關(guān)于機(jī)器人伺服系統(tǒng)。

我們開發(fā)機(jī)器人，首先面臨的一個(gè)問(wèn)題就是電機(jī)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)器技術(shù)已經(jīng)比較成熟了，很多公司都外購(gòu)驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)行二次開發(fā)和使用。如果說(shuō)從底層開發(fā)驅(qū)動(dòng)器，需要一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)，驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)定性也需要磨合。

如果外購(gòu)驅(qū)動(dòng)器，公司可以配備一名伺服工程師和一名機(jī)器人運(yùn)動(dòng)算法工程師，以機(jī)械臂開發(fā)為例：

伺服工程師主要處理關(guān)節(jié)系統(tǒng)相關(guān)問(wèn)題。例如關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的選型、系統(tǒng)指標(biāo)測(cè)試、電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用二次開發(fā)以及生產(chǎn)，所以更像一個(gè)系統(tǒng)工程師。伺服工程師要注意機(jī)器人系統(tǒng)有變結(jié)構(gòu)、復(fù)雜工況的特點(diǎn)，例如，機(jī)械臂構(gòu)型變化，柔性機(jī)械臂與人體交互，四足機(jī)器人與各種地面的交互。

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法工程師。主要從機(jī)器人系統(tǒng)層面考慮問(wèn)題，處理機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)建模，配合攝像頭、力傳感器等進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，完成防止碰撞，或者涉及與人體接觸的柔性交互功能，系統(tǒng)振動(dòng)抑制。兩者需要緊密配合，工作內(nèi)容也相差較大。

1、關(guān)節(jié)系統(tǒng)選型

選擇直驅(qū)，還是電機(jī)+減速器。

對(duì)于位置精度要求沒(méi)有那么高，更強(qiáng)調(diào)動(dòng)態(tài)性、交互性的場(chǎng)景，現(xiàn)在直驅(qū)的越發(fā)的流行，例如四足機(jī)器人目前普遍采用直驅(qū)的方式，甚至有機(jī)械臂也開始探索直驅(qū)的方式。對(duì)于強(qiáng)調(diào)位置精度的情況，80或100的減速比，可以使整個(gè)系統(tǒng)的精度提升，但是減速器引入的慣性急劇增加、非線性環(huán)節(jié)、摩擦加大，動(dòng)態(tài)性能下降，算法實(shí)現(xiàn)變阻尼和變剛度的難度增大。通過(guò)電流估計(jì)關(guān)節(jié)力矩的能力也下降了，需要引入額外的力矩傳感器。

工作曲線

一般的機(jī)器人的工況比較復(fù)雜，但要初步確定系統(tǒng)的工況，系統(tǒng)啟停、正常工作曲線（速度-力矩曲線）。電機(jī)最重要的一個(gè)指標(biāo)，就是它的一個(gè)工作曲線。工作曲線是力矩（電流）和速度的曲線，如下圖。紅色表示持續(xù)工作區(qū)間，白色表示短時(shí)工作區(qū)間，黑線（標(biāo)有40w）表示額定功率線。

從圖中可以看到，額定功率線一下有一片白色區(qū)域（短時(shí)工作區(qū)間），這是由于電機(jī)效率下降，發(fā)熱增加所致。所以機(jī)器人的工作區(qū)間，盡量要和電機(jī)的這條曲線匹配，當(dāng)然機(jī)器人關(guān)節(jié)還需要考慮到減速器的效率和工作區(qū)間。

系統(tǒng)選型

電機(jī)的力矩、功率和速度等都是要考慮的。高速電機(jī)、低速電機(jī)，驅(qū)動(dòng)方式，極對(duì)數(shù)，都可能影響平穩(wěn)性。

以云臺(tái)電機(jī)和無(wú)人機(jī)的無(wú)刷電機(jī)為例，一個(gè)是高速電機(jī)，一個(gè)是低速電機(jī)，一般來(lái)說(shuō)云臺(tái)的極對(duì)數(shù)更多，它的低速更加平穩(wěn)，運(yùn)行的速度更低。無(wú)人機(jī)上的電機(jī)，運(yùn)行速度更高，低速的平穩(wěn)性可能會(huì)差一些。

在輸出功率不變的情況下，電機(jī)的極對(duì)數(shù)越多，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就越低，極對(duì)數(shù)對(duì)尺槽轉(zhuǎn)矩有比較大的影響，極對(duì)數(shù)多，齒槽效應(yīng)越小（電機(jī)不通電我們用手轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，會(huì)有一頓一頓的感覺(jué)），運(yùn)行相對(duì)更加平穩(wěn)，它的扭矩就越大。

2-指標(biāo)

