機器人的伺服電機控制原理是什么

機器人的應(yīng)用日漸廣泛，對工業(yè)生產(chǎn)與提高效能有重要作用。工業(yè)機器人主要利用伺服電機進(jìn)行運動控制，從而實現(xiàn)移動和抓取工具。本文將詳細(xì)討論伺服電機的特點以及不同類型伺服電機相應(yīng)的控制原理。

運動控制原理

運動控制與機器人密切相關(guān)。工業(yè)應(yīng)用中的機器人必須透過由多款電機所構(gòu)成的致動器才能自行移動，以執(zhí)行任務(wù)或透過機器手臂抓取工具。

機器人的運動控制系統(tǒng)通常由電機控制器、電機驅(qū)動、電機本體（多為伺服電機）組成。電機控制器具備智能運算功能，并可傳送指令以驅(qū)動電機。驅(qū)動可提供增壓電流，根據(jù)控制器指令以驅(qū)動電機。電機可以直接移動機器人，也可通過傳動系統(tǒng)或鏈條系統(tǒng)讓機器人移動。

圖1：機器人的運動控制系統(tǒng)。

輸出類型

移動機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、機器腳、輪子、軌道或機器臂移動。例如各種NI展示平臺，包括VINI、VolksBot與Isadora。這些機器人分別使用了全向輪（Mecanum wheel）、一般輪以及機器手臂。而針對嵌入式控制，則可通過NI CompactRIO等嵌入式平臺，并整合實時控制器與FPGA。CompactRIO亦包含可重配置機箱，能夠容納多樣化的I/O配置，包含傳感器輸入與電機控制。

VINI是使用全向輪的機器人平臺，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)。此款車輪已普遍用于必須能在狹小空間中移動的自動堆高機等應(yīng)用。

VINI還是一款地圖描繪機器人，通過NI工業(yè)級控制器與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)級控制器提供雷射掃描地圖，并執(zhí)行機器視覺處理，讓CompactRIO接收傳感器數(shù)據(jù)，并在攝像機系統(tǒng)上控制伺服電機。

VolksBot搭載的車輪是由德國的弗勞恩霍夫研究所（Fraunhofer Institute）所開發(fā)的。

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

伺服電機控制原理及其類型

伺服電機是機器人應(yīng)用中常見的一種電機，其基本控制原理是利用控制回路、結(jié)合必要的電機反饋，從而協(xié)助電機進(jìn)入所需的狀態(tài)，如位置與速度等。由于伺服電機必須通過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。

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

有刷伺服電機

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

電機機殼即具有場磁鐵（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。在使用一段時間之后，電刷即可能磨耗并對系統(tǒng)產(chǎn)生摩擦力；但在無刷伺服電機中則不會發(fā)生此種情況。

無刷伺服電機

大多數(shù)的無刷伺服電機均使用交流電源（AC）。無刷伺服電機的控制原理是將鐵制核心置于外部。當(dāng)轉(zhuǎn)子成為暫時性的磁鐵，定子則成為繞鐵線圈。外部電路的電流將會在既定的轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行反轉(zhuǎn)。所以，此款伺服電機是由交流電所驅(qū)動的。當(dāng)然亦有無刷DC伺服電機。這些電機一般均具備某些電子切換電路，可針對流入的DC進(jìn)行變換。無刷伺服電機的價位較高，但較無磨損問題。

步進(jìn)電機

在機器人運動應(yīng)用中，步進(jìn)電機不如伺服電機普及，但仍為電機的重要范例，而且使用方式較為簡易。與伺服電機相比，步進(jìn)電機的速度較慢亦較為精確。步進(jìn)電機中具有一系列內(nèi)建的無刷齒（Brushless teeth），可在電流通過而改變電磁電荷后，由下一組刷齒拉動轉(zhuǎn)子，前一組刷齒推動轉(zhuǎn)子，從而為步進(jìn)電機通電。

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

運動控制器與軟件架構(gòu)

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

圖5：運動控制軟件架構(gòu)。

至于機器人任務(wù)規(guī)劃的較高階功能，則是讓機器人的行動達(dá)到最終的目標(biāo)。它可能是以單一指令囊括多組目標(biāo)，或可讓機器人進(jìn)入特定位置。若機器人采用遙控（Tele-operated）架構(gòu)，那么這些指令最可能通過連接板外（off-board）的計算機而傳送的，而且可在此人為操作選擇機器人的后續(xù)動作或行為。在完全自動化的機器人中，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，往往會產(chǎn)生“我應(yīng)該如何到目的地以完成此任務(wù)？”或是“我應(yīng)如何讓機器手臂移動到該位置？”等問題。而此種問題均可由機器人運動控制器完成。

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

編輯：黃飛