人形机器人多关节的电机伺服控制系统

本月初上海国际机器人展示会，展出的几乎都是进口设备，国产的机器人演示的速度与精度远低于进口的，在上海电视台的采访中，国产厂家（机器人与伺服电机厂家）也坦言关键技术受制于人，尤其是精密伺服电机减速箱，基本都被日本公司控制，其实这跟我们的发展是在学日本人有关，伺服电机的编码器的使用都是装在了电机尾部，这种安装形式优点是增量脉冲信号对于速度贡献的精度高，动态响应好，同时输出的UVW信号提供电机换相信号，我也经常被问到有没有国产的绝对值编码器可以替换现在装在伺服电机尾部的增量编码器, 伺服电机要选用绝对值编码器，如果还是装在电机尾部，那样的编码器要求分辨率很高（为满足伺服电机的动态特性要求，最少17位以上）、信号输出响应要求快（比如EnDat等专用信号），这对于绝对值编码器国产化以及成本要求带来了很大的难度。

但是这种安装对于最终的机械输出的精度还是要取决于精密减速箱与机械传动上的精度，而这个恰恰又是日本及德国的加工强项。

如果照样学习日本的（德国的成本更贵，我们国内较少有人去学的），那就必然钻进了日本精密机械加工的圈了。

实际上装绝对值编码器与原来已经使用的增量编码器并没有对立，而一定要替换掉，其实这次展会，就算是日本的尼康公司，也提出了仅仅在伺服电机高速端装编码器不够的弊端，欧洲早有在低速端加装绝对值编码器补充信号提高精度，电机高速端用增量编码器确保电机动态特性的使用方法。

这样可以避开减速箱精密性问题，实现用绝对值编码器的确定绝对位置的重复精度，但那样机械设计与电气增加绝对值编码器信号接口就要重新考虑设计了，在国内普遍只会照样子学国外而不愿冒险创新，或者嫌麻烦不愿重新设计机械结构，这种想法恐怕也就一闪而过了。

于是，明年的展会上我们国产的厂家可能还是在抱怨精密减速箱。

仿人机器人关节的电机伺服系统摘要：本文围绕电机伺服系统在仿人机器人上的应用，简要介绍了电机伺服系统各部件的发展现状和几款适用于仿人机器人的电机伺服系统，并在此基础上分析了系统选型时须要重点考虑的因素。

指出了今后仿人机器人关节电机伺服系统发展的方向和应着重研究的方面。

关键词：电气传动；仿人机器人；伺服系统；永磁同步电机0 引言2000 年，日本本田公司发布的仿人机器人ASIMO 吸引了全世界的目光。

过去十年里，得益于计算机、电气工程、材料工程、传感器科学等相关学科的发展，仿人机器人技术也有了长足的发展[1]。

世界范围内，各个公司、大学、研究所开发了数以百计的仿人机器人。

其中较为突出的有日本本田公司、美国麻省理工大学、俄亥俄州立大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学等[2]。

仿人机器人由控制系统、关节伺服系统、传感器系统、能源系统和本体结构五部分组成。

关节伺服系统按驱动方式可以分为液压伺服、气动伺服、电机伺服、压电伺服等。

这几种系统中，液压伺服抗污染能力差、调试维护困难、瞬间过载能力低；气动伺服非线性程度高、定位刚度小；电机伺服通常需要减速机构，使其体积增大；压电伺服一般不需要减速机构，易于实现微型化，但其驱动电路复杂，多用于微型机器人或仿人机器人的手指关节[3]。

比较几种伺服系统的优缺点，电机伺服系统，尤其是旋转电机伺服系统由于技术成熟、可靠性高、刚度强、较易驱动，是目前仿人机器人关节伺服系统的首选。

许多文章详细介绍了工业用电机伺服系统的选型方法，但在仿人机器人中，由于使用电池供电，供电电压低、功率/能量密度受限，且机器人的体积、重量均有严格的要求，所以仿人机器人关节中使用的电机伺服系统有其特殊的要求。

