適用于任何機(jī)器人的Elmo終極多軸運(yùn)動(dòng)控制解決方案

中科新松有限公司在第一代協(xié)作機(jī)器人的設(shè)計(jì)和研發(fā)中整合了Elmo的終極多軸運(yùn)動(dòng)控制解決方案

中國(guó)的機(jī)器人公司“新松”全面采用Elmo終極的運(yùn)動(dòng)控制解決方案作為第一代協(xié)作機(jī)器人的最新設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)解決了新一代產(chǎn)品研發(fā)中遇到的諸多挑戰(zhàn)。

想象一下一個(gè)機(jī)器人完美地模擬一位太極拳大師的動(dòng)作，動(dòng)作精準(zhǔn)、平滑、充滿力感。

考慮一下在真實(shí)的工廠里面一個(gè)集成協(xié)作機(jī)器人與人類員工合作的重要意義，這種協(xié)作還要滿足嚴(yán)苛和強(qiáng)制的安全約束條件。

采用了Elmo獨(dú)一無(wú)二的、高級(jí)的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，這家在中國(guó)機(jī)器人和自動(dòng)化領(lǐng)域領(lǐng)先的公司剛剛完成第一代人機(jī)協(xié)作的工廠自動(dòng)化機(jī)器人的自主研發(fā)。

Elmo提供了超小型、功能強(qiáng)大的基于網(wǎng)絡(luò)型的伺服驅(qū)動(dòng)器，這些驅(qū)動(dòng)器直接安裝在關(guān)節(jié)上。

這一應(yīng)用體現(xiàn)了Elmo驅(qū)動(dòng)器在諸多方面的獨(dú)有優(yōu)勢(shì)，如效率、堅(jiān)固程度、省空間、最少電纜用量、低EMI指數(shù)和整個(gè)系統(tǒng)可靠性的提升。在設(shè)計(jì)制造復(fù)雜的7軸協(xié)作機(jī)器人的時(shí)候，使用雙閉環(huán)控制和采用高分辨率絕對(duì)值編碼器獲得最優(yōu)伺服性能只是眾多挑戰(zhàn)中的一部分。Elmo在高端機(jī)器人領(lǐng)域里的應(yīng)用實(shí)例可以作為客戶在研發(fā)過(guò)程中追求最高多軸運(yùn)動(dòng)控制性能時(shí)的指導(dǎo)性參考。

摘要

協(xié)作機(jī)器人被設(shè)計(jì)用來(lái)與人在工廠生產(chǎn)線上緊密協(xié)同工作，這一趨勢(shì)正變得越來(lái)越普遍。

在人機(jī)協(xié)作的環(huán)境中，這些機(jī)器人被用來(lái)去完成高速、高精度的任務(wù)。使用相機(jī)、力傳感器和其他感知元件，這些機(jī)器人可以感知人的存在并做出相應(yīng)動(dòng)作避免對(duì)人的傷害，有的時(shí)候機(jī)器人的動(dòng)作會(huì)完全停下來(lái)。

設(shè)計(jì)協(xié)作機(jī)器人通常是用來(lái)靈活地處理小的零件，進(jìn)行一些輔助性工作如安裝消費(fèi)類電子器件，而不是用來(lái)完成重載任務(wù)如搬運(yùn)重物，焊接或者噴漆等。

典型的協(xié)作機(jī)器人的結(jié)構(gòu)都相對(duì)小巧和輕便，盡管如此它還是有能力提升相對(duì)重的負(fù)載,提升重量可達(dá)100kg.

除了具有動(dòng)作靈巧的特點(diǎn)，協(xié)作機(jī)器人還需要具備感知零件是否準(zhǔn)確安裝的能力，這一特點(diǎn)在前幾代重型工業(yè)機(jī)器人身上是不可想象的。

老一代傳統(tǒng)6關(guān)節(jié)機(jī)器人在移動(dòng)它們的關(guān)節(jié)時(shí)扭矩比較大，容易對(duì)接近的人員造成傷害。

新一代機(jī)器人具備一個(gè)附加關(guān)節(jié)或自由度。

與傳統(tǒng)的6關(guān)節(jié)機(jī)器人相比，7關(guān)節(jié)機(jī)器人可以以多角度伸展機(jī)械臂接近一個(gè)特定的原件，因而可以避免觸碰人員，繼續(xù)執(zhí)行工作任務(wù)。

此外，運(yùn)動(dòng)學(xué)冗余對(duì)于在一個(gè)特定的空間內(nèi)操作幾個(gè)機(jī)器人也是很有用處的，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)干涉很容易處理。

協(xié)作機(jī)器人另一個(gè)額外特點(diǎn)是可以力矩感知、控制和限制。機(jī)器人感知外部極小的力矩變化并做出反應(yīng)避免碰撞。

在有些情況下，力矩傳感器被放置在電機(jī)減速箱的后面來(lái)直接檢測(cè)外部力矩的任何快速增加的變化，而其他時(shí)候，機(jī)器人需要輸出一定扭矩去提升負(fù)載和把負(fù)載從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置。

