文/新戰(zhàn)略機(jī)器人全媒體記者 葉兮
近來(lái)，工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)出現(xiàn)了多種新興技術(shù)，尤其是“驅(qū)控一體化”更是成為熱議。其實(shí)，驅(qū)控一體化技術(shù)并非是機(jī)器人行業(yè)獨(dú)創(chuàng)，但是在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域是否是一種變革式的創(chuàng)舉，是否能夠?yàn)閲?guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人帶來(lái)更多便利性和高性價(jià)比，成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。
作為國(guó)產(chǎn)控制器的領(lǐng)先企業(yè)，眾為興在驅(qū)控一體化技術(shù)上有較高發(fā)言權(quán)，眾為興將根據(jù)多年應(yīng)用和本體開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)為我們解答驅(qū)控一體化的必然性。
驅(qū)控一體系統(tǒng)在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用
驅(qū)控一體系統(tǒng)是一款專門針對(duì)小型桌面機(jī)器人而開(kāi)發(fā)的智能機(jī)器人控制系統(tǒng)，它巧妙地將伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)融合在一臺(tái)機(jī)器上，通過(guò)內(nèi)部高速并行總線進(jìn)行信息交換，充分滿足細(xì)分行業(yè)的應(yīng)用定制和工藝定制要求，目前驅(qū)控一體已在多個(gè)細(xì)分行業(yè)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，下文以四軸SCARA機(jī)器人在3C產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用為例對(duì)這個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行介紹。
1迷你化機(jī)身設(shè)計(jì)
3C產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，其產(chǎn)品生產(chǎn)具有輕載多量的特點(diǎn)，這就對(duì)機(jī)械手提出了新的要求。為了能夠適應(yīng)小型流水線作業(yè)，機(jī)械手必須變得足夠輕巧，而對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)也必須滿足這個(gè)條件。眾為興驅(qū)控一體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念是：設(shè)計(jì)最“合適的”系統(tǒng)，然后做到足夠的小，小到可以忽略它的存在，同時(shí)兼顧性能最優(yōu)化。如何實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)呢？最主要的一個(gè)原因是它采用了內(nèi)部并行總線的方式替代繁瑣的外部接線，通過(guò)內(nèi)部板載走線，是普通的總線網(wǎng)絡(luò)23倍的數(shù)據(jù)吞吐量。此外，驅(qū)控一體化技術(shù)不單數(shù)據(jù)總線是并行的，同步時(shí)鐘線也是并行的，同步時(shí)鐘的抖動(dòng)完全靠FPGA晶振的精度和芯片電氣的延時(shí)決定，輕輕松松就可以達(dá)到納秒級(jí)別。
2專業(yè)的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)
與傳統(tǒng)市場(chǎng)相比，3C行業(yè)機(jī)器人對(duì)細(xì)微技術(shù)處理、柔性化以及集成化等方面要求更高。QC驅(qū)控一體系統(tǒng)融合了眾為興DSP運(yùn)動(dòng)控制卡技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)各種直線和圓弧插補(bǔ)，樣條教導(dǎo)，軌跡跟隨，速度前瞻，T、E、S、C型加減速模式等功能，讓機(jī)器人運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)健平滑。