例如低工作电压、低损耗、高功率密度、轻重量、单一电源供电、高可靠性。

本文围绕仿人机器人的需求特点，对其关节电机伺服系统的组成、类别、现有产品的性能和功能进行介绍和对比，为相关领域的伺服系统选型提供依据。

1 伺服系统的组成电机伺服系统一般是由电动机、位置传感器、电流传感器、功率器件和控制器五部分组成的闭环系统，如图1 所示。

1.1 电机永磁无刷电动机无需励磁绕组和励磁电源，结构相对简单，具有很高的功率密度，非常适合仿人机器人这种对体积、重量十分敏感的场合。

在伺服系统中应用的永磁无刷电动机分为无刷直流电动机（brushless dc motor, BLDCM）和永磁同步电动机（permanent-magnetsynchronous motor, PMSM）两种。

前者设计和生产费用低，但转动时不可避免有矩脉动；后者正弦波驱动，理论上可完全消除转矩脉动，但需要更高精度的转子位置传感器和更复杂的控制器件。

1.2 位置传感器1.2.1 光电编码器在位置伺服系统中，光电编码器常被采用作为位置传感器。

它具有精度高、分辨率力高、工作范围大、功耗低、非接触测量等优点，但由于光栅盘是精密的光学元件，其抗振性能差，轴向的振动极易使其破碎，烟雾、灰尘等杂质也会影响光路系统。

光源、镜头、光栅盘和光电传感器组成的光路系统只能轴向排布，也令光电编码器的厚度难以缩小。

目前商品化的光电编码器中，体积较小的是SCANCON 公司的增量式光电编码器，其分辨率为1000 线/转，尺寸为。

1.2.2 磁编码器磁编码器是近年发展起来的以一种新型电磁敏感元件为基础的检测装置。

这种编码器使用具有交替变化磁场的永磁体盘代替光栅盘，使用巨磁电阻（giant magneto resistance，GMR）等磁敏元件代替光电元件，把磁信号变为电信号，如图1 所示，从左至右依次为：外壳体、永磁盘、电路板（含传感器和调理电路）、外壳盖。

在工作中，磁编码器不易受尘埃和结露影响，抗振能力强，可靠性高，同时其结构简单紧凑，无需复杂的光源和光学元件，易于实现小型化，尺寸可至。

但受充磁技术的制约，磁编码器的精度一般不高，采用细分技术后可达到1000 线/转。

1.3 功率器件在中小功率的应用中，一般使用电力MOSFET 或IGBT 作为功率器件。

电力MOSFET具有易驱动、开关速度快的优点，但其导通损耗和耐压能力之间存在矛盾，故一直局限于在低压场合使用。

IGBT 是一种复合型的功率器件，整合了MOSFET 和BJT 的优点，驱动端类似MOSFET 的结构，通过电压控制，所需功率小，而开关端则与BJT 相似，耐压水平高、电流大、导通损耗小。

但其关断时间较长，因此开关损耗较大，而且其导通压降为固定值，与流过电流无关，在开关电压较高的时候才能体现出其低损耗的优点。

仿人机器人电源电压一般在100V 以下，故其关节伺服系统多采用电力MOSFET 作为功率器件。

1.4 控制器在仿人机器人领域，为了满足体积和重量这两个关键指标，一般会带有为电机控制优化的硬件模块（如PWM 调制、增量编码器计数）的DSP 或MCU 作为微控制器。

