機器人的應(yīng)用日漸廣泛屉争，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巡软，從而實現(xiàn)移動和抓取工具檩讯。本文將詳細(xì)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)菌劲。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唆阿，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)通常由電機控制器锈锤、電機驅(qū)動驯鳖、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久免，并可傳送指令以驅(qū)動電機浅辙。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记舆，也可通過傳動系統(tǒng)或鏈條系統(tǒng)讓機器人移動鸽捻。

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泽腮，并能夠使用各種螺旋槳御蒲、機器腳、輪子诊赊、軌道或機器臂移動厚满。例如各種NI展示平臺，包括VINI楚餐、VolksBot與Isadora斤卒。這些機器人分別使用了全向輪(Mecanum wheel)、一般輪以及機器手臂撇扯。而針對嵌入式控制囚誓，則可通過NI CompactRIO等嵌入式平臺，并整合實時控制器與FPGA见撵。CompactRIO亦包含可重配置機箱启孔，能夠容納多樣化的I/O配置，包含傳感器輸入與電機控制薪尉。

VINI是使用全向輪的機器人平臺辖芍，能以多方向行進。除了像傳統(tǒng)輪子般的前進與后退章理，全向輪亦可將輪軸旋轉(zhuǎn)為相反方向所硅，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)用杂蒙。

VINI還是一款地圖描繪機器人营稼，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台腥，并執(zhí)行機器視覺處理宏赘，讓CompactRIO接收傳感器數(shù)據(jù)，并在攝像機系統(tǒng)上控制伺服電機黎侈。

圖2：VINI機器人察署。

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峻汉。

Isadora則是一種會跳舞的人形機器人贴汪，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休吠，以模仿縮小版機器人的運動扳埂。Isadora采用2組CompactRIO业簿，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)運動軌跡阳懂。

圖4：Isadora跳舞機器人梅尤。

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岩调、結(jié)合必要的電機反饋巷燥，從而協(xié)助電機進入所需的狀態(tài)，如位置與速度等沛狱。由于伺服電機必須通過控制回路了解目前狀態(tài)的闹，因此其穩(wěn)定性高于步進電機。

伺服電機有不同種類——帶刷式與無刷式乍之。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符破。伺服電機的工作原理是根據(jù)反向磁力出毁，進而移動或建立轉(zhuǎn)矩促奇。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管剂，即可變更磁極露龙，并讓磁極(轉(zhuǎn)子)開始旋轉(zhuǎn)。變更線圈的電流方向崇槽，即所謂的“換相”(commutation)注辜。

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秆廉。由于有刷電機能改變流入的電流方向策洒，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)顽腾，即定子(Stator)

• 轉(zhuǎn)子(Rotor)是由線圈所構(gòu)成近零，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抄肖，將電流導(dǎo)入線圈中久信。在使用一段時間之后，電刷即可能磨耗并對系統(tǒng)產(chǎn)生摩擦力漓摩；但在無刷伺服電機中則不會發(fā)生此種情況裙士。

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管毙。當(dāng)轉(zhuǎn)子成為暫時性的磁鐵腿椎，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)夭咬。所以酥诽，此款伺服電機是由交流電所驅(qū)動的鞍泉。當(dāng)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肮帐，可針對流入的DC進行變換咖驮。無刷伺服電機的價位較高，但較無磨損問題代徒。

步進電機

在機器人運動應(yīng)用中市口，步進電機不如伺服電機普及，但仍為電機的重要范例昔黍，而且使用方式較為簡易穗俩。與伺服電機相比，步進電機的速度較慢亦較為精確伴糟。步進電機中具有一系列內(nèi)建的無刷齒(Brushless teeth)熏祝，可在電流通過而改變電磁電荷后，由下一組刷齒拉動轉(zhuǎn)子壮焰，前一組刷齒推動轉(zhuǎn)子们眶，從而為步進電機通電。

相較于伺服電機费武，由于步進電機可通過刷齒的數(shù)量(即等于所移動的距離)進而精確進行控制嘶违，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耽翁，因此可用編碼器做為反饋旭贬。

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)，以操控機器人搪泳。在考慮機器人應(yīng)用中的運動控制系統(tǒng)時稀轨，可先了解初階的網(wǎng)狀循環(huán)，如下圖所示岸军。

圖5：運動控制軟件架構(gòu)奋刽。

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(dá)到最終的目標(biāo)凛膏。它可能是以單一指令囊括多組目標(biāo)杨名，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)猖毫，那么這些指令最可能通過連接板外(off-board)的計算機而傳送的台谍，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吁断，根據(jù)決策用算法的不同趁蕊，任務(wù)規(guī)劃亦可能直接在板上執(zhí)行。

在規(guī)劃路徑時仔役，往往會產(chǎn)生“我應(yīng)該如何到目的地以完成此任務(wù)妒贞？”或是“我應(yīng)如何讓機器手臂移動到該位置翁写？”等問題。而此種問題均可由機器人運動控制器完成剑银。

一旦清楚目的地與行進速度之后汰检，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(dá)目的地锄垛。一般均以PID建構(gòu)控制功能何杈。另請注意，此時亦應(yīng)建置安全性功能默峦。舉例來說剿液，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袱类。

聲明：本網(wǎng)站所收集的部分公開資料來源于互聯(lián)網(wǎng)寨支，轉(zhuǎn)載的目的在于傳遞更多信息及用于網(wǎng)絡(luò)分享，并不代表本站贊同其觀點和對其真實性負(fù)責(zé)趣匪，也不構(gòu)成任何其他建議惭舒。本站部分作品是由網(wǎng)友自主投稿和發(fā)布、編輯整理上傳竹观，對此類作品本站僅提供交流平臺镐捧，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)潜索。如果您發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站上所用視頻臭增、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題竹习，請第一時間告知誊抛，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認(rèn)版權(quán)并按國家標(biāo)準(zhǔn)支付稿酬或立即刪除內(nèi)容，以保證您的權(quán)益整陌！聯(lián)系電話：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn拗窃。