機(jī)電一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)及其驅(qū)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

呂石磊，曹其新，李 想，孫明鏡，顧 凱

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院, 上海 200240)

0 前 言

近年來我國的機(jī)器人行業(yè)蓬勃發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)?；颈３?0%以上增速，中小機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)不斷涌現(xiàn)。在2017年11月的第十九屆中國國際工業(yè)博覽會(huì)上，機(jī)器人領(lǐng)域的相關(guān)展覽和技術(shù)展示傳遞出行業(yè)發(fā)展的新動(dòng)向：中小企業(yè)借力協(xié)作機(jī)器人邁向工業(yè)4.0 成為推動(dòng)機(jī)器人市場高速發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力[1-2]。

然而相比于機(jī)器人在汽車等大型企業(yè)中的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人在中小企業(yè)中的應(yīng)用仍然十分有限。因?yàn)閭鹘y(tǒng)機(jī)械臂構(gòu)型固定、無法根據(jù)任務(wù)的改變快速實(shí)現(xiàn)整體構(gòu)型和規(guī)劃的重部署，難以適應(yīng)中小企業(yè)產(chǎn)品小批量、定制化、短周期的特征。因此，迫切需要新一代機(jī)器人關(guān)節(jié)，機(jī)電一體化關(guān)節(jié)的出現(xiàn)使得問題迎刃而解，自卡內(nèi)基梅隆大學(xué)于1988 年為NASA 制作了世界第一臺機(jī)電一體化關(guān)節(jié)樣機(jī)(RMMS)開始[3]，機(jī)電一體化關(guān)節(jié)雖然只有幾十年的發(fā)展歷史，然而卻受到世界各國研究者的廣泛關(guān)注及研究。

在太空領(lǐng)域，由于機(jī)電一體化關(guān)節(jié)模塊化易替換的特點(diǎn)而得到了大量應(yīng)用，德國研發(fā)了ROKVISS機(jī)電一體化關(guān)節(jié)[4-6]，中國也研發(fā)了應(yīng)用于太空站的高集成模塊化關(guān)節(jié)[7]，因價(jià)格昂貴，無法廣泛應(yīng)用。

在服務(wù)領(lǐng)域，加拿大Kinova公司設(shè)計(jì)了不同輸出的關(guān)節(jié)[8]，可以實(shí)現(xiàn)快速機(jī)械接插，能感應(yīng)力矩、速度、位置等多類數(shù)據(jù)，然而力矩較小，并且精度較差。

在工業(yè)領(lǐng)域，德國的雄克公司和IGUS公司分別開發(fā)了PowerCube[9]和robolink[10]系列模塊化關(guān)節(jié)，依然因?yàn)槌杀締栴}，而限制了使用場景。

目前機(jī)電一體機(jī)器人關(guān)節(jié)在太空、服務(wù)、工業(yè)等領(lǐng)域都有應(yīng)用，但是他們有一個(gè)共同的問題就是成本高，功能針對性強(qiáng)，不通用，本文以機(jī)電一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)為研究載體，對緊湊型的機(jī)電一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，采用了新型的關(guān)節(jié)間連接方式，設(shè)計(jì)了基于霍爾傳感的絕對碼盤，集成多種傳感器以提高智能性，在降低機(jī)器人在設(shè)計(jì)、部署、控制方面的成本的基礎(chǔ)上，解決機(jī)器人通用化，模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的問題。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 參數(shù)選擇

綜合現(xiàn)有的機(jī)電一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)參數(shù)，本文關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

1)外形尺寸：直徑約90 mm，長度約110 mm；

2)力矩：最大力矩約20 N·m；

3)轉(zhuǎn)速：關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速約35 rpm；

4)輕量化：關(guān)節(jié)質(zhì)量盡可能小，輕量化設(shè)計(jì)。

1.2 功能要求

本文設(shè)計(jì)的機(jī)電一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)主要實(shí)現(xiàn)的功能如下。

1)多種組合方案。為用戶提供多種組合方案，用戶可以根據(jù)自身具體的使用需求，利用設(shè)計(jì)的一體化關(guān)節(jié)進(jìn)行拼裝，組合滿足使用需求的裝置。

2)驅(qū)控一體化。將驅(qū)動(dòng)器和多種傳感器集成到關(guān)節(jié)之中，用戶無需額外購買驅(qū)動(dòng)器。

3)智能性。提供多種參數(shù)反饋，用戶不需要掌握復(fù)雜的相關(guān)知識即可快速上手操作。

1.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械系統(tǒng)主要包括減速器、電機(jī)、編碼器、傳感器等元件，關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖分別如圖1和圖2。

