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| 關于仿人機器人關節驅動微型伺服系統的介紹（zxj） |
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摘要：用于仿人機器人關節驅動的微型伺服系統日前完全依賴進口。基于分析微型伺服系統各部件的發展現狀與技術特點，研制了一款適用于仿人機器人關節驅動的國產倒服系統，包括永磁無刷伺服電機、巨磁阻編碼器、高功率密度驅動模塊以及通訊單元。通過與周內仿人機器人研究單位常用的幾款進口伺服系統進行對比，驗證所研制的微型伺服系統滿足仿人機器人關節驅動對功率密度比等性能指標的要求．可完全代替進口產品。
關鍵詞：仿人機器人；關節驅動；微型伺服系統，永磁同步電動機
1 引言
2000年，日本本田公司發布的仿人機器人AsIMO吸引了全世界的目光。過去10年里，得益于計算機、電氣工程、材料工程、傳感器科學等相關學科的發展，仿人機器人技術也有了長足的發展。其中較為突出的有日本本田公司、美國麻省理工大學、俄亥俄州立大學、北京理工大學、哈爾濱工業大學等。仿人機器人由控制系統、關節伺服系統、傳感器系統、能源系統和本體結構5部分組成。關節伺服系統按驅動方式可以分為液壓伺服、氣動伺服、電機伺服、壓電伺服等。這幾種系統中，液壓伺服抗污染能力差、調試維護困難、瞬間過載能力低；氣動伺服非線性程度高、定位剛度小；電機伺服通常需要減速機構，使其體積增大；壓電伺服一般不需要減速機構，易于實現微型化，但其驅動電路復雜，多用于微型機器人或仿人機器人的手指關節。比較幾種伺服系統的優缺點，電機伺服系統，尤其是旋轉電機伺服系統由于技術成熟、可靠性高、剛度強、較易驅動，是目前仿人機器人關節伺服系統的****。
在仿人機器人中，由于使用電池供電，供電電壓低、功率／能量密度受限，且機器人的體積、重量均有嚴格的要求，所以仿人機器人關節中使用的電機伺服系統有其特殊的要求。例如低工作電壓而且變化范圍大、低損耗、高功率密度、重景輕、單一電源供電、高動態性能、高可靠性等等。本文圍繞仿人機器人對關節驅動的要求特點，詳細介紹目前廣泛應用的關節電機伺服系統的組成、類別、性能特點等。在此基礎上研制了一臺國產微型伺服系統，通過與國外同類伺服系統的對比研究，結果表明所研制的微型系統滿足仿人機器人關節驅動的性能要求，可取代進口產品。
2 關節驅動伺服系統的組成
電機伺服系統一般是由電動機、位置傳感器、電流傳感器、功率器件和控制器5部分組成的閉環系統，如圖1所示。
2．1電機
永磁無刷電動機無需勵磁繞組和勵磁電源，結構相對簡單，具有很高的功率密度，非常適合仿人機器人這種對體積、重量十分敏感的場合。在伺服系統中應用的永磁無刷電動機分為元刷直流電動機(brushless DC motor，BI。DCM)和永磁同步電動機(PMSM)兩種。前者設計和生產費用低，但轉動時不可避免有轉矩脈動；后者正弦波驅動，理論上可完全消除轉矩脈動，但需要更高精度的轉子位置傳感器和更復雜的控制器件”…。
2．2位置傳感器
2.2．1光電編碼器
在位置伺服系統中，光電編碼器常被采用作為位置傳感器。它具有高精度、高分辨率、工作范同大、功耗低、非接觸測量等優點，但由于光柵盤是精密的光學元件，其抗振性能差，軸向的振動極易使其破碎，煙霧、灰塵等雜質也會影響光路系統。光源、鏡頭、光柵盤和光電傳感器組成的光路系統只能軸向排布，也令光電編碼器的厚度難以縮小。
目前商品化的光電編碼器中，體積較小的是SCANCON公司的增量式光電編碼器，其分辨率為1 000線／r，尺寸為西24 mm×24 mm。
2．2．2磁編碼器
