機(jī)器人(rén)的應(yīng)用日漸(jiàn)廣泛(fàn)，對(duì)工業生產與提高效能有(yǒu)重要作用。工(gōng)業機器人(rén)主(zhǔ)要(yào)利(lì)用伺服電(diàn)機(jī)進行運(yùn)動控(kòng)製，從而(ér)實現移動和抓(zhuā)取工具。本文將詳細討(tǎo)論伺(sì)服電機的(dí)特點以及不同(tóng)類型伺(sì)服(fú)電機相(xiāng)應的(dí)控製原理(lǐ)。運(yùn)動控(kòng)製與機器人密(mì)切(qiē)相關。工業(yè)應(yīng)用中(zhōng)的機器人必須(xū)透過由多款電機所構(gòu)成的(dí)致動(dòng)器才(cái)能(néng)自(zì)行移(yí)動(dòng)，以執行任務(wù)或透過機器手(shǒu)臂(bì)抓取(qǔ)工(gōng)具。機(jī)器(qì)人的運動(dòng)控(kòng)製(zhì)係(xì)統通常由電(diàn)機控製(zhì)器，電機(jī)驅動(dòng)，電機(jī)本體(tǐ)(多為伺服(fú)電機(jī))組(zǔ)成。電機控製器(qì)具(jù)備智(zhì)能運(yùn)算功(gōng)能，並可傳送(sòng)指令(líng)以驅(qū)動(dòng)電機。驅動(dòng)可提供(gōng)增壓(yā)電(diàn)流，根據(jù)控製器指(zhǐ)令(líng)以驅動電(diàn)機(jī)。電(diàn)機(jī)可以直(zhí)接移動(dòng)機(jī)器人(rén)，也可通過傳動(dòng)係(xì)統或鏈條係(xì)統讓機器(qì)人(rén)移(yí)動(dòng)。
移(yí)動(dòng)機器人(rén)往往(wǎng)用於探(tàn)索大(dà)範圍(wéi)麵積的土地，並能(néng)夠(gòu)使用各(gè)種螺旋(xuán)槳，機器腳(jiǎo)，輪子(zǐ)，軌(guǐ)道或(huò)機器(qì)臂移動。例如各種NI展(zhǎn)示平(píng)台，包括VINI，VolksBot與Isadora。這些(xiē)機(jī)器(qì)人分別(bié)使(shǐ)用(yòng)了(liǎo)全(quán)向輪(Mecanum wheel)，一(yī)般輪(lún)以(yǐ)及機器手(shǒu)臂。而針(zhēn)對嵌入式控製，則(zé)可(kě)通過(guò)NI CompactRIO等(děng)嵌(qiàn)入式平(píng)台，並整(zhěng)合實時控(kòng)製(zhì)器與FPGA。CompactRIO亦(yì)包含可(kě)重(zhòng)配置機箱(xiāng)，能(néng)夠(gòu)容納多樣(yàng)化的I/O配置，包含傳感器輸(shū)入(rù)與電(diàn)機控製。VINI是使用(yòng)全向輪的(dí)機(jī)器人平(píng)台，能(néng)以(yǐ)多(duō)方(fāng)向行進。除(chú)了(liǎo)像傳(chuán)統輪子般(bān)的(dí)前(qián)進(jìn)與後退(tuì)，全向輪亦可(kě)將(jiāng)輪軸(zhóu)旋轉為(wéi)相反方向，以任(rèn)何方(fāng)向行進(jìn)。此款(kuǎn)車(chē)輪已普遍用(yòng)於(yú)必須能(néng)在狹小(xiǎo)空間中移動(dòng)的(dí)自動堆高(gāo)機等應(yīng)用。VINI還(huán)是(shì)一款(kuǎn)地圖(tú)描(miáo)繪(huì)機器人(rén)，通過NI工業級控(kòng)製(zhì)器與CompactRIO執行路徑(jìng)規劃(huá)與數據(jù)處理作業。嵌入(rù)式的(dí)工(gōng)業級控(kòng)製器(qì)提供(gōng)雷(léi)射掃(sǎo)描(miáo)地(dì)圖(tú)，並執行機器視覺處理，讓(ràng)CompactRIO接收(shōu)傳感器數(shù)據(jù)，並在攝像機係(xì)統(tǒng)上控製伺服(fú)電(diàn)機(jī)。
VolksBot搭(dā)載(zǎi)的車輪(lún)是由德國的弗勞(láo)恩霍夫研究(jiū)所(Fraunhofer Institute)所開發的。
