機器人智能關節驅控結構一體化設計方法研究

莫 帥， 周長鵬， 李 旭， 楊振寧， 劉輝華， 高瀚君

(1. 天津工業大學 機械工程學院， 天津 300387； 2. 天津市現代機電裝備技術重點實驗室， 天津 300387； 3. 東莞市德晟智能科技有限公司, 廣東 東莞 523000； 4. 北京航空航天大學 虛擬現實技術與系統國家重點實驗室， 北京 100191)

隨著消費水平的提高，人們對服裝的需求量越來越大，對勞動力需求也隨之增大，紡織機器人的出現極大地提高了服裝產業的效率。2006年智能機器人被列入先進制造技術行業，標志著中國機器人行業進入快速發展階段。至2019年，工業機器人市場規模達到57.3億美元[1-2]，在2020年國家重點研發計劃中，機器人再次被重點關注，但由于機器人控制系統起步晚，關鍵核心技術受制于人，對高精尖機器人控制研究具有深遠意義[3-5]。

在紡紗環節中，通常由人工拔管、插管、落紗，造成勞動強度大，勞動成本高。為實現省時省力、提高生產效率，目前大都采用落紗理管機器人[6]，其常常工作于高速輕載有沖擊的場合。紡織機器人常用結構中包含大量機器人關節，特別是落紗理管機器人關節廣泛采用電動機加齒輪傳動系統組合設計，其中直流電動機具有良好的調速性能，可以得到較大的啟動轉矩，具有極高的性價比。針對電動機控制等領域開展了大量研究，如：顧萬里等[7]針對電動機在運轉過程中的摩擦力和負載擾動對電動機控制性能的影響，設計了基于擾動補償的自適應滑膜控制器，有效改善了在瞬態和穩態時對有刷電動機的控制效果；李宗俐等[8]設計了直流電動機轉速跟蹤器，特別針對電動機在面臨電壓電流過載時，仍能滿足快速跟蹤期望轉速；Chen等[9]針對水下機器人系統參數在某些條件下可能變化，提出了一種自適應神經網絡控制方案,提高了系統穩定性；Zhao等[10-12]針對多機器人的學習跟蹤控制，提出了一種較優跟蹤控制方法，可以在短時間內訓練多個機器人學習。

現階段大部分研究沒有將電動機與機械傳動系統結合考慮，本文針對紡織落紗理管機器人中驅動整個軀干轉動的腰部關節進行研究，以期設計機器人腰部關節運動控制可以滿足特定工況下的強度要求，并具備良好的速度、位置控制精度。

1 總體方案設計

本文設計的紡織機器人腰部關節分為關節本體部分和運動控制部分[13-15]，如圖1所示。機器人腰部關節本體設計包括結構設計和驅動板設計。根據結構設計需求進行三維建模，然后基于該模型進行有限元仿真，設計滿足要求后進行實體加工；電路板集成設計首先需選擇合適的主控芯片以及實現功能的元器件，然后分析各元器件間的布線方式，設計電路圖，繪制集成電路，最后將加工好的各個實體零件和電路板進行裝配。

圖1 機器人腰部關節設計流程圖Fig.1 Flow chart of design of waist joint of robot

運動控制主要由上位機、控制模塊、驅動模塊、電流采集模塊、過溫保護模塊、通信模塊、位置檢測模塊、電源模塊等組成。其中：電源模塊內含2級降壓電路，分別為7.4 V降壓到5 V和5 V降壓到3.3 V，為各個模塊供電；控制模塊和驅動模塊都采用STM32為控制芯片，控制模塊為實現多路控制、便于擴展采用STM32F103RCT6,驅動模塊為減小驅動板體積采用36引腳的STM32F103T8U6作為主控芯片。硬件系統框圖如圖2所示。

圖2 硬件系統框圖Fig.2 Block diagram of hardware system

工作原理為：1)開機并由電源供電，系統初始化;2)上位機通過串口發送要達到的位置指令；3)控制板接收到信號并解析指令，再將信號通過控制器局域網絡(CAN)[16]廣播的方式傳送到每一個關節驅動器；4)驅動器識別到呼叫自己的廣播后接收控制板的指令，驅動器將接收到的數據與磁編碼器檢測到的當前位置數據進行對比，通過比例積分微分(PID)計算后產生脈沖寬度控制(PWM)信號控制電動機轉動[17]，磁編碼器一直將變化的數據發送給單片機；5)驅動模塊通過模數轉換器(ADC)實時采集電動機的溫度，當實際值超過預定值時，立即關斷產生PWM信號引腳，停轉電動機，從而起到保護電動機的目的。

2 系統硬件電路設計

2.1 有刷電動機驅動電路設計

有刷電動機具有調速簡單，控制方便，價格低廉等優點，在伺服器中也大量使用。有刷直流電動機穩態下的電氣方程為

U1=E1+IdR

(1)

