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從SCIMC架構到HyperRing技術，機器人控制技術的革新

2024/6/24 16:00:37

不論是人形機器人還是工業(yè)機器人，“機器人控制” 無非是通過協(xié)調各個關節(jié)的運動來實現(xiàn)機器人整體的運動目標。

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傳統(tǒng)架構中，機器人控制分為兩部分，一部分是關節(jié)的伺服控制，可能是個伺服電機，或是電液伺服執(zhí)行器，它控制的是一個單一維度的運動；另一部分是整體控制，比如工業(yè)機器人領域的所謂運動控制器，它負責為每一個關節(jié)下達運動指令，以保證整個手臂的運動效果符合預期。

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圖一：早期工業(yè)機器人或多軸工業(yè)設備控制架構

最早運動控制器通過脈沖方式和伺服控制器通信，每一個脈沖代表一定的運動距離，脈沖多則運動距離長，脈沖密集則運動速度快。

但是隨著用戶對機器人運動的速度和精度要求日益增長，這樣的控制架構沒辦法完成更多的數據交互，于是大多數工業(yè)機器人切換到了總線架構。

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圖二：當前工業(yè)機器人的主流控制架構

運動控制器知道全局的信息，知道手臂的受力情況，可以對電機出力進行預判，然后通過總線前饋給伺服控制器，極大的提升了工業(yè)機器人的動態(tài)性能。

信息越全面，越有利于決策；

信息越及時，越有利于決策。

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圖三：機器人控制技術發(fā)展要求

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運動控制與電機控制的最佳融合方式，莫過于把這些功能集成在一塊芯片中！世界首款單芯片多軸驅控一體運動控制器SCIMC（Single Chip Multiaxis Integrated Motion Controller）出于這個目的，誕生了！

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圖四：捷勃特機器人單芯片驅控一體核心板（只有名片大?。?/p>

捷勃特在世界范圍內，首次把單芯片多軸驅控一體運動控制器SCIMC（Single Chip Multiaxis Integrated Motion Controller）運用于量產的工業(yè)機器人中。

以往出現(xiàn)在機器人行業(yè)里討論控制架構時經常提到的一些的名詞，變得不再有關注的意義了。比如說“總線通信帶寬”，“總線絕對延時”，這些困擾機器人控制工程師的指標，在“去總線”、“單芯片”的技術路徑下已經沒必要再關注了，是時候發(fā)揮想象力做一些不一樣的事情了......

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想象一下，我們拿起一支筆畫一條長直線，我只關心我的手中的筆如何移動，我不會去關心我的胳膊上每個關節(jié)應該怎么轉動。這是一種自然而然的控制方式。就是把整個胳膊看成是一個整體來控制，而不是一個個關節(jié)分別進行控制。

傳統(tǒng)伺服控制僅在單一電機上形成閉環(huán)控制，所謂閉環(huán)控制，就是通過比較“希望的位置和速度”與“傳感器反饋的位置和速度”來調整電機的出力大小，讓“希望的位置和速度”與“傳感器反饋的位置和速度”盡量吻合。

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圖五：傳統(tǒng)伺服控制器的閉環(huán)控制

人在做動作的時候，大多會對要使多大勁有個預判，然后直接按照這個力發(fā)出來，中間通過力感知進行微調。想想打羽毛球時發(fā)力，發(fā)多少力是“預判”來的，過程中感知外力并微調，但很有限。所以當人們對出力判斷錯誤時，容易“閃著”。機器人的動作不是這樣，他是先規(guī)劃速度，然后看實際的速度和想要的速度有多大差距，高頻的調整出力?！俺]環(huán)”就是在機器人進行全局“高頻調整”的基礎上，加上“預判”和“外力感知”，把“高頻調整”出力和“預判”出力結合起來。

在SCIMC架構下，依賴單芯片內高速無延遲的信息交互能力，我們在捷勃特C5A機器人實現(xiàn)了高達5KHz的全手臂閉環(huán)（以下稱為“超閉環(huán)”或者“HyperRing”），在閉環(huán)過程中融合了所有關節(jié)多種傳感器的信息，同時嵌入了整機的系統(tǒng)動力學和運動學算法進行綜合計算，并以5KHz的刷新頻率更新各個關節(jié)的出力，實現(xiàn)手臂全局范圍內的力感知和行動約束。

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