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　　隨著科技的發展，各式各樣的機器人活躍在越來越多的場合中，例如工業自動化，醫療，商業服務等，在未來的工作生活中，機器人會發揮重要的作用，并且承擔著一些人工無法進行的復雜的任務。機器人的設計正朝著更小、更緊湊，更高精度，更穩定安全的可靠性方向發展，現如今直接在機器人關節內集成最先進的控制單元和精確的機械部件已經成為現實。本文將介紹如何將傳動部件以及運動控制傳感器集成到緊湊的機器人關節中，其中涵蓋了電機、編碼器、制動器、減速器和伺服驅動器。

　　文/Celera Motion 賽洛拉

　　隨著機器人和機器人相關產品在工業市場、商用和醫療市場的激增，機器人的新設計趨勢是利用更小、更緊湊的部件，實現機器人關節的高精度和可靠性，為了達到這個目的，設計解決方案通常為高集成度的機器人關節，關節中包含了直驅無框電機、高分辨率和高精度編碼器、零間隙諧波減速器和微型伺服驅動器，這種設計實現了機器人關節的輕便型，同時縮減了機器人的關節尺寸。

　　1 機器人關節

　　圖1為機器人關節的設計結構，此設計充分利用了編碼器和電氣傳動部件體積緊湊的優勢，大大縮減了機器人關節的軸向厚度，使得整個關節體積緊湊，關節輸出端包含了一個高精度高分辨率的編碼器，同時電機的輸入端也安裝了高精度的編碼器。

　　圖1 機器人關節

　　在圖2中，展示了構成這個機器人關節中的主要組件，包含以下幾種特點：

　　l 高精度零背隙諧波減速器;

　　l Omni/Omni+ 直驅無框電機;

　　l Optira 光學增量編碼器 – 關節輸入端;

　　l Optira/Aura 光學增量/絕對值編碼器 – 關節輸出端;

　　l 前中后殼體;

　　l 輸出軸;

　　l 精密軸承;

　　l 中空軸，大孔徑，簡化機器人關節內部布線。

　　圖2 機器人關節橫截面圖

　　圖3，展示了另一種機器人關節設計結構，此結構使用了兩個絕對值電感式編碼器，類似于圖2中的結構，在電機(輸入端)安裝有一個絕對值編碼器，并且在減速器的輸出側同樣安裝有一個絕對值編碼器，并且該關節還安裝了抱閘剎車用于在斷電后保持當前位置。

　　圖3 帶抱閘剎車的機器人關節

　　在圖4中，展示了帶抱閘剎車的機器人關節中的主要組件，包含以下幾種特點：

　　l 緊湊精密零背隙諧波減速器;

　　l UTS零齒槽力直驅無框電機;

　　l 絕對值電感式編碼器 – 輸入端;

　　l 高分辨率絕對值電感式編碼器 – 輸出端;

　　l 抱閘剎車;

　　l 前中后殼體;

　　l 法蘭結構式的輸出軸 - 用于連接關節中的旋轉運動部件;

　　l 精密軸承;

　　l 中空軸，大孔徑，簡化機器人關節內部布線。

　　圖4 帶抱閘剎車的機器人關節橫截面圖

　　2 機器人關節——輸出端/輸入端編碼器選擇

　　(1)輸入端編碼器

　　機器人關節電機輸入端的編碼器往往選擇分辨率在100,000到 250,000范圍的增量編碼器，高質量的增量信號可以給機器人關節帶來平滑的運動速度軌跡。如果電機只是用來提供扭矩，那么作為反饋器件的編碼器的脈沖數并不需要太高。如果同時要控制速度和位置，那么在上述脈沖范圍內的編碼器，隨著分辨率越高，速度和位置的控制精度也就越高。

　　對于上文中，圖1中的機器人關節，采用了Celera motion的Optira系列光學編碼器，配合高精度的圓光柵，整套編碼器分辨率高達200,000，精度20角秒。通常光學編碼器常用于機器人關節中，主要是因為光學編碼器可以提供更高的精度和分辨率，并且抗干擾性更強，相比較于磁性或者電感式編碼器。

