关于仿人机器人关节驱动微型伺服系统的介绍

摘要：用于仿人机器人关节驱动的微型伺服系统日前完全依赖进口。基于分析微型伺服系统各部件的发展现状与技术特点，研制了一款适用于仿人机器人关节驱动的国产倒服系统，包括永磁无刷伺服电机、巨磁阻编码器、高功率密度驱动模块以及通讯单元。通过与周内仿人机器人研究单位常用的几款进口伺服系统进行对比，验证所研制的微型伺服系统满足仿人机器人关节驱动对功率密度比等性能指标的要求．可完全代替进口产品。

关键词：仿人机器人；关节驱动；微型伺服系统，永磁同步电动机

1 引言

2000年，日本本田公司发布的仿人机器人AsIMO吸引了全世界的目光。过去10年里，得益于计算机、电气工程、材料工程、传感器科学等相关学科的发展，仿人机器人技术也有了长足的发展。其中较为突出的有日本本田公司、美国麻省理工大学、俄亥俄州立大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学等。仿人机器人由控制系统、关节伺服系统、传感器系统、能源系统和本体结构5部分组成。关节伺服系统按驱动方式可以分为液压伺服、气动伺服、电机伺服、压电伺服等。这几种系统中，液压伺服抗污染能力差、调试维护困难、瞬间过载能力低；气动伺服非线性程度高、定位刚度小；电机伺服通常需要减速机构，使其体积增大；压电伺服一般不需要减速机构，易于实现微型化，但其驱动电路复杂，多用于微型机器人或仿人机器人的手指关节。比较几种伺服系统的优缺点，电机伺服系统，尤其是旋转电机伺服系统由于技术成熟、可靠性高、刚度强、较易驱动，是目前仿人机器人关节伺服系统的首选。

在仿人机器人中，由于使用电池供电，供电电压低、功率／能量密度受限，且机器人的体积、重量均有严格的要求，所以仿人机器人关节中使用的电机伺服系统有其特殊的要求。例如低工作电压而且变化范围大、低损耗、高功率密度、重景轻、单一电源供电、高动态性能、高可靠性等等。本文围绕仿人机器人对关节驱动的要求特点，详细介绍目前广泛应用的关节电机伺服系统的组成、类别、性能特点等。在此基础上研制了一台国产微型伺服系统，通过与国外同类伺服系统的对比研究，结果表明所研制的微型系统满足仿人机器人关节驱动的性能要求，可取代进口产品。

2 关节驱动伺服系统的组成

电机伺服系统一般是由电动机、位置传感器、电流传感器、功率器件和控制器5部分组成的闭环系统，如图1所示。

2．1电机

永磁无刷电动机无需励磁绕组和励磁电源，结构相对简单，具有很高的功率密度，非常适合仿人机器人这种对体积、重量十分敏感的场合。在伺服系统中应用的永磁无刷电动机分为元刷直流电动机(brushless DC motor，BI。DCM)和永磁同步电动机(PMSM)两种。前者设计和生产费用低，但转动时不可避免有转矩脉动；后者正弦波驱动，理论上可完全消除转矩脉动，但需要更高精度的转子位置传感器和更复杂的控制器件”…。

2．2位置传感器

2.2．1光电编码器

在位置伺服系统中，光电编码器常被采用作为位置传感器。它具有高精度、高分辨率、工作范同大、功耗低、非接触测量等优点，但由于光栅盘是精密的光学元件，其抗振性能差，轴向的振动极易使其破碎，烟雾、灰尘等杂质也会影响光路系统。光源、镜头、光栅盘和光电传感器组成的光路系统只能轴向排布，也令光电编码器的厚度难以缩小。

目前商品化的光电编码器中，体积较小的是SCANCON公司的增量式光电编码器，其分辨率为1 000线／r，尺寸为西24 mm×24 mm。

2．2．2磁编码器

磁编码器是近年发展起来的以一种新型电磁敏感元件为基础的检测装置。这种编码器使用具有交替变化磁场的永磁体盘代替光栅盘，使用巨磁电阻(GMR)等磁敏元件代替光电元件，把磁信号变为电信号。在T作中，磁编码器不易受尘埃和结露影响，抗振能力强，可靠性高，同时其结构简单紧凑，无需复杂的光源和光学元件，易于实现小型化。

