隨著科技的發(fā)展，各式各樣的機(jī)器人活躍在越來(lái)越多的場(chǎng)合中，例如工業(yè)自動(dòng)化，醫(yī)療，商業(yè)服務(wù)等，在未來(lái)的工作生活中，機(jī)器人會(huì)發(fā)揮重要的作用，并且承擔(dān)著一些人工無(wú)法進(jìn)行的復(fù)雜的任務(wù)。機(jī)器人的設(shè)計(jì)正朝著更小、更緊湊，更高精度，更穩(wěn)定安全的可靠性方向發(fā)展，現(xiàn)如今直接在機(jī)器人關(guān)節(jié)內(nèi)集成最先進(jìn)的控制單元和精確的機(jī)械部件已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。本文將介紹如何將傳動(dòng)部件以及運(yùn)動(dòng)控制傳感器集成到緊湊的機(jī)器人關(guān)節(jié)中，其中涵蓋了電機(jī)、編碼器、制動(dòng)器、減速器和伺服驅(qū)動(dòng)器。

　　文/Celera Motion 賽洛拉

　　隨著機(jī)器人和機(jī)器人相關(guān)產(chǎn)品在工業(yè)市場(chǎng)、商用和醫(yī)療市場(chǎng)的激增，機(jī)器人的新設(shè)計(jì)趨勢(shì)是利用更小、更緊湊的部件，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)的高精度和可靠性，為了達(dá)到這個(gè)目的，設(shè)計(jì)解決方案通常為高集成度的機(jī)器人關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)中包含了直驅(qū)無(wú)框電機(jī)、高分辨率和高精度編碼器、零間隙諧波減速器和微型伺服驅(qū)動(dòng)器，這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人關(guān)節(jié)的輕便型，同時(shí)縮減了機(jī)器人的關(guān)節(jié)尺寸。

　　1 機(jī)器人關(guān)節(jié)

　　圖1為機(jī)器人關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，此設(shè)計(jì)充分利用了編碼器和電氣傳動(dòng)部件體積緊湊的優(yōu)勢(shì)，大大縮減了機(jī)器人關(guān)節(jié)的軸向厚度，使得整個(gè)關(guān)節(jié)體積緊湊，關(guān)節(jié)輸出端包含了一個(gè)高精度高分辨率的編碼器，同時(shí)電機(jī)的輸入端也安裝了高精度的編碼器。

　　圖1 機(jī)器人關(guān)節(jié)

　　在圖2中，展示了構(gòu)成這個(gè)機(jī)器人關(guān)節(jié)中的主要組件，包含以下幾種特點(diǎn)：

　　l 高精度零背隙諧波減速器;

　　l Omni/Omni+ 直驅(qū)無(wú)框電機(jī);

　　l Optira 光學(xué)增量編碼器 – 關(guān)節(jié)輸入端;

　　l Optira/Aura 光學(xué)增量/絕對(duì)值編碼器 – 關(guān)節(jié)輸出端;

　　l 前中后殼體;

　　l 輸出軸;

　　l 精密軸承;

　　l 中空軸，大孔徑，簡(jiǎn)化機(jī)器人關(guān)節(jié)內(nèi)部布線。

　　圖2 機(jī)器人關(guān)節(jié)橫截面圖

　　圖3，展示了另一種機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)使用了兩個(gè)絕對(duì)值電感式編碼器，類似于圖2中的結(jié)構(gòu)，在電機(jī)(輸入端)安裝有一個(gè)絕對(duì)值編碼器，并且在減速器的輸出側(cè)同樣安裝有一個(gè)絕對(duì)值編碼器，并且該關(guān)節(jié)還安裝了抱閘剎車用于在斷電后保持當(dāng)前位置。

　　圖3 帶抱閘剎車的機(jī)器人關(guān)節(jié)

