2.4 协作机器人的模块化、一体化关节

将伺服驱动器内置于关节，于关节内完成底层电气设备连接，以简化整机走线，降低配套设备重量，该类设计被称为协作机器人的一体化关节设计。

协作机器人在设计上有低电压、轻量化的需求，因此通常采用一体化关节设计，将底层执行器，即驱动器，集成到机器人关节内，使每个关节都成为一个控制单元。在控制上呈分布式控制架构，不同层级之间的线缆数量极大地减少，因此能够采用中空走线设计直接将线缆隐藏在相对纤细的本体内。

与工业机器人设计的便捷相比，协作机器人一体化关节的设计复杂得多。图2-9所示为一个常见的一体化关节设计。在零部件构成和功能上，由电动机端的编码器通过接口传输数据到驱动器，驱动器根据电动机所处的位置控制电动机，并由谐波减速器进一步放大电动机的输出力矩。而后，通常在减速器输出端安装另一个编码器，形成双编码器构型，一方面使用输出端编码器作为位置控制反馈，降低关节刚度对输出精度的影响，一方面利用传感融合数据优化力控算法等。关节输出端有时也会安装力矩传感器，为力控提供最直接的反馈。

除了零部件更多，协作机器人设计和集成困难的原因主要在于两个方面：一是协作机器人零部件高度零散化，供应链繁杂。厂商通常难以在专业性上覆盖所有零部件领域，从而在反复拉锯的选型和迭代中，损失大量的初期时间成本，同时也导致产品稳定性相对较低；二是协作机器人零部件非标化，大量的非标定制和零部件研发偏移了厂家的研发重心，影响了产品竞争力。以选择驱动器为例，在选型时需要考虑机械集成、电气适配、电磁兼容性及大量的功能集成和匹配问题。因为市场的限制，厂家为满足设计需要，往往研发或外包定制零部件，不仅进一步增加了研发成本，也牺牲了产品的可靠性。

根据以往的行业模式，以及已有的协作机器人产品，可以预见新一代的协作机器人一体化关节设计将有两个趋势。一是零部件集成：机器人厂商可以凭借模块化的产品，直接整合下游供应链成熟的技术资源，减少设计和集成成本，提高产品质量。二是零部件标准化：厂商将能在市场上找到可以覆盖行业普遍需求的标准化产品，将竞争重心放到市场和应用等主战场。

为了攻克协作机器人的一体化关节控制技术，遨博机器人公司从“一体化柔顺关节模块技术”“关节伺服参数智能化辨识系列技术”“自适应模型跟随速度控制技术”三个方面出发，由易到难，通过不断进行迭代优化，逐步研发形成具有自主知识产权的协作机器人柔顺控制技术，解决实际机器人柔顺控制的问题。

2.4.1 一体化柔顺关节模块技术

关节模块集驱动和传动装置为一体，是机器人结构中最重要的部位。一般机器人关节由电动机、驱动电路、减速器、编码器、力矩传感器、制动器等零部件组成，其中最核心的零部件是电动机、减速器和力矩传感器。在传统工业机器人中，上述零部件的集成程度很低，关节体积大，整个机器人很笨重，难以在轻载场合得到应用，同时也不满足人机协作的要求。另外，传统工业机器人的上述零部件为实心结构，因此只能采取外部走线设计，这使得机器人的线缆只能缠绕或悬挂于机械臂外部，既影响美观，又容易在运行过程中引起故障。

针对上述问题，遨博机器人公司从高性能伺服控制单元模块、中空一体化变刚度控制系统等基础核心进行突破，攻克制约协作机器人模块高度集成一体化的技术难题。在掌握核心技术的前提下，将协作机器人本体的模块化设计、关键零部件的模块化设计、高度优化的快速连接、高可靠性的伺服驱动系统、高可靠性的高速总线等技术融合在一起，研制一体化伺服驱动关节模块，重点解决不同零部件集成设计和中空走线的难题。一体化伺服驱动关节模块如图2-10所示。