1.中空諧波減速器2.法蘭3.中空直流無刷電機(jī)定子4.中空直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子5.外殼一6.外殼二7.光電反射式相對編碼器8.霍爾式絕對定零度盤9.中空走線管盤10.中空走線管11.后蓋12.控制裝置13.銅螺柱圖1 機(jī)電一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of mechatronics robot joint

圖2 機(jī)電一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)實(shí)物圖Fig.2 Picture of mechatronics robot joint

為了減小齒隙，提高定位精度，本文設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)選用了中空的諧波減速器，并且電機(jī)也同樣采用了中空的直流無刷電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了從電路板直接通過中心孔走線引出關(guān)節(jié)的走線方式，簡化了傳統(tǒng)的走線方式，同時(shí)也更好地避免了走線的纏繞摩擦等問題[11]。

目前機(jī)器人關(guān)節(jié)的相對式編碼器普遍采用透射式光電編碼器，而本文設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)創(chuàng)新性地采用了反射式光電編碼器，這種編碼器在分辨率和精度與透射式相同的情況下，體積更小，可以放置于關(guān)節(jié)外殼內(nèi)壁，不占用關(guān)節(jié)軸向空間，有利于實(shí)現(xiàn)輕量化的設(shè)計(jì)要求。不僅如此，本文設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)選用霍爾傳感器，替換掉了傳統(tǒng)關(guān)節(jié)采用的價(jià)格昂貴的絕對式光電編碼器，通過在關(guān)節(jié)輸出端加裝霍爾傳感的絕對碼盤的方式，降低成本和提高可靠性的同時(shí)，也進(jìn)一步減少了關(guān)節(jié)的整體體積。

外形方面，針對傳統(tǒng)關(guān)節(jié)孔位固定，構(gòu)型單一，無法重部署等缺點(diǎn)，為了方便用戶根據(jù)自身需求進(jìn)行重新組合，本文設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)采用了八邊形外殼，并在八邊形的每一面包括底面都布置了連接孔位，本文同時(shí)設(shè)計(jì)了與關(guān)節(jié)配套的連接件，連接件采用平行軸或垂直軸的結(jié)構(gòu)，在保證構(gòu)型多元化的前提下降低連桿的加工經(jīng)費(fèi)，避免使用過于復(fù)雜且加工難度高的連桿設(shè)計(jì)。圖3列舉了3種2個(gè)關(guān)節(jié)利用平行軸連接件進(jìn)行連接的三維效果；圖4列舉了2種2個(gè)關(guān)節(jié)利用垂直軸連接件進(jìn)行連接的三維效果；圖5列舉了利用關(guān)節(jié)可以組成的常見構(gòu)型，實(shí)際可以有的連接方式要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于此。

圖3 平行軸連接件連接方式Fig.3 Connection methods of parallel shaft connector

圖4 垂直軸連接件連接方式Fig.4 Connection methods of vertical shaft connector

圖5 可組成構(gòu)型舉例Fig.5 Example of assimilable configuration

1.4 關(guān)節(jié)參數(shù)計(jì)算

減速比計(jì)算公式為

i=ia

(1)

(1)式中：i為關(guān)節(jié)的總減速比；ia為諧波減速器的減速比，由于采用電機(jī)直連諧波減速器的方案，因此，關(guān)節(jié)的總減速比直接取決于選用減速器的減速比，本文選用的減速比為100。

額定輸出扭矩的計(jì)算公式為

T=Ta×i×ηa×ηb

(2)

(2)式中：T為關(guān)節(jié)的總輸出扭矩；Ta為電機(jī)的扭矩，其值為0.319 N·m；i為關(guān)節(jié)的總減速比；ηa為電機(jī)的效率，其值為0.8；ηb為諧波減速器的效率，其值為0.75；將上述數(shù)據(jù)代入(2)式中可知輸出扭矩T為19.14 N·m。

額定轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為

n=na/i

(3)

(3)式中：n為關(guān)節(jié)最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩時(shí)轉(zhuǎn)速；na為電機(jī)最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩時(shí)轉(zhuǎn)速，其值為3 490 rpm；i為關(guān)節(jié)的總減速比，其值為100。將上述數(shù)據(jù)代入(3)式中可知最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩時(shí)轉(zhuǎn)速n為34.9 rpm。

關(guān)節(jié)具體參數(shù)如表1。

表1 關(guān)節(jié)參數(shù)