但受充磁技术的制约，磁编码器的磁极数不可能提得很高，通过控制充磁，是磁场分布呈理想的正弦波，那么可通过波形细分技术进一步提高精度和分辨率。目前商品化的磁编码器分辨率可达l 000线／r。

2．3功率器件

在中小功率的应用中，一般使用电力MOsFET或IGBT作为功率器件。电力MOSFET具有易驱动、开关速度快的优点，但其导通损耗和耐压能力之间存在矛盾，故一直局限子在低压场合使用。IGBT是一种复合型的功率器件，整合了MOsFET和BJT的优点，驱动端类似MOsFET的结构，通过电压控制，所需功率小，而开关端则与BJT相似，耐压水平高、电流大、导通损耗小。

但其关断时间较长，因此开关损耗较大，而且其导通压降为固定值，与流过电流无关，在开关电压较高的时候才能体现出其低损耗的优点。

目前主流IGBT导通压降为1．5～2．5 V，而100 V耐压的MOSFET导通电阻一般在15～30mn。仿人机器人电源电压一

般在l00V以下，电流为数十A，因此，使用MosFET作为功率器件可减少导通损耗。

2．4控制器

在仿人机器人领域，为了满足体积和重量这2个关键指标，一般会带有为电机控制优化的硬件模块(如PwM调制、增量编码器计数)的DsP或MCU作为微控制器。有的微控制器甚至将坐标变换、空问矢量控制等算法也做成硬件模块。

现代仿人机器人一般通过网络总线实现对各个关节的控制，因此控制器DsP也会集成UART，CAN等通讯模块。

3现有国内外微型伺服系统

国内仿人机器人领域使用较多的是copley，E1mo，MAXON等同外公司的伺服产品。国内厂家和研究机构中，北京和利时有自主研发的低压小型伺服产品。本节将分别介绍上述产品的功能、性能以及特点。

3．1 美国copley controls伺服驱动器

该公司的Accelnet系列伺服驱动器采用Freescale公司DsP56F807 16位数字信号控制器为主控芯片，该控制器整合了CISP强大的处理能力和微控制器多样的功能，最高主频80 MHz，使用3．3V单电源供电，片上稳压器可为数字和模拟电路提供更低的功耗和噪声。该系列驱动器可用20～55 V单一直流电源供电，通过反激变换器产生多路独立稳压输出，采用了平面变压器，变压器绕组印制在电路板上，整个变压器体积仅为18mm×12 mm×5 mm。功率器件使用6个Falrchild公司SOP 8封装的分立MOSFET，焊在一块95 mm×28 mm的铝基电路板上，铝基板为外壳的一部分，热传导率高、散热性能好。

驱动器支持cANopen和DevlceNct两种cAN总线协议，一条总线上最多可挂接127台驱动器。配套的Copley Motion Explorer软件可进行组网、电机配置、参数自整定、运动程序下载和调试等操作，操作界面友好，可视化程度高。

3．2 以色列Elmo MotionControl伺服驱动器

该公司的whistle系列伺服驱动器采用与Accelnet驱动器相同的主控芯片，通过进一步的精简和优化，大量使用BGA封装等微型贴片元器件，whist1e驱动器在更小的体积内实现了更高的持续功率输出。该驱动器没有使用反激变换器，而是采用多个Buck降压电路级联的形式来获得12 V，5 V，3．3 V电压输出。功率器件使用6个IR公司TO 252封装的MOSFET，更大的封装使其可提供100V／42 A的持续输出能力，导通电阻为18 mn。散热方面没有采用铝基板技术，用导热粘合剂把铝制外壳粘到电路板MOsFET背而，通过电路板上的铜箔和铝制外壳散热。

