深度解读协作机械臂硬件系统

1 概述

机械臂是典型的多体系统，在众多机器人系统中之所以能脱颖而出主要是由于其灵活通用能力，以及其在多体控制领域的典型性。机械手臂在产业自动化的应用已经相当广泛，因为各个国家产业分布的不同，以及各产业对于机械手臂的需求量也有差异。主要是使用于人工无法进行或者会耗费较多时间来做的工作，机械手臂在精度与耐用性上可以减少许人为的不可预知问题。目前机械臂已经成功应用在汽车工业、模具制造、电子制程、农业、医疗、服务业。

机械臂是典型的多体系统，也是机器人操作的重要终端。目前机械臂主要可以分为：

1.1 工业机械臂：

• 瑞士的ABB: ABB 的核心领域在控制系统; “最为酷炫，爱好黑科技”
• 德国的KUKA: KUKA 在于系统集成应用与本体制造，“极度严谨，实用至上”
• 日本的FANUC: FANUC在于数控系统;”技艺精湛，整合能力强”
• 安川电机: 伺服电机与运动控制器领域，“简洁实用，性价比高

工业机器人

1.2 协作机械臂

典型协作机械臂

2 机器人参数

本章节机械臂的具体参数如下所示：

机械臂CAD图

机械臂DH

机械臂实物图

机械臂末端装有 ATI 公司的 MINI45 系列六维力传感器， 其直径为 45mm ， 量程 145N 、 5Nm ， 并且采用 NETCANON 实现 CAN 接口。 相机为采用 GiGE 的微型工业相机。 机械臂中央控制器中主处理器为 DSP( 型号：TMS320C6713 ， 225MHz) ， 通信控制器为 FPGA( 型号： EP4CE10 ， 100MHz)

3 机器人电气系统

机械臂系统7个关节采用相同的控制和驱动电路，所有控制板采用相同的PCB布局，驱动板采用两种布局形式，有效降低了加工成本，缩短了电气的调试周期。该控制器硬件的主控芯片采用Altera 公司的cyclone Ⅲ系列FPGA(Field－Programmable Gate Array)芯片。FPGA即现场可编程门阵列，是一种半定制电路，解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA凭借其超大规模的单芯片容量和硬件电路的高速并行运算能力在高速复杂逻辑处理方面具有突出的优势。由于SOPC（System On Programmable Chip）技术的发展，FPGA上可嵌入MCU（Micro Control Unit），我们选用的此款FPGA集成了Altera公司的16位NiosⅡ处理器，可实现对数据的快速处理。

根据功能划分，此关节控制器硬件主要包括电机的控制与驱动，传感器数据的采集与处理，关节保护，通信和电源等几个模块。

• 关节内部减速机构多采用谐波减速器实现，而动力来源一般都通过直流无刷电机实现；
• 关节内部具有丰富的传感功能：如角度传感器、输出端力矩传感器、电机相电流传感器和温度传感器等；
• 关节采用机、电、热一体化设计思想，体现了关节高集成度和智能化；
• 关节内部通讯方式一般采用实时串行通讯总线结构，使关节内部走线最小化；

机械臂分布控制系统

3.1 电机控制与驱动模块

本系统选用的关节电机为直流无刷电机，电机控制与驱动需要U、V和W三相电压信号。电机内部集成了三路霍尔传感器，根据霍尔信号，控制电机的正反转。通过控制MOSFET桥路的导通与截止来实现对电机三相驱动电压的控制。为了防止信号的干扰和实现电压匹配，信号的控制与驱动部分采用了数字隔离器进行隔离。根据霍尔信号，电机控制采用了PWM和SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation）两种控制方式。

电机控制与驱动桥式电路

3.2 传感器数据采集与处理模块

为了实现关节的位置和力控制，在关节端集成了光电编码器和力矩传感器。同时，考虑到关节谐波的柔性，在电机端还集成了磁编码器。基于此，我们设计了三种传感器的信号采集和处理电路。为了时时检测系统的温度变化，还设计了温度检测电路。