　　在圖4中，展示了帶抱閘剎車的機(jī)器人關(guān)節(jié)中的主要組件，包含以下幾種特點(diǎn)：

　　l 緊湊精密零背隙諧波減速器;

　　l UTS零齒槽力直驅(qū)無(wú)框電機(jī);

　　l 絕對(duì)值電感式編碼器 – 輸入端;

　　l 高分辨率絕對(duì)值電感式編碼器 – 輸出端;

　　l 抱閘剎車;

　　l 前中后殼體;

　　l 法蘭結(jié)構(gòu)式的輸出軸 - 用于連接關(guān)節(jié)中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件;

　　l 精密軸承;

　　l 中空軸，大孔徑，簡(jiǎn)化機(jī)器人關(guān)節(jié)內(nèi)部布線。

　　圖4 帶抱閘剎車的機(jī)器人關(guān)節(jié)橫截面圖

　　2 機(jī)器人關(guān)節(jié)——輸出端/輸入端編碼器選擇

　　(1)輸入端編碼器

　　機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)輸入端的編碼器往往選擇分辨率在100,000到 250,000范圍的增量編碼器，高質(zhì)量的增量信號(hào)可以給機(jī)器人關(guān)節(jié)帶來(lái)平滑的運(yùn)動(dòng)速度軌跡。如果電機(jī)只是用來(lái)提供扭矩，那么作為反饋器件的編碼器的脈沖數(shù)并不需要太高。如果同時(shí)要控制速度和位置，那么在上述脈沖范圍內(nèi)的編碼器，隨著分辨率越高，速度和位置的控制精度也就越高。

　　對(duì)于上文中，圖1中的機(jī)器人關(guān)節(jié)，采用了Celera motion的Optira系列光學(xué)編碼器，配合高精度的圓光柵，整套編碼器分辨率高達(dá)200,000，精度20角秒。通常光學(xué)編碼器常用于機(jī)器人關(guān)節(jié)中，主要是因?yàn)楣鈱W(xué)編碼器可以提供更高的精度和分辨率，并且抗干擾性更強(qiáng)，相比較于磁性或者電感式編碼器。

　　雖說(shuō)在機(jī)器人關(guān)節(jié)的輸入端，往往不需要太高精度的編碼器，但是精度的提高，仍然是可以提升整體機(jī)器人關(guān)節(jié)的性能，例如一些控制系統(tǒng)，通過(guò)位置來(lái)計(jì)算出速度信號(hào)，那么不精確的位置反饋，則會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的速度，對(duì)整個(gè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的性能造成影響。

　　圖5中的Celera motion的Optira系列光學(xué)編碼器，可以提供高達(dá)250,000到500,000分辨率，精度最高20角秒，精度是磁性編碼器或電容編碼器的2到5倍，并且整體尺寸十分緊湊，編碼器讀頭體積僅為11x13mm，編碼器的高分辨率特性，使得機(jī)器人關(guān)節(jié)輸入端電機(jī)即使在高速運(yùn)行下，也能精確的反饋位置或速度。

　　圖5 Celera motion的Optira系列光學(xué)編碼器及高精度玻璃圓光柵

　　對(duì)于上文中，圖4中的機(jī)器人關(guān)節(jié)采用了Celera motion的IncOder電感式絕對(duì)值編碼器，見圖6。編碼器單圈分辨率可高達(dá)21bits (2,097,152counts/rev)，精度為65角秒。

　　圖6 IncOder電感式絕對(duì)值編碼器

　　IncOder系列電感式絕對(duì)值編碼器由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，電感式編碼器另外的特點(diǎn)就是大中空式結(jié)構(gòu)，可方便靈活的與其它關(guān)節(jié)中的機(jī)械部件相結(jié)合。IncOder系列電感式絕對(duì)值編碼器的輸出接口，可選BISS-C，SSI或者SPI協(xié)議。

　　(2)輸出端編碼器

　　常見的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)均包含了多種軌跡算法，用來(lái)控制協(xié)調(diào)機(jī)器人的多個(gè)關(guān)節(jié)?？刂破鞯乃惴ㄊ芤嬗诟叻直媛实木幋a器，常見的輸出端編碼器的單圈分辨率高于1,000,000counts/rev。

　　機(jī)器人關(guān)節(jié)中的輸出端編碼器是機(jī)器人關(guān)節(jié)中最為重要的部件之一，并且機(jī)器人的整體性能在很大程度上依賴于每個(gè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的精度和可靠性。在某些情況下，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，會(huì)根據(jù)輸出端編碼器反饋的數(shù)據(jù)，對(duì)每一個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的剛度和撓度進(jìn)行實(shí)時(shí)性的補(bǔ)償，因?yàn)橥獠凯h(huán)境，例如溫度的改變會(huì)使機(jī)器人關(guān)節(jié)的機(jī)械特性產(chǎn)生變化。