Isadora則是一種會(huì)跳舞的(dí)人(rén)形(xíng)機器人，經由人類操作縮小(xiǎo)版(bǎn)的機器人以取得(dé)輸入數(shù)據(jù)。接著(zhuó)開始移動自己的(dí)機器手(shǒu)臂與(yǔ)軀(qū)幹(gān)，以模仿縮小(xiǎo)版(bǎn)機(jī)器(qì)人的運(yùn)動。Isadora采(cǎi)用2組(zǔ)CompactRIO，其(qí)中1組用於仿真已(yǐ)記錄(lù)的運(yùn)動，另1組則(zé)是讓機(jī)器(qì)人(rén)重現(xiàn)運動軌(guǐ)跡(jì)。
伺服(fú)電機(jī)控製原理(lǐ)及(jí)其類型
伺服(fú)電(diàn)機是機器(qì)人應用中常見(jiàn)的一(yī)種電機，其基本控製原理是利用控製回路，結合必要(yào)的(dí)電(diàn)機反饋，從(cóng)而協助電(diàn)機進(jìn)入所需的(dí)狀態(tài)，如(rú)位(wèi)置(zhì)與(yǔ)速度(dù)等(děng)。由於(yú)伺服電機(jī)必(bì)須(xū)通(tōng)過(guò)控製(zhì)回(huí)路(lù)了(liǎo)解(jiě)目前(qián)狀態，因此(cǐ)其穩定性高於(yú)步(bù)進電機(jī)。伺(sì)服電(diàn)機有不(bù)同(tóng)種(zhǒng)類——帶刷式(shì)與(yǔ)無(wú)刷(shuā)式。有刷伺服(fú)電機與(yǔ)無刷伺(sì)服電(diàn)機(jī)之(zhī)間的(dí)差異(yì)在於(yú)其(qí)通訊機製。伺服電機的(dí)工作原理是根據反向磁(cí)力，進(jìn)而移動或(huò)建立(lì)轉(zhuǎn)矩(jǔ)。簡單的(dí)例(lì)子有固定(dìng)磁(cí)場與旋(xuán)轉(zhuǎn)磁(cí)場。隻要(yào)改變流過(guò)磁(cí)場的電流方向，即(jí)可變(biàn)更磁極，並(bìng)讓磁(cí)極(jí)(轉(zhuǎn)子(zǐ))開(kāi)始旋(xuán)轉。變(biàn)更綫圈的電(diàn)流(liú)方(fāng)向(xiàng)，即所謂的(dí)“換相"(commutation)。有(yǒu)刷伺(sì)服(fú)電(diàn)機(jī)
有刷伺(sì)服電機(brushed motor)的控製原理(lǐ)即(jí)是通過(guò)機(jī)械(xiè)式電刷，改(gǎi)變(biàn)電機綫(xiàn)圈中(zhōng)的(dí)電流。由於(yú)有刷電(diàn)機能改(gǎi)變流入的電(diàn)流方(fāng)向，因(yīn)此可由(yóu)直流(liú)電源(yuán)(DC)供(gōng)電。有刷(shuā)伺服(fú)電機(jī)可分為2組零(líng)件：
- 電機機(jī)殼(ké)即(jí)具有場(cháng)磁鐵(tiě)(Field magnet)，即(jí)定(dìng)子(Stator)
- 轉子(zǐ)(Rotor)是(shì)由綫(xiàn)圈所(suǒ)構成(chéng)，中間具有鐵製核(hé)心，並(bìng)連接(jiē)至電流(liú)變換器(qì)
電刷(shuā)則接觸電流(liú)變(biàn)換(huàn)器，將(jiāng)電流(liú)導入綫圈中(zhōng)。在使用一段時間之(zhī)後，電(diàn)刷(shuā)即(jí)可(kě)能(néng)磨(mó)耗並對係(xì)統(tǒng)產生摩擦力；但在無刷伺(sì)服電(diàn)機中(zhōng)則(zé)不會發(fā)生此種情況(kuàng)。大(dà)多(duō)數(shù)的無刷伺服電機均使(shǐ)用(yòng)交流(liú)電源(AC)。無(wú)刷伺服電機(jī)的控製原(yuán)理是將(jiāng)鐵製核(hé)心置於外(wài)部(bù)。當(dāng)轉子成為暫時性的(dí)磁鐵，定(dìng)子則(zé)成為繞鐵綫圈。外(wài)部電路的電(diàn)流將(jiāng)會在(zài)既定(dìng)的轉(zhuǎn)子位(wèi)置進行反轉。所(suǒ)以，此款伺服(fú)電機(jī)是由交流(liú)電(diàn)所驅(qū)動(dòng)的。當然亦有無刷DC伺服電機(jī)。