功率。對(duì)于四足機(jī)器人，它的爆發(fā)力要足夠的強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的功率要足夠，功率質(zhì)量比質(zhì)量比也要大些，就是電機(jī)要小巧。如果系統(tǒng)太笨重，響應(yīng)慣性會(huì)比較大。

平穩(wěn)性。電機(jī)極對(duì)數(shù)、驅(qū)動(dòng)方式（正弦波比方波平穩(wěn)些）都會(huì)影響平穩(wěn)性。關(guān)節(jié)安裝的時(shí)候，會(huì)引入摩擦、間隙，如果你做的機(jī)械臂要和人連接，如果連接處松松垮垮存在間隙，也會(huì)影響輸出平穩(wěn)性。

如果電機(jī)是自己組裝的，電機(jī)的安裝導(dǎo)致磁間隙的不平衡性，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)輸出不平穩(wěn)，這種非線性在一個(gè)高速情況下會(huì)被明顯放大，而且從算法端也很難解決。

3-測(cè)試

常規(guī)的驅(qū)動(dòng)器都是力矩環(huán)，速度環(huán)，位置環(huán)。它是一套一環(huán)的，電流環(huán)應(yīng)該是pi控制，速度環(huán)是pi控制，位置環(huán)應(yīng)該是單p控制。這三環(huán)PID是一環(huán)套一環(huán)。電流環(huán)控制頻率可能達(dá)到20k赫茲，速度環(huán)可能達(dá)到幾k赫茲，位置環(huán)可能達(dá)到幾百赫茲?？刂祁l率對(duì)于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性的影響非常重要，所以一定要盡量足夠的高，因?yàn)橄到y(tǒng)頻率比較低的話，這種離散性會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的平穩(wěn)性。mit四足機(jī)器人團(tuán)隊(duì)，他們一篇文章里面有分析過(guò)。

先測(cè)試電流環(huán)控制，電機(jī)的響應(yīng)都會(huì)和他的負(fù)載有關(guān)，一般我們都把電機(jī)輸出端鎖定，然后讓它去做一個(gè)階躍的力矩的跟隨，通過(guò)階躍響應(yīng)，看看力矩的跟隨震蕩情況，在末端鎖定的情況，希望電流跟隨震蕩大些，系統(tǒng)會(huì)響應(yīng)會(huì)更快，系統(tǒng)剛性更好，但是如果震蕩太大系統(tǒng)也容易不穩(wěn)。也可以用專業(yè)的測(cè)功機(jī)。所以調(diào)好電流環(huán)再調(diào)速度環(huán)，調(diào)速度環(huán)就需要讓末端自由轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于速度控制來(lái)說(shuō)，階躍響應(yīng)平穩(wěn)沒(méi)有過(guò)沖，首先看一下階躍響應(yīng)，穩(wěn)態(tài)精度怎么樣，可以增加負(fù)載看穩(wěn)態(tài)精度。除了階躍響應(yīng)，可以嘗試掃頻，繪制系統(tǒng)伯德圖。位置控制，采取單p控制，可以做點(diǎn)到點(diǎn)的，以及軌跡跟隨實(shí)驗(yàn)。

更多的要把握好它的系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，我們也可以輸入工作曲線去測(cè)試。但工作曲線測(cè)試，比較復(fù)雜可能不便于分析，所以說(shuō)僅僅通過(guò)工作曲線，我們很難進(jìn)行一個(gè)比較。所以系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和掃頻是一個(gè)比較直觀的方法，再配合工作曲線。在實(shí)際的過(guò)程之中，我們要注意系統(tǒng)采樣時(shí)鐘要盡量的準(zhǔn)確。

當(dāng)然除此之外的話，還有耐用性測(cè)試，極端工況測(cè)試，電磁輻射，靜電干擾等測(cè)試。

在整個(gè)過(guò)程中，比如說(shuō)速度控制、位置控制、電流控制，都要考慮負(fù)載的問(wèn)題，一般來(lái)研發(fā)機(jī)器人，會(huì)嘗試把負(fù)載作為前饋加進(jìn)去，再進(jìn)行一個(gè)反饋控制，抗擾動(dòng)。所以如果負(fù)載不定的時(shí)候，主要靠反饋控制。也會(huì)引入一些誤差，誤差的大小取決于控制后系統(tǒng)開環(huán)增益，也就是閉環(huán)控制系統(tǒng)的剛度。

如果要考慮到機(jī)器人和與人的接觸，要考慮到接觸環(huán)節(jié)的剛性和間隙。之前有通過(guò)機(jī)械臂做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，它與海綿、阻尼面或純剛性彈簧的墻觸碰，形成力交互的穩(wěn)定性情況區(qū)別很大。

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