運(yùn)動(dòng)控制與機(jī)器人密切相關(guān):機(jī)器人的電機(jī)控制原理

機(jī)器人的應(yīng)用日漸廣泛，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)與提高效能有重要作用。工業(yè)機(jī)器人主要利用伺服電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)和抓取工具。本文將詳細(xì)討論伺服電機(jī)的特點(diǎn)以及不同類(lèi)型伺服電機(jī)相應(yīng)的控制原理。

運(yùn)動(dòng)控制原理

運(yùn)動(dòng)控制與機(jī)器人密切相關(guān)。工業(yè)應(yīng)用中的機(jī)器人必須透過(guò)由多款電機(jī)所構(gòu)成的致動(dòng)器才能自行移動(dòng)，以執(zhí)行任務(wù)或透過(guò)機(jī)器手臂抓取工具。

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通常由電機(jī)控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)本體(多為伺服電機(jī))組成。電機(jī)控制器具備智能運(yùn)算功能，并可傳送指令以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)可提供增壓電流，根據(jù)控制器指令以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電機(jī)可以直接移動(dòng)機(jī)器人，也可通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)或鏈條系統(tǒng)讓機(jī)器人移動(dòng)。

圖1：機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

輸出類(lèi)型

移動(dòng)機(jī)器人往往用于探索大范圍面積的土地，并能夠使用各種螺旋槳、機(jī)器腳、輪子、軌道或機(jī)器臂移動(dòng)。例如各種NI展示平臺(tái)，包括VINI、VolksBot與Isadora。這些機(jī)器人分別使用了全向輪(Mecanum wheel)、一般輪以及機(jī)器手臂。而針對(duì)嵌入式控制，則可通過(guò)NI CompactRIO等嵌入式平臺(tái)，并整合實(shí)時(shí)控制器與FPGA。CompactRIO亦包含可重配置機(jī)箱，能夠容納多樣化的I/O配置，包含傳感器輸入與電機(jī)控制。

VINI是使用全向輪的機(jī)器人平臺(tái)，能以多方向行進(jìn)。除了像傳統(tǒng)輪子般的前進(jìn)與后退，全向輪亦可將輪軸旋轉(zhuǎn)為相反方向，以任何方向行進(jìn)。此款車(chē)輪已普遍用于必須能在狹小空間中移動(dòng)的自動(dòng)堆高機(jī)等應(yīng)用。

VINI還是一款地圖描繪機(jī)器人，通過(guò)NI工業(yè)級(jí)控制器與CompactRIO執(zhí)行路徑規(guī)劃與數(shù)據(jù)處理作業(yè)。嵌入式的工業(yè)級(jí)控制器提供雷射掃描地圖，并執(zhí)行機(jī)器視覺(jué)處理，讓CompactRIO接收傳感器數(shù)據(jù)，并在攝像機(jī)系統(tǒng)上控制伺服電機(jī)。

圖2：VINI機(jī)器人。

VolksBot搭載的車(chē)輪是由德國(guó)的弗勞恩霍夫研究所(Fraunhofer Institute)所開(kāi)發(fā)的。

圖3：德國(guó)Fraunhofer Institute研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的RT3 VolksBot。

Isadora則是一種會(huì)跳舞的人形機(jī)器人，經(jīng)由人類(lèi)操作縮小版的機(jī)器人以取得輸入數(shù)據(jù)。接著開(kāi)始移動(dòng)自己的機(jī)器手臂與軀干，以模仿縮小版機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。Isadora采用2組CompactRIO，其中1組用于仿真已記錄的運(yùn)動(dòng)，另1組則是讓機(jī)器人重現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖4：Isadora跳舞機(jī)器人。

伺服電機(jī)控制原理及其類(lèi)型

伺服電機(jī)是機(jī)器人應(yīng)用中常見(jiàn)的一種電機(jī)，其基本控制原理是利用控制回路、結(jié)合必要的電機(jī)反饋，從而協(xié)助電機(jī)進(jìn)入所需的狀態(tài)，如位置與速度等。由于伺服電機(jī)必須通過(guò)控制回路了解目前狀態(tài)，因此其穩(wěn)定性高于步進(jìn)電機(jī)。

伺服電機(jī)有不同種類(lèi)——帶刷式與無(wú)刷式。有刷伺服電機(jī)與無(wú)刷伺服電機(jī)之間的差異在于其通訊機(jī)制。伺服電機(jī)的工作原理是根據(jù)反向磁力，進(jìn)而移動(dòng)或建立轉(zhuǎn)矩。最簡(jiǎn)單的例子有固定磁場(chǎng)與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。只要改變流過(guò)磁場(chǎng)的電流方向，即可變更磁極，并讓磁極(轉(zhuǎn)子)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。變更線圈的電流方向，即所謂的“換相”(commutation)。