　　Celera motion的Optira和Aura系列光學(xué)編碼器搭配高精度的圓形玻璃光柵，提供給用戶增量輸出或者絕對(duì)值輸出的編碼器方案。Optira和Aura系列編碼器均采用Celera Motion PurePrecision? 光學(xué)技術(shù)原理，編碼器最高精度可達(dá)+/-2角秒，單圈分辨率高達(dá)10,000,000counts/rev。增量信號(hào)細(xì)分電路集成在編碼器封裝內(nèi)，并且編碼器增量信號(hào)輸出可選1vpp - sine/cosine，方便用戶自行靈活細(xì)分編碼器信號(hào)。與此同時(shí)，Aura系列絕對(duì)值編碼器作為超緊湊的編碼器的代表，體積僅為9x7mm，編碼器通訊協(xié)議包括BISS-C/SSI/SPI，單圈分辨率最高22bit，并支持絕對(duì)值/增量信號(hào)雙輸出。

　　圖7 Aura系列光學(xué)編碼器

　　Celera motion的IncOder電感式編碼器可在超寬的工作溫度下提供精確的絕對(duì)位置反饋。并且得益于IncOder編碼器的工業(yè)設(shè)計(jì)理念，即使在高振動(dòng)和高沖擊的場(chǎng)合下，IncOder編碼器仍然可以提供精確穩(wěn)定的絕對(duì)值信號(hào)反饋。IncOder編碼器輸出協(xié)議包含BISS-C/SSI/SPI/串行通信/增量脈沖/模擬量。

　　3 機(jī)器人關(guān)節(jié)——電機(jī)

　　機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)采用了無(wú)框直驅(qū)電機(jī)，這種電機(jī)也常被稱為力矩電機(jī)，通常力矩電機(jī)包含了轉(zhuǎn)子(電磁效應(yīng))和定子(永磁體)兩個(gè)部分。力矩電機(jī)同傳統(tǒng)的同步電機(jī)一樣，由伺服驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制。

　　目前較流行的設(shè)計(jì)理念，是將力矩電機(jī)嵌入到機(jī)器人關(guān)節(jié)內(nèi)，從而驅(qū)動(dòng)帶有高減速比的減速器。無(wú)框直驅(qū)電機(jī)的特點(diǎn)是具有更多的極對(duì)數(shù)，改善優(yōu)化了電機(jī)的力矩輸出，并且力矩電機(jī)通常為為大中空通孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于機(jī)器人關(guān)節(jié)內(nèi)部走線布線，方便用戶靈活集成電機(jī)到機(jī)器人關(guān)節(jié)中。無(wú)框直驅(qū)電機(jī)的形狀就好比是一個(gè)大型圓環(huán)，在滿足電機(jī)高力矩輸出的特性下，同時(shí)電機(jī)的體積做到扁平輕便緊湊。

　　機(jī)器人關(guān)節(jié)的輸出端轉(zhuǎn)速通常都比較緩慢，例如20rpm的轉(zhuǎn)速，對(duì)于機(jī)器人關(guān)節(jié)都算是比較快的轉(zhuǎn)速。經(jīng)過(guò)150：1的減速器之后，實(shí)際的關(guān)節(jié)輸入端電機(jī)的轉(zhuǎn)速在3000rpm，這對(duì)于直驅(qū)電機(jī)來(lái)說(shuō)，并不是一個(gè)高的轉(zhuǎn)速。

　　圖8 是Celera motion的Agility?系列無(wú)框直驅(qū)電機(jī)，電機(jī)的最大特點(diǎn)是零齒槽力，電機(jī)體積輕薄，大通孔設(shè)計(jì)。零齒槽力電機(jī)，使得機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制更加平穩(wěn)流暢，運(yùn)動(dòng)軌跡具有可預(yù)測(cè)性。同時(shí)零齒槽力電機(jī)具有超低的磁芯損耗，在高轉(zhuǎn)速的應(yīng)用中可以保證優(yōu)異的性能。這些特性使得Agility?系列無(wú)框直驅(qū)電機(jī)深受機(jī)器人關(guān)節(jié)制造商的歡迎。

　　圖8 Agility?系列無(wú)框直驅(qū)電機(jī)

　　4 機(jī)器人關(guān)節(jié) - 伺服驅(qū)動(dòng)器

　　集成在機(jī)器人關(guān)節(jié)內(nèi)部的伺服驅(qū)動(dòng)器，體積緊湊小巧，摒棄了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)需要復(fù)雜的接線，從而提高設(shè)備的整體EMI性能，并且驅(qū)動(dòng)器需要對(duì)外部環(huán)境具有更好的適應(yīng)性，例如振動(dòng)，灰塵，以及強(qiáng)磁場(chǎng)干擾。

