呂石磊，曹其新，李 想，孫明鏡，顧 凱

(上海交通大學 機械與動力工程學院, 上海 200240)

0 前 言

近年來我國的機器人行業(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)博覽會上，機器人領域的相關展覽和技術展示傳遞出行業(yè)發(fā)展的新動向：中小企業(yè)借力協(xié)作機器人邁向工業(yè)4.0 成為推動機器人市場高速發(fā)展的重要驅(qū)動力[1-2]。

然而相比于機器人在汽車等大型企業(yè)中的廣泛應用，機器人在中小企業(yè)中的應用仍然十分有限。因為傳統(tǒng)機械臂構型固定、無法根據(jù)任務的改變快速實現(xiàn)整體構型和規(guī)劃的重部署，難以適應中小企業(yè)產(chǎn)品小批量、定制化、短周期的特征。因此，迫切需要新一代機器人關節(jié)，機電一體化關節(jié)的出現(xiàn)使得問題迎刃而解，自卡內(nèi)基梅隆大學于1988 年為NASA 制作了世界第一臺機電一體化關節(jié)樣機(RMMS)開始[3]，機電一體化關節(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注及研究。

在太空領域，由于機電一體化關節(jié)模塊化易替換的特點而得到了大量應用，德國研發(fā)了ROKVISS機電一體化關節(jié)[4-6]，中國也研發(fā)了應用于太空站的高集成模塊化關節(jié)[7]，因價格昂貴，無法廣泛應用。

在服務領域，加拿大Kinova公司設計了不同輸出的關節(jié)[8]，可以實現(xiàn)快速機械接插，能感應力矩、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]系列模塊化關節(jié)，依然因為成本問題，而限制了使用場景。

目前機電一體機器人關節(jié)在太空、服務、工業(yè)等領域都有應用，但是他們有一個共同的問題就是成本高，功能針對性強，不通用，本文以機電一體化機器人關節(jié)關鍵技術為研究載體，對緊湊型的機電一體化機器人關節(jié)結構進行了優(yōu)化，采用了新型的關節(jié)間連接方式，設計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，在降低機器人在設計、部署、控制方面的成本的基礎上，解決機器人通用化，模塊化和標準化的問題。

1 機械結構設計

1.1 參數(shù)選擇

綜合現(xiàn)有的機電一體化機器人關節(jié)參數(shù)，本文關節(jié)的設計參數(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：關節(jié)轉(zhuǎn)速約35 rpm；

4)輕量化：關節(jié)質(zhì)量盡可能小，輕量化設計。

1.2 功能要求

本文設計的機電一體化機器人關節(jié)主要實現(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，利用設計的一體化關節(jié)進行拼裝，組合滿足使用需求的裝置。

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

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

1.3 機械結構設計

機械系統(tǒng)主要包括減速器、電機、編碼器、傳感器等元件，關節(jié)結構圖和實物圖分別如圖1和圖2。

1.中空諧波減速器2.法蘭3.中空直流無刷電機定子4.中空直流無刷電機轉(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 機電一體化機器人關節(jié)結構圖Fig.1 Structure of mechatronics robot joint

圖2 機電一體化機器人關節(jié)實物圖Fig.2 Picture of mechatronics robot joint

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

目前機器人關節(jié)的相對式編碼器普遍采用透射式光電編碼器，而本文設計的關節(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，可以放置于關節(jié)外殼內(nèi)壁，不占用關節(jié)軸向空間，有利于實現(xiàn)輕量化的設計要求。不僅如此，本文設計的關節(jié)選用霍爾傳感器，替換掉了傳統(tǒng)關節(jié)采用的價格昂貴的絕對式光電編碼器，通過在關節(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，也進一步減少了關節(jié)的整體體積。

外形方面，針對傳統(tǒng)關節(jié)孔位固定，構型單一，無法重部署等缺點，為了方便用戶根據(jù)自身需求進行重新組合，本文設計的關節(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，本文同時設計了與關節(jié)配套的連接件，連接件采用平行軸或垂直軸的結構，在保證構型多元化的前提下降低連桿的加工經(jīng)費，避免使用過于復雜且加工難度高的連桿設計。圖3列舉了3種2個關節(jié)利用平行軸連接件進行連接的三維效果；圖4列舉了2種2個關節(jié)利用垂直軸連接件進行連接的三維效果；圖5列舉了利用關節(jié)可以組成的常見構型，實際可以有的連接方式要遠遠多于此。

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 可組成構型舉例Fig.5 Example of assimilable configuration

1.4 關節(jié)參數(shù)計算

減速比計算公式為

i=ia

(1)

(1)式中：i為關節(jié)的總減速比；ia為諧波減速器的減速比，由于采用電機直連諧波減速器的方案，因此，關節(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。

額定輸出扭矩的計算公式為

T=Ta×i×ηa×ηb

(2)

(2)式中：T為關節(jié)的總輸出扭矩；Ta為電機的扭矩，其值為0.319 N·m；i為關節(jié)的總減速比；ηa為電機的效率，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)速的計算公式為

n=na/i

(3)

(3)式中：n為關節(jié)最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩時轉(zhuǎn)速；na為電機最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩時轉(zhuǎn)速，其值為3 490 rpm；i為關節(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)矩時轉(zhuǎn)速n為34.9 rpm。

關節(jié)具體參數(shù)如表1。

表1 關節(jié)參數(shù)

