機(jī)器人是近些年很火的一個(gè)工業(yè)自動(dòng)化的課題，中國(guó)雖然是人口大國(guó)，但也慢慢面臨人口紅利的優(yōu)勢(shì)的缺失，近些年來(lái)的用工荒可以充分說(shuō)明這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)；所以中國(guó)應(yīng)該算是近些年以及未來(lái)幾年，機(jī)器人應(yīng)用的主場(chǎng)大國(guó)；雖然作為需求大國(guó)，但談?wù)摰綑C(jī)器人的自主制造，卻鮮有國(guó)內(nèi)制造商的身影，這其中一個(gè)重要的因素，就是配套機(jī)器人的控制系統(tǒng)產(chǎn)品的國(guó)內(nèi)自主品牌還比較缺乏，這不單單是控制問(wèn)題，還有關(guān)鍵的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)問(wèn)題，這也是今天分享關(guān)于眾為興的QC系列驅(qū)控一體化技術(shù)在機(jī)器人領(lǐng)域里面的應(yīng)用的初衷，通過(guò)機(jī)器人控制系統(tǒng)來(lái)做個(gè)拋磚引玉，談?wù)勻?qū)控一體系統(tǒng)在機(jī)器人行業(yè)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和需求。

眾為興QC驅(qū)控一體系統(tǒng)讓產(chǎn)品更“迷你”

現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)理念已經(jīng)不僅僅要滿足功能的需求，還要滿足美學(xué)的需求；就像很多年前電腦剛被發(fā)明出來(lái)的時(shí)候像個(gè)房子那么大，從產(chǎn)品角度上來(lái)說(shuō)，功能是滿足了，可是如果讓你一直面對(duì)這這么龐大的東西，還能有一點(diǎn)人機(jī)交互的愉悅性嗎？驅(qū)控一體也是如此，隨著3C產(chǎn)業(yè)的崛起，越來(lái)越多的設(shè)備都需要做小，那么原先的電控裝置就顯得很別扭了，這明顯不是一種技術(shù)進(jìn)步。QC驅(qū)控一體系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念是設(shè)計(jì)最“合適的”，然后，讓自己足夠的小，小到可以忽略它的存在；這不只是一種技術(shù)理念，更是一種產(chǎn)品理念。

眾為興QC驅(qū)控一體系統(tǒng)既解決體積、成本問(wèn)題，又解決了高性能控制驅(qū)動(dòng)要求

眾為興QC驅(qū)控一體系統(tǒng)作為機(jī)器人方案的典型驅(qū)控一體化技術(shù)平臺(tái)，除了出眾的空間體積設(shè)計(jì)外，更重要的保證功能、性能的提升，最大幅度的提升機(jī)器人的控制效能。兩個(gè)根本指標(biāo)解釋了如何提升高性能要求：指標(biāo)1，讓運(yùn)動(dòng)控制參與或得到伺服驅(qū)動(dòng)單元電流環(huán)的控制運(yùn)算；指標(biāo)2，讓伺服驅(qū)動(dòng)器能預(yù)知運(yùn)動(dòng)控制的規(guī)劃信息。這兩點(diǎn)在機(jī)器人領(lǐng)域里面尤為相關(guān)，所謂機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)控制正是需要這些關(guān)鍵的交互信息。而目前傳統(tǒng)控制方案按照電流環(huán)50us的通信周期來(lái)看，就算1000M的以太網(wǎng)通信也解決不了這么高速的交互需求，所以QC驅(qū)控一體系統(tǒng)使得機(jī)器人發(fā)揮出了剛高的效能。

驅(qū)控一體化設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)器人控制的優(yōu)勢(shì)：

驅(qū)控一體本質(zhì)上是一種總線控制系統(tǒng)。但和目前主流的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)有著一些本質(zhì)的區(qū)別

● 雖然驅(qū)控一體系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)本身都有信息交換的特點(diǎn)，但考慮到現(xiàn)場(chǎng)總線的外在環(huán)境，例如走線，接插件等因素，以及現(xiàn)場(chǎng)總線是串行數(shù)據(jù)總線，所以面臨的障礙是容易受干擾，總線頻率受限制，施工成本高等。

● 驅(qū)控一體技術(shù)采用并行總線，由于是內(nèi)部板載走線，所以普通的接插件均可以滿足動(dòng)輒十幾二十兆的數(shù)據(jù)吞吐。

● 外圍成本的對(duì)比：為了保障通訊質(zhì)量，目前工業(yè)通訊對(duì)線纜的要求普遍較高，帶來(lái)的配置成本居高不下，并且額外的配件例如高配的RJ45接頭等都占了不小的比重，但驅(qū)控一體技術(shù)完全可以忽略連接的成本。