磁編碼器是近年發展起來的以一種新型電磁敏感元件為基礎的檢測裝置。這種編碼器使用具有交替變化磁場的永磁體盤代替光柵盤，使用巨磁電阻(GMR)等磁敏元件代替光電元件，把磁信號變為電信號。在T作中，磁編碼器不易受塵埃和結露影響，抗振能力強，可靠性高，同時其結構簡單緊湊，無需復雜的光源和光學元件，易于實現小型化。
但受充磁技術的制約，磁編碼器的磁極數不可能提得很高，通過控制充磁，是磁場分布呈理想的正弦波，那么可通過波形細分技術進一步提高精度和分辨率。目前商品化的磁編碼器分辨率可達l 000線／r。
2．3功率器件
在中小功率的應用中，一般使用電力MOsFET或IGBT作為功率器件。電力MOSFET具有易驅動、開關速度快的優點，但其導通損耗和耐壓能力之間存在矛盾，故一直局限子在低壓場合使用。IGBT是一種復合型的功率器件，整合了MOsFET和BJT的優點，驅動端類似MOsFET的結構，通過電壓控制，所需功率小，而開關端則與BJT相似，耐壓水平高、電流大、導通損耗小。
但其關斷時間較長，因此開關損耗較大，而且其導通壓降為固定值，與流過電流無關，在開關電壓較高的時候才能體現出其低損耗的優點。
目前主流IGBT導通壓降為1．5～2．5 V，而100 V耐壓的MOSFET導通電阻一般在15～30mn。仿人機器人電源電壓一般在l00V以下，電流為數十A，因此，使用MosFET作為功率器件可減少導通損耗。
2．4控制器
在仿人機器人領域，為了滿足體積和重量這2個關鍵指標，一般會帶有為電機控制優化的硬件模塊(如PwM調制、增量編碼器計數)的DsP或MCU作為微控制器。有的微控制器甚至將坐標變換、空問矢量控制等算法也做成硬件模塊。
現代仿人機器人一般通過網絡總線實現對各個關節的控制，因此控制器DsP也會集成UART，CAN等通訊模塊。
3現有國內外微型伺服系統
國內仿人機器人領域使用較多的是copley，E1mo，MAXON等同外公司的伺服產品。國內廠家和研究機構中，北京和利時有自主研發的低壓小型伺服產品。本節將分別介紹上述產品的功能、性能以及特點。
3．1 美國copley controls伺服驅動器
該公司的Accelnet系列伺服驅動器采用Freescale公司DsP56F807 16位數字信號控制器為主控芯片，該控制器整合了CISP強大的處理能力和微控制器多樣的功能，****主頻80 MHz，使用3．3V單電源供電，片上穩壓器可為數字和模擬電路提供更低的功耗和噪聲。該系列驅動器可用20～55 V單一直流電源供電，通過反激變換器產生多路獨立穩壓輸出，采用了平面變壓器，變壓器繞組印制在電路板上，整個變壓器體積僅為18mm×12 mm×5 mm。功率器件使用6個Falrchild公司SOP 8封裝的分立MOSFET，焊在一塊95 mm×28 mm的鋁基電路板上，鋁基板為外殼的一部分，熱傳導率高、散熱性能好。
驅動器支持cANopen和DevlceNct兩種cAN總線協議，一條總線上最多可掛接127臺驅動器。配套的Copley Motion Explorer軟件可進行組網、電機配置、參數自整定、運動程序下載和調試等操作，操作界面友好，可視化程度高。
3．2 以色列Elmo MotionControl伺服驅動器
該公司的whistle系列伺服驅動器采用與Accelnet驅動器相同的主控芯片，通過進一步的精簡和優化，大量使用BGA封裝等微型貼片元器件，whist1e驅動器在更小的體積內實現了更高的持續功率輸出。該驅動器沒有使用反激變換器，而是采用多個Buck降壓電路級聯的形式來獲得12 V，5 V，3．3 V電壓輸出。功率器件使用6個IR公司TO 252封裝的MOSFET，更大的封裝使其可提供100V／42 A的持續輸出能力，導通電阻為18 mn。散熱方面沒有采用鋁基板技術，用導熱粘合劑把鋁制外殼粘到電路板MOsFET背而，通過電路板上的銅箔和鋁制外殼散熱。
這款驅動器在通訊功能和配套軟件方面與Accelnet驅動器類似。
