作者：Bil Schweber，貿(mào)澤電子 現(xiàn)在復(fù)雜的機(jī)器人手臂的控制，無論它們的大小與功率，都需要多軸同步管理才能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作控制。現(xiàn)代電子器件——電動(dòng)機(jī)、電源切換器件（MOSFET、IGBT）、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)（現(xiàn)在主要是數(shù)字化、之前是模擬控制）、反饋傳感器——使得精確的動(dòng)作控制相比幾年前顯得更加簡單（如圖1所示）。然而與此同時(shí)對于系統(tǒng)性能需要也明顯增加了，所以現(xiàn)在整個(gè)項(xiàng)目的搭建也是相當(dāng)?shù)睦щy。 圖1：機(jī)器人基礎(chǔ)的動(dòng)作控制系統(tǒng)，包括算法執(zhí)行功能、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、電源設(shè)備、反饋環(huán)節(jié)；機(jī)械傳動(dòng)、電動(dòng)機(jī)和傳感器（在大多數(shù)情況下）；關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)置電壓和電流測量和控制（來源：NI） 無論怎樣有一個(gè)實(shí)際情況是不可避免的：機(jī)器人是一個(gè)大型的機(jī)械系統(tǒng)，因此這部分實(shí)際系統(tǒng)必須是控制回路的重要組成部分。這就涉及到齒輪反彈、機(jī)械誤差、震動(dòng)、電動(dòng)機(jī)性能、旋轉(zhuǎn)慣性、動(dòng)量、機(jī)械結(jié)構(gòu)的彎曲程度、載荷變化等等。因此選擇哪種類型的電動(dòng)機(jī)非常的重要——對于中/低功率應(yīng)用場景，通常我們會在無刷直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)之間選擇。 另一個(gè)重要的決定則是傳感器反饋。大多數(shù)機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)采用某種類型的反饋傳感器來準(zhǔn)確測量末端執(zhí)行器的行程、加速度和加速度（重申一下：速度是行程對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，加速度是速度對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)）。反饋傳感器可以采用霍爾效應(yīng)傳感器、自動(dòng)同步器或者光編碼器。由于上文提到的機(jī)械問題，盡管我們很容易的將編碼器安裝到電動(dòng)機(jī)上，對于應(yīng)用準(zhǔn)確性的要求它可能也不能夠提供末端執(zhí)行器精確的數(shù)據(jù)。因此傳感器需要安裝在距離負(fù)載端更近的位置。 一些運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用沒有傳感器，這會降低成本和機(jī)械復(fù)雜度。不采用傳感器反饋，無傳感器的面向應(yīng)用控制（FOC，也稱為矢量控制）利用的是電動(dòng)機(jī)每相繞組電壓和電流的精確同步的數(shù)據(jù)；然后FOC采用復(fù)雜的框架參考進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換和矩陣計(jì)算來確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置。省去傳感器降低了硬件成本，但是需要更強(qiáng)的計(jì)算能力和更加復(fù)雜的編程設(shè)計(jì)。很多機(jī)器人設(shè)計(jì)還是傾向于使用傳感器，因?yàn)橄鄬τ谥苯拥膫鞲衅髯x數(shù)，F(xiàn)OC不能夠提供相同水平的自信度、可行度和可靠性。 理解基礎(chǔ)的機(jī)器人系統(tǒng)配置 雖然公眾傾向于將“機(jī)器人”這個(gè)名詞與移動(dòng)的、生活輔助或助手聯(lián)系起來，在工業(yè)領(lǐng)域大部分機(jī)器人系統(tǒng)都是靜止的，采用各種各樣的機(jī)械臂，通過之前的配置完成各種任務(wù)。最常見的設(shè)計(jì)如下： · 笛卡爾機(jī)器人，設(shè)置三個(gè)線性的運(yùn)動(dòng)軸，分別分布在X、Y、Z平面上（如圖2所示）。這個(gè)設(shè)計(jì)主要用于挑選和放置機(jī)器、無縫應(yīng)用和基礎(chǔ)的組裝。 圖2：笛卡爾機(jī)器人是最容易理解和控制的，分別等價(jià)為X、Y、Z平面的控制（來源：RobotPark） · 柱型機(jī)器人，所有運(yùn)動(dòng)都限制的一個(gè)圓形的區(qū)域內(nèi)。