解讀機器人的電機控制原理。

      機器人的應用日漸廣泛，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(dòng)控制，從而實(shí)現移動(dòng)和抓取工具。本文將詳細討論伺服電機的特點(diǎn)以及不同類(lèi)型伺服電機相應的控制原理。

運動(dòng)控制原理

      運動(dòng)控制與機器人密切相關(guān)。工業(yè)應用中的機器人必須透過(guò)由多款電機所構成的致動(dòng)器才能自行移動(dòng)，以執行任務(wù)或透過(guò)機器手臂抓取工具。

      機器人的運動(dòng)控制系統通常由電機控制器、電機驅動(dòng)、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，并可傳送指令以驅動(dòng)電機。驅動(dòng)可提供增壓電流，根據控制器指令以驅動(dòng)電機。電機可以直接移動(dòng)機器人，也可通過(guò)傳動(dòng)系統或鏈條系統讓機器人移動(dòng)。

圖1：機器人的運動(dòng)控制系統。

輸出類(lèi)型

      移動(dòng)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(dòng)。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(guò)NI CompactRIO等嵌入式平臺，并整合實(shí)時(shí)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)。除了像傳統輪子般的前進(jìn)與后退，全向輪亦可將輪軸旋轉為相反方向，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)堆高機等應用。

      VINI還是一款地圖描繪機器人，通過(guò)NI工業(yè)級控制器與CompactRIO執行路徑規劃與數據處理作業(yè)。嵌入式的工業(yè)級控制器提供雷射掃描地圖，并執行機器視覺(jué)處理，讓CompactRIO接收傳感器數據，并在攝像機系統上控制伺服電機。

圖2：VINI機器人。

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

圖3：德國Fraunhofer Institute研究機構開(kāi)發(fā)的RT3 VolksBot。

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

圖4：Isadora跳舞機器人。

伺服電機控制原理及其類(lèi)型

      伺服電機是機器人應用中常見(jiàn)的一種電機，其基本控制原理是利用控制回路、結合必要的電機反饋，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(guò)控制回路了解目前狀態(tài)，因此其穩定性高于步進(jìn)電機。

      伺服電機有不同種類(lèi)——帶刷式與無(wú)刷式。有刷伺服電機與無(wú)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反向磁力，進(jìn)而移動(dòng)或建立轉矩。最簡(jiǎn)單的例子有固定磁場(chǎng)與旋轉磁場(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(轉子)開(kāi)始旋轉。變更線(xiàn)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(guò)機械式電刷，改變電機線(xiàn)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(chǎng)磁鐵(Field magnet)，即定子(Stator)

      轉子(Rotor)是由線(xiàn)圈所構成，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，將電流導入線(xiàn)圈中。在使用一段時(shí)間之后，電刷即可能磨耗并對系統產(chǎn)生摩擦力；但在無(wú)刷伺服電機中則不會(huì )發(fā)生此種情況。

無(wú)刷伺服電機

      大多數的無(wú)刷伺服電機均使用交流電源(AC)。無(wú)刷伺服電機的控制原理是將鐵制核心置于外部。當轉子成為暫時(shí)性的磁鐵，定子則成為繞鐵線(xiàn)圈。外部電路的電流將會(huì )在既定的轉子位置進(jìn)行反轉。所以，此款伺服電機是由交流電所驅動(dòng)的。當然亦有無(wú)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(wú)刷伺服電機的價(jià)位較高，但較無(wú)磨損問(wèn)題。

步進(jìn)電機

      在機器人運動(dòng)應用中，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(jiǎn)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)轉子，前一組刷齒推動(dòng)轉子，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(guò)刷齒的數量(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。但可能因為障礙物而遺漏刷齒，因此可用編碼器做為反饋。

運動(dòng)控制器與軟件架構

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

圖5：運動(dòng)控制軟件架構。

      至于機器人任務(wù)規劃的較高階功能，則是讓機器人的行動(dòng)達到最終的目標。它可能是以單一指令囊括多組目標，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，那么這些指令最可能通過(guò)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動(dòng)作或行為。在完全自動(dòng)化的機器人中，根據決策用算法的不同，任務(wù)規劃亦可能直接在板上執行。

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

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

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