2 驅(qū)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器人關(guān)節(jié)不僅需要一體化的關(guān)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)，對于其相應(yīng)的驅(qū)控系統(tǒng)也有特殊要求。如關(guān)節(jié)間電氣連接要能夠便捷連接，在完成機(jī)械安裝的同時(shí)完成關(guān)節(jié)間電氣連接；驅(qū)控電路板要與機(jī)械結(jié)構(gòu)相契合，合理布局在關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中；驅(qū)控系統(tǒng)能夠按照上位機(jī)的指令準(zhǔn)確驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)內(nèi)電機(jī)運(yùn)動(dòng)；驅(qū)控系統(tǒng)能為上位機(jī)反饋更多關(guān)節(jié)內(nèi)外的傳感參數(shù)。

單關(guān)節(jié)內(nèi)的驅(qū)控系統(tǒng)以ARM (acorn RISC machine)板為核心處理芯片，通過轉(zhuǎn)發(fā)上位機(jī)程序計(jì)算的速度、電流指令，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)的功能。周期性采集多類傳感器的數(shù)據(jù)，將傳感數(shù)據(jù)和驅(qū)動(dòng)器反饋數(shù)據(jù)經(jīng)由CAN (controller area network)總線或EtherCAT (ethernet for control automation technology)總線傳輸至上位機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)由機(jī)器人各關(guān)節(jié)的總線引入供電，系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)5 V和4.3 V的降壓穩(wěn)壓，供應(yīng)各類芯片工作電壓。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6。

圖6 控制框圖Fig.6 Control block diagram

2.1 控制模塊設(shè)計(jì)

單關(guān)節(jié)的核心處理器選用ARM芯片[12]，型號為意法半導(dǎo)體公司的STM32F103RET6，封裝形式如圖7，該芯片擁有1路CAN2.0通訊、3路16通道A/D轉(zhuǎn)換、1路兩通道路D/A轉(zhuǎn)換、3路SPI通訊、72 MHz運(yùn)算主頻、512 kByte ROM、64 kByte RAM、8個(gè)定時(shí)器以及51路IO電平輸入輸出等。

圖7 STM32F103RET6Fig.7 Structure of STM32F103RET6

STM32與驅(qū)動(dòng)模塊的接口為2個(gè)DA端口和2個(gè)AD端口，用于下發(fā)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制指令，如速度、電流、使能、制動(dòng)等。STM32與通訊模塊中CAN收發(fā)器的接口為CAN_Tx和CAN_Rx，從內(nèi)部的CAN控制器指揮收發(fā)器接入總線；與EtherCAT從站芯片的接口為SPI通訊，通過EtherCAT從站芯片接入到總線。STM32與傳感模塊中的溫度傳感器的接口為數(shù)字單總線，讀取溫度傳感器對應(yīng)地址寄存器的值；與IMU的接口為串口，讀取加速度和角速度值；與霍爾感知的編碼盤的接口為10路GPIO，每個(gè)引腳對應(yīng)絕對位置中的一個(gè)，讀取是否被磁鐵觸發(fā)。STM32與電源模塊的接口為4.3 V的穩(wěn)壓輸入。另外從STM32的IO引出JTAG下載調(diào)試腳，一個(gè)紅色LED指示燈和一個(gè)綠色LED指示燈。

2.2 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的機(jī)電一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)使用的電機(jī)為Maxon公司的EC60直流無刷電機(jī)，ESCON Module驅(qū)動(dòng)電路原理如圖8。使用圖8中的ESCON Module 50/5作為驅(qū)動(dòng)部件，反射式光電編碼器作為相對編碼器，將黑白等距條碼打印在光面紙上貼在EC60轉(zhuǎn)子的外殼上，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可以觸發(fā)關(guān)節(jié)內(nèi)壁的反射式光電編碼器，從而輸入到驅(qū)動(dòng)模塊中，為速度和位置控制提供反饋。

圖8 ESCON Module 驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.8 Structure of ESCON Module

2.3 通訊模塊設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的一體化關(guān)節(jié)出于適應(yīng)不同上位機(jī)系統(tǒng)和不同使用者使用要求的考慮，采用CAN和EtherCAT雙通訊的方式[13-15]。

CAN通訊選用的ARM芯片自帶CAN控制器，CAN收發(fā)器電路如圖9。

圖9 CAN收發(fā)器電路原理圖Fig.9 Structure of CAN transceiver

EtherCAT通訊則略有不同，需要使用EtherCAT從站芯片，本系統(tǒng)選用LAN9252芯片，該芯片與ARM板之間通過SPI通訊，即可將單關(guān)節(jié)接入到EtherCAT總線中去，EtherCAT從站框圖如圖10。

2.4 傳感器模塊設(shè)計(jì)