式中：U1表示驅動電動機外部直流電源的電壓，V；E1表示電動機在穩態下的感應電動勢,V；Id表示電動機在穩態下的電樞電流,A；R表示電動機電樞電阻,Ω。有刷直流電動機電樞繞組的感應電動勢為

E1=Cenφ

(2)

式中：Ce為電動勢常數，由電動機結構決定；n為電動機轉速,r/min；φ為勵磁磁通,T·m2。由此可推導出有刷直流電動機的轉速表達式：

(3)

由式(3)可知，有刷直流電動機調速的方法有：改變驅動電動機外部直流電源的電壓U1；改變電動機電樞電阻R；改變電動機勵磁磁通φ。本文采用PWM方波控制電動機轉速，即通過改變輸入電動機的電壓改變電動機轉速，在利用橋式電路的基礎上選用STM32F103T8U6芯片作為主控芯片，利用高級定時器改變驅動電動機平均電壓來改變轉速。橋式電路采用集成“H橋”芯片L9110S,該芯片將分立電路集成在單片集成電路(IC)中，可以減小電路設計復雜程度，提高系統穩定性。

2.2 降壓模塊設計

降壓模塊為7.4 V降壓至5 V、再由5 V降壓至3.3 V。其中7.4 V降壓至5 V電路采用LM317降壓芯片，5 V降壓至3.3 V電路采用AMS1117降壓芯片，以滿足不同模塊對電壓的需求。LM317降壓芯片為可調節降壓芯片，兩端的電壓差最大可達到40 V，本文實驗中的壓差為2.4 V，完全符合要求。LM317降壓芯片輸入輸出電壓差值計算公式為

(4)

式中，Vout為降區芯片輸出端電壓，V；R17為降壓芯片輸出引腳電阻，Ω；R18為降壓芯片調節引腳處電阻，Ω；IAdj為調節引腳輸出電流，A。由于IAdjR18<

2.3 通信模塊設計

通信模塊主要用于上位機與控制板通信及控制板與驅動板通信。上位機與控制板通信采用串口通信，所用芯片為CH340C，實現USB-TTL電平轉換，其特點為采用5 V電壓源供電，內置晶振，外圍電路連線簡單。控制板與驅動板通信采用CAN通信，所用芯片為TJA1050和SN65HVD230D，主要區別為供電電壓不同。TJA1050為5 V電壓供電，放置于控制板；SN65HVD230D為5 V通用芯片和3.3 V通用芯片，放置于驅動板。采用CAN總線通信傳遞信號，采用串聯方式在總線的起始和末端分別加裝120 Ω的電阻，可以實現多關節串聯控制，相較于PWM通信降低了連線的復雜程度。

2.4 位置檢測模塊設計

在機器人關節控制中，位置檢測具有重要地位，常用的位置檢測元件有：碼盤式位置檢測元件(如光電編碼器)、霍爾式位置檢測元件。其中，霍爾式位置檢測元件具有結構簡單、性能可靠、成本低廉等優點。本文采用AS5600磁編碼器，其采用霍爾原理，利用的是磁性檢測的方式獲取位置信號。測量角度的范圍為0°～360°；采用12位數字模擬轉換器(DAC)輸出分辨率，精度可達0.01°；其應用范圍廣、性價比高。對于磁場的采集有PWM模式和集成電路總線(IIC)通信方式，為提高采樣精度和傳輸效率，選擇IIC通信方式。

2.5 電流采集模塊設計

在電流環實驗中，設計電流采集電路，所用芯片為MAX44248。其中，OUTA和OUTB表示輸出通道A和B，INA+和INA-分別表示通道A的正負輸入，VSS表示接地，VDD表示5 V供電接口，INB+和INB-分別表示通道B的正負輸入，電流采集電路如圖3所示。在驅動芯片的接地端串聯一個采樣電阻，R8、R9、R10、R11和C24組成差分濾波電路，為了抑制零點漂移，在R12電阻上接了一個0.8 V的抬升電壓。采樣點處的電壓U0經過采樣電路后進行ADC采集，采樣得到的電壓表達式為

(5)

將讀取到的電壓進行運算，反向求出采樣點的電流。差分放大器采用集成IC芯片MAX44248，并在ADC采集點加R13和C20組成輸出一階濾波，D1為輸出電壓鉗位，可以起到輸入輸出保護的作用，同時可以利用軟件實現過流保護。

