人形机器人多关节的电机伺服控制系统

本月初上海国际机器人展示会，展出的几乎都是进口设备，国产的机器人演示的速度与精度远低于进口的，在上海电视台的采访中，国产厂家（机器人与伺服电机厂家）也坦言关键技术受制于人，尤其是精密伺服电机减速箱，基本都被日本公司控制，其实这跟我们的发展是在学日本人有关，伺服电机的编码器的使用都是装在了电机尾部，这种安装形式优点是增量脉冲信号对于速度贡献的精度高，动态响应好，同时输出的UVW信号提供电机换相信号，我也经常被问到有没有国产的绝对值编码器可以替换现在装在伺服电机尾部的增量编码器, 伺服电机

要选用绝对值编码器，如果还是装在电机尾部，那样的编码器要求分辨率很高（为满足伺服电机的动态特性要求，最少17位以上）、信号输出响应要求快（比如EnDat等专用信号），这对于绝对值编码器国产化以及成本要求带来了很大的难度。但是这种安装对于最终的机械输出的精度还是要取决于精密减速箱与机械传动上的精度，而这个恰恰又是日本及德国的加工强项。如果照样学习日本的（德国的成本更贵，我们国内较少有人去学的），那就必然钻进了日本精密机械加工的圈了。实际上装绝对值编码器与原来已经使用的增量编码器并没有对立，而一定要替换掉，其实这次展会，就算是日本的尼康公司，也提出了仅仅在伺服电机高速端装编码器不够的弊端，欧洲早有在低速端加装绝对值编码器补充信号提高精度，电机高速端用增量编码器确保电机动态特性的使用方法。这样可以避开减速箱精密性问题，实现用绝对值编码器的确定绝对位置的重复精度，但那样机械设计与电气增加绝对值编码器信号接口就要重新考虑设计了，在国内普遍只会照样子学国外而不愿冒险创新，或者嫌麻烦不愿重新设计机械结构，这种想法恐怕也就一闪而过了。于是，明年的展会上我们国产的厂家可能还是在抱怨精密减速箱。

仿人机器人关节的电机伺服系统

摘要：本文围绕电机伺服系统在仿人机器人上的应用，简要介绍了电机伺服系统各部件的发展现状和几款适用于仿人机器人的电机伺服系统，并在此基础上分析了系统选型时须要重点考虑的因素。指出了今后仿人机器人关节电机伺服系统发展的方向和应着重研究的方面。

关键词：电气传动；仿人机器人；伺服系统；永磁同步电机

0 引言

2000 年，日本本田公司发布的仿人机器人ASIMO 吸引了全世界的目光。过去十年里，得益于计算机、电气工程、材料工程、传感器科学等相关学科的发展，仿人机器人技术也有了长足的发展[1]。世界范围内，各个公司、大学、研究所开发了数以百计的仿人机器人。其中较为突出的有日本本田公司、美国麻省理工大学、俄亥俄州立大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学等[2]。仿人机器人由控制系统、关节伺服系统、传感器系统、能源系统和本体结构五部分组成。关节伺服系统按驱动方式可以分为液压伺服、气动伺服、电机伺服、压电伺服等。这几种系统中，液压伺服抗污染能力差、调试维护困难、瞬间过载能力低；气动伺服非线性程度高、定位刚度小；电机伺服通常需要减速机构，使其体积增大；压电伺服一般不需要减速机构，易于实现微型化，但其驱动电路复杂，多用于微型

机器人或仿人机器人的手指关节[3]。比较几种伺服系统的优缺点，电机伺服系统，尤其是旋转电机伺服系统由于技术成熟、可靠性高、刚度强、较易驱动，是目前仿人机器人关节伺服系统的首选。

许多文章详细介绍了工业用电机伺服系统的选型方法，但在仿人机器人中，由于使用电池供电，供电电压低、功率/能量密度受限，且机器人的体积、重量均有严格的要求，所以仿人机器人关节中使用的电机伺服系统有其特殊的要求。例如低工作电压、低损耗、高功率密度、轻重量、单一电源供电、高可靠性。