　　雖說在機器人關節的輸入端，往往不需要太高精度的編碼器，但是精度的提高，仍然是可以提升整體機器人關節的性能，例如一些控制系統，通過位置來計算出速度信號，那么不精確的位置反饋，則會產生不穩定的速度，對整個機器人關節的性能造成影響。

　　圖5中的Celera motion的Optira系列光學編碼器，可以提供高達250,000到500,000分辨率，精度最高20角秒，精度是磁性編碼器或電容編碼器的2到5倍，并且整體尺寸十分緊湊，編碼器讀頭體積僅為11x13mm，編碼器的高分辨率特性，使得機器人關節輸入端電機即使在高速運行下，也能精確的反饋位置或速度。

　　圖5 Celera motion的Optira系列光學編碼器及高精度玻璃圓光柵

　　對于上文中，圖4中的機器人關節采用了Celera motion的IncOder電感式絕對值編碼器，見圖6。編碼器單圈分辨率可高達21bits (2,097,152counts/rev)，精度為65角秒。

　　圖6 IncOder電感式絕對值編碼器

　　IncOder系列電感式絕對值編碼器由定子和轉子構成，電感式編碼器另外的特點就是大中空式結構，可方便靈活的與其它關節中的機械部件相結合。IncOder系列電感式絕對值編碼器的輸出接口，可選BISS-C，SSI或者SPI協議。

　　(2)輸出端編碼器

　　常見的機器人運動控制系統均包含了多種軌跡算法，用來控制協調機器人的多個關節。控制器的算法受益于高分辨率的編碼器，常見的輸出端編碼器的單圈分辨率高于1,000,000counts/rev。

　　機器人關節中的輸出端編碼器是機器人關節中最為重要的部件之一，并且機器人的整體性能在很大程度上依賴于每個機器人關節的精度和可靠性。在某些情況下，機器人運動控制系統，會根據輸出端編碼器反饋的數據，對每一個運動關節的剛度和撓度進行實時性的補償，因為外部環境，例如溫度的改變會使機器人關節的機械特性產生變化。

　　Celera motion的Optira和Aura系列光學編碼器搭配高精度的圓形玻璃光柵，提供給用戶增量輸出或者絕對值輸出的編碼器方案。Optira和Aura系列編碼器均采用Celera Motion PurePrecision? 光學技術原理，編碼器最高精度可達+/-2角秒，單圈分辨率高達10,000,000counts/rev。增量信號細分電路集成在編碼器封裝內，并且編碼器增量信號輸出可選1vpp - sine/cosine，方便用戶自行靈活細分編碼器信號。與此同時，Aura系列絕對值編碼器作為超緊湊的編碼器的代表，體積僅為9x7mm，編碼器通訊協議包括BISS-C/SSI/SPI，單圈分辨率最高22bit，并支持絕對值/增量信號雙輸出。

　　圖7 Aura系列光學編碼器

　　Celera motion的IncOder電感式編碼器可在超寬的工作溫度下提供精確的絕對位置反饋。并且得益于IncOder編碼器的工業設計理念，即使在高振動和高沖擊的場合下，IncOder編碼器仍然可以提供精確穩定的絕對值信號反饋。IncOder編碼器輸出協議包含BISS-C/SSI/SPI/串行通信/增量脈沖/模擬量。

　　3 機器人關節——電機

　　機器人關節設計采用了無框直驅電機，這種電機也常被稱為力矩電機，通常力矩電機包含了轉子(電磁效應)和定子(永磁體)兩個部分。力矩電機同傳統的同步電機一樣，由伺服驅動器來控制。

　　目前較流行的設計理念，是將力矩電機嵌入到機器人關節內，從而驅動帶有高減速比的減速器。無框直驅電機的特點是具有更多的極對數，改善優化了電機的力矩輸出，并且力矩電機通常為為大中空通孔結構設計，便于機器人關節內部走線布線，方便用戶靈活集成電機到機器人關節中。無框直驅電機的形狀就好比是一個大型圓環，在滿足電機高力矩輸出的特性下，同時電機的體積做到扁平輕便緊湊。