2.1 分布式CPU
和傳統(tǒng)的控制平臺(tái)不同，驅(qū)控一體系統(tǒng)并沒(méi)有考慮x86的PC Base方案，這是因?yàn)殡m然電腦越來(lái)越高速，但要真正做到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安全、實(shí)時(shí)的要求，基于x86的平臺(tái)并不能很好的保證這一點(diǎn)，例如一臺(tái)雙核的2G主頻CPU，無(wú)法保證100μs中斷，1μs的延遲抖動(dòng)。
驅(qū)控一體系統(tǒng)采用了分布式CPU架構(gòu)，使得硬件各盡其職。分布式CPU架構(gòu)從實(shí)時(shí)角度上來(lái)說(shuō)，一個(gè)CPU干一件事就是一種硬實(shí)時(shí)，保證了方案的可靠性。此外它還有效地利用了嵌入式CPU的特性來(lái)發(fā)揮系統(tǒng)的高效性，如FPGA適合做高頻的邏輯處理，ARM適合做人機(jī)交互，DSP適合做算法運(yùn)算等，各自發(fā)揮各自的特長(zhǎng)，從而保證整體的性能更優(yōu)。
圖二QC系列分布式CPU分布示意圖
2.2多方式增強(qiáng)穩(wěn)定性
（1）速度自適應(yīng)：實(shí)際應(yīng)用中，存在很多不規(guī)則運(yùn)動(dòng)， 驅(qū)控一體系統(tǒng)提出了一個(gè)自適應(yīng)速度控制隊(duì)列模型，通過(guò)對(duì)各種約束條件的判斷來(lái)計(jì)算出一個(gè)合理的速度銜接值，從而無(wú)需做減速也能實(shí)現(xiàn)速度連貫。
（2）位置速度前瞻：伺服在急速加減速時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大的震動(dòng)，導(dǎo)致誤差加大，驅(qū)控一體系統(tǒng)通過(guò)預(yù)知速度變化信息，推算軸轉(zhuǎn)矩變化，動(dòng)態(tài)送入伺服電流環(huán)來(lái)控制誤差；
（3）實(shí)時(shí)計(jì)算慣量：驅(qū)控一體系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲取各關(guān)節(jié)的扭力變化，使機(jī)器人一些控制算法可以發(fā)生改變，例如現(xiàn)在研究中的機(jī)器人動(dòng)力學(xué)，柔性機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制等。
2.3可編程
（1）QC驅(qū)控一體系統(tǒng)擁有海量存儲(chǔ)空間，支持教導(dǎo)、G代碼、AR等開(kāi)發(fā)方式，讓無(wú)論是編寫PLC、數(shù)控機(jī)床、還是C/C++的工程師，都能夠選擇自己熟悉的開(kāi)發(fā)方式，大大縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間；
（2）支持在線、離線三維軌跡仿真，提高機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的安全性。
3 世界前沿的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)
QC驅(qū)控一體系統(tǒng)融合了眾為興QX伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)。QX伺服驅(qū)動(dòng)器是眾為興經(jīng)過(guò)四年不斷探索，分析比較了國(guó)內(nèi)外各品牌的伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，引進(jìn)國(guó)際前沿技術(shù)，開(kāi)發(fā)出來(lái)的國(guó)產(chǎn)高端伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，其性能已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。QX與QC的完美結(jié)合，滿足工業(yè)機(jī)器人在3C等精細(xì)化產(chǎn)業(yè)的高速、高精等要求。
3.1兼容性強(qiáng)
不同種類的機(jī)器人對(duì)電機(jī)的要求也不一樣，對(duì)于控制系統(tǒng)而言，電機(jī)的選擇尤為重要，眾為興QC驅(qū)控一體系統(tǒng)通過(guò)支持不同的編碼器來(lái)有效解決電機(jī)選擇問(wèn)題。
