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行運動控制,，從而實現(xiàn)移動和抓取工具,。本文將詳細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。除了像傳統(tǒng)輪子般的前進與后退,，全向輪亦可將輪軸旋轉(zhuǎn)為相反方向,，以任何方向行進。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,。

圖2：VINI機器人,。

      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。

圖3：德國Fraunhofer Institute研究機構(gòu)開發(fā)的RT3 VolksBot,。

      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。

圖4：Isadora跳舞機器人,。

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)子位置進行反轉(zhuǎn),。所以,，此款伺服電機是由交流電所驅(qū)動的。當然亦有無刷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進行變換。無刷伺服電機的價位較高,，但較無磨損問題,。

步進電機

      在機器人運動應(yīng)用中，步進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,，步進電機的速度較慢亦較為精確,。步進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,，從而為步進電機通電。

      相較于伺服電機,，由于步進電機可通過刷齒的數(shù)量(即等于所移動的距離)進而精確進行控制,，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。

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