仿人机器人关节驱动微型伺服系统_杨明

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 ５ 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
杨明 ， 王宏佳 ， 杨炀 ， 徐殿国 （ ） 哈尔滨工业大学 电气工程系 ， 黑龙江 哈尔滨 １ ５ ０ ０ ０ １
用于仿人机器人关节驱动的微型伺服系统目前完全依赖进口 。 基于分析微型伺服系统各部件的发 摘要 ： 展现状与技术特点 ， 研制了一款适用于仿人机器人关节驱动的国产伺服系统 ， 包括永磁无刷伺服电机 、 巨磁阻 编码器 、 高功率密度驱动模块以及通讯单元 。 通过与国内仿人机器人研究单位常用的几款进口伺服系统进行 验证所研制的微型伺服系统满足仿人机器人关节驱 动 对 功 率 密 度 比 等 性 能 指 标 的 要 求 ， 可完全代替进 对比 ， 口产品 。 关键词 ： 仿人机器人 ； 关节驱动 ； 微型伺服系统 ， 永磁同步电动机 中图分类号 ： ＴＭ ３ ５ ９ 文献标识码 ： Ａ
图 １ 电机伺服系统框图 Ｆ ｉ ． １ Ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｄ ｉ ａ ｒ ａ ｍ ｏ ｆ ｍ ｏ ｔ ｏ ｒ ｓ ｅ ｒ ｖ ｏ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｇ ｇ ｙ
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电气传动 ２ ０ １ １ 年 第４ １ 卷 第１ ０期

仿人机器人关节驱动微型伺服系统
瞬 间 过 载 能 力 低； 气动伺 服非 线 性 程度 高、 定 难、
３］ ； 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
４］ 。 比较几种伺服系统的 仿人机器人的手指关节 ［
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 。 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 而且变化范围大 、 低损耗 、 高功率密度 、 重量轻 、 单
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） ；哈尔滨工业大学优秀青年教师培养计划资助 国家高技术研究发展计划 （ ８ ６ ３ 计划 ）（ ２ ０ ０ ８ ＡＡ ０ ４ ２ ６ ０ ２ 基金项目 ： （ ） ； 台达环境与教育基金会 《 电力电子科教发展计划 》 资助 Ｈ Ｉ ＴＱＮ Ｊ Ｓ． ２ ０ ０ ９． ０ ２ ６ ， ： 杨明 （ 男， 博士 ， 副教授 ， １ ９ ７ ８－ ） Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ａ ｎ ｍ ｉ ｎ ｉ ｔ ． ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ 作者简介 ： ＠ｈ ｙ ｇ ｇ
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电气传动 ２ ０ １ １ 年 第４ １ 卷 第１ ０期
杨明 ， 等： 仿人机器人关节驱动微型伺服系统
一电源供电 、 高动态性能 、 高可靠性等等 。 本文围 绕仿人机器人对 关 节 驱 动 的 要 求 特 点 ， 详细介绍 类别 、 目前广泛应用的关节电机伺服系统的组成 、 性能特点等 。 在此基础上研制了一台国产微型伺 服系统 ， 通过与国外同类伺服系统的对比研究 ， 结 果表明所研制的微型系统满足仿人机器人关节驱 可取代进口产品 。 动的性能要求 ， 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 等磁敏元件代替光电元件 ， 把磁信 磁电阻 （ ＧＭＲ） 号变为电信 号 。 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 。 但受充磁技术 的 制 约 ， 磁编码器的磁极数不 通过控制充磁 ， 是磁场分布呈理想 可能提得很高 ， 的正弦波 ， 那么可 通 过 波 形 细 分 技 术 进 一 步 提 高
７］ 。 目前商品化的磁编码器分辨率 精度和分辨率 ［
２ 关节驱动伺服系统的组成
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 ５ 部 分 组 成 的 闭 环系统 ， 如图 １ 所示 。
。 可达 １ ０ ０ ０ 线／ ｒ ２． ３ 功率器件 在中小功 率 的 应 用 中 ， 一 般 使 用 电 力 ＭＯ Ｓ － 。 Ｆ Ｅ Ｔ 或Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ 作为功率器件 电力 ＭＯ Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ具 有易驱动 、 开关速度快的优点 ， 但其导通损耗和耐 故一直局限于在低压场合 压能力之间存在 矛 盾 ， 使用 。 整合了 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ 是 一 种 复 合 型 的 功 率 器 件， 驱 动 端 类 似 ＭＯ ＭＯ Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ和Ｂ Ｊ Ｔ 的 优 点， Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ 的结 构 ， 通 过 电 压 控 制， 所 需 功 率 小， 而开关端则 与Ｂ 耐 压 水 平 高、 电 流 大、 导 通 损 耗 小。 Ｊ Ｔ 相 似， 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 。 目前主流 Ｉ 而 Ｇ Ｂ Ｔ 导通压降为 １． ５～２． ５ Ｖ， １ ０ ０Ｖ 耐压的 ＭＯ Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ 导通电阻一 般 在 １ ５～３ ０ ｍΩ。 仿人机 器 人 电 源 电 压 一 般 在 １ ０ ０ Ｖ 以 下， 电流为数 十 因 此， 使 用 ＭＯ Ａ， Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ 作为功率器 。 件可减少导通损耗 ２． ４ 控制器 在仿人机器人领域， 为了满足体积和重量这 一般会带有为电机控制优化的硬 ２个关键指标， 如 ＰＷＭ 调 制 、 增量编码器计数） 的Ｄ 件模块（ Ｓ Ｐ 或 ＭＣ Ｕ 作为 微 控 制 器。 有 的 微 控 制 器 甚 至 将 空间矢量控制等算法也做成硬件 坐标 变 换、 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 Ｄ Ｓ Ｐ也会集成 ＵＡＲ Ｔ， Ｃ ＡＮ 等通讯模块 。
１ 引言
日本本田公司发布的仿人机器人 ２ ０ ０ ０ 年， 得 Ａ Ｓ Ｉ ＭＯ 吸引了全世 界 的 目 光 。 过 去 １ ０ 年 里， 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
１］ 。 其中较为 突 出 的 有 日 本 本 田 公 司 、 发展 ［ 美国