（1）編碼器可選擇性：目前編碼器的通訊并沒(méi)有統(tǒng)一的格式，而是由各大編碼器廠家自定協(xié)議，市面上主要的高分辨率編碼器廠家有日本的松下、尼康、多摩川等品牌。QC驅(qū)控一體系統(tǒng)可以支持這些品牌編碼器。
（2）電機(jī)可選擇性： QC驅(qū)控一體系統(tǒng)的開(kāi)放性滿足客戶在不同應(yīng)用場(chǎng)合電機(jī)性能的選型需求，不僅支持眾為興系列電機(jī)，還支持山洋、多摩川、松下等電機(jī)。
3.2 高速、高精度響應(yīng)
伺服的精度來(lái)源于編碼器和位置環(huán)的響應(yīng)頻率。
從編碼器角度上來(lái)說(shuō)，QC驅(qū)控一體系統(tǒng)通過(guò)支持不同編碼器的協(xié)議，進(jìn)而獲取高分辨率的控制，例如配合松下20位的絕對(duì)式伺服馬達(dá)，控制分辨率能達(dá)到一百萬(wàn)分之一圈(1/1048576)，精度相當(dāng)高。
而要達(dá)到高速下的高精，就要靠伺服的位置環(huán)刷新周期了。由于是驅(qū)控一體化的結(jié)果，伺服的位置環(huán)刷新周期可以簡(jiǎn)單理解為插補(bǔ)周期，以QC為例，最高可以做到16k，以10米/分鐘的速度來(lái)算，16K插補(bǔ)周期的插補(bǔ)軸控制精度可以做到0.01mm插補(bǔ)精度，真正意義上的高速高精。這是驅(qū)控一體化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)?6k刷新率只有在內(nèi)部高速總線上才能輕松實(shí)現(xiàn)。
3.3 可視化數(shù)據(jù)采集
傳統(tǒng)伺服通過(guò)脈沖或模擬量的方式與控制器連接，控制器只能獲得位置信息。QC驅(qū)控一體系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)總線通訊的優(yōu)越性，能實(shí)時(shí)獲取伺服驅(qū)動(dòng)器位置、速度、電流、加速度等參數(shù)，同時(shí)通過(guò)驅(qū)控調(diào)試軟件，可實(shí)時(shí)監(jiān)控多個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行信息，比如電流、速度、位置大小以及跟隨狀態(tài)等，并以波形的形式呈現(xiàn)參數(shù)變化趨勢(shì)。
3.4 振動(dòng)抑制
在需要實(shí)現(xiàn)高精度制造的場(chǎng)合比如手機(jī)裝配、電路板焊接、精密儀器加工等，振動(dòng)抑制顯得尤為重要。這不是速度環(huán)和位置環(huán)的調(diào)整能解決的，需要在控制方法上有所革新，QC系列驅(qū)控一體系統(tǒng)通過(guò)兩套方案來(lái)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制：
（1）平臺(tái)振動(dòng)抑制：通過(guò)陷波濾波實(shí)現(xiàn)機(jī)械高/低共振抑制；
（2）末端振動(dòng)抑制：通過(guò)反向疊加算法，實(shí)現(xiàn)末端振動(dòng)抑制。
3 世界前沿的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)
QC驅(qū)控一體系統(tǒng)融合了眾為興QX伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)。QX伺服驅(qū)動(dòng)器是眾為興經(jīng)過(guò)四年不斷探索，分析比較了國(guó)內(nèi)外各品牌的伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，引進(jìn)國(guó)際前沿技術(shù)，開(kāi)發(fā)出來(lái)的國(guó)產(chǎn)高端伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，其性能已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。QX與QC的完美結(jié)合，滿足工業(yè)機(jī)器人在3C等精細(xì)化產(chǎn)業(yè)的高速、高精等要求。
3.1兼容性強(qiáng)
不同種類的機(jī)器人對(duì)電機(jī)的要求也不一樣，對(duì)于控制系統(tǒng)而言，電機(jī)的選擇尤為重要，眾為興QC驅(qū)控一體系統(tǒng)通過(guò)支持不同的編碼器來(lái)有效解決電機(jī)選擇問(wèn)題。
