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机器人零部件行业专题报告:为什么强调力控
1.为什么需要力控?
1.1.力控是机器人运动控制的核心
机器人运动控制的目的是使机器人能够按照人类的指令,完成复杂的动作任务和自主决策。我们设计并生产机器人的主要目的就是使机器人能代替人类从事特定任务,因此可以说,运动控制是机器人研究中的核心所在。机器人运动控制的本质是对伺服电机进行控制,而伺服系统一般有三种控制方式,分别是转矩控制、位置控制和速度控制。
转矩控制:是指伺服驱动器仅对电机的转矩进行控制,原理是通过电流环控制电机转矩。电流环处于最内侧,此环完全在伺服驱动器内部进行,通过霍尔装置,检测驱动器给电机的各相的输出电流,负反馈给电流的设定进行PID调节,从而达到输出电流尽量接近等于设定电流。
速度控制:是指驱动器仅对电机的转速和转矩进行控制,原理是通过电流环和速度环控制位置。通过检测的伺服电机编码器的信号来进行负反馈PID调节,环内PID输出直接就是电流环的设定,所以速度环控制包括速度环和电流环。
位置控制:是指驱动器对电机的转速、转角和转矩进行控制,原理是通过电流环、速度环和位置环控制位置。位置环是最外环,可在驱动器和伺服电机编码器间构建也可以在外部控制器和电机编码器或最终负载间构建,要根据实际情况来定。由于位置控制环内部输出就是速度环的设定,位置控制模式下系统进行了所有3个环的运算,此时的系统运算量最大,动态响应速度也最慢。
转矩控制在机器人运动控制中的地位愈发重要。在三种控制方式中,传统机器人一般会使用位置控制,比如机械臂会沿着事先规划好的轨迹在封闭、确认的空间中运动。但是随着机器人应用场景的多样化,转矩控制的重要性愈发明显。柔性控制能帮助机器人适应更多场景需求。一般而言,位置和速度控制可以认为是“硬约束”,即机器人只能在设定区间中运行,而转矩控制是“软约束”或“柔性控制”,机器人可以根据场景需求而不断调整作用力的大小。举个例子,机器人行走在不规则且未知的路面上,由于路面情况未知无法做事先的建模预测或者由于不规则路面状态太多而无法做精确的建模,这时如果使用纯位置控制的话,就无法规划处一条合适的位置轨迹,此时我们必须引入力控,做到实时的动态控制。
1.2.传感器和电流环是力控的主要方式
目前针对机器人硬件层面的力反馈测量主要有三种方式,应变片式力矩传感器、电磁式力矩传感器和弹性体,而应变片式和电磁式都可以归属于力传感器。力矩传感器:将力矩传感器安装在脚掌和踝关节、机械手和腕关节之间,用于测量末端执行器与外界环境交互的受力情况。电流环:通过电机的电流闭环做力闭环反馈控制,适用于直驱电机或减速比较小的执行器。
那么,这三种测量方式具体适用在哪些场景中呢?我们认为,这与整个执行器方案的设计具有密切关系。目前针对机器人行业的常用执行器方案有三种,包括高刚度的常规方案、SEA、本体驱动器。三种方案的核心区别其实在于对力矩的测量上,常规方案使用基于应变片原理的力矩传感器测量力反馈,SEA带有刚度更低的弹性体,因此一般使用电磁式或应变片式测量,而本体驱动器则使用电环流的方案并取消了传感器的配置。
常规方案:使用力矩传感器测量执行器中的力反馈是目前主流方案,也是技术最为成熟的路线。除了成本昂贵、安装复杂以及部分性能问题外,应变片式传感器在机器人实际应用中的表现显著优于其他两者。这一方案我们会在接下来第二章重点介绍。SEA方案:通过弹性体测量扭矩,一般会使用电磁传感器或应变片式测量扭矩。至于使用哪种方案,会综合考虑到成本,刚度、分辨率等因素。比如在国外学者的研究中,两种方式在SEA驱动器的实际应用中表现出各自的优劣势。对于电磁式而言,虽然其可以克服应变片式存在的线性误差、零漂、温漂以及成本昂贵等的缺点,但他在刚度和分辨率等方面存在较大问题。
因为在要求高刚度水平的系统中,电磁式编码的分辨率会被迫降低,而应变片式则能通过调整仪器放大器的增益来补偿这一缺点。因此在下表中可以发现,虽然两者的分辨率大相径庭,但应变式的刚度是电磁式的10倍。换句话来说,在保持一定分辨率的情况下,电磁式的刚度过低会导致扭矩能力降低以及过低的过载安全系数,最终或使得机器人执行器在实际运作过程容易受损。值得一提的是,部分应用SEA方案的四足机器狗,为了同时保持高刚度和高分辨率,一般会使用3个编码器,且为价格较昂贵的19位磁编。简而言之,弹性体刚度是区分两种方案的标尺。在低刚度偏柔性的机器人关节中,可以使用电磁式,在中刚度且对分辨率要求并不高的情况下也可以使用电磁式,而在高刚度要求下主要使用应变片式。
本体驱动方案:用电流环替代昂贵的传感器是机器人节省成本的一个重要途径,因此在这里大家最大的疑问应该是,
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