随着科技的发展，各式各样的机器人活跃在越来越多的场合中，例如工业自动化，医疗，商业服务等，在未来的工作生活中，机器人会发挥重要的作用，并且承担着一些人工无法进行的复杂的任务。机器人的设计正朝着更小、更紧凑，更高精度，更稳定安全的可靠性方向发展，现如今直接在机器人关节内集成最先进的控制单元和精确的机械部件已经成为现实。本文将介绍如何将传动部件以及运动控制传感器集成到紧凑的机器人关节中，其中涵盖了电机、编码器、制动器、减速器和伺服驱动器。

　　文/Celera Motion 赛洛拉

　　随着机器人和机器人相关产品在工业市场、商用和医疗市场的激增，机器人的新设计趋势是利用更小、更紧凑的部件，实现机器人关节的高精度和可靠性，为了达到这个目的，设计解决方案通常为高集成度的机器人关节，关节中包含了直驱无框电机、高分辨率和高精度编码器、零间隙谐波减速器和微型伺服驱动器，这种设计实现了机器人关节的轻便型，同时缩减了机器人的关节尺寸。

　　1 机器人关节

　　图1为机器人关节的设计结构，此设计充分利用了编码器和电气传动部件体积紧凑的优势，大大缩减了机器人关节的轴向厚度，使得整个关节体积紧凑，关节输出端包含了一个高精度高分辨率的编码器，同时电机的输入端也安装了高精度的编码器。

　　图1 机器人关节

　　在图2中，展示了构成这个机器人关节中的主要组件，包含以下几种特点：

　　l 高精度零背隙谐波减速器;

　　l Omni/Omni+ 直驱无框电机;

　　l Optira 光学增量编码器 – 关节输入端;

　　l Optira/Aura 光学增量/绝对值编码器 – 关节输出端;

　　l 前中后壳体;

　　l 输出轴;

　　l 精密轴承;

　　l 中空轴，大孔径，简化机器人关节内部布线。

　　图2 机器人关节横截面图

　　图3，展示了另一种机器人关节设计结构，此结构使用了两个绝对值电感式编码器，类似于图2中的结构，在电机(输入端)安装有一个绝对值编码器，并且在减速器的输出侧同样安装有一个绝对值编码器，并且该关节还安装了抱闸刹车用于在断电后保持当前位置。

　　图3 带抱闸刹车的机器人关节

　　在图4中，展示了带抱闸刹车的机器人关节中的主要组件，包含以下几种特点：

　　l 紧凑精密零背隙谐波减速器;

　　l UTS零齿槽力直驱无框电机;

　　l 绝对值电感式编码器 – 输入端;

　　l 高分辨率绝对值电感式编码器 – 输出端;

　　l 抱闸刹车;

　　l 前中后壳体;

　　l 法兰结构式的输出轴 - 用于连接关节中的旋转运动部件;

　　l 精密轴承;

　　l 中空轴，大孔径，简化机器人关节内部布线。

　　图4 带抱闸刹车的机器人关节横截面图

　　2 机器人关节——输出端/输入端编码器选择

　　(1)输入端编码器

　　机器人关节电机输入端的编码器往往选择分辨率在100,000到 250,000范围的增量编码器，高质量的增量信号可以给机器人关节带来平滑的运动速度轨迹。如果电机只是用来提供扭矩，那么作为反馈器件的编码器的脉冲数并不需要太高。如果同时要控制速度和位置，那么在上述脉冲范围内的编码器，随着分辨率越高，速度和位置的控制精度也就越高。

　　对于上文中，图1中的机器人关节，采用了Celera motion的Optira系列光学编码器，配合高精度的圆光栅，整套编码器分辨率高达200,000，精度20角秒。通常光学编码器常用于机器人关节中，主要是因为光学编码器可以提供更高的精度和分辨率，并且抗干扰性更强，相比较于磁性或者电感式编码器。