（1）編碼器可選擇性：目前編碼器的通訊并沒(méi)有統(tǒng)一的格式，而是由各大編碼器廠家自定協(xié)議，市面上主要的高分辨率編碼器廠家有日本的松下、尼康、多摩川等品牌。QC驅(qū)控一體系統(tǒng)可以支持這些品牌編碼器。
（2）電機(jī)可選擇性： QC驅(qū)控一體系統(tǒng)的開(kāi)放性滿足客戶在不同應(yīng)用場(chǎng)合電機(jī)性能的選型需求，不僅支持眾為興系列電機(jī)，還支持山洋、多摩川、松下等電機(jī)。
3.2 高速、高精度響應(yīng)
伺服的精度來(lái)源于編碼器和位置環(huán)的響應(yīng)頻率。
從編碼器角度上來(lái)說(shuō)，QC驅(qū)控一體系統(tǒng)通過(guò)支持不同編碼器的協(xié)議，進(jìn)而獲取高分辨率的控制，例如配合松下20位的絕對(duì)式伺服馬達(dá)，控制分辨率能達(dá)到一百萬(wàn)分之一圈(1/1048576)，精度相當(dāng)高。
而要達(dá)到高速下的高精，就要靠伺服的位置環(huán)刷新周期了。由于是驅(qū)控一體化的結(jié)果，伺服的位置環(huán)刷新周期可以簡(jiǎn)單理解為插補(bǔ)周期，以QC為例，最高可以做到16k，以10米/分鐘的速度來(lái)算，16K插補(bǔ)周期的插補(bǔ)軸控制精度可以做到0.01mm插補(bǔ)精度，真正意義上的高速高精。這是驅(qū)控一體化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)?6k刷新率只有在內(nèi)部高速總線上才能輕松實(shí)現(xiàn)。
3.3 可視化數(shù)據(jù)采集
傳統(tǒng)伺服通過(guò)脈沖或模擬量的方式與控制器連接，控制器只能獲得位置信息。QC驅(qū)控一體系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)總線通訊的優(yōu)越性，能實(shí)時(shí)獲取伺服驅(qū)動(dòng)器位置、速度、電流、加速度等參數(shù)，同時(shí)通過(guò)驅(qū)控調(diào)試軟件，可實(shí)時(shí)監(jiān)控多個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行信息，比如電流、速度、位置大小以及跟隨狀態(tài)等，并以波形的形式呈現(xiàn)參數(shù)變化趨勢(shì)。
3.4 振動(dòng)抑制
在需要實(shí)現(xiàn)高精度制造的場(chǎng)合比如手機(jī)裝配、電路板焊接、精密儀器加工等，振動(dòng)抑制顯得尤為重要。這不是速度環(huán)和位置環(huán)的調(diào)整能解決的，需要在控制方法上有所革新，QC系列驅(qū)控一體系統(tǒng)通過(guò)兩套方案來(lái)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制：
（1）平臺(tái)振動(dòng)抑制：通過(guò)陷波濾波實(shí)現(xiàn)機(jī)械高/低共振抑制；
（2）末端振動(dòng)抑制：通過(guò)反向疊加算法，實(shí)現(xiàn)末端振動(dòng)抑制。
4機(jī)器視覺(jué)通訊
QC驅(qū)控一體系統(tǒng)集成眾為興多來(lái)在視覺(jué)控制領(lǐng)域的研究成果，使驅(qū)控一體配合視覺(jué)時(shí)更具兼容性和便利性。
（1）直接九點(diǎn)標(biāo)定接受像素坐標(biāo)，對(duì)視覺(jué)的選擇兼容性更強(qiáng)；
(2）三點(diǎn)標(biāo)定法，可以快速建立一個(gè)和視覺(jué)坐標(biāo)相匹配的機(jī)器人坐標(biāo)系，試用更便利。
以上可以看出，QC系列驅(qū)控一體化系統(tǒng)是從最終產(chǎn)品的角度著手，結(jié)合細(xì)分行業(yè)的特性進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品的定位和設(shè)計(jì)，配合不斷豐富的適用于不同應(yīng)用工藝的軟件包，來(lái)促進(jìn)機(jī)器人在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
當(dāng)前，驅(qū)控一體化技術(shù)是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的潮流和趨勢(shì)，其是否能被機(jī)器人企業(yè)廣泛的驗(yàn)證和接受，眾為興將在未來(lái)的實(shí)際應(yīng)用中做出詮釋。