　　機器人關節的輸出端轉速通常都比較緩慢，例如20rpm的轉速，對于機器人關節都算是比較快的轉速。經過150：1的減速器之后，實際的關節輸入端電機的轉速在3000rpm，這對于直驅電機來說，并不是一個高的轉速。

　　圖8 是Celera motion的Agility?系列無框直驅電機，電機的最大特點是零齒槽力，電機體積輕薄，大通孔設計。零齒槽力電機，使得機器人關節的運動控制更加平穩流暢，運動軌跡具有可預測性。同時零齒槽力電機具有超低的磁芯損耗，在高轉速的應用中可以保證優異的性能。這些特性使得Agility?系列無框直驅電機深受機器人關節制造商的歡迎。

　　圖8 Agility?系列無框直驅電機

　　4 機器人關節 - 伺服驅動器

　　集成在機器人關節內部的伺服驅動器，體積緊湊小巧，摒棄了傳統驅動需要復雜的接線，從而提高設備的整體EMI性能，并且驅動器需要對外部環境具有更好的適應性，例如振動，灰塵，以及強磁場干擾。

　　想找到合適的伺服驅動器，并不容易。大多數伺服驅動器都針對于工業自動化應用場合，這些傳統的伺服驅動器，盡可能多的兼容各種反饋編碼器和各種現場通訊總線，使其適用于大多數自動化工控應用。但也存在著一些缺點，尤其是對于集成機器人關節，傳統的伺服驅動器，采用DSP或者FPGAs的架構，使得電子元器件產生的熱量更高，并且傳統工業通信總線的數據傳輸實時性一般。在外型體積方面，即使是一些小型化的工業化伺服驅動器集成在機器人關節內，還是會顯得驅動器體積偏大，導致整個機器人關節重量增加很多。

　　Celera motion的Ingenia伺服驅動器，在產品開發初期就專注于設計一款可集成在機器人關節內部的驅動器，產品可實現超低的待機功耗，并采用了優化升級后的DSP技術，實現了高精度的位置反饋。圖9中的伺服驅動器，即為可集成在機器人關節內的Ingenia伺服驅動器，支持EtherCAT\CANopen\SPI通訊接口。

　　圖9 Ingenia Everest/Capitan伺服驅動器

　　大部分機器人都通過機器人關節的力矩反饋來實現安全保護功能。依靠實時監測機器人關節施加的力矩，使得機器人關節輸出的力矩是可控的，以免發生安全事故。在整套控制系統中，伺服驅動器讀取力矩反饋數據，通過高實時性，穩定性EtherCAT網絡反饋給機器人主控，并且在機器人關節中安裝了兩個編碼器，一個是BISS-C協議的絕對值編碼器，另一個是霍爾數字信號編碼器，實現了雙位置反饋安全冗余的功能。如果兩個編碼器輸出的位置有偏差，伺服驅動即可感知到，并將異常反饋給機器人主控。并且伺服驅動器配有安全停止(Safe Torque Off - STO)安全功能，當該功能STO激活時，即會切斷電機扭矩輸出。

　　圖10 環形Ingenia伺服驅動器

　　伺服驅動器的功率密度也是機器人關節設計中，常被人談及的話題。對于機器人關節的設計者來說，一款可提供足夠的功率，緊湊的外形尺寸，發熱較低的伺服驅動器是極其關鍵的。Celera motion的Ingenia伺服驅動器，采用最先進的新型非硅晶體管驅動技術，使得驅動器提供高達0.21W/mm3的功率密度。先進的高功率密度伺服驅動器，使得將伺服驅動器集成在例如手術機器人，仿生機器人等機器人關節和末端執行器的應用中成為了可能。

　　在機器人關節的設計中，伺服驅動器的尺寸并不是唯一需要考慮的因素，為了將伺服驅動器集成在機器人關節內，設備制造商必須關注電氣元件產生的熱量，得益于Ingenia伺服驅動器靈活的設計結構，產品低功耗，待機功率僅2.5W。