這些電機一(yī)般均(jūn)具備某(mǒu)些電(diàn)子(zǐ)切(qiē)換(huàn)電(diàn)路，可針(zhēn)對流(liú)入的DC進行(háng)變換。無刷(shuā)伺服(fú)電機的(dí)價(jià)位較(jiào)高(gāo)，但(dàn)較(jiào)無(wú)磨(mó)損(sǔn)問題。在機器(qì)人運動(dòng)應(yīng)用(yòng)中(zhōng)，步進(jìn)電機(jī)不如伺服電機普及，但仍(réng)為(wéi)電機(jī)的重要範例，而(ér)且使(shǐ)用方(fāng)式較(jiào)為簡(jiǎn)易。與伺服(fú)電機相(xiāng)比，步進(jìn)電(diàn)機(jī)的速度(dù)較(jiào)慢亦(yì)較(jiào)為(wéi)精確。步進電機(jī)中具有(yǒu)一(yī)係(xì)列內(nèi)建的無(wú)刷齒(Brushless teeth)，可在電(diàn)流(liú)通過(guò)而(ér)改變電(diàn)磁(cí)電荷(hé)後(hòu)，由下一組刷(shuā)齒拉(lā)動轉子(zǐ)，前一組刷齒(chǐ)推(tuī)動(dòng)轉(zhuǎn)子(zǐ)，從而為(wéi)步(bù)進電機(jī)通電(diàn)。
相較於(yú)伺(sì)服(fú)電機，由於步進電(diàn)機可(kě)通過刷齒的數量(liáng)(即等(děng)於所移(yí)動的距離(lí))進而精確(què)進行控製(zhì)，因此(cǐ)一般(bān)情況下(xià)並(bìng)不需要反(fǎn)饋。但(dàn)可能(néng)因為障(zhàng)礙(ài)物(wù)而(ér)遺漏(lòu)刷齒(chǐ)，因(yīn)此可用編(biān)碼(mǎ)器做為反(fǎn)饋。運動控(kòng)製器與(yǔ)軟(ruǎn)件架構(gòu)
至(zhì)於(yú)機(jī)器人任務規(guī)劃的較高階(jiē)功(gōng)能，則是讓(ràng)機器人的行(háng)動(dòng)達到(dào)最終的目標(biāo)。它可(kě)能是(shì)以單一指令(líng)囊括(kuò)多組目標，或可(kě)讓機器(qì)人進(jìn)入特(tè)定位(wèi)置(zhì)。若(ruò)機(jī)器人(rén)采(cǎi)用遙(yáo)控(kòng)(Tele-operated)架(jià)構，那麼這(zhè)些指令(líng)最(zuì)可能(néng)通(tōng)過(guò)連接(jiē)板外(wài)(off-board)的計算機(jī)而傳(chuán)送的，而(ér)且(qiě)可(kě)在此人為操作選擇(zé)機(jī)器人的後(hòu)續(xù)動作或行為。在自動(dòng)化的機(jī)器人(rén)中，根據決(jué)策用(yòng)算法(fǎ)的不(bù)同，任務(wù)規劃亦可能(néng)直(zhí)接在(zài)板(bǎn)上執行(háng)。
在規劃路徑時，往往(wǎng)會產(chǎn)生“我(wǒ)應該(gāi)如何到(dào)目(mù)的地(dì)以完成此(cǐ)任務(wù)？"或(huò)是“我(wǒ)應如何讓機器(qì)手臂(bì)移(yí)動到(dào)該(gāi)位置？"等問題(tí)。而(ér)此種問題均(jūn)可由(yóu)機器(qì)人(rén)運動控製器(qì)完成。一(yī)旦清(qīng)楚目(mù)的(dí)地與行進(jìn)速度(dù)之(zhī)後，伺服電(diàn)機(jī)控製器將發出控(kòng)製信(xìn)號(hào)(PWM或電流(liú)等(děng))至實(shí)際(jì)的(dí)電機驅動，使(shǐ)其(qí)得以(yǐ)到達目的(dí)地。一(yī)般(bān)均以(yǐ)PID建(jiàn)構控製功能(néng)。另請注意(yì)，此時亦應建(jiàn)置(zhì)安(ān)全(quán)性功能(néng)。舉例來說，若(ruò)高速行(háng)進中(zhōng)的(dí)機(jī)器(qì)人在目(mù)前(qián)的路徑上偵測到人類(lèi)，則應發出(chū)緊急信號(hào)以停止電機或(huò)立(lì)刻(kè)煞車。
微信(xìn)二維碼(mǎ)
移動端瀏(liú)覽