個“危險點”。第三步：當自己車的左后輪越過了左側(cè)車輛車頭后，“危險點”就轉(zhuǎn)移到另一個地方車子右后角。這時目光應從左側(cè)后視鏡轉(zhuǎn)移到右側(cè)后視鏡，判斷尾部與右側(cè)車輛的距離是否安全。當右側(cè)后視鏡里看到自己與兩側(cè)車輛之間出現(xiàn)“縫隙”時，說明你已經(jīng)成功通過了所有危險點。這時就可以繼續(xù)打方向，調(diào)整車子的后退軌跡，盡量擺正入庫。倒進車位后，還要留意后方的位置，一般后輪頂?shù)较尬粭U即可，沒有限位桿的則可以參考旁邊車輛。在看了小編上面的講解之后，也許會有朋友問：為什么在進入車位前要先把車子“擺斜”？看以下這個例子你就明白了，這是一種車位緊張的停車場情況，本來空間足夠的通道，其中一半也被占用了，這個時候停車難度非同一般，要成功停進去，就得充分利用好空間。遇到這種情況時，大家往往