它結(jié)合了Y平面的線性運(yùn)動(dòng)、Z平面的線性運(yùn)動(dòng)和圍繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（如圖3所示）。這類機(jī)器人用于裝配、工具處理和點(diǎn)焊操作。 圖3：柱型機(jī)器人有兩個(gè)線性運(yùn)動(dòng)軸和一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸（來源：RobotPark） · 球形或極性機(jī)器人結(jié)合了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)線性節(jié)點(diǎn)，機(jī)械臂通過反肘關(guān)節(jié)與基座連接（如圖4所示）。運(yùn)動(dòng)的定義則是通過一個(gè)極坐標(biāo)系統(tǒng)，同樣限制在一個(gè)球形區(qū)域內(nèi)。主要應(yīng)用在焊接、鑄造和工具處理等場景中。 圖4：球形或極性機(jī)器人結(jié)合了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和一個(gè)線性軸，它需要根據(jù)參考系進(jìn)行大量的計(jì)算密集型轉(zhuǎn)換操作（來源：RobotPark） 這里提到的方法具有三個(gè)方向的自由度，使用了線性和旋轉(zhuǎn)的結(jié)合，然而一些應(yīng)用場景僅需要一個(gè)或者兩個(gè)方向的自動(dòng)度。更高級的機(jī)械臂或者鉸接式機(jī)器人集成了額外的線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，具有像人一樣的靈活性（如圖5所示），一些更高級的機(jī)械臂能夠提供六、八甚至更多方向的自由度。 圖5：鉸接式機(jī)器人手臂集成了多個(gè)旋轉(zhuǎn)和線性運(yùn)動(dòng)模式，具有多個(gè)自由度，但是也需要在制動(dòng)器和手臂之間進(jìn)行仔細(xì)的協(xié)調(diào)。 其他一些設(shè)計(jì)適用不同的線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合用于特定的應(yīng)用場景，比如平行四邊形的實(shí)現(xiàn)方案，用于精確和快速地在短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，例如拾取和放置小型組件。隨著自由度的提升，對每個(gè)方向自由度快速、流暢、準(zhǔn)確和同步控制的要求也呈指數(shù)級增長。 就軌跡配置文件而言 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法看似非常簡單：有驅(qū)動(dòng)器的支持末端執(zhí)行器快速準(zhǔn)確的到達(dá)指定的位置，當(dāng)然也會涉及一些調(diào)整，和所有工程決策一樣，取決于給定應(yīng)用的最優(yōu)結(jié)果相關(guān)的優(yōu)先級設(shè)置。 舉個(gè)例子，如果結(jié)果偏離過大或者有可能出現(xiàn)碰撞，我們設(shè)置加速和減速過快來快速達(dá)到更高的運(yùn)動(dòng)速度，這樣操作能夠接收嗎？對于速度精確度控制值得嗎，要達(dá)到什么程度？加速度、速度和行程的選擇與從位置A到位置B期望的轉(zhuǎn)換有什么關(guān)聯(lián)？在某些特殊應(yīng)用中定義“最優(yōu)”的優(yōu)先級和參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)是什么？ 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制和其它運(yùn)動(dòng)控制方面的專家已經(jīng)制定了標(biāo)準(zhǔn)的軌跡配置規(guī)范，對于給定應(yīng)用能夠提供各種方法來實(shí)現(xiàn)期望的平衡方案。所有選型都涉及到根據(jù)現(xiàn)在的情形和反饋信號進(jìn)行實(shí)時(shí)的計(jì)算，但是某些應(yīng)用可能會需要更重要、更高分辨率計(jì)算的需求。這些配置類型包括： · 簡單的梯形配置，電動(dòng)機(jī)以固定的加速度從零加速到期望的速度，并進(jìn)行保持，然后以固定的加速度減速到零，到達(dá)指定的位置（圖6）。雖然較大的加速度能夠加速整個(gè)過程，但是整個(gè)過程可能不夠平緩，出現(xiàn)突然的變化，我們成為驟停或者驟起，這樣反而會造成不準(zhǔn)確和超量。 