本文围绕仿人机器人的需求特点，对其关节电机伺服系统的组成、类别、现有产品的性能和功能进行介绍和对比，为相关领域的伺服系统选型提供依据。

1 伺服系统的组成

电机伺服系统一般是由电动机、位置传感器、电流传感器、功率器件和控制器五部分组成的闭环系统，如图1 所示。

1.1 电机

永磁无刷电动机无需励磁绕组和励磁电源，结构相对简单，具有很高的功率密度，非常适合仿人机器人这种对体积、重量十分敏感的场合。在伺服系统中应用的永磁无刷电动机分为无刷直流电动机（brushless dc motor, BLDCM）和永磁同步电动机（permanent-magnetsynchronous motor, PMSM）两种。前者设计和生产费用低，但转动时不可避免有矩脉动；后者正弦波驱动，理论上可完全消除转矩脉动，但需要更高精度的转子位置传感器和更复杂的控制器件。

1.2 位置传感器

1.2.1 光电编码器

在位置伺服系统中，光电编码器常被采用作为位置传感器。它具有精度高、分辨率力高、工作范围大、功耗低、非接触测量等优点，但由于光栅盘是精密的光学元件，其抗振性能差，轴向的振动极易使其破碎，烟雾、灰尘等杂质也会影响光路系统。光源、镜头、光栅盘和光电传感器组成的光路系统只能轴向排布，也令光电编码器的厚度难以缩小。

目前商品化的光电编码器中，体积较小的是SCANCON 公司的增量式光电编码器，其分辨率为1000 线/转，尺寸为。

1.2.2 磁编码器

磁编码器是近年发展起来的以一种新型电磁敏感元件为基础的检测装置。这种编码器使用具有交替变化磁场的永磁体盘代替光栅盘，使用巨磁电阻（giant magneto resistance，GMR）等磁敏元件代替光电元件，把磁信号变为电信号，如图1 所示，从左至右依次为：

外壳体、永磁盘、电路板（含传感器和调理电路）、外壳盖。在工作中，磁编码器不易受尘埃和结露影响，抗振能力强，可靠性高，同时其结构简单紧凑，无需复杂的光源和光学元件，易于实现小型化，尺寸可至。

但受充磁技术的制约，磁编码器的精度一般不高，采用细分技术后可达到1000 线/转。

1.3 功率器件

在中小功率的应用中，一般使用电力MOSFET 或IGBT 作为功率器件。电力MOSFET具有易驱动、开关速度快的优点，但其导通损耗和耐压能力之间存在矛盾，故一直局限于在低压场合使用。IGBT 是一种复合型的功率器件，整合了MOSFET 和BJT 的优点，驱动端类似MOSFET 的结构，通过电压控制，所需功率小，而开关端则与BJT 相似，耐压水平高、电流大、导通损耗小。但其关断时

间较长，因此开关损耗较大，而且其导通压降为固定值，与流过电流无关，在开关电压较高的时候才能体现出其低损耗的优点。

仿人机器人电源电压一般在100V 以下，故其关节伺服系统多采用电力MOSFET 作为功率器件。

1.4 控制器

在仿人机器人领域，为了满足体积和重量这两个关键指标，一般会带有为电机控制优化的硬件模块（如PWM 调制、增量编码器计数）的DSP 或MCU 作为微控制器。有的微控制器甚至将坐标变换、空间矢量控制等算法也做成硬件模块。

现代仿人机器人一般通过网络总线实现对各个关节的控制，因此控制器DSP 也会集成UART、CAN 等通讯模块。

2 国内外产品

国内仿人机器人领域使用较多的是Copley、Elmo、MAXON 等国外公司的伺服产品。

国内厂家和研究机构中，北京和利时也有自主研发的低压小型伺服产品；哈尔滨工业大学成功研制了适用于仿人机器人的低压微小型伺服系统。本节将分别介绍上述产品的功能、性能以及特点。

2.1 美国 Copley Controls 伺服驱动器

该公司的 Accelnet 系列伺服驱动器采用Freescale 公司DSP56F807 16 位数字信号控制器为主控芯片，该控制器整合了DSP 强大的处理能力和微控制器多样的功能，最高主频80MHz，使用3.3V 单电源供电，片上稳压器可为数字和模拟电路提供更低的功耗和噪声。

该系列驱动器可用20～55V 单一直流电源供电，通过反激变换器产生多路独立稳压输出，采用了平面变压器，变压器绕组印制在电路板上，整个变压器体积仅为18mmmm。功率器件使用六个Fairchild 公司SOP-8 封装的分立MOSFET，焊在一块95mm的铝基电路板上，铝基板为外壳的一部分，热传导率高、散热性能好。