　　虽说在机器人关节的输入端，往往不需要太高精度的编码器，但是精度的提高，仍然是可以提升整体机器人关节的性能，例如一些控制系统，通过位置来计算出速度信号，那么不精确的位置反馈，则会产生不稳定的速度，对整个机器人关节的性能造成影响。

　　图5中的Celera motion的Optira系列光学编码器，可以提供高达250,000到500,000分辨率，精度最高20角秒，精度是磁性编码器或电容编码器的2到5倍，并且整体尺寸十分紧凑，编码器读头体积仅为11x13mm，编码器的高分辨率特性，使得机器人关节输入端电机即使在高速运行下，也能精确的反馈位置或速度。

　　图5 Celera motion的Optira系列光学编码器及高精度玻璃圆光栅

　　对于上文中，图4中的机器人关节采用了Celera motion的IncOder电感式绝对值编码器，见图6。编码器单圈分辨率可高达21bits (2,097,152counts/rev)，精度为65角秒。

　　图6 IncOder电感式绝对值编码器

　　IncOder系列电感式绝对值编码器由定子和转子构成，电感式编码器另外的特点就是大中空式结构，可方便灵活的与其它关节中的机械部件相结合。IncOder系列电感式绝对值编码器的输出接口，可选BISS-C，SSI或者SPI协议。

　　(2)输出端编码器

　　常见的机器人运动控制系统均包含了多种轨迹算法，用来控制协调机器人的多个关节。控制器的算法受益于高分辨率的编码器，常见的输出端编码器的单圈分辨率高于1,000,000counts/rev。

　　机器人关节中的输出端编码器是机器人关节中最为重要的部件之一，并且机器人的整体性能在很大程度上依赖于每个机器人关节的精度和可靠性。在某些情况下，机器人运动控制系统，会根据输出端编码器反馈的数据，对每一个运动关节的刚度和挠度进行实时性的补偿，因为外部环境，例如温度的改变会使机器人关节的机械特性产生变化。

　　Celera motion的Optira和Aura系列光学编码器搭配高精度的圆形玻璃光栅，提供给用户增量输出或者绝对值输出的编码器方案。Optira和Aura系列编码器均采用Celera Motion PurePrecision™ 光学技术原理，编码器最高精度可达+/-2角秒，单圈分辨率高达10,000,000counts/rev。增量信号细分电路集成在编码器封装内，并且编码器增量信号输出可选1vpp - sine/cosine，方便用户自行灵活细分编码器信号。与此同时，Aura系列绝对值编码器作为超紧凑的编码器的代表，体积仅为9x7mm，编码器通讯协议包括BISS-C/SSI/SPI，单圈分辨率最高22bit，并支持绝对值/增量信号双输出。

　　图7 Aura系列光学编码器

　　Celera motion的IncOder电感式编码器可在超宽的工作温度下提供精确的绝对位置反馈。并且得益于IncOder编码器的工业设计理念，即使在高振动和高冲击的场合下，IncOder编码器仍然可以提供精确稳定的绝对值信号反馈。IncOder编码器输出协议包含BISS-C/SSI/SPI/串行通信/增量脉冲/模拟量。

　　3 机器人关节——电机

　　机器人关节设计采用了无框直驱电机，这种电机也常被称为力矩电机，通常力矩电机包含了转子(电磁效应)和定子(永磁体)两个部分。力矩电机同传统的同步电机一样，由伺服驱动器来控制。

　　目前较流行的设计理念，是将力矩电机嵌入到机器人关节内，从而驱动带有高减速比的减速器。无框直驱电机的特点是具有更多的极对数，改善优化了电机的力矩输出，并且力矩电机通常为为大中空通孔结构设计，便于机器人关节内部走线布线，方便用户灵活集成电机到机器人关节中。无框直驱电机的形状就好比是一个大型圆环，在满足电机高力矩输出的特性下，同时电机的体积做到扁平轻便紧凑。

