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從SCIMC架構(gòu)到HyperRing技術(shù)，機(jī)器人控制技術(shù)的革新

2024/6/24 16:00:37

不論是人形機(jī)器人還是工業(yè)機(jī)器人，“機(jī)器人控制” 無(wú)非是通過(guò)協(xié)調(diào)各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人整體的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

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傳統(tǒng)架構(gòu)中，機(jī)器人控制分為兩部分，一部分是關(guān)節(jié)的伺服控制，可能是個(gè)伺服電機(jī)，或是電液伺服執(zhí)行器，它控制的是一個(gè)單一維度的運(yùn)動(dòng)；另一部分是整體控制，比如工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的所謂運(yùn)動(dòng)控制器，它負(fù)責(zé)為每一個(gè)關(guān)節(jié)下達(dá)運(yùn)動(dòng)指令，以保證整個(gè)手臂的運(yùn)動(dòng)效果符合預(yù)期。

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圖一：早期工業(yè)機(jī)器人或多軸工業(yè)設(shè)備控制架構(gòu)

最早運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)脈沖方式和伺服控制器通信，每一個(gè)脈沖代表一定的運(yùn)動(dòng)距離，脈沖多則運(yùn)動(dòng)距離長(zhǎng)，脈沖密集則運(yùn)動(dòng)速度快。

但是隨著用戶對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的速度和精度要求日益增長(zhǎng)，這樣的控制架構(gòu)沒辦法完成更多的數(shù)據(jù)交互，于是大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人切換到了總線架構(gòu)。

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圖二：當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人的主流控制架構(gòu)

運(yùn)動(dòng)控制器知道全局的信息，知道手臂的受力情況，可以對(duì)電機(jī)出力進(jìn)行預(yù)判，然后通過(guò)總線前饋給伺服控制器，極大的提升了工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)性能。

信息越全面，越有利于決策；

信息越及時(shí)，越有利于決策。

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圖三：機(jī)器人控制技術(shù)發(fā)展要求

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運(yùn)動(dòng)控制與電機(jī)控制的最佳融合方式，莫過(guò)于把這些功能集成在一塊芯片中！世界首款單芯片多軸驅(qū)控一體運(yùn)動(dòng)控制器SCIMC（Single Chip Multiaxis Integrated Motion Controller）出于這個(gè)目的，誕生了！

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圖四：捷勃特機(jī)器人單芯片驅(qū)控一體核心板（只有名片大小）

捷勃特在世界范圍內(nèi)，首次把單芯片多軸驅(qū)控一體運(yùn)動(dòng)控制器SCIMC（Single Chip Multiaxis Integrated Motion Controller）運(yùn)用于量產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人中。

以往出現(xiàn)在機(jī)器人行業(yè)里討論控制架構(gòu)時(shí)經(jīng)常提到的一些的名詞，變得不再有關(guān)注的意義了。比如說(shuō)“總線通信帶寬”，“總線絕對(duì)延時(shí)”，這些困擾機(jī)器人控制工程師的指標(biāo)，在“去總線”、“單芯片”的技術(shù)路徑下已經(jīng)沒必要再關(guān)注了，是時(shí)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(zhǎng)直線，我只關(guān)心我的手中的筆如何移動(dòng)，我不會(huì)去關(guān)心我的胳膊上每個(gè)關(guān)節(jié)應(yīng)該怎么轉(zhuǎn)動(dòng)。這是一種自然而然的控制方式。就是把整個(gè)胳膊看成是一個(gè)整體來(lái)控制，而不是一個(gè)個(gè)關(guān)節(jié)分別進(jìn)行控制。

傳統(tǒng)伺服控制僅在單一電機(jī)上形成閉環(huán)控制，所謂閉環(huán)控制，就是通過(guò)比較“希望的位置和速度”與“傳感器反饋的位置和速度”來(lái)調(diào)整電機(jī)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(dòng)作的時(shí)候，大多會(huì)對(duì)要使多大勁有個(gè)預(yù)判，然后直接按照這個(gè)力發(fā)出來(lái)，中間通過(guò)力感知進(jìn)行微調(diào)。想想打羽毛球時(shí)發(fā)力，發(fā)多少力是“預(yù)判”來(lái)的，過(guò)程中感知外力并微調(diào)，但很有限。所以當(dāng)人們對(duì)出力判斷錯(cuò)誤時(shí)，容易“閃著”。機(jī)器人的動(dòng)作不是這樣，他是先規(guī)劃速度，然后看實(shí)際的速度和想要的速度有多大差距，高頻的調(diào)整出力。“超閉環(huán)”就是在機(jī)器人進(jìn)行全局“高頻調(diào)整”的基礎(chǔ)上，加上“預(yù)判”和“外力感知”，把“高頻調(diào)整”出力和“預(yù)判”出力結(jié)合起來(lái)。

在SCIMC架構(gòu)下，依賴單芯片內(nèi)高速無(wú)延遲的信息交互能力，我們?cè)诮莶谻5A機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了高達(dá)5KHz的全手臂閉環(huán)（以下稱為“超閉環(huán)”或者“HyperRing”），在閉環(huán)過(guò)程中融合了所有關(guān)節(jié)多種傳感器的信息，同時(shí)嵌入了整機(jī)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)算法進(jìn)行綜合計(jì)算，并以5KHz的刷新頻率更新各個(gè)關(guān)節(jié)的出力，實(shí)現(xiàn)手臂全局范圍內(nèi)的力感知和行動(dòng)約束。

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圖六：N關(guān)節(jié)機(jī)器人超閉環(huán)架構(gòu)

例如：可以讓手臂的末端在指定的運(yùn)動(dòng)自由度上表現(xiàn)出順應(yīng)性（低剛度，易拖動(dòng)）而在其他運(yùn)動(dòng)自由度上表現(xiàn)為高剛性。

基于此項(xiàng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)需要“手感”的柔順裝配，也可以實(shí)現(xiàn)空間自由度約束下的拖動(dòng)示教。HyperRing的算法實(shí)現(xiàn)可以多種多樣，我們目前實(shí)現(xiàn)的拖動(dòng)中的空間約束，表現(xiàn)令人驚嘆！

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