當(dāng)機(jī)器人識(shí)別出運(yùn)動(dòng)過(guò)程中一個(gè)異常扭矩增加值，如碰撞，會(huì)自動(dòng)停下來(lái)。

碰撞檢測(cè)和規(guī)避機(jī)制的另外一個(gè)特點(diǎn)是當(dāng)接觸到物體或人員時(shí)進(jìn)行工作模式轉(zhuǎn)換，從非柔性全速模式(循環(huán)同步位置模式或循環(huán)同步速度模式)轉(zhuǎn)換到力矩模式(循環(huán)同步力矩模式)。

柔順的循環(huán)力矩模式使得人員可以用手很輕易地推開機(jī)械手臂。機(jī)器人可以在觸碰物體時(shí)自動(dòng)進(jìn)入柔順模式，或者在全速模式下運(yùn)行。

另一個(gè)重要模式是示教模式，在這個(gè)模式下，操作人員移動(dòng)機(jī)械手臂到預(yù)定位置，Elmo控制器記錄下這些位置點(diǎn)以便在正常操作模式下復(fù)現(xiàn)設(shè)定軌跡。

值得一提的是，在示教過(guò)程中，Elmo的方案提供了令人難以置信的敏感性和分辨率。示教過(guò)程簡(jiǎn)單，系統(tǒng)操作人員無(wú)需具備超強(qiáng)的編程能力，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)編程運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)。

Elmo的解決方案

伺服驅(qū)動(dòng)器：

Elmo的超小體積、性能強(qiáng)大的伺服驅(qū)動(dòng)器被用來(lái)完成這項(xiàng)挑戰(zhàn)任務(wù)。

伺服驅(qū)動(dòng)器直接安裝在機(jī)器人關(guān)節(jié)上，保證了機(jī)器人尺寸小巧結(jié)構(gòu)緊湊。

兩個(gè)大功率的超小體積驅(qū)動(dòng)器Gold SOLO GUITAR用來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)基礎(chǔ)關(guān)節(jié)電機(jī)，以支撐整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

這款驅(qū)動(dòng)器的持續(xù)50Amp和峰值100Amp的電流輸出能力足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)在高速、高加速度和高減速度的狀況下運(yùn)行。

此外，五個(gè)迷你型Gold SOLO WHISTLE驅(qū)動(dòng)器可以輸出持續(xù)20Amp和峰值40Amp電流，用以驅(qū)動(dòng)另外五個(gè)關(guān)節(jié)。

系統(tǒng)里的每個(gè)驅(qū)動(dòng)器既可以在高速、高加減速情況下運(yùn)行，又可以在低速情況下運(yùn)行，并且都能保證極高的精度和準(zhǔn)確性。用同一款驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)反差如此巨大的高低速操作是得益于驅(qū)動(dòng)器1:2000的動(dòng)態(tài)電流范圍和非常寬的帶寬響應(yīng)。

一個(gè)驅(qū)動(dòng)器物理尺寸足夠小到能直接安裝在機(jī)器人關(guān)節(jié)上，幾乎是這種復(fù)雜機(jī)器人項(xiàng)目的唯一選擇。

把驅(qū)動(dòng)器放置在離編碼器反饋?zhàn)銐蚪牡胤娇梢怨?jié)省電纜，減少干擾影響，獲得比較低的EMI和RFI指標(biāo)，系統(tǒng)穩(wěn)定性大大提升。

另一個(gè)讓驅(qū)動(dòng)器更易集成進(jìn)關(guān)節(jié)的特性是驅(qū)動(dòng)器固有的堅(jiān)固性，可以承受關(guān)節(jié)內(nèi)極高的機(jī)械加減速度。

Elmo應(yīng)用工具

Elmo高級(jí)且易用的配置工具，EASII軟件，可以幫助客戶調(diào)試網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)軸，達(dá)到最優(yōu)的伺服性能。

系統(tǒng)辨識(shí)、合適的控制器設(shè)計(jì)、使用高階濾波器克服機(jī)械系統(tǒng)缺陷等可以提升系統(tǒng)獲得最優(yōu)伺服性能，這僅僅是這個(gè)工具的一部分功能。

適用于任何機(jī)器人的Elmo終極多軸運(yùn)動(dòng)控制解決方案

此外，使用帶特殊位置分組增益的簡(jiǎn)單、高級(jí)的系統(tǒng)辨識(shí)方法進(jìn)行多軸系統(tǒng)辨識(shí)可以消除不同軸之間的交叉影響。在這個(gè)應(yīng)用中還用到了更多其他具有特色的功能，最終目標(biāo)是獲得最高帶寬、最快的響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)保證機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定、平滑，并且具有很高的裕度。

