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作者：Bil Schweber 貿澤電子 現在復雜的機器人手臂的控制，無(wú)論它們的大小與功率，都需要多軸同步管理才能實(shí)現動(dòng)作控制�，F代電子器件——電動(dòng)機、電源切換器件（MOSFET、IGBT）、設備驅動(dòng)、控制系統（現在主要是數字化、之前是模擬控制）、反饋傳感器——使得精確的動(dòng)作控制相比幾年前顯得更加簡(jiǎn)單（如圖1所示）。然而與此同時(shí)對于系統性能需要也明顯增加了，所以現在整個(gè)項目的搭建也是相當的困難。 
圖1：機器人基礎的動(dòng)作控制系統，包括算法執行功能、電動(dòng)機驅動(dòng)、電源設備、反饋環(huán)節；機械傳動(dòng)、電動(dòng)機和傳感器（在大多數情況下）；關(guān)鍵節點(diǎn)設置電壓和電流測量和控制（來(lái)源：NI） 無(wú)論怎樣有一個(gè)實(shí)際情況是不可避免的：機器人是一個(gè)大型的機械系統，因此這部分實(shí)際系統必須是控制回路的重要組成部分。這就涉及到齒輪反彈、機械誤差、震動(dòng)、電動(dòng)機性能、旋轉慣性、動(dòng)量、機械結構的彎曲程度、載荷變化等等。因此選擇哪種類(lèi)型的電動(dòng)機非常的重要——對于中/低功率應用場(chǎng)景，通常我們會(huì )在無(wú)刷直流電動(dòng)機和步進(jìn)電動(dòng)機之間選擇。 另一個(gè)重要的決定則是傳感器反饋。大多數機器人應用系統采用某種類(lèi)型的反饋傳感器來(lái)準確測量末端執行器的行程、加速度和加速度（重申一下：速度是行程對時(shí)間的導數，加速度是速度對時(shí)間的導數）。反饋傳感器可以采用霍爾效應傳感器、自動(dòng)同步器或者光編碼器。由于上文提到的機械問(wèn)題，盡管我們很容易的將編碼器安裝到電動(dòng)機上，對于應用準確性的要求它可能也不能夠提供末端執行器精確的數據。因此傳感器需要安裝在距離負載端更近的位置。 一些運動(dòng)控制應用沒(méi)有傳感器，這會(huì )降低成本和機械復雜度。不采用傳感器反饋，無(wú)傳感器的面向應用控制（FOC，也稱(chēng)為矢量控制）利用的是電動(dòng)機每相繞組電壓和電流的精確同步的數據；然后FOC采用復雜的框架參考進(jìn)行實(shí)時(shí)轉換和矩陣計算來(lái)確定電動(dòng)機的轉動(dòng)位置。省去傳感器降低了硬件成本，但是需要更強的計算能力和更加復雜的編程設計。很多機器人設計還是傾向于使用傳感器，因為相對于直接的傳感器讀數，FOC不能夠提供相同水平的自信度、可行度和可靠性。 理解基礎的機器人系統配置 雖然公眾傾向于將“機器人”這個(gè)名詞與移動(dòng)的、生活輔助或助手聯(lián)系起來(lái)，在工業(yè)領(lǐng)域大部分機器人系統都是靜止的，采用各種各樣的機械臂，通過(guò)之前的配置完成各種任務(wù)。最常見(jiàn)的設計如下： • 笛卡爾機器人，設置三個(gè)線(xiàn)性的運動(dòng)軸，分別分布在X、Y、Z平面上（如圖2所示）。這個(gè)設計主要用于挑選和放置機器、無(wú)縫應用和基礎的組裝。
圖2：笛卡爾機器人是最容易理解和控制的，分別等價(jià)為X、Y、Z平面的控制（來(lái)源：RobotPark） • 柱型機器人，所有運動(dòng)都限制的一個(gè)圓形的區域內。它結合了Y平面的線(xiàn)性運動(dòng)、Z平面的線(xiàn)性運動(dòng)和圍繞Z軸的旋轉運動(dòng)（如圖3所示）。這類(lèi)機器人用于裝配、工具處理和點(diǎn)焊操作。