　　想找到合適的伺服驅(qū)動(dòng)器，并不容易。大多數(shù)伺服驅(qū)動(dòng)器都針對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用場(chǎng)合，這些傳統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)器，盡可能多的兼容各種反饋編碼器和各種現(xiàn)場(chǎng)通訊總線，使其適用于大多數(shù)自動(dòng)化工控應(yīng)用。但也存在著一些缺點(diǎn)，尤其是對(duì)于集成機(jī)器人關(guān)節(jié)，傳統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)器，采用DSP或者FPGAs的架構(gòu)，使得電子元器件產(chǎn)生的熱量更高，并且傳統(tǒng)工業(yè)通信總線的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性一般。在外型體積方面，即使是一些小型化的工業(yè)化伺服驅(qū)動(dòng)器集成在機(jī)器人關(guān)節(jié)內(nèi)，還是會(huì)顯得驅(qū)動(dòng)器體積偏大，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)器人關(guān)節(jié)重量增加很多。

　　Celera motion的Ingenia伺服驅(qū)動(dòng)器，在產(chǎn)品開發(fā)初期就專注于設(shè)計(jì)一款可集成在機(jī)器人關(guān)節(jié)內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)器，產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)超低的待機(jī)功耗，并采用了優(yōu)化升級(jí)后的DSP技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高精度的位置反饋。圖9中的伺服驅(qū)動(dòng)器，即為可集成在機(jī)器人關(guān)節(jié)內(nèi)的Ingenia伺服驅(qū)動(dòng)器，支持EtherCAT\CANopen\SPI通訊接口。

　　圖9 Ingenia Everest/Capitan伺服驅(qū)動(dòng)器

　　大部分機(jī)器人都通過(guò)機(jī)器人關(guān)節(jié)的力矩反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)功能。依靠實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人關(guān)節(jié)施加的力矩，使得機(jī)器人關(guān)節(jié)輸出的力矩是可控的，以免發(fā)生安全事故。在整套控制系統(tǒng)中，伺服驅(qū)動(dòng)器讀取力矩反饋數(shù)據(jù)，通過(guò)高實(shí)時(shí)性，穩(wěn)定性EtherCAT網(wǎng)絡(luò)反饋給機(jī)器人主控，并且在機(jī)器人關(guān)節(jié)中安裝了兩個(gè)編碼器，一個(gè)是BISS-C協(xié)議的絕對(duì)值編碼器，另一個(gè)是霍爾數(shù)字信號(hào)編碼器，實(shí)現(xiàn)了雙位置反饋安全冗余的功能。如果兩個(gè)編碼器輸出的位置有偏差，伺服驅(qū)動(dòng)即可感知到，并將異常反饋給機(jī)器人主控。并且伺服驅(qū)動(dòng)器配有安全停止(Safe Torque Off - STO)安全功能，當(dāng)該功能STO激活時(shí)，即會(huì)切斷電機(jī)扭矩輸出。

　　圖10 環(huán)形Ingenia伺服驅(qū)動(dòng)器

　　伺服驅(qū)動(dòng)器的功率密度也是機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)中，常被人談及的話題。對(duì)于機(jī)器人關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，一款可提供足夠的功率，緊湊的外形尺寸，發(fā)熱較低的伺服驅(qū)動(dòng)器是極其關(guān)鍵的。Celera motion的Ingenia伺服驅(qū)動(dòng)器，采用最先進(jìn)的新型非硅晶體管驅(qū)動(dòng)技術(shù)，使得驅(qū)動(dòng)器提供高達(dá)0.21W/mm3的功率密度。先進(jìn)的高功率密度伺服驅(qū)動(dòng)器，使得將伺服驅(qū)動(dòng)器集成在例如手術(shù)機(jī)器人，仿生機(jī)器人等機(jī)器人關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器的應(yīng)用中成為了可能。

　　在機(jī)器人關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)中，伺服驅(qū)動(dòng)器的尺寸并不是唯一需要考慮的因素，為了將伺服驅(qū)動(dòng)器集成在機(jī)器人關(guān)節(jié)內(nèi)，設(shè)備制造商必須關(guān)注電氣元件產(chǎn)生的熱量，得益于Ingenia伺服驅(qū)動(dòng)器靈活的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品低功耗，待機(jī)功率僅2.5W。