3．3瑞士MAXON伺服電機
瑞土MAXON motor是一個面向全球提供高精密電機和驅動系統的產品的公司。其EC—powermax系列無刷電機采用無槽繞組和釹鐵硼磁鋼，具有極高功率密度，100w的型號尺寸為30 mm×60 mm，無齒槽效應，在低壓下仍町獲得高轉速。
電機可與前面兩種伺服驅動器構成伺服系統。
3．4北京和利時伺服系統
該公司的蜂鳥系列伺服驅動器是一款低壓直流供電的小體積、高陡能全數字伺服驅動器。
采用32位高速RISC專用芯片作為控制器，內嵌****運動控制功能．通過通訊接口即可完成如多段點到點、直線插補、圓弧插補等功能，在100 mm×75 mm×25 mm的體積內可持續輸出3 60w功率。其配套的海豚系列低壓無刷伺服電機，采用正弦波方式驅動，裝有磁性****值編碼器，外尺寸為57 mm×132 mm，功率為250W．該系列伺服系統的功率密度、工作電壓范圍、定位精度等指標在國內現有產品巾均處于****地位，但仍然無法滿足仿人機器人對功率密度的要求。
4 HIT-PEEDⅡ微型伺服系統
哈爾濱工業大學電力電子與電力傳動研究所研制的HIT—PEEDⅡ伺服系統，其驅動器采用TI公司TMs320F2808 DsP作為控制器，該DsP專門為電機控制設計，具有ePwM，eQEP等硬件模塊，主頻****可達100MHz，能夠很好地滿足坐標變換、矢景控制、位置伺服等復雜算法的需求。驅動器只需單一電源供電，工作電壓范圍寬(Dc 1 5～75 V)，支持cAN總線通訊，能實現BLDCM和PMSM的三閉環控制，適用性廣。采用IR公司M()sFET作為功率器件，導通電阻只有18 m，最終驅動器效率可達90％。驅動器大量使用微型sMD元器件和先進的焊接工藝，令功率密度****化。HIT—PEED 伺服驅動器如圖2所示。 伺服電機是采用高磁能積的稀土釹鐵硼材料的永磁同步電動機，采用無槽(無鐵芯)定子繞組。
在高速電機中，這種結構可以減少渦流產生的鐵損和阻力矩．提高電機效率(見圖3)。電機配套使用自主研發的磁編碼器，擺脫了對國外編碼器產品的依賴，其分辨率可達12位。150 W的電機含編碼器尺寸為35 mm×90 mm，重495 g，額定電壓48 V，額定轉速9000 r／min，額定轉矩160mN·m．自制GMR編碼器組裝圖如圖4所示，尺寸可至32 mm×10 mm，分辨率為100O線／r，****轉速1200O r／min。
5微型伺服系統性能對比測試
5．1額定工作點性能指標對比
3款微型伺服驅動器如圖5所示。表l、表2列出了以上幾種伺服驅動器和電機的具體性能指標。
以上數據表明以色列Elmo公司的whistle型驅動器功率密度****，自制的HIT-PEEDⅡ型伺服驅動器的各項指標接近國外同類產品；伺服電機由于受國產諧波減速器機械性能的限制，其額定速度比MAx0N電機低，較低的速度使其外徑和體積難以進一步縮小。
5．2定位精度與響應速度關節
伺服系統的定位精度直接影響對運動控制器指令執行的準確程度，關節處微小的偏差也能在肢體末端產生很大的偏移。另外，伺服系統是否能及時完成指令動作，也將影響到整個運動系統的可靠性與機器人動作的協調性。
為r測試這兩項指標，本文利用伺服系統配套的上位機軟件的監視功能進行測試。此方法相當于利用伺服系統電機軸端的l00O線增量編碼器作為傳感器，在4倍頻計數模式下，分辨率可達到l／4 000圈。當肢體長度為0．3 m時，關節l／400O圈的誤差僅在末端產生約O．47 mm的位置偏差，能滿足測試的精度要求。測試數據經過整理后如圖6所示。 從圖6中可以看出，3種伺服系統都能在170IIls左右完成動作。其中HIT-PEEDⅡ伺服系統的響應時問較短，但超調也較大；另外兩種伺服系統的響應曲線相似。而放大后的曲線中可以看出，3種系統在250 ms時，與位置誤差均小于100脈沖數(即1％)，其中Elm0驅動器+MAX()N電機組成的系統誤差最小，但是有一些振蕩，另外兩種伺服系統則逐步接近給指令位置。考慮到控制參數對響應造成的影響，以上3種伺服系統在合理調整參數后，都應能獲得相似的定位速度和精度。