圖3：柱型機器人有兩個(gè)線(xiàn)性運動(dòng)軸和一個(gè)旋轉軸（來(lái)源：RobotPark） • 球形或極性機器人結合了兩個(gè)旋轉節點(diǎn)和一個(gè)線(xiàn)性節點(diǎn)，機械臂通過(guò)反肘關(guān)節與基座連接（如圖4所示）。運動(dòng)的定義則是通過(guò)一個(gè)極坐標系統，同樣限制在一個(gè)球形區域內。主要應用在焊接、鑄造和工具處理等場(chǎng)景中。
圖4：球形或極性機器人結合了兩個(gè)旋轉軸和一個(gè)線(xiàn)性軸，它需要根據參考系進(jìn)行大量的計算密集型轉換操作（來(lái)源：RobotPark） 這里提到的方法具有三個(gè)方向的自由度，使用了線(xiàn)性和旋轉的結合，然而一些應用場(chǎng)景僅需要一個(gè)或者兩個(gè)方向的自動(dòng)度。更高級的機械臂或者鉸接式機器人集成了額外的線(xiàn)性和旋轉運動(dòng)，具有像人一樣的靈活性（如圖5所示），一些更高級的機械臂能夠提供六、八甚至更多方向的自由度。
圖5：鉸接式機器人手臂集成了多個(gè)旋轉和線(xiàn)性運動(dòng)模式，具有多個(gè)自由度，但是也需要在制動(dòng)器和手臂之間進(jìn)行仔細的協(xié)調。 其他一些設計適用不同的線(xiàn)性和旋轉運動(dòng)的組合用于特定的應用場(chǎng)景，比如平行四邊形的實(shí)現方案，用于精確和快速地在短距離內實(shí)現移動(dòng)，例如拾取和放置小型組件。隨著(zhù)自由度的提升，對每個(gè)方向自由度快速、流暢、準確和同步控制的要求也呈指數級增長(cháng)。 就軌跡配置文件而言 機器人的運動(dòng)控制方法看似非常簡(jiǎn)單：有驅動(dòng)器的支持末端執行器快速準確的到達指定的位置，當然也會(huì )涉及一些調整，和所有工程決策一樣，取決于給定應用的最優(yōu)結果相關(guān)的優(yōu)先級設置。 舉個(gè)例子，如果結果偏離過(guò)大或者有可能出現碰撞，我們設置加速和減速過(guò)快來(lái)快速達到更高的運動(dòng)速度，這樣操作能夠接收嗎？對于速度精確度控制值得嗎，要達到什么程度？加速度、速度和行程的選擇與從位置A到位置B期望的轉換有什么關(guān)聯(lián)？在某些特殊應用中定義“最優(yōu)”的優(yōu)先級和參數的標準是什么？ 機器人運動(dòng)控制和其它運動(dòng)控制方面的專(zhuān)家已經(jīng)制定了標準的軌跡配置規范，對于給定應用能夠提供各種方法來(lái)實(shí)現期望的平衡方案。所有選型都涉及到根據現在的情形和反饋信號進(jìn)行實(shí)時(shí)的計算，但是某些應用可能會(huì )需要更重要、更高分辨率計算的需求。這些配置類(lèi)型包括： • 簡(jiǎn)單的梯形配置，電動(dòng)機以固定的加速度從零加速到期望的速度，并進(jìn)行保持，然后以固定的加速度減速到零，到達指定的位置（圖6）。雖然較大的加速度能夠加速整個(gè)過(guò)程，但是整個(gè)過(guò)程可能不夠平緩，出現突然的變化，我們成為驟�；蛘唧E起，這樣反而會(huì )造成不準確和超量。
圖6：最簡(jiǎn)單的運動(dòng)軌跡配置方式就是梯形模式，分別設置常量加速度、常量速度、常量減速度，從起始點(diǎn)和目標點(diǎn)之間的運動(dòng)控制是均勻的（來(lái)源：Performance Motion Devices） • S曲線(xiàn)型，這種方式比梯形模式更常見(jiàn)，加速度從零不斷上升，達到指定速度后不斷下降（圖7）。到達指定位置后，減速度逐漸上升然后在目標點(diǎn)附近減為零。實(shí)際上S型曲線(xiàn)可以劃分為七個(gè)不同的階段，與梯形模式的三個(gè)階段相對比。