　　机器人关节的输出端转速通常都比较缓慢，例如20rpm的转速，对于机器人关节都算是比较快的转速。经过150：1的减速器之后，实际的关节输入端电机的转速在3000rpm，这对于直驱电机来说，并不是一个高的转速。

　　图8 是Celera motion的Agility™系列无框直驱电机，电机的最大特点是零齿槽力，电机体积轻薄，大通孔设计。零齿槽力电机，使得机器人关节的运动控制更加平稳流畅，运动轨迹具有可预测性。同时零齿槽力电机具有超低的磁芯损耗，在高转速的应用中可以保证优异的性能。这些特性使得Agility™系列无框直驱电机深受机器人关节制造商的欢迎。

　　图8 Agility™系列无框直驱电机

　　4 机器人关节 - 伺服驱动器

　　集成在机器人关节内部的伺服驱动器，体积紧凑小巧，摒弃了传统驱动需要复杂的接线，从而提高设备的整体EMI性能，并且驱动器需要对外部环境具有更好的适应性，例如振动，灰尘，以及强磁场干扰。

　　想找到合适的伺服驱动器，并不容易。大多数伺服驱动器都针对于工业自动化应用场合，这些传统的伺服驱动器，尽可能多的兼容各种反馈编码器和各种现场通讯总线，使其适用于大多数自动化工控应用。但也存在着一些缺点，尤其是对于集成机器人关节，传统的伺服驱动器，采用DSP或者FPGAs的架构，使得电子元器件产生的热量更高，并且传统工业通信总线的数据传输实时性一般。在外型体积方面，即使是一些小型化的工业化伺服驱动器集成在机器人关节内，还是会显得驱动器体积偏大，导致整个机器人关节重量增加很多。

　　Celera motion的Ingenia伺服驱动器，在产品开发初期就专注于设计一款可集成在机器人关节内部的驱动器，产品可实现超低的待机功耗，并采用了优化升级后的DSP技术，实现了高精度的位置反馈。图9中的伺服驱动器，即为可集成在机器人关节内的Ingenia伺服驱动器，支持EtherCAT\CANopen\SPI通讯接口。

　　图9 Ingenia Everest/Capitan伺服驱动器

　　大部分机器人都通过机器人关节的力矩反馈来实现安全保护功能。依靠实时监测机器人关节施加的力矩，使得机器人关节输出的力矩是可控的，以免发生安全事故。在整套控制系统中，伺服驱动器读取力矩反馈数据，通过高实时性，稳定性EtherCAT网络反馈给机器人主控，并且在机器人关节中安装了两个编码器，一个是BISS-C协议的绝对值编码器，另一个是霍尔数字信号编码器，实现了双位置反馈安全冗余的功能。如果两个编码器输出的位置有偏差，伺服驱动即可感知到，并将异常反馈给机器人主控。并且伺服驱动器配有安全停止(Safe Torque Off - STO)安全功能，当该功能STO激活时，即会切断电机扭矩输出。

　　图10 环形Ingenia伺服驱动器

　　伺服驱动器的功率密度也是机器人关节设计中，常被人谈及的话题。对于机器人关节的设计者来说，一款可提供足够的功率，紧凑的外形尺寸，发热较低的伺服驱动器是极其关键的。Celera motion的Ingenia伺服驱动器，采用最先进的新型非硅晶体管驱动技术，使得驱动器提供高达0.21W/mm3的功率密度。先进的高功率密度伺服驱动器，使得将伺服驱动器集成在例如手术机器人，仿生机器人等机器人关节和末端执行器的应用中成为了可能。

　　在机器人关节的设计中，伺服驱动器的尺寸并不是唯一需要考虑的因素，为了将伺服驱动器集成在机器人关节内，设备制造商必须关注电气元件产生的热量，得益于Ingenia伺服驱动器灵活的设计结构，产品低功耗，待机功率仅2.5W。