圖6：最簡單的運(yùn)動(dòng)軌跡配置方式就是梯形模式，分別設(shè)置常量加速度、常量速度、常量減速度，從起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)控制是均勻的（來源：Performance Motion Devices） · S曲線型，這種方式比梯形模式更常見，加速度從零不斷上升，達(dá)到指定速度后不斷下降（圖7）。到達(dá)指定位置后，減速度逐漸上升然后在目標(biāo)點(diǎn)附近減為零。實(shí)際上S型曲線可以劃分為七個(gè)不同的階段，與梯形模式的三個(gè)階段相對比。 圖7：相比梯形模式S曲線型控制更加的復(fù)雜，但是在轉(zhuǎn)換的實(shí)際路徑過程中不會出現(xiàn)突然的抖動(dòng)（加速的突然變化）（來源：Performance Motion Devices） ·波浪型運(yùn)動(dòng)控制，用戶設(shè)置一系列所要達(dá)到的位置點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)控制器會平滑的通過所有這些點(diǎn)（圖8）。這種模式在靈活性和控制上都具有最大的優(yōu)越性，對于高級的運(yùn)行控制場景非常有必要。實(shí)現(xiàn)平滑的曲線控制和計(jì)算過程都非常的復(fù)雜，盡管需要非常大的計(jì)算量，但是由于舍入或截?cái)嗾`差需要在保證分辨率的情況下實(shí)現(xiàn)。 圖8：波浪型運(yùn)動(dòng)控制允許用戶在起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間定義一系列的位置標(biāo)記點(diǎn)，控制器需要控制末端執(zhí)行器平滑的通過這些點(diǎn)（來源：NI） 當(dāng)然還有其他的運(yùn)動(dòng)控制配置模型，這與專用應(yīng)用場景或者行業(yè)有關(guān)，無論哪種控制模式，首先要先明確需求然后是如何實(shí)現(xiàn)。眾所周知高效的PID閉環(huán)控制算法是驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和末端執(zhí)行器最常用的方法，具有足夠高的準(zhǔn)確度和精密度（參考1）。 單個(gè)軸的高效控制是非常好實(shí)現(xiàn)的，但是機(jī)器人的控制則變得非常的復(fù)雜，因?yàn)樗枰獢U(kuò)展兩個(gè)、三個(gè)甚至更多的電動(dòng)機(jī)以及不同的自由度，當(dāng)其中一個(gè)獨(dú)立組件的狀態(tài)變化時(shí)，我們需要及時(shí)的同步和協(xié)調(diào)其他的組件，實(shí)現(xiàn)我們所期望的功能和性能要求。 確定的標(biāo)準(zhǔn)vs自定義運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用 對于標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用，采用專用固定功能的嵌入式IC能夠大大簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且讓產(chǎn)品快速面市。相反，對于非標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，運(yùn)動(dòng)控制模型需要我們自定義，如果各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸之間的關(guān)聯(lián)比較復(fù)雜，必須適配異常或獨(dú)特的事件，那么設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)就需要采用全可編程的處理器。而且還需要處理器集成數(shù)字信號處理（DSP）功能來滿足計(jì)算密集型任務(wù)需求或者采用可編程邏輯器件（FPGA）。當(dāng)我們考慮可編程器件時(shí)，除了IC器件本身的硬件功能外，供應(yīng)商、第三方工具、可用的軟件模塊都是我們做出選擇是需要考慮的重要因素。 需要注意的是控制器與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器是不同的，一般采用MOSFET/IGBT驅(qū)動(dòng)/器件來控制電動(dòng)機(jī)的功率，主要是兩個(gè)原因。首先這些功率器件需要能夠驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，獨(dú)立于控制器。其次基于MOSFET的高密度互補(bǔ)處理技術(shù)用于數(shù)字控制器與功率器件的處理過程完全不同。對于小型的電動(dòng)機(jī)，我們可以將控制器、驅(qū)動(dòng)器和電源器件集成在一起。盡管存在著根本上的差異，“控制器”通常指具備電源功能的模塊，因此一般會在關(guān)鍵詞搜索時(shí)造成困擾。 