5．3工作效率
仿人機器人的伺服系統是整機消耗電能最多的部分，伺服系統的工作效率一方面影響電池供電時機器人的續航時間，另方面，低效率的伺服系統也會給整機帶來散熱方面的問題。
本文搭建了一套用于測試伺服系統整體工作效率的系統，系統通過可編程直流電源供電，其輸出軸連接到磁滯式測功機上，整體工作效率為測功機測得的功率與直流電源輸出的功率之比值。3種伺服系統在不同工作點的工作效率如表3所示。在80％額定負載時的溫度變化如圖7所示。
從表3和圖7可以看出，伺服系統的功率損耗主要由伺服電機引起。電機由于受體積的約束，效率一般較低，且隨速度的下降迅速下降。國產的HIT-PEED 伺服系統在接近額定速度時，工作效率與國外伺服系統相同，但在轉速降低時，效率下降得較快。因此．在實際應用中，應當尤其注意伺服電機的散熱問題，采取合理、足夠的散熱措施。驅動器的功率損耗主要來自功率器件，但因為低壓MOSFET的技術比較成熟，損耗較小，故驅動器的溫升較低，且很快穩定。從圖7還可以看到，采用鋁基電路板的copley驅動器工作溫升要低，優于另外兩種實用鋁外殼散熱的驅動器。
6 關節驅動微型伺服系統
未來研究目標仿人機器人關節驅動伺服系統選型時，在滿足功率要求的前提下．體積和重量是最重要的因素。一些低壓伺服產品，雖然有很好的性能指標，但其面向的是功能多而全的通用伺服市場。在仿人機器人領域中，無需追求全面的功能和過于靈活的可擴展性，在滿足基本性能要求的情況下，首先滿足機器人空問、重量方面的要求。
伺服系統的定位精度和響應速度關系到運動控制器的指令是否能被正確、及時的執行，這兩個指標一方面與位置傳感器精度有關，另一方面受電機驅動算法影響。一般來說，采用正弦波驅動的永磁同步電動機具有較好的定位精度，但同樣體積、重量下，方波驅動的無刷直流電動機具有更大的功率，即更高的轉矩，因而其響應速度也更快。選擇方波驅動還是正弦波驅動需要根據應用場合的特點做出決定，所以微型驅動器需提供兩種工作模式。
伺服系統的工作效率也是考察的重要指標，因為機器人攜帶電池的能量密度有限，在一個低效的系統中，過多的電能轉以熱能的形式消耗了，機器人必須攜帶更多的電池以維持相同的續航時間，同時，還會帶來散熱方面的問題。然而，目前同內外的微小型伺服電機效率一般不高，這就導致系統需要良好的散熱措施。在與用戶溝通時，電發現敞熱不良時，容易造成電機燒毀，因此，多數用戶在選型時會留出比較大的余量。
由于動力來源的特殊性，一般來說，仿人機器人用伺服系統應有較寬的工作電壓，并且只需要單一電源供電，使用電池供電的機器人供電電壓從30 V到80 V不等，一般不具備多路電壓輸出能力。為了簡化供電線路，用戶希望伺服系統只需一對電源線即可工作，且在電池電壓變化時系統不會失效。
一個完整的仿人機器人上會有數十個伺服關節，如果仍使用脈沖指令形式，整個系統的電氣線路將十分復雜，可靠性、可維護性都極低。支持總線通訊的伺服系統通過分時復用的方法，只需一根通訊總線即可實現各個伺服關節與上位機之間雙向的信息交換，****程度地降低了電氣線路引起的系統故障。
7 結論
本文所提出的HIT-PEEDⅡ伺服系統在額定功率、功率密度、驅動方式、動態性能、工作效率以及通訊功能等都達到同類進口產品性能指標，可以取代進口產品。本文對關節驅動微型伺服系統的研究目標也做了詳盡分析，為國產化高性能仿人機器人的開發選型工作提供一定的借鑒。 |
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