執行元件的基本原理及其在機器人系統中的應用（一）

前幾天大家都在熱議如何評價傅盛的獵豹機器人之夜，許多人發出感慨，做機器人真的很難。確實，看著同專業會編程的人都刷題去互聯網公司，作為機器人領域的愛好者，我很期待看到更多的人才加入進來，這個領域需要更多地人互相努力，分享其中的技術、產品等資訊，讓「世界上這麼多聰明的人都在研究如何打廣告」這一現象，變成「世界上最聰明的人都在研究如何做好機器人」。因此，本著樂於分享的態度，梳理一些跟機器人相關的東西，從自身做起。

在工業機器人等機電一體化系統中，控制器常常被比喻為人的神經中樞，那麼執行機構就類似於手和腳。從能量形式上看，執行元件一般分為電磁、氣動和液壓三類，包括步進電機、直流伺服電動機、交流伺服電機、氣動馬達、液壓馬達等。這裡簡單梳理下常用執行元件的基本原理及其機器人系統中的應用。

步進電機

步進電機是一種把開關激勵的電脈衝轉化為角位移的執行元件，具有轉矩大、慣量低、響應頻率高的優點。其基本原理是在控制電路中，給步進電機一個輸入脈衝，電機轉子軸就旋轉一定的角度（即步矩角），通過控制脈衝個數和頻率來控制轉角和頻率，從而達到定位的目的。步距角越小意味著電機所能達到的分辨力（位置精度）越高，混合型（VR型和PM型組合而成）步距角的典型值有0.9、1.8、3.6度等。步進電機的另一個重要參數是保持轉矩，即電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。

如圖2所示是步進電機的驅動組成框圖，其中驅動電源是影響步進電機運行特性的重要環節。驅動電源的作用是將變頻信號源（MCU或數控裝置）送來的脈衝信號和方向信號，按要求自動循環供給電機各相繞組，以驅動轉子正向或反向旋轉。

步進電機控制簡單，在機器人驅動執行機構中應用很多，主要適用於低轉速高轉矩、小負載低成本、短距離循環運動等場景。根據不同的機器人應用需求，可以選擇步進電機方案。下面主要介紹兩個典型的應用場合，分別是輪式小車搭載簡易機械臂移動智能機器人和多自由度關節型機器人運動系統。

對於移動智能機器人，例如自動巡檢、物流分揀或者自主清障等場合，其執行元件均可採用步進電機。移動平台一般採用2-3輪的小車，搭載機械臂的軸數也不超過3，對於這類應用，由於不需要複雜的運動規劃演算法，因此可以選擇如圖3所示的基於單片機+運動控制卡系統架構，簡單可靠。AVR作為主控處理器接受激光、紅外等感測器信息，同時給運動控制卡發送。運動控制卡在這裡主要起到了脈衝分發的功能，可將微控制器的信號分別發給每個軸的電機。

對於面向工業的傳統流水線作業的多自由度（這裡主要指6-DOF）機器人在搬運、切削、教學演示等應用就得使用PC+運動控制卡的方案，因為涉及到複雜的運動學計算，有時還需要友好的人機交互界面，單片機的編程資源就不夠用了。如圖4所示，PC上的CPU和運動控制卡上的CPU構成主從式雙CPU模式，PC機CPU負責人機界面、實時監控和發送指令等，卡上的CPU 處理脈衝控制、I/O信號等，上下位機完成數據交換，計算機資源得到充分利用。

除了上述兩個示例外，許多桌面級機械臂也都是基於步進電機的方案。在這些應用中，根據不同成本和性能要求，單片機可以選用51系列二或者ATMEGAL128，該單片機外設豐富；運動控制卡可以選用ADT-856和基於高性能FPGA晶元的Mocon運動控制板卡等現有產品；其實PC機也可以換成系列能跑操作系統的ARM板如樹莓派等一些開源硬體，或者PLC系統，以及現成的控制器等；人機界面在windows上可以採用MFC設計，在Linux上用Qt、gtk+、FLTK等庫。

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