上位機(jī)完成諸如運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等復(fù)雜控制需要參考關(guān)節(jié)的基本數(shù)據(jù)，如速度、位置、電流反饋信號。本文設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)模組在囊括了以上傳感數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，還創(chuàng)新性地在關(guān)節(jié)中加入了溫度傳感器和陀螺儀加速度傳感器，上位機(jī)結(jié)合溫度傳感器傳回的溫度信息與電流傳感器傳回的電流信息進(jìn)行對包括電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器在內(nèi)的部件工作狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，滿足目標(biāo)需求基礎(chǔ)上，智能調(diào)控各關(guān)節(jié)輸出力矩和工作電流的機(jī)-機(jī)協(xié)作策略。利用陀螺儀傳感器傳回的位姿和加速度信息，配合動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波算法，自動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)辨識和機(jī)器人整體構(gòu)型識別。

2.5 電氣連接設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)即插即用和降低使用門檻的設(shè)計(jì)要求，對電氣連接進(jìn)行了集成設(shè)計(jì)如圖11，圖12。將電源和信號的傳輸集成于一個(gè)接頭，每個(gè)關(guān)節(jié)只有一根線路伸出，并且只提供一個(gè)插口，插口的方向也是唯一確定的，無法反向插入，用戶只需要正確插入插頭就完成了關(guān)節(jié)間的電源和通訊連接。

2.6 PCB設(shè)計(jì)

由于關(guān)節(jié)直徑的限制，所有模塊無法分布于一塊PCB板上，同時(shí)考慮到信號隔離與干擾的問題，將輸入輸出和驅(qū)動(dòng)等大電流元件與處理器存儲器等小信號元件分隔開擺放，因此，采用了上下2塊板的分體式設(shè)計(jì)，利用排針和排座進(jìn)行連接。電路板實(shí)物圖如圖13。

圖11 電氣連接原理圖Fig.11 Structure of electrical connector

圖12 電氣連接實(shí)物圖Fig.12 Picture of electrical connector

圖13 PCB實(shí)物圖Fig.13 Picture of PCB

3 實(shí) 驗(yàn)

單個(gè)關(guān)節(jié)支持對位置，速度以及電流的直接控制，其中位置控制是關(guān)節(jié)控制的核心。使用經(jīng)典的電流，速度，位置三環(huán)PID控制方法，對一體化關(guān)節(jié)的基本功能進(jìn)行驗(yàn)證。

機(jī)電一體化關(guān)節(jié)的位置控制功能結(jié)果如圖14，關(guān)節(jié)能夠成功對上位機(jī)下發(fā)的正弦波形的位置控制指令進(jìn)行跟隨，并且通過總線向上位機(jī)反饋實(shí)時(shí)位置速度以及電流，位置跟隨的平均延遲小于500 ms。

為了驗(yàn)證關(guān)節(jié)的可快速重構(gòu)性，將2個(gè)關(guān)節(jié)安裝于基座組成的一個(gè)簡易兩自由度機(jī)械臂如圖15。通過電腦中的上層軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，關(guān)節(jié)可以根據(jù)軟件的指令進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，并且軟件中的虛擬機(jī)械臂和實(shí)際機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同，證明關(guān)節(jié)間電氣連接正常，可以為多關(guān)節(jié)正常供電；傳感器工作正常，可以正確反饋其所在關(guān)節(jié)的工作狀態(tài)；通信系統(tǒng)工作正常，可以將多個(gè)關(guān)節(jié)的傳感器信息及時(shí)反饋給控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，為控制算法和軟件開發(fā)提供了穩(wěn)定的硬件平臺。

圖15 兩自由度機(jī)械臂Fig.15 Two degrees of freedom robot arm

4 結(jié)束語

本文根據(jù)中小型企業(yè)對于機(jī)器人的功能需求，針對傳統(tǒng)機(jī)器人關(guān)節(jié)構(gòu)型固定無法重部署的缺陷，設(shè)計(jì)了機(jī)電一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)及其控制系統(tǒng)，采用將電機(jī)驅(qū)動(dòng)、諧波減速、絕對碼盤定位、溫升測量、姿態(tài)和加速度感知集于一體的設(shè)計(jì)方案，該設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊，通用性強(qiáng)和可快速重構(gòu)等特點(diǎn)，利用該設(shè)備可以快速組合出多種結(jié)構(gòu)，大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，降低了時(shí)間成本，為機(jī)器人技術(shù)進(jìn)入中小企業(yè)提供了部件支撐，可促進(jìn)機(jī)器人的大規(guī)模應(yīng)用。