2 驅(qū)控系統(tǒng)硬件設計

標準的機器人關節(jié)不僅需要一體化的關節(jié)機械結構，對于其相應的驅(qū)控系統(tǒng)也有特殊要求。如關節(jié)間電氣連接要能夠便捷連接，在完成機械安裝的同時完成關節(jié)間電氣連接；驅(qū)控電路板要與機械結構相契合，合理布局在關節(jié)結構中；驅(qū)控系統(tǒng)能夠按照上位機的指令準確驅(qū)動關節(jié)內(nèi)電機運動；驅(qū)控系統(tǒng)能為上位機反饋更多關節(jié)內(nèi)外的傳感參數(shù)。

單關節(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)上位機程序計算的速度、電流指令，實現(xiàn)驅(qū)動直流無刷電機的功能。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。整個系統(tǒng)由機器人各關節(jié)的總線引入供電，系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)5 V和4.3 V的降壓穩(wěn)壓，供應各類芯片工作電壓。其系統(tǒng)結構框圖如圖6。

圖6 控制框圖Fig.6 Control block diagram

2.1 控制模塊設計

單關節(jié)的核心處理器選用ARM芯片[12]，型號為意法半導體公司的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運算主頻、512 kByte ROM、64 kByte RAM、8個定時器以及51路IO電平輸入輸出等。

圖7 STM32F103RET6Fig.7 Structure of STM32F103RET6

STM32與驅(qū)動模塊的接口為2個DA端口和2個AD端口，用于下發(fā)電機運動控制指令，如速度、電流、使能、制動等。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，每個引腳對應絕對位置中的一個，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，一個紅色LED指示燈和一個綠色LED指示燈。

2.2 驅(qū)動模塊設計

本文設計的機電一體化機器人關節(jié)使用的電機為Maxon公司的EC60直流無刷電機，ESCON Module驅(qū)動電路原理如圖8。使用圖8中的ESCON Module 50/5作為驅(qū)動部件，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)動時可以觸發(fā)關節(jié)內(nèi)壁的反射式光電編碼器，從而輸入到驅(qū)動模塊中，為速度和位置控制提供反饋。

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

2.3 通訊模塊設計

本文設計的一體化關節(jié)出于適應不同上位機系統(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 傳感器模塊設計

上位機完成諸如運動規(guī)劃等復雜控制需要參考關節(jié)的基本數(shù)據(jù)，如速度、位置、電流反饋信號。本文設計的關節(jié)模組在囊括了以上傳感數(shù)據(jù)的基礎上，還創(chuàng)新性地在關節(jié)中加入了溫度傳感器和陀螺儀加速度傳感器，上位機結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行對包括電機，驅(qū)動器在內(nèi)的部件工作狀況的實時監(jiān)控，滿足目標需求基礎上，智能調(diào)控各關節(jié)輸出力矩和工作電流的機-機協(xié)作策略。利用陀螺儀傳感器傳回的位姿和加速度信息，配合動態(tài)卡爾曼濾波算法，自動進行運動學參數(shù)辨識和機器人整體構型識別。

2.5 電氣連接設計

為了實現(xiàn)即插即用和降低使用門檻的設計要求，對電氣連接進行了集成設計如圖11，圖12。將電源和信號的傳輸集成于一個接頭，每個關節(jié)只有一根線路伸出，并且只提供一個插口，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節(jié)間的電源和通訊連接。

2.6 PCB設計

由于關節(jié)直徑的限制，所有模塊無法分布于一塊PCB板上，同時考慮到信號隔離與干擾的問題，將輸入輸出和驅(qū)動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塊板的分體式設計，利用排針和排座進行連接。電路板實物圖如圖13。

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

圖12 電氣連接實物圖Fig.12 Picture of electrical connector

圖13 PCB實物圖Fig.13 Picture of PCB

3 實 驗

單個關節(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，對一體化關節(jié)的基本功能進行驗證。

機電一體化關節(jié)的位置控制功能結果如圖14，關節(jié)能夠成功對上位機下發(fā)的正弦波形的位置控制指令進行跟隨，并且通過總線向上位機反饋實時位置速度以及電流，位置跟隨的平均延遲小于500 ms。

為了驗證關節(jié)的可快速重構性，將2個關節(jié)安裝于基座組成的一個簡易兩自由度機械臂如圖15。通過電腦中的上層軟件進行運動控制，關節(jié)可以根據(jù)軟件的指令進行相應的運動，并且軟件中的虛擬機械臂和實際機械臂運動狀態(tài)相同，證明關節(jié)間電氣連接正常，可以為多關節(jié)正常供電；傳感器工作正常，可以正確反饋其所在關節(jié)的工作狀態(tài)；通信系統(tǒng)工作正常，可以將多個關節(jié)的傳感器信息及時反饋給控制系統(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 兩自由度機械臂Fig.15 Two degrees of freedom robot arm

4 結束語

本文根據(jù)中小型企業(yè)對于機器人的功能需求，針對傳統(tǒng)機器人關節(jié)構型固定無法重部署的缺陷，設計了機電一體化機器人關節(jié)及其控制系統(tǒng)，采用將電機驅(qū)動、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計方案，該設備具有結構緊湊，通用性強和可快速重構等特點，利用該設備可以快速組合出多種結構，大大縮短產(chǎn)品的設計周期，降低了時間成本，為機器人技術進入中小企業(yè)提供了部件支撐，可促進機器人的大規(guī)模應用。