在我們公眾號(hào)先前的文章當(dāng)中，我們介紹了如何用空中作業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)工程作業(yè)。那么空中作業(yè)機(jī)器人是通過(guò)什么來(lái)進(jìn)行操作的？機(jī)械臂作為空中作業(yè)機(jī)器人的重要一部分，負(fù)責(zé)與外界環(huán)境交互，執(zhí)行作業(yè)任務(wù)。高精度高性能的機(jī)械臂，既能提升作業(yè)精度，又能拓展作業(yè)內(nèi)容。而作為機(jī)械臂的核心部件——關(guān)節(jié)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器，是決定整個(gè)機(jī)械臂最終性能的關(guān)鍵。要想實(shí)現(xiàn)上一篇文章里面的算法，則必須使用力矩關(guān)節(jié)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。接下來(lái)，我們介紹一種能控制力的機(jī)械臂關(guān)節(jié)！

關(guān)節(jié)電機(jī)都有哪些？

目前市面上有很多用于機(jī)械臂的關(guān)節(jié)電機(jī)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同，使用的電機(jī)及驅(qū)動(dòng)有所差別。

1.步進(jìn)電機(jī)
a.步進(jìn)電機(jī)：輸入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行的是脈沖信號(hào)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到脈沖信號(hào)后，集成在電機(jī)上的控制板會(huì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)角度，屬于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)所以控制過(guò)程中存在丟步問(wèn)題。

b.閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)：混合式步進(jìn)電機(jī)是綜合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)，混合式步進(jìn)電機(jī)在加裝編碼器后也可以進(jìn)行定磁場(chǎng)控制。

2.舵機(jī)
舵機(jī)主要是由外殼、驅(qū)動(dòng)板 、直流有刷電機(jī)、減速器與位置檢測(cè)元件所構(gòu)成。舵機(jī)自帶減速組且通常減速比比較高，所提供的力矩相對(duì)較大，但響應(yīng)速度慢，控制精度低。高端舵機(jī)[1]內(nèi)部控制板包含電流采樣，可提供電流模式。

3.永磁無(wú)刷直流電機(jī)
現(xiàn)代電機(jī)與控制技術(shù)以電流驅(qū)動(dòng)模式的不同將永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)分為兩大類[3]：正弦波驅(qū)動(dòng)電機(jī)：即永磁同步電機(jī)（PMSM）、方波驅(qū)動(dòng)電機(jī)：即無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）。

a.永磁同步電機(jī)（PMSM）:反電動(dòng)勢(shì)成正弦波，轉(zhuǎn)矩均勻，適合用定磁場(chǎng)控制進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

b.無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）：反電動(dòng)勢(shì)成方波，轉(zhuǎn)矩不均勻，力矩較小但能實(shí)現(xiàn)更高轉(zhuǎn)速，適合用六步換相驅(qū)動(dòng)（方波驅(qū)動(dòng)）。

適合空中作業(yè)的關(guān)節(jié)電機(jī)

因?yàn)槠胀ǖ年P(guān)節(jié)電機(jī)只能進(jìn)行位置或速度控制，這不利于對(duì)空中作業(yè)機(jī)器人進(jìn)行總體控制，兩者之間的耦合效應(yīng)不能充分考慮，對(duì)于大機(jī)動(dòng)飛行來(lái)說(shuō)誤差很大。同時(shí)，為了保證精細(xì)作業(yè)，在空中作業(yè)過(guò)程中避免可能發(fā)生的意外如碰撞、擠壓、震動(dòng)等影響，必須對(duì)關(guān)節(jié)力進(jìn)行精準(zhǔn)的控制和檢測(cè)。

如下圖[6]，使用力控電機(jī)執(zhí)行拿酒杯倒酒操作，如果只有位置控制，夾取過(guò)程中可能由于位置控制硬度過(guò)高導(dǎo)致酒瓶破損的情況發(fā)生。

工程應(yīng)用上，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的檢測(cè)有如下幾種方案[7]。

1.電流環(huán)
基于電機(jī)中的交軸電流，即根據(jù)永磁同步電機(jī)的磁鏈模型與機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程，計(jì)算出整個(gè)電機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩。這種方法關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，硬件可靠性高，實(shí)現(xiàn)成本低，但測(cè)量精度有限，對(duì)于高減速比與復(fù)雜減速箱的傳動(dòng)環(huán)節(jié)，雜散轉(zhuǎn)矩的建模復(fù)雜，動(dòng)態(tài)扭矩和微小扭矩測(cè)量不準(zhǔn)確。

2.應(yīng)變片式力矩傳感器
基于材料受力后的微小形變，通過(guò)懸臂梁上應(yīng)變片阻值的改變，帶來(lái)電壓信號(hào)的改變，再通過(guò)電壓-扭矩系數(shù)等計(jì)算關(guān)節(jié)扭矩。這種方法力測(cè)量精度高，雙通道可解扭矩和彎矩的耦合。但這種方法硬件可靠性低，實(shí)現(xiàn)成本高，生產(chǎn)工藝復(fù)雜。方法存在零漂，使用過(guò)程中需要頻繁校準(zhǔn)。

3.電磁式力矩傳感器
基于材料受力后的微小扭轉(zhuǎn)形變，通過(guò)磁編碼器或霍爾等原理測(cè)量該扭轉(zhuǎn)值，再通過(guò)材料的抗扭截面系數(shù)計(jì)算關(guān)節(jié)扭矩。這種方法力測(cè)量精度高，無(wú)溫漂、零漂等問(wèn)題，無(wú)需頻繁標(biāo)定。但這種方法在本體高剛度、測(cè)量高精度和實(shí)現(xiàn)低成本這三個(gè)維度很難取得平衡。

總結(jié)

所以，作為空中作業(yè)機(jī)器人的重要組成部分之一，我們對(duì)比介紹了多種機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)，并分析了實(shí)現(xiàn)電機(jī)力控的幾種方法。空中作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，既要保證關(guān)節(jié)質(zhì)量較輕，又要保證硬件可靠度較高。所以綜合來(lái)看，利用電流環(huán)采樣計(jì)算轉(zhuǎn)矩的辦法結(jié)合永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)更為可靠。當(dāng)然，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)的力矩控制，F(xiàn)OC（Field-Oriented Control）定磁場(chǎng)控制則是不可缺少的一種控制手段，通過(guò)FOC，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、速度、位置進(jìn)行精準(zhǔn)的控制。關(guān)于矢量控制的詳細(xì)介紹我們以后來(lái)探討，敬請(qǐng)期待！

參考文獻(xiàn)

[1]http://www.instar.com.cn/

[2]https://emanual.robotis.com

[3]袁雷. 現(xiàn)代永磁同步電機(jī)控制原理及MATLAB仿真. 北京航空航天大學(xué)出版社, 2016.

[4]https://www.myactuator.com/

[5]http://www.rcsunnysky.com//

[6]https://www.unitree.com/cn/products/Z1

[7]https://zhuanlan.zhihu.com/p/439883934

本文共1578字

由西湖大學(xué)智能無(wú)人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室工程師馬昭原創(chuàng)

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