圖7：相比梯形模式S曲線(xiàn)型控制更加的復雜，但是在轉換的實(shí)際路徑過(guò)程中不會(huì )出現突然的抖動(dòng)（加速的突然變化）（來(lái)源：Performance Motion Devices） •波浪型運動(dòng)控制，用戶(hù)設置一系列所要達到的位置點(diǎn)，運動(dòng)控制器會(huì )平滑的通過(guò)所有這些點(diǎn)（圖8）。這種模式在靈活性和控制上都具有最大的優(yōu)越性，對于高級的運行控制場(chǎng)景非常有必要。實(shí)現平滑的曲線(xiàn)控制和計算過(guò)程都非常的復雜，盡管需要非常大的計算量，但是由于舍入或截斷誤差需要在保證分辨率的情況下實(shí)現。
圖8：波浪型運動(dòng)控制允許用戶(hù)在起始點(diǎn)和目標點(diǎn)之間定義一系列的位置標記點(diǎn)，控制器需要控制末端執行器平滑的通過(guò)這些點(diǎn)（來(lái)源：NI） 當然還有其他的運動(dòng)控制配置模型，這與專(zhuān)用應用場(chǎng)景或者行業(yè)有關(guān)，無(wú)論哪種控制模式，首先要先明確需求然后是如何實(shí)現。眾所周知高效的PID閉環(huán)控制算法是驅動(dòng)電動(dòng)機和末端執行器最常用的方法，具有足夠高的準確度和精密度（參考1）。 單個(gè)軸的高效控制是非常好實(shí)現的，但是機器人的控制則變得非常的復雜，因為他需要擴展兩個(gè)、三個(gè)甚至更多的電動(dòng)機以及不同的自由度，當其中一個(gè)獨立組件的狀態(tài)變化時(shí)，我們需要及時(shí)的同步和協(xié)調其他的組件，實(shí)現我們所期望的功能和性能要求。 標準vs自定義運動(dòng)控制應 對于標準的運動(dòng)控制應用，采用專(zhuān)用固定功能的嵌入式IC能夠大大簡(jiǎn)化系統設計，并且讓產(chǎn)品快速面市。相反，對于非標準的應用，運動(dòng)控制模型需要我們自定義，如果各個(gè)運動(dòng)軸之間的關(guān)聯(lián)比較復雜，必須適配異�；颡毺氐氖录�，那么設計團隊就需要采用全可編程的處理器。而且還需要處理器集成數字信號處理（DSP）功能來(lái)滿(mǎn)足計算密集型任務(wù)需求或者采用可編程邏輯器件（FPGA）。當我們考慮可編程器件時(shí)，除了IC器件本身的硬件功能外，供應商、第三方工具、可用的軟件模塊都是我們做出選擇是需要考慮的重要因素。 需要注意的是控制器與電動(dòng)機驅動(dòng)器是不同的，一般采用MOSFET/IGBT驅動(dòng)/器件來(lái)控制電動(dòng)機的功率，主要是兩個(gè)原因。首先這些功率器件需要能夠驅動(dòng)電動(dòng)機，獨立于控制器。其次基于MOSFET的高密度互補處理技術(shù)用于數字控制器與功率器件的處理過(guò)程完全不同。對于小型的電動(dòng)機，我們可以將控制器、驅動(dòng)器和電源器件集成在一起。盡管存在著(zhù)根本上的差異，“控制器”通常指具備電源功能的模塊，因此一般會(huì )在關(guān)鍵詞搜索時(shí)造成困擾。 一些運動(dòng)控制IC的實(shí)例展示了這些器件的使用范圍，基本的單功能器件如Toshiba TB6560AFTG是一款PWM斬波型步進(jìn)電動(dòng)機控制器和驅動(dòng)IC，可用于雙極步進(jìn)電動(dòng)機的正弦信號輸入，實(shí)現微調（圖9）。采用QFN（方形扁平無(wú)引腳）封裝，物理尺寸7x7mm，采用一個(gè)時(shí)鐘信號就可以提供高性能的正向和反向雙極型步進(jìn)電機的驅動(dòng)，并且能夠給電動(dòng)機繞組輸送2.5A的電流。
圖9：Toshiba TB6560AFTG是一款步進(jìn)電動(dòng)機控制器，具有微調功能，集成2.5A MOSFET功率模塊，能夠直接驅動(dòng)電動(dòng)機繞組。（來(lái)源：Toshiba公司） 即使在微調模式下，步進(jìn)電動(dòng)機的一個(gè)問(wèn)題就是在啟動(dòng)和停止時(shí)它的輸出存在振動(dòng)，盡管在很多應用中這不算是個(gè)問(wèn)題，但是如果我們處理像玻璃器皿這樣的精致物品時(shí)就是一個(gè)大問(wèn)題，還有可能導致整個(gè)系統的振動(dòng)。因此，TB6560AFTG允許用戶(hù)調整驅動(dòng)電流的上升/下降，并且建立完善的電流上升/下降的轉換，從而將振動(dòng)減小到最低（圖10）。