这款驱动器在通讯功能和配套软件方面与Accelnet驱动器类似。

3．3瑞士MAXON伺服电机

瑞土MAXON motor是一个面向全球提供高精密电机和驱动系统的产品的公司。其EC—powermax系列无刷电机采用无槽绕组和钕铁硼磁钢，具有极高功率密度，100w的型号尺寸为30 mm×60 mm，无齿槽效应，在低压下仍町获得高转速。

电机可与前面两种伺服驱动器构成伺服系统。

3．4北京和利时伺服系统

该公司的蜂鸟系列伺服驱动器是一款低压直流供电的小体积、高陡能全数字伺服驱动器。

采用32位高速RISC专用芯片作为控制器，内嵌高级运动控制功能．通过通讯接口即可完成如多段点到点、直线插补、圆弧插补等功能，在100 mm×75 mm×25 mm的体积内可持续输出3 60w功率。其配套的海豚系列低压无刷伺服电机，采用正弦波方式驱动，装有磁性绝对值编码器，外尺寸为57 mm×132 mm，功率为250W．该系列伺服系统的功率密度、工作电压范围、定位精度等指标在国内现有产品巾均处于领先地位，但仍然无法满足仿人机器人对功率密度的要求。

4 HIT-PEEDⅡ微型伺服系统

哈尔滨工业大学电力电子与电力传动研究所研制的HIT—PEEDⅡ伺服系统，其驱动器采用TI公司TMs320F2808 DsP作为控制器，该DsP专门为电机控制设计，具有ePwM，eQEP等硬件模块，主频最高可达100MHz，能够很好地满足坐标变换、矢景控制、位置伺服等复杂算法的需求。驱动器只需单一电源供电，工作电压范围宽(Dc 1 5～75 V)，支持cAN总线通讯，能实现BLDCM 和PMSM的三闭环控制，适用性广。采用IR公司M()sFET作为功率器件，导通电阻只有18 m，最终驱动器效率可达90％。驱动器大量使用微型sMD元器件和先进的焊接工艺，令功率密度最大化。HIT—PEED 伺服驱动器如图2所示。伺服电机是采用高磁能积的稀土钕铁硼材料的永磁同步电动机，采用无槽(无铁芯)定子绕组。

在高速电机中，这种结构可以减少涡流产生的铁损和阻力矩．提高电机效率(见图3)。电机配套使用自主研发的磁编码器，摆脱了对国外编码器产品的依赖，其分辨率可达12位。150 W的电机含编码器尺寸为35 mm×90 mm，重495 g，额定电压48 V，额定转速9000 r／min，额定转矩160mN·m．自制GMR编码器组装图如图4所示，尺寸可至32 mm×10 mm，分辨率为100O 线／r，最高转速1200O r／min。

5微型伺服系统性能对比测试

5．1额定工作点性能指标对比

3款微型伺服驱动器如图5所示。表l、表2列出了以上几种伺服驱动器和电机的具体性能指标。

以上数据表明以色列Elmo公司的whistle型驱动器功率密度最高，自制的HIT-PEEDⅡ型伺服驱动器的各项指标接近国外同类产品；伺服电机由于受国产谐波减速器机械性能的限制，其额定速度比MAx0N电机低，较低的速度使其外径和体积难以进一步缩小。

5．2定位精度与响应速度关节

伺服系统的定位精度直接影响对运动控制器指令执行的准确程度，关节处微小的偏差也能在肢体末端产生很大的偏移。另外，伺服系统是否能及时完成指令动作，也将影响到整个运动系统的可靠性与机器人动作的协调性。

为r测试这两项指标，本文利用伺服系统配套的上位机软件的监视功能进行测试。此方法相当于利用伺服系统电机轴端的l00O 线增量编码器作为传感器，在4倍频计数模式下，分辨率可达到l／4 000圈。当肢体长度为0．3 m时，关节l／400O圈的误差仅在末端产生约O．47 mm的位置偏差，能满足测试的精度要求。测试数据经过整理后如图6所示。从图6中可以看出，3种伺服系统都能在170IIls左右完成动作。其中HIT-PEEDⅡ伺服系统的响应时问较短，但超调也较大；另外两种伺服系统的响应曲线相似。而放大后的曲线中可以看出，3种系统在250 ms时，与位置误差均小于100脉冲数(即1％)，其中Elm0驱动器+MAX()N 电机组成的系统误差最小，但是有一些振荡，另外两种伺服系统则逐步接近给指令位置。考虑到控制参数对响应造成的影响，以上3种伺服系统在合理调整参数后，都应能获得相似的定位速度和精度。