適用于任何機(jī)器人的Elmo終極多軸運(yùn)動(dòng)控制解決方案

系統(tǒng)里的每個(gè)軸采用雙閉環(huán)控制算法來(lái)提高減速機(jī)后端關(guān)節(jié)末端位置的定位精度。

增量式編碼器和Hall元件作為速度環(huán)反饋置于減速箱前端，19位高分辨率絕對(duì)值編碼器作為負(fù)載末端位置反饋，這樣的用法只是Elmo金線系列驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)用法。

雙閉環(huán)控制算法可以提升伺服電機(jī)性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

Elmo提供PCB插針安裝式驅(qū)動(dòng)器，也可以同時(shí)配套提供接口轉(zhuǎn)接板，這允許客戶通過(guò)轉(zhuǎn)接板連接EtherCAT總線、IO和編碼器反饋。

白金版Maestro,終極多軸運(yùn)動(dòng)控制器

控制整個(gè)系統(tǒng)的是Elmo高級(jí)的多軸運(yùn)動(dòng)控制器P-MAS,通過(guò)實(shí)時(shí)串行EtherCAT總線在250us內(nèi)同步16個(gè)軸(最短可現(xiàn)實(shí)100us內(nèi)同步8個(gè)軸)。

Elmo的高級(jí)多軸運(yùn)動(dòng)控制器P-MAS可以提供內(nèi)容豐富的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)功能，例如Cartesian, SCARA,3-Link,Delta等等，使用這些功能就可以很容易應(yīng)對(duì)機(jī)器人應(yīng)用的挑戰(zhàn)。

內(nèi)置的運(yùn)動(dòng)學(xué)功能支持MCS(機(jī)器坐標(biāo)系)和PCS(產(chǎn)品坐標(biāo)系)，在翻轉(zhuǎn)、傳送和其他外部裝置中可以實(shí)現(xiàn)完全同步。

此外，P-MAS為客戶應(yīng)用預(yù)留了一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核。這部分內(nèi)核允許機(jī)器人開發(fā)用戶編寫自己特殊的運(yùn)動(dòng)學(xué)轉(zhuǎn)換方程，這一功能使得P-MAS支持任何高端的機(jī)器人，幾乎不受類型限制，因?yàn)榭蛻艨梢葬槍?duì)應(yīng)用編寫自己的運(yùn)動(dòng)學(xué)功能。

對(duì)于這種在250us總線循環(huán)時(shí)間內(nèi)完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解計(jì)算的應(yīng)用必須使用基于四核強(qiáng)大處理器的多軸運(yùn)動(dòng)控制器P-MAS。

運(yùn)動(dòng)學(xué)方程解算是在用戶實(shí)時(shí)應(yīng)用程中進(jìn)行的，計(jì)算系統(tǒng)中所有軸的目標(biāo)位置、目標(biāo)速度或扭矩并在每個(gè)EtherCAT總線周期輸出。

DS-402協(xié)議中的循環(huán)同步模式是Elmo的EtherCAT版本驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)操作模式。

在P-MAS和上位主機(jī)、PLC或HMI之間多種標(biāo)準(zhǔn)和專門的通訊協(xié)議使得P-MAS與第三方設(shè)備通訊變得十分容易，如觸摸屏、手操板、PLC和PC機(jī)等。

與上位主機(jī)的通訊能力如Ethernet, TCP/IP和UDP協(xié)議，快速的二進(jìn)制協(xié)議如MODBUS和Ethernet/IP, 使得與上位主機(jī)之間的通訊變得快速而有效。

機(jī)器人工作在兩種模式，第一種是示教模式，第二種是工作模式。

在示教模式下，操作人員可以沿著需要的工作路徑移動(dòng)機(jī)器人手臂到一些關(guān)鍵位置點(diǎn)上，在移動(dòng)過(guò)程中多軸運(yùn)動(dòng)控制器記錄下相關(guān)的位置點(diǎn)以便在工作模式下復(fù)現(xiàn)工作路徑。

在示教模式下伺服驅(qū)動(dòng)器是運(yùn)行在同步循環(huán)力矩模式。除了目標(biāo)力矩命令外，多軸運(yùn)動(dòng)控制器還會(huì)輸出額外的補(bǔ)償力矩去克服重力、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)等阻抗因素，維持拖拽過(guò)程平滑。

這種復(fù)雜機(jī)器人解決方案的亮點(diǎn)之一就是整個(gè)示教過(guò)程對(duì)一個(gè)不會(huì)編程的操作人員來(lái)說(shuō)十分簡(jiǎn)單，大部分工作不需要具有編程經(jīng)驗(yàn)或技巧就可以完成。

第二種操作模式就是正常工作模式，在這種模式下多軸控制器根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型來(lái)計(jì)算七個(gè)軸的目標(biāo)位置和速度(DH矩陣逆解)，如果必要的話，基于機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型的補(bǔ)償力矩會(huì)被加到總的輸出力矩中。伺服驅(qū)動(dòng)器是工作在循環(huán)同步位置模式或者循環(huán)同步速度模式，接收目標(biāo)位置/速度命令和力矩偏置命令。