圖10：在具體應用中，Toshiba TB6560AFTG需要很少的外部組件，并且接收系統處理器的高級指令，最后轉換為詳細的步進(jìn)控制信號（來(lái)源：Toshiba公司） 機器人運動(dòng)控制系統的最頂端是一些高級的單元，例如TI C2000微控制器系列。C2000包括多個(gè)系列的器件，分別集成不同的功能，如基礎的處理功能、數字計算能力、輸入/輸出接口的數量和類(lèi)型以及管家功能如定時(shí)器、看門(mén)狗和脈沖寬度調制發(fā)生器。 舉個(gè)例子，C2000分組下的TMS320 Delfino系列處理器（圖11）提供原生浮點(diǎn)支持，消除了定點(diǎn)開(kāi)發(fā)的挑戰，當然它也支持帶有IQMath虛擬浮點(diǎn)引擎的原生器件之間的定點(diǎn)和浮點(diǎn)代碼的移植。這就系統中就不需要設計第二個(gè)集成單核或者雙核的處理器了，同樣能夠提供高效的數字信號處理的算數任務(wù)以及微控制器的系統控制任務(wù)。它們同樣也集成了三角數學(xué)單元（TMU）加速器，這樣就加速了很多控制回路中常見(jiàn)三角算法的執行速度，比如轉矩閉環(huán)算法。
圖11：TI C2000系列器件包括多個(gè)子系列，每個(gè)子系列有包含多個(gè)不同規格的器件；Delfino分組就包括一個(gè)強大的處理器和嵌入式協(xié)處理器，內部集成了很多基于硬件的功能，很大程度上降低了編程難度，加速了執行速度。（來(lái)源：TI） 支持這些處理器的是開(kāi)發(fā)工具和套件，比如 LAUNCHXL-F28377S C2000 Delfino LaunchPad就是基于TMS320C28x 32位CPU處理器（圖12）。這款套件還集成了F28377S微控制器單元（MCU），能提供400MIPS的系統性能，介于200MHz C28x中央處理單元和200MHz實(shí)時(shí)控制協(xié)處理器之間。這款微控制器還包含1MB板載FLASH以及豐富的外圍設備比如16位/12位模數轉換器、比較器、12位數模轉換器、正弦濾波器、高分辨率脈寬調制器、增強的捕獲模塊、增強的積分編碼模塊、CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )模塊等等。
圖12：一些工具如TI公司推出的LaunchPad對于開(kāi)發(fā)、集成和評估基于C2000 Dlifino系列處理器應用的硬件和軟件功能至關(guān)重要（來(lái)源：TI） 除了MCU，LaunchPad內置了獨立的XDS100v2 JTAG仿真器，支持通過(guò)USB實(shí)現實(shí)時(shí)的系統內編程和調試。LaunchPad還設計了兩個(gè)40-pin的接口，支持兩個(gè)BoosterPacks的同時(shí)操作；包含一個(gè)免費無(wú)限制的CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）；免費下載controlSUITE軟件包。 總結 機器人運動(dòng)控制系統選型從基礎專(zhuān)用功能IC到高集成非常靈活的MCU，集成豐富的輔助和支持功能。盡管嵌入式器件看似功能有限，但是它們也支持多有不同的運動(dòng)控制模型設計，設置嚴格的參數，這類(lèi)器件供貨重組、成本低而且易于使用。對于一些高級的設計可能需要極其復雜的要求或者需要額外的互聯(lián)、控制燈需求，有平臺和開(kāi)發(fā)套件的支持如代碼包的驗證、調試和程序開(kāi)發(fā)工具以及工程驗證等，MCU能夠提供高效的解決方案。 |