一些運(yùn)動(dòng)控制IC的實(shí)例展示了這些器件的使用范圍，基本的單功能器件如Toshiba TB6560AFTG是一款PWM斬波型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)IC，可用于雙極步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正弦信號輸入，實(shí)現(xiàn)微調(diào)（圖9）。采用QFN（方形扁平無引腳）封裝，物理尺寸7x7mm，采用一個(gè)時(shí)鐘信號就可以提供高性能的正向和反向雙極型步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，并且能夠給電動(dòng)機(jī)繞組輸送2.5A的電流。 圖9：Toshiba TB6560AFTG是一款步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器，具有微調(diào)功能，集成2.5A MOSFET功率模塊，能夠直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)繞組。（來源：Toshiba公司） 即使在微調(diào)模式下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)問題就是在啟動(dòng)和停止時(shí)它的輸出存在振動(dòng)，盡管在很多應(yīng)用中這不算是個(gè)問題，但是如果我們處理像玻璃器皿這樣的精致物品時(shí)就是一個(gè)大問題，還有可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)。因此，TB6560AFTG允許用戶調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流的上升/下降，并且建立完善的電流上升/下降的轉(zhuǎn)換，從而將振動(dòng)減小到最低（圖10）。 圖10：在具體應(yīng)用中，Toshiba TB6560AFTG需要很少的外部組件，并且接收系統(tǒng)處理器的高級指令，最后轉(zhuǎn)換為詳細(xì)的步進(jìn)控制信號（來源：Toshiba公司） 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的最頂端是一些高級的單元，例如TI C2000微控制器系列。C2000包括多個(gè)系列的器件，分別集成不同的功能，如基礎(chǔ)的處理功能、數(shù)字計(jì)算能力、輸入/輸出接口的數(shù)量和類型以及管家功能如定時(shí)器、看門狗和脈沖寬度調(diào)制發(fā)生器。 舉個(gè)例子，C2000分組下的TMS320 Delfino系列處理器（圖11）提供原生浮點(diǎn)支持，消除了定點(diǎn)開發(fā)的挑戰(zhàn)，當(dāng)然它也支持帶有IQMath虛擬浮點(diǎn)引擎的原生器件之間的定點(diǎn)和浮點(diǎn)代碼的移植。這就系統(tǒng)中就不需要設(shè)計(jì)第二個(gè)集成單核或者雙核的處理器了，同樣能夠提供高效的數(shù)字信號處理的算數(shù)任務(wù)以及微控制器的系統(tǒng)控制任務(wù)。它們同樣也集成了三角數(shù)學(xué)單元（TMU）加速器，這樣就加速了很多控制回路中常見三角算法的執(zhí)行速度，比如轉(zhuǎn)矩閉環(huán)算法。 圖11：TI C2000系列器件包括多個(gè)子系列，每個(gè)子系列有包含多個(gè)不同規(guī)格的器件；Delfino分組就包括一個(gè)強(qiáng)大的處理器和嵌入式協(xié)處理器，內(nèi)部集成了很多基于硬件的功能，很大程度上降低了編程難度，加速了執(zhí)行速度。（來源：TI） 支持這些處理器的是開發(fā)工具和套件，比如 LAUNCHXL-F28377S C2000 Delfino LaunchPad就是基于TMS320C28x 32位CPU處理器（圖12）。這款套件還集成了F28377S微控制器單元（MCU），能提供400MIPS的系統(tǒng)性能，介于200MHz C28x中央處理單元和200MHz實(shí)時(shí)控制協(xié)處理器之間。這款微控制器還包含1MB板載FLASH以及豐富的外圍設(shè)備比如16位/12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、比較器、12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器、正弦濾波器、高分辨率脈寬調(diào)制器、增強(qiáng)的捕獲模塊、增強(qiáng)的積分編碼模塊、CAN總線網(wǎng)絡(luò)模塊等等。 圖12：一些工具如TI公司推出的LaunchPad對于開發(fā)、集成和評估基于C2000 Dlifino系列處理器應(yīng)用的硬件和軟件功能至關(guān)重要（來源：TI）