5．3工作效率

仿人机器人的伺服系统是整机消耗电能最多的部分，伺服系统的工作效率一方面影响电池供电时机器人的续航时间，另方面，低效率的伺服系统也会给整机带来散热方面的问题。

本文搭建了一套用于测试伺服系统整体工作效率的系统，系统通过可编程直流电源供电，其输出轴连接到磁滞式测功机上，整体工作效率为测功机测得的功率与直流电源输出的功率之比值。3种伺服系统在不同工作点的工作效率如表3所示。在80％额定负载时的温度变化如图7所示。

从表3和图7可以看出，伺服系统的功率损耗主要由伺服电机引起。电机由于受体积的约束，效率一般较低，且随速度的下降迅速下降。国产的HIT-PEED 伺服系统在接近额定速度时，工作效率与国外伺服系统相同，但在转速降低时，效率下降得较快。因此．在实际应用中，应当尤其注意伺服电机的散热问题，采取合理、足够的散热措施。驱动器的功率损耗主要来自功率器件，但因为低压MOSFET的技术比较成熟，损耗较小，故驱动器的温升较低，且很快稳定。从图7还可以看到，采用铝基电路板的copley 驱动器工作温升要低，优于另外两种实用铝外壳散热的驱动器。

6 关节驱动微型伺服系统

未来研究目标仿人机器人关节驱动伺服系统选型时，在满足功率要求的前提下．体积和重量是最重要的因素。一些低压伺服产品，虽然有很好的性能指标，但其面向的是功能多而全的通用伺服市场。在仿人机器人领域中，无需追求全面的功能和过于灵活的可扩展性，在满足基本性能要求的情况下，首先满足机器人空问、重量方面的要求。

伺服系统的定位精度和响应速度关系到运动控制器的指令是否能被正确、及时的执行，这两个指标一方面与位置传感器精度有关，另一方面受电机驱动算法影响。一般来说，采用正弦波驱动的永磁同步电动机具有较好的定位精度，但同样体积、重量下，方波驱动的无刷直流电动机具有更大的功率，即更高的转矩，因而其响应速度也更快。选择方波驱动还是正弦波驱动需要根据应用场合的特点做出决定，所以微型驱动器需提供两种工作模式。

伺服系统的工作效率也是考察的重要指标，因为机器人携带电池的能量密度有限，在一个低效的系统中，过多的电能转以热能的形式消耗了，机器人必须携带更多的电池以维持相同的续航时间，同时，还会带来散热方面的问题。然而，目前同内外的微小型伺服电机效率一般不高，这就导致系统需要良好的散热措施。在与用户沟通时，电发现敞热不良时，容易造成电机烧毁，因此，多数用户在选型时会留出比较大的余量。

由于动力来源的特殊性，一般来说，仿人机器人用伺服系统应有较宽的工作电压，并且只需要单一电源供电，使用电池供电的机器人供电电压从30 V到80 V不等，一般不具备多路电压输出能力。为了简化供电线路，用户希望伺服系统只需一对电源线即可工作，且在电池电压变化时系统不会失效。

一个完整的仿人机器人上会有数十个伺服关节，如果仍使用脉冲指令形式，整个系统的电气线路将十分复杂，可靠性、可维护性都极低。支持总线通讯的伺服系统通过分时复用的方法，只需一根通讯总线即可实现各个伺服关节与上位机之间双向的信息交换，最大程度地降低了电气线路引起的系统故障。

7 结论

本文所提出的HIT-PEEDⅡ伺服系统在额定功率、功率密度、驱动方式、动态性能、工作效率以及通讯功能等都达到同类进口产品性能指标，可以取代进口产品。本文对关节驱动微型伺服系统的研究目标也做了详尽分析，为国产化高性能仿人机器人的开发选型工作提供一定的借鉴。