● 對(duì)比通信速率：驅(qū)控一體技術(shù)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的并行總線，相比輪詢式的串行總線的工業(yè)以太網(wǎng)，以8軸的控制為例，驅(qū)控一體化技術(shù)的通信速率是百兆的25倍（驅(qū)控一體是單軸20M Word/sec ，工業(yè)以太網(wǎng)是單軸0.78M Word/sec，這還沒(méi)算上協(xié)議開(kāi)銷的）；

● 對(duì)比同步性能：運(yùn)動(dòng)控制最關(guān)鍵的是多軸數(shù)據(jù)同步性，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)以太網(wǎng)是通過(guò)分布式時(shí)鐘補(bǔ)償，各個(gè)軸的同步信號(hào)可以做到微秒級(jí)的抖動(dòng)。而驅(qū)控一體化技術(shù)不單單數(shù)據(jù)總線是并行，同步時(shí)鐘線也是并行的，所以同步時(shí)鐘的抖動(dòng)完全是靠FPGA晶振的精度和芯片電氣的延時(shí)，輕輕松松達(dá)到納秒級(jí)別。

采用分布式CPU構(gòu)架，更安全的實(shí)時(shí)控制 

● 和傳統(tǒng)的控制平臺(tái)不同，QC驅(qū)控一體系統(tǒng)并沒(méi)有考慮x86 的PC Base方案，這是因?yàn)殡m然電腦越來(lái)越高速，但真正要做到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的安全、實(shí)時(shí)要求，基于x86的平臺(tái)并不能很好的保證這一點(diǎn)，例如一臺(tái)雙核的2G主頻的CPU，卻做不到100us的中斷，1us的延遲抖動(dòng)的保證；

● QC驅(qū)控一體系統(tǒng)采用了分布式CPU架構(gòu)，使得硬件各盡其職。打個(gè)形象的比喻，分布式CPU架構(gòu)就像一個(gè)團(tuán)隊(duì)，每個(gè)CPU相當(dāng)一個(gè)人的話，每個(gè)人都各有所長(zhǎng)，但并不是樣樣精通，例如有的適合統(tǒng)籌（運(yùn)算），有的適合商務(wù)接待（GUI）等，通過(guò)有序的對(duì)話機(jī)制來(lái)保證項(xiàng)目（產(chǎn)品）的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。這種架構(gòu)方案首先從實(shí)時(shí)角度上來(lái)說(shuō)，一個(gè)cpu干一件事就是一種硬實(shí)時(shí)，保證了方案的可靠性；其次，可以充分利用嵌入式CPU的特性來(lái)發(fā)揮系統(tǒng)的高效性，如FPGA適合做高頻的邏輯處理，ARM適合做人機(jī)交互，DSP適合做算法運(yùn)算等，各自發(fā)揮各自的特長(zhǎng)，從而保證整體的性能更優(yōu)。

多樣的電機(jī)配置選擇，保障高精度控制要求

● 電機(jī)的選擇

不同種類的機(jī)器人對(duì)電機(jī)的要求也不一樣，如SCARA，六關(guān)節(jié)需要絕對(duì)式高精度編碼器，注塑機(jī)機(jī)械手需要高速低慣量電機(jī)特性等。所以對(duì)于控制系統(tǒng)而言，電機(jī)的選擇就顯得很重要，眾為興QC驅(qū)控一體系統(tǒng)通過(guò)支持不同的編碼器來(lái)有效解決電機(jī)選擇問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外主流都能支持，如三洋，松下，多摩川，臺(tái)達(dá)等。

● 高速精度的控制

伺服的精度來(lái)源于編碼器和位置環(huán)的響應(yīng)頻率，從編碼器角度上來(lái)說(shuō)，QC驅(qū)控一體系統(tǒng)通過(guò)支持不同編碼器的協(xié)議，進(jìn)而獲取高分辨率的控制，以松下20位的絕對(duì)式伺服馬達(dá)來(lái)說(shuō)，控制分辨率能達(dá)到一百萬(wàn)分之一圈(1/1048576)，精度相當(dāng)高。目前已支持了有松下，尼康，多摩川，省線式等常見(jiàn)編碼器。

