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原创 | 马 昭
编辑 | 吕嘉玲
在我们公众号先前的文章当中，我们介绍了如何用空中作业机器人实现工程作业。那么空中作业机器人是通过什么来进行操作的？机械臂作为空中作业机器人的重要一部分，负责与外界环境交互，执行作业任务。高精度高性能的机械臂，既能提升作业精度，又能拓展作业内容。而作为机械臂的核心部件——关节电机与驱动器，是决定整个机械臂最终性能的关键。要想实现上一篇文章里面的算法，则必须使用力矩关节电机来驱动。接下来，我们介绍一种能控制力的机械臂关节！
关节电机都有哪些？
目前市面上有很多用于机械臂的关节电机，根据应用场合不同，使用的电机及驱动有所差别 。
1
步进电机
a.步进电机：输入步进电机驱动电机运行的是脉冲信号，当步进电机接收到脉冲信号后，集成在电机上的控制板会驱动电机转过相应角度，属于开环系统所以控制过程中存在丢步问题。
图1.普通步进电机[1]
b.闭环步进电机：混合式步进电机是综合了永磁式和反应式的优点而设计的步进电机，混合式步进电机在加装编码器后也可以进行定磁场控制。
图2. 混合式步进电机[1]
2
舵机
舵机主要是由外壳、驱动板 、直流有刷电机、减速器与位置检测元件所构成。舵机自带减速组且通常减速比比较高，所提供的力矩相对较大，但响应速度慢，控制精度低。高端舵机[1]内部控制板包含电流采样，可提供电流模式。
图3. 舵机[2]
3
永磁无刷直流电机
现代电机与控制技术以电流驱动模式的不同将永磁无刷直流电动机分为两大类[3]：正弦波驱动电机：即永磁同步电机（PMSM）、方波驱动电机：即无刷直流电机（BLDC）。
a.永磁同步电机（PMSM）:反电动势成正弦波，转矩均匀，适合用定磁场控制进行驱动。
图4. 永磁同步电机[4]
b.无刷直流电机（BLDC）：反电动势成方波，转矩不均匀，力矩较小但能实现更高转速，适合用六步换相驱动（方波驱动）。
图5. 无刷直流电机[5]
适合空中作业的关节电机
因为普通的关节电机只能进行位置或速度控制，这不利于对空中作业机器人进行总体控制，两者之间的耦合效应不能充分考虑，对于大机动飞行来说误差很大。同时，为了保证精细作业，在空中作业过程中避免可能发生的意外如碰撞、挤压、震动等影响，必须对关节力进行精准的控制和检测。
如下图[6]，使用力控电机执行拿酒杯倒酒操作，如果只有位置控制，夹取过程中可能由于位置控制硬度过高导致酒瓶破损的情况发生。
图6. 力矩机械臂作业[6]
工程应用上，实现对转矩的检测有如下几种方案[7]。
1
电流环
基于电机中的交轴电流，即根据永磁同步电机的磁链模型与机械运动方程，计算出整个电机的输出电磁转矩。这种方法关节结构简洁，硬件可靠性高，实现成本低，但测量精度有限，对于高减速比与复杂减速箱的传动环节，杂散转矩的建模复杂，动态扭矩和微小扭矩测量不准确。
2
应变片式力矩传感器
基于材料受力后的微小形变，通过悬臂梁上应变片阻值的改变，带来电压信号的改变，再通过电压-扭矩系数等计算关节扭矩。这种方法力测量精度高，双通道可解扭矩和弯矩的耦合。但这种方法硬件可靠性低，实现成本高，生产工艺复杂。方法存在零漂，使用过程中需要频繁校准。
3
电磁式力矩传感器
基于材料受力后的微小扭转形变，通过磁编码器或霍尔等原理测量该扭转值，再通过材料的抗扭截面系数计算关节扭矩。这种方法力测量精度高，无温漂、零漂等问题，无需频繁标定。但这种方法在本体高刚度、测量高精度和实现低成本这三个维度很难取得平衡。
总结
所以，作为空中作业机器人的重要组成部分之一，我们对比介绍了多种机器人关节电机，并分析了实现电机力控的几种方法。空中作业环境复杂，既要保证关节质量较轻，又要保证硬件可靠度较高。所以综合来看，利用电流环采样计算转矩的办法结合永磁同步电机驱动更为可靠。当然，要想实现对永磁同步电机的力矩控制，FOC（Field-Oriented Control）定磁场控制则是不可缺少的一种控制手段，通过FOC，能够实现对电机的转矩、速度、位置进行精准的控制。关于矢量控制的详细介绍我们以后来探讨，敬请期待！
参考文献
[1]http://www.instar.com.cn/
[2]https://emanual.robotis.com
[3]袁雷. 现代永磁同步电机控制原理及MATLAB仿真. 北京航空航天大学出版社, 2016.
[4]https://www.myactuator.com/
[5]http://www.rcsunnysky.com//
[6]https://www.unitree.com/cn/products/Z1
[7]https://zhuanlan.zhihu.com/p/439883934
本文由西湖大学智能无人系统实验室工程师马昭原创，
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