有刷伺服電機(jī)

有刷伺服電機(jī)(brushed motor)的控制原理即是通過(guò)機(jī)械式電刷，改變電機(jī)線圈中的電流。由于有刷電機(jī)能改變流入的電流方向，因此可由直流電源(DC)供電。有刷伺服電機(jī)可分為2組零件：

電機(jī)機(jī)殼即具有場(chǎng)磁鐵(Field magnet)，即定子(Stator)

轉(zhuǎn)子(Rotor)是由線圈所構(gòu)成，中間具有鐵制核心，并連接至電流變換器

電刷則接觸電流變換器，將電流導(dǎo)入線圈中。在使用一段時(shí)間之后，電刷即可能磨耗并對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生摩擦力；但在無(wú)刷伺服電機(jī)中則不會(huì)發(fā)生此種情況。

無(wú)刷伺服電機(jī)

大多數(shù)的無(wú)刷伺服電機(jī)均使用交流電源(AC)。無(wú)刷伺服電機(jī)的控制原理是將鐵制核心置于外部。當(dāng)轉(zhuǎn)子成為暫時(shí)性的磁鐵，定子則成為繞鐵線圈。外部電路的電流將會(huì)在既定的轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行反轉(zhuǎn)。所以，此款伺服電機(jī)是由交流電所驅(qū)動(dòng)的。當(dāng)然亦有無(wú)刷DC伺服電機(jī)。這些電機(jī)一般均具備某些電子切換電路，可針對(duì)流入的DC進(jìn)行變換。無(wú)刷伺服電機(jī)的價(jià)位較高，但較無(wú)磨損問(wèn)題。

步進(jìn)電機(jī)

在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)應(yīng)用中，步進(jìn)電機(jī)不如伺服電機(jī)普及，但仍為電機(jī)的重要范例，而且使用方式較為簡(jiǎn)易。與伺服電機(jī)相比，步進(jìn)電機(jī)的速度較慢亦較為精確。步進(jìn)電機(jī)中具有一系列內(nèi)建的無(wú)刷齒(Brushless teeth)，可在電流通過(guò)而改變電磁電荷后，由下一組刷齒拉動(dòng)轉(zhuǎn)子，前一組刷齒推動(dòng)轉(zhuǎn)子，從而為步進(jìn)電機(jī)通電。

相較于伺服電機(jī)，由于步進(jìn)電機(jī)可通過(guò)刷齒的數(shù)量(即等于所移動(dòng)的距離)進(jìn)而精確進(jìn)行控制，因此一般情況下并不需要反饋。但可能因?yàn)檎系K物而遺漏刷齒，因此可用編碼器做為反饋。

運(yùn)動(dòng)控制器與軟件架構(gòu)

許多制造商均建立了自家的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以操控機(jī)器人。在考慮機(jī)器人應(yīng)用中的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，可先了解初階的網(wǎng)狀循環(huán)，如下圖所示。

圖5：運(yùn)動(dòng)控制軟件架構(gòu)。

至于機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃的較高階功能，則是讓機(jī)器人的行動(dòng)達(dá)到最終的目標(biāo)。它可能是以單一指令囊括多組目標(biāo)，或可讓機(jī)器人進(jìn)入特定位置。若機(jī)器人采用遙控(Tele-operated)架構(gòu)，那么這些指令最可能通過(guò)連接板外(off-board)的計(jì)算機(jī)而傳送的，而且可在此人為操作選擇機(jī)器人的后續(xù)動(dòng)作或行為。在完全自動(dòng)化的機(jī)器人中，根據(jù)決策用算法的不同，任務(wù)規(guī)劃亦可能直接在板上執(zhí)行。

在規(guī)劃路徑時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生“我應(yīng)該如何到目的地以完成此任務(wù)？”或是“我應(yīng)如何讓機(jī)器手臂移動(dòng)到該位置？”等問(wèn)題。而此種問(wèn)題均可由機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器完成。

一旦清楚目的地與行進(jìn)速度之后，伺服電機(jī)控制器將發(fā)出控制信號(hào)(PWM或電流等)至實(shí)際的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使其得以到達(dá)目的地。一般均以PID建構(gòu)控制功能。另請(qǐng)注意，此時(shí)亦應(yīng)建置安全性功能。舉例來(lái)說(shuō)，若高速行進(jìn)中的機(jī)器人在目前的路徑上偵測(cè)到人類(lèi)，則應(yīng)發(fā)出緊急信號(hào)以停止電機(jī)或立刻煞車(chē)。