● 單獨(dú)靠編碼器保證精度還不夠，伺服另外一個(gè)指標(biāo)是高速下的高精。這就要提到伺服的位置環(huán)刷新周期了，由于是驅(qū)控一體化的結(jié)果，所以伺服的位置環(huán)刷新周期可以簡(jiǎn)單理解為插補(bǔ)周期，以QC為例，最高可以做到16K，以10米/分鐘的速度來(lái)算，16K插補(bǔ)周期的插補(bǔ)軸控制精度可以做到0.01mm插補(bǔ)精度，真正意義上的高速高精。這同樣也是驅(qū)控一體化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)?6K刷新率只有在內(nèi)部高速總線上才能輕松實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)于機(jī)器人的特殊控制需求

● 搭配控制規(guī)劃的伺服可以更好滿足機(jī)器人的控制特性

   眾為興QC驅(qū)控一體系統(tǒng)有著分體式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)，即它可以將規(guī)劃信息帶入伺服控制，如機(jī)器人的軸轉(zhuǎn)矩隨著軸臂的展開(kāi)，馬達(dá)的慣量會(huì)發(fā)生變化，傳統(tǒng)伺服的速度控制就不太適應(yīng)這種負(fù)載極劇變化導(dǎo)致控制誤差的不恒定。而QC平臺(tái)由于可以提前知道速度變化信息，并計(jì)算出產(chǎn)生的軸轉(zhuǎn)矩變化，動(dòng)態(tài)的送入到伺服電流環(huán)來(lái)達(dá)到誤差控制。

● 眾為興QC驅(qū)控一體系統(tǒng)不單單滿足現(xiàn)在的一些控制特性，還迎合了未來(lái)一些控制方向；由于可以實(shí)時(shí)獲取到各個(gè)關(guān)節(jié)的扭力變化，也使得機(jī)器人一些控制算法可以發(fā)生改變，例如現(xiàn)在研究中的機(jī)器人動(dòng)力學(xué)，柔性機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制等。

● QC系列驅(qū)控一體系統(tǒng)另外一個(gè)亮點(diǎn)是能夠?qū)T性進(jìn)行抑制；

   任何東西停止下來(lái)，都會(huì)存在慣性力的作用產(chǎn)生偏擺，這不是速度環(huán)和位置環(huán)能調(diào)整解決的。需要在控制方法上有所革新，在驅(qū)控一體平臺(tái)上，QC系列產(chǎn)品能夠很好實(shí)現(xiàn)這種性能，動(dòng)態(tài)中抑制住慣性，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)停，這在一些機(jī)器人視覺(jué)方案中尤為重要。

眾為興QC驅(qū)控一體系統(tǒng)在各種3C機(jī)器人中的應(yīng)用

目前QC系列有RC400和RC600兩種產(chǎn)品已成功應(yīng)用于四軸機(jī)器手，六軸機(jī)械手各種領(lǐng)域，并延伸出一些特種機(jī)械手，如五軸注塑機(jī)機(jī)械手，三軸關(guān)節(jié)機(jī)械手等，驅(qū)控一體平臺(tái)可以顯現(xiàn)出各種應(yīng)用場(chǎng)合的適用。

案例一：水平四關(guān)節(jié)的SCARA機(jī)械手，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拍高達(dá)3秒，可配合視覺(jué)用于分揀，碼垛，鎖螺絲，點(diǎn)膠等應(yīng)用場(chǎng)合。

案例二：注塑機(jī)五軸上下料機(jī)械手，直驅(qū)式的安裝，能夠消除長(zhǎng)臂支桿帶來(lái)的抖動(dòng)。

結(jié)束語(yǔ)

本文雖然以機(jī)器人作為討論對(duì)象來(lái)拋出控制系統(tǒng)的需求，進(jìn)而討論眾為興QC驅(qū)控一體系統(tǒng)的技術(shù)趨勢(shì)，事實(shí)上很多的機(jī)電一體化產(chǎn)品都有著共性的需求，如注塑機(jī)機(jī)械手，沖壓機(jī)械手等等；機(jī)器人是個(gè)典型，目前國(guó)內(nèi)也有很多科研和商業(yè)公司開(kāi)展了研究，作為運(yùn)動(dòng)控制解決方案商深圳眾為興，QC系列驅(qū)控一體化控制系統(tǒng)是從最終產(chǎn)品角度上來(lái)考慮運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品的定位和設(shè)計(jì)，其革新的設(shè)計(jì)方案或許能對(duì)一些有意愿加入這個(gè)自動(dòng)化行業(yè)的設(shè)計(jì)者提供一種思路。