关节控制器电气系统图

(1) 磁编码器

磁编码器我们选用的是一款16位数字输出的相对位置传感器，其输出信号为A，B和Z等的六路差分信号，输出接口为RS422，因此，为了能够实现其跟控制器的数据传输，需要设计外接RS422转换电路。

(2) 光电编码器

为了检测关节端的位置信息，本系统的关节中集成了一款15位分辨率的绝对式光电编码器。该传感器为商业用高集成度传感器，内部独立采用单片机作为处理芯片，通过RS485接口与关节控制芯片连接。

(3) 力矩传感器

关节中集成的力矩传感器用来检测关节端的力矩信息，本系统的力矩传感器为本实验室独立开发。其电路连接方式采用的是惠斯通电桥连线方式，这种方法可以有效的检测力矩变化信息，有效减小误差。

(4) 温度传感器

为了检测电气系统尤其是电机驱动中的MOSFET发热情况，本电气系统中还集成了一款高精度的温度传感器，该传感器采用+3.3V供电，输出为数字信号，可以与FPGA控制芯片直接连接，使用方便。利用其输出的PWM信号，计算信号的占空比从而得到相应的温度信息。

3.3 关节保护

为了保护电机、关节和机械臂的安全，本关节设计了关节的保护模块。此模块主要包括关节抱闸抱死检测和控制电路以及关节温度检测和风扇控制电路。

为了减少抱闸线圈的发热和减少能源消耗，本关节的抱闸控制采用PWM的控制方式。硬件电路方面充分利用了场效应管的导通与关断功能，当CPU输入高电平信号到场效应管1的G管脚时，其会导通，同时由于电阻分压的作用，场效应管2的VGS产生足够的压差从而导通，从而将电压信号传输给抱闸系统；如果外界高电平信号导通场效应管1时，场效应管2的压差VGS为0，不会给抱闸线圈施加外部电压信号。为了检测抱闸的开端状态，本抱闸内部集成了两路机械开关，我们通过给机械开关通一定的电压，判断回路的电压情况，就可以判断出抱闸的状态，从而更好的保护系统。抱闸和检测的硬件电路示意图如下：

在系统工作的过程中，硬件电路尤其是FPGA、MOSFET等部分会产生大量的热，为了降低系统温度，本文设计了基于温度变化的风扇转速调节电路。

风扇调速电路能根据外界温度的变化，调节输出信号的占空比，从而控制场效应管的通断来实现对风扇转停的控制。此电路规定了两个温度阀值，当温度低于下限阀值时，风扇转速很低，或者停转；当温度高于上限阀值时，电路将给CPU输入报警信号，提醒CPU采取关机等相应的动作.

3.4 关节软件

软件部分主要包括霍尔信号的采集与处理程序，光电编码器信号采集，磁编码器的信号处理与采集，力矩传感器信息的处理，抱闸检测和控制程序，温度传感器信息处理，电机上电控制程序等，另外，需要根据相应的传感器信息控制电机的启停旋转的电机控制与驱动程序，最后，关节控制器还需要与上层控制器进行数据的交流，因此需要根据相应的通讯协议，编写相关传感器信息，电机控制信息的传输程序。

4 正弦矢量控制原理与实现

为了能有效地控制永磁无刷直流电机，通常采用场向量控制。通常场向量控制依赖于正弦矢量控制（SVPWM）。场向量控制的基本概念就是通过坐标变换，在矢量坐标系下实现电压、电流和磁势等变量的解耦控制。通过坐标变换实现解耦或近似解耦，实际就是进行数学上的相似变换，使电机模型中的电感矩阵（或阻抗矩阵）对角线化。SVPWM可以将N阶系统解耦，从而使得系统分解为N个独立的系统。在SVPWM的解耦作用下，永磁无刷直流电机能够对磁势和电机扭矩分别控制。

基于FPGA的关节伺服控制器结构框图

矢量控制坐标图

参考文献：

轻型机械臂系统及其基于无源性理论的柔顺控制研究

人机碰撞环境中机械臂的笛卡尔阻抗控制系统研究

空间机器人目标捕获的自主控制策略