有的微控制器甚至将坐标变换、空间矢量控制等算法也做成硬件模块。

现代仿人机器人一般通过网络总线实现对各个关节的控制，因此控制器DSP 也会集成UART、CAN 等通讯模块。

2 国内外产品国内仿人机器人领域使用较多的是Copley、Elmo、MAXON 等国外公司的伺服产品。

国内厂家和研究机构中，北京和利时也有自主研发的低压小型伺服产品；哈尔滨工业大学成功研制了适用于仿人机器人的低压微小型伺服系统。

本节将分别介绍上述产品的功能、性能以及特点。

2.1 美国 Copley Controls 伺服驱动器该公司的 Accelnet 系列伺服驱动器采用Freescale 公司DSP56F807 16 位数字信号控制器为主控芯片，该控制器整合了DSP 强大的处理能力和微控制器多样的功能，最高主频80MHz，使用3.3V 单电源供电，片上稳压器可为数字和模拟电路提供更低的功耗和噪声。

该系列驱动器可用20～55V 单一直流电源供电，通过反激变换器产生多路独立稳压输出，采用了平面变压器，变压器绕组印制在电路板上，整个变压器体积仅为18mmmm。

功率器件使用六个Fairchild 公司SOP-8 封装的分立MOSFET，焊在一块95mm的铝基电路板上，铝基板为外壳的一部分，热传导率高、散热性能好。

驱动器支持 CANopen 和DeviceNet 两种CAN 总线协议，一条总线上最多可挂接127 台驱动器。

配套的Copley Motion Explorer 软件可进行组网、电机配置、参数自整定、运动程序下载和调试等操作，操作界面友好，可视化程度高。

2.2 以色列 Elmo Motion Control 伺服驱动器该公司的Whistle 系列伺服驱动器采用与Accelnet 驱动器相同的主控芯片，通过进一步的精简和优化，大量使用BGA 封装等微型贴片元器件，Whistle 驱动器在更小的体积内实现了更高的持续功率输出。

该驱动器没有使用反激变换器，而是采用多个Buck 降压电路级联的形式来获得12V、5V、3.3V 电压输出。

功率器件使用六个IR 公司TO-252 封装的MOSFET，更大的封装使其可提供100V/42A 的持续输出能力，导通电阻为18mΩ。

散热方面没有采用铝基板技术，用导热粘合剂把铝制外壳粘到电路板MOSFET 背面，通过电路板上的铜箔和铝制外壳散热。

通讯功能和配套软件方面与Accelnet 驱动器类似。

2.3 瑞士 MAXON 伺服电机瑞士 maxon motor 是一个面向全球提供高精密电机和驱动系统的产品的公司。

其EC-powermax 系列无刷电机采用无槽绕组和钕铁硼磁钢，具有极高的功率密度，100W 的型号尺寸为，无齿槽效应，在低压下仍可获得高转速。

电机可与前面两种伺服驱动器构成伺服系统。

2.4 北京和利时伺服系统该公司的蜂鸟系列伺服驱动器是一款低压直流供电的小体积、高性能全数字伺服驱动器。

采用32 位高速RISC 专用芯片作为控制器，内嵌高级运动控制功能，通过通讯接口即可完成如多段点到点、直线插补、圆弧插补等功能，在100mm 的体积内可持续输出360W 功率。

其配套的海豚系列低压无刷伺服电机，采用正弦波方式驱动，装有磁性绝对值编码器，外尺寸为，功率为250W。

该系列伺服系统的功率密度、工作电压范围、定位精度等指标在国内现有产品中均处于领先地位，但仍无法满足仿人机器人对空间、重量的要求。

2.5 HIT-PEED II 伺服系统哈尔滨工业大学电力电子与电力传动研究所研制的HIT-PEED II 伺服系统，其驱动器采用TI 公司TMS320F2808 DSP 作为控制器，该DSP 专门为电机控制设计，具有ePWM、eQEP等硬件模块，主频最高可达100MHz，能够很好地满足坐标变换、矢量控制、位置伺服等复杂算法的需求。

驱动器只需单一电源供电，工作电压范围宽（15～75VDC），支持CAN 总线通讯，能实现BLDCM 和PMSM 的三闭环控制，适用性广。

采用IR 公司MOSFET 作为功率器件，导通电阻只有18m 伲?钪涨??餍?士纱％。