遨博为每个一体化伺服驱动单元内部包含完整的机械结构和控制电路设计了一种通用的快速连接机构，以实现机械与电气部分的快速连接。每一个伺服驱动单元内部存储器都保存了配置、校准、位置等信息，以保证每个关节可插拔和快速替换。

2.4.2 关节伺服参数智能化辨识系列技术

一体化关节中的一个核心技术是对伺服电动机的控制，控制效果的好坏直接影响着协作机器人的性能。一体化关节所采用的空心无刷伺服电动机在使用过程中暴露了性能和应用上的一些缺点。伺服系统各环节针对线性定常传递函数设计的控制器参数，只在较小工作范围内接近最优，参数设定烦琐，误差较大，往往很难调整系统到最优的工作状态。即使参数设定比较合适，当工作温度、电流和频率发生变化时，电动机的参数也会相应变化。电动机参数的变化使设定的控制器参数不再适用，伺服系统工作在一个性能较差的状态。

伺服系统位置和速度的控制性能还会受应用环境的影响。负载转矩的扰动会直接造成电动机速度的波动；转动惯量、摩擦阻力的变化会引起电动机转速的超调甚至产生震荡，这在机器人的应用中非常明显。由运动方程可知，机械系统包含在速度环之中，它们和电气伺服系统耦合形成一个新的综合机电系统。解决机械系统参数改变对速度性能的影响，是提高伺服系统性能的一条有效途径。

据此需要研发和攻克机器人关节的伺服参数智能化辨识系列技术，包括采用连接组合体方法的测电流参数辨识、测力与测电流相结合的参数辨识方案、基于机电参数识别的机械臂阻抗控制技术、基于完整动力学力矩补偿的控制方案、基于关节力矩反馈和非线性补偿的关节空间到笛卡儿空间的阻抗控制算法和基于六维力传感器的机械臂力控制技术，实现从电阻、电感、永磁磁通、转动惯量和摩擦系数等伺服参数，到机械臂的动力学参数等全方位参数智能化辨识，大幅提高一体化关节机械臂系统对环境的适应能力。

2.4.3 自适应模型跟随速度控制

基于经典控制理论传递函数方法设计PID控制器，设计方法简单且易于实现。随着现代控制理论的发展，基于二次型最优指标的状态反馈控制方法也在速度控制中有成功的应用。这些控制方法虽然广泛应用，但因为是针对精确数学模型的线性控制，在控制非线性、强耦合的伺服系统时，性能会受到一定影响。非线性系统的线性化控制方法适用于伺服系统的非线性特点，线性化的过程要求精确的数学模型，未知参数要用辨识等方法校正。强耦合和非线性影响了系统模型的精确性，但模型的基本类型是已知的，自适应控制是针对这种情况有效提高协作机器人控制系统性能的方法。

采用基于状态空间方程设计模型跟随控制器的方法，针对一体化关节伺服系统速度环的控制模型，研发和设计自适应模型跟随速度控制器（AMFC）。AMFC具有状态反馈控制环节和自适应环节，可以通过参数调节灵活适应协作机器人一体化关节速度控制的要求。AMFC的算法结构如图2-11所示。

遨博机器人公司基于一体化柔顺关节模块化技术，开发了系列化的协作机器人一体化伺服驱动单元。针对一体化伺服驱动单元对于结构紧凑、装配方便、可重构等性能的要求，设计其支撑机构、电动机及传动装置。考虑成本和性能，优化设计协作机器人一体化驱动单元的各个组成部分：伺服电动机、谐波减速器、制动器、高精度位置反馈数字电位器、控制电路等。一体化伺服驱动单元支持CAN-BUS通信总线，对外接口只需要4根线——2根电源线和2根通信线；采用快速连接机构来实现电气和机械的快速连接，可构成1～N自由度机械臂。通过快速连接机构，每个手臂的搭建只需要几分钟时间，并且每个关节都支持可插拔和快速替换，不需要烦琐的参数设置。结合关节伺服参数智能化辨识技术、自适应模型跟随速度控制，可以实现精确速度控制，角速度灵敏度达到0.25°/s。