圖3 電流采集模塊電路圖Fig.3 Circuit diagram of current acquisition module

2.6 驅動控制模塊設計

驅動電路控制模塊采用的控制芯片為STM32F103T8U6芯片，該芯片具有性能高、接口豐富、功耗低、封裝體積小、性價比高等優點。其中晶振頻率為8 MHz的無源晶振采用高級定時器1產生PWM方波,兩引腳為電動機正反轉PWM和互補PWM控制輸出端，同時可以通過改變占空比控制電動機的轉速和剎車。CAN通信、IIC通信通過專用引腳接口與外設相連。為方便程序燒錄調試，采用串行調試(SWD)模式。

3 系統軟件設計

機器人關節電路部分主要由控制板和驅動板組成，控制板相當于中轉站，將上位機與驅動板建立聯系；驅動板主要用于驅動電動機轉動，實時監測電動機運轉情況，其控制流程如圖4所示。

圖4 控制程序流程圖Fig.4 Control program flow chart.(a) Control board flow chart; (b) Drive board flow chart

上位機的信號通過串口發送給控制板，控制板再將信號通過CAN總線發送給驅動板，同時還可以進行信號的反向傳遞。主程序包括串口中斷和CAN中斷，其工作流程如圖4(a)所示。驅動板主要負責驅動機器人關節的一切動作，并實時檢測電動機溫度電流，程序中主要包含CAN中斷、外部中斷、高級定時器中斷等，其中溫度保護和電流保護設為最高級中斷。主要控制過程為:驅動板接收到控制板通過CAN通信發來的信號，立即產生CAN中斷，將數據與磁編碼器的位置信號進行比較，驅動電動機轉動到該位置,其工作流程如圖4(b)所示。

4 轉速與電流雙閉環控制設計

機器人關節在運動時經常需要電動機正反轉，在單轉速比例積分(PI)調節時雖然有限流電路的保護，但在到達位置時，電流立即下降將導致停靠位置不準確。為此，引入轉速、電流環雙閉環控制，并通過實驗將單速度環與轉速、電流雙閉環控制系統進行對比分析。其中，ASR為轉速調節器、ACR為電流調節器[18-19]。在實際雙閉環調速系統中加入濾波環節，用于抑制各種擾動量對系統的影響，同時在調節器輸入端加入同等時間常數的慣性環節以平衡延遲作用。

4.1 電流環設計

參照工程設計方法設計轉速、電流雙閉環控制，遵循先內環后外環的設計原則，即先設計電流環再設計速度環。在電流環中有2個相差較大慣性環節的控制對象，采用PI調節器的典型Ⅰ型系統，PI調節器的傳遞函數為

(6)

式中：Ki為ACR比例系數；τi為ACR積分時間常數;s為傳遞函數經過拉普拉斯變換后與時間相對應的空間變量。典型Ⅰ型系統的開環傳遞函數為

(7)

式中：τ∑i=Ts+Toi；Ts為PWM方波滯后時間常數；Toi為電流反饋時間常數。

通常希望電流超調量σi≤5%，可選阻尼比ξ=0.707，KITΣi=0.5，則KI為

(8)

式中，β為電流反饋系數。令τi=Tl，可得比例系數表達式:

4.2 轉速環設計

和電流環設計相同，為實現無靜差，在電流環中已經有一個積分環節基礎上必須再加入一個積分環節。顯然，工程Ⅰ型系統已經達不到要求，所以轉速環設計必須采用工程Ⅱ型系統，轉速環的設計也采用PI閉環調節，其傳遞函數為

(9)

式中：Kn為ASR比例系數；τn為ASR積分時間常數。轉速環的開環傳遞函數為

(10)

式中：T∑n=1/KI+Ton，Ton為轉速反饋時間常數；α為轉速反饋系數；β為電流反饋系數；Ce為反電動勢系數；Tm為機電時間常數。

令轉速開環增益KN為

(11)

ASR的參數包括Kn和τn，典型Ⅱ型系統參數公式為：

τn=hT

(12)

(13)

故可推出

其中，h為中頻寬，由動態性能要求決定。

5 實驗分析

為驗證實驗的可行性，首先針對機器人關節結構部分進行設計，根據機器人腰部關節設計流程圖，采用五級減速齒輪組，電動機采用1718型精密空心杯電動機作為動力源，具體參數如表1所示。針對使用位置，設計為扇形結構，優化內部齒輪排布方式，三維圖如圖5機器人驅動關節所示。輸出端轉動速度為0～40 r/min，轉動角度為0°～360°。

表1 電動機參數Tab.1 Motor parameter

圖5 機器人腰部驅動關節Fig.5 Robot waist drive joint. (a) Front view;(b) Rear view

通過運用有限元分析，機器人腰部關節各部分應力在材料允許范圍之內，即機器人關節殼體、軸、齒輪滿足日常的使用要求。最后進行實體加工，殼體采用鋁合金材料進行銑削加工，齒輪采用銅合金材料進行滾齒加工。

控制電路方面，為實現所要求的功能，結合上述元件原理運用Altium Designer 15進行電路板設計;為減小占用面積采用雙層板設計，驅動板集成電路如圖6所示。

圖6 驅動板集成電路圖Fig.6 Driver board integrated circuit diagram. (a) Front view; (b) Rear view

最后，將各個部件進行裝配調試，完成所有硬件部分的設計，裝配實體如圖7所示。

圖7 機器人腰部關節實物圖Fig.7 Physical map of waist joint of robot.(a) Transmission system; (b) Drive board; (c) Entity

為驗證紡織機器人腰部關節運動的準確性和穩定性，利用Keil軟件編寫程序，將程序燒錄到驅動板，實現單轉速閉環控制和轉速、電流雙閉環控制，搭建如圖8所示的實驗硬件連接圖。

圖8 實驗硬件連接圖Fig.8 Experimental hardware connection diagram

Mo等[20]對控制電動機的硬件進行了對比研究。為檢驗不同控制方案下的電動機響應情況，同時觀察電流的變化情況，采用不同的控制方式進行實驗，結果如圖9所示。

在單轉速環控制時，由圖9(a)可知，速度在很快的時間就可以達到額定轉速，且超調量并不大；由圖9(b)可知，在啟動瞬間電流非常大，是額定電流的62.5倍。機器人關節為頻繁啟動部件，啟動電流沖擊加速元器件的老化，并對傳動系統造成沖擊，嚴重影響機器人關節壽命，故在工程中應盡量避免此類情況的發生。

在此實驗基礎上加入帶電流截止的負反饋，將最大電流限制在額定電流的1.5倍，測量在額定工況空載時的轉速,如圖9(c)所示。可以看出，轉速的響應時間明顯加長，并且在進入穩態之前有多次抖動使得進入穩態時間變長，主要原因是對電流不能進行動態控制。

圖9 額定工況下不同控制方案電動機響應Fig.9 Motor response of different control schemes under rated conditions.(a) Single speed loop control speed;(b) Single speed loop control current; (c) Speed control with cut-off current speed loop; (d) Speed and current double closed loop control speed; (e) Speed and current double closed loop control current; (f) Speed comparison between speed loop with cut-off and double closed loop

針對帶電流截止的速度環中轉速存在抖動，引入轉速和電流雙閉環控制，如圖9(d)、(e)所示，電動機在啟動的過程中電流環對電流進行動態調節，轉速在達到預定轉速后快速進入穩態。將轉速和電流雙閉環調速與帶電流截止的單轉速環調速進行對比，如圖9(f)所示，雙閉環調速比帶截止電流轉速環調速更快地達到額定轉速，并且對超調量的抑制效果更加明顯，可大大提高機器人關節運動的平穩性，故最終采用轉速和電流雙閉環調速。

為檢測在設定不同轉速時轉速和電流雙閉環動態調節的響應情況，分別測試500、1 000、5 000 r/min下的轉速、電流響應曲線，輸出波形如圖10所示。在轉速為500 r/min時電流沒有達到截止電流就已達到設定轉速，同時也率先進入穩態；在轉速為1 000 r/min時，電流剛剛達到設定的電流最大值就達到了設定轉速，達到穩態的時間會比500 r/min轉速時長。對比3種轉速可以看出，隨著轉速的提高，電動機進入穩態的時長變長。在轉速圖上，3條曲線都很快進入穩態，并且在轉速和電流雙閉環控制下電動機在500 r/min時，轉速誤差為±0.5 r/min；在1 000 r/min時，轉速誤差為±1 r/min；在5 000 r/min時，轉速誤差為±2 r/min。可見，電動機的轉速提高其相對誤差減小，對于高控制精度的機器人關節應盡量采用大傳動比以減小相對誤差帶來的影響。本文中機器人關節減速比為395，大大降低了相對誤差帶來的影響，該機器人關節可以滿足運動控制要求。

圖10 不同轉速下電動機響應Fig.10 Motor response at different speeds.(a) Motor speed; (b) Motor current

6 結 論

本文以紡織機器人腰部關節為研究對象，對現有關節進行優化，完成了三維模型設計和加工，針對驅動電路原理進行分析，設計關節驅動電路板，實驗證明該驅動關節具有較高性能和效率。

針對機器人關節為頻繁啟動部分，為防止電流產生嚴重超調并滿足運動控制高效、可靠的要求，可采用轉速和電流雙閉環控制。在多關節聯動控制方式上，采用CAN總線方式進行串聯通信，可避免采用PWM總線方式的并聯通信，為多路機器人關節的聯動控制簡化了系統布線。測試證明，轉速和電流雙閉環控制能滿足運動控制的需要。為減小轉速相對誤差，設計時盡量采用高減速比使電動機工作在高轉速區。