驱动器支持 CANopen 和DeviceNet 两种CAN 总线协议，一条总线上最多可挂接127 台驱动器。配套的Copley Motion Explorer 软件可进行组网、电机配置、参数自整定、运动程序下载和调试等操作，操作界面友好，可视化程度高。

2.2 以色列 Elmo Motion Control 伺服驱动器

该公司的Whistle 系列伺服驱动器采用与Accelnet 驱动器相同的主控芯片，通过进一步的精简和优化，大量使用BGA 封装等微型贴片元器件，Whistle 驱动器在更小的体积内实现了更高的持续功率输出。该驱动器没有使用反激变换器，而是采用多个Buck 降压电路级联的形式来获得12V、5V、3.3V 电压输出。功率器件使用六个IR 公司TO-252 封装的MOSFET，更大的封装使其可提供

100V/42A 的持续输出能力，导通电阻为18mΩ。散热方面没有采用铝基板技术，用导热粘合剂把铝制外壳粘到电路板MOSFET 背面，通过电路板上的铜箔和铝制外壳散热。

通讯功能和配套软件方面与Accelnet 驱动器类似。

2.3 瑞士 MAXON 伺服电机

瑞士 maxon motor 是一个面向全球提供高精密电机和驱动系统的产品的公司。其EC-powermax 系列无刷电机采用无槽绕组和钕铁硼磁钢，具有极高的功率密度，100W 的型号尺寸为，无齿槽效应，在低压下仍可获得高转速。

电机可与前面两种伺服驱动器构成伺服系统。

2.4 北京和利时伺服系统

该公司的蜂鸟系列伺服驱动器是一款低压直流供电的小体积、高性能全数字伺服驱动器。采用32 位高速RISC 专用芯片作为控制器，内嵌高级运动控制功能，通过通讯接口即可完成如多段点到点、直线插补、圆弧插补等功能，在100mm 的体积内可持续输出360W 功率。其配套的海豚系列低压无刷伺服电机，采用正弦波方式驱动，装有磁性绝对值编码器，外尺寸为，功率为250W。

该系列伺服系统的功率密度、工作电压范围、定位精度等指标在国内现有产品中均处于领先地位，但仍无法满足仿人机器人对空间、重量的要求。

2.5 HIT-PEED II 伺服系统

哈尔滨工业大学电力电子与电力传动研究所研制的HIT-PEED II 伺服系统，其驱动器采用TI 公司TMS320F2808 DSP 作为控制器，该DSP 专门为电机控制

设计，具有ePWM、eQEP等硬件模块，主频最高可达100MHz，能够很好地满足坐标变换、矢量控制、位置伺服等复杂算法的需求。驱动器只需单一电源供电，工作电压范围宽（15～75VDC），支持CAN 总线通讯，能实现BLDCM 和PMSM 的三闭环控制，适用性广。采用IR 公司MOSFET 作为功率器件，导通电阻只有18m 伲?钪涨??餍?士纱％。驱动器大量使用微型SMD 元器件和先进的焊接工艺，令

功率密度最大化。

伺服电机是采用高磁能积的稀土钕铁硼材料的永磁同步电动机，采用无槽定子绕组，能减少铁心损耗，提高电机效率（见图2）。电机配套使用自主研发的磁编码器，摆脱了对国外编码器产品的依赖，其分辨率可达12 位。150W 的电

机含编码器尺寸为，重495g，额定电压48V，额定转速9000rpm，额定转矩160mN 穖。

哈工大电力电子与电力传动研究所与生产企业积极展开合作与探索，该型号伺服系统已形成小批量生产能力。

2.6 几种伺服系统的对比

表 1、表2 列出了以上几种伺服驱动器和电机的具体性能指标。

从上面的数据可以看出HIT-PEED II 型伺服驱动器的各项指标已经达到或

超过国外同类产品；伺服电机由于受国产谐波减速器机械性能的限制，其额定速度比maxon 电机低，较低的速度使其外径和体积难以进一步缩小。图4 展示了三种伺服驱动器，从左到右依次为Accelnet、Whistle、HIT-PEED II

3 实际性能测试

体积、重量、定位精度、响应速度和工作效率是仿人机器人关节伺服系统的几个关键指标。其中，体积和重量可以通过简单的测量得到，因此，本节将对上述三种伺服系统的其它三个关键指标进行测试。

3.1 定位精度与响应速度

关节伺服系统的定位精度直接影响对运动控制器指令执行的准确程度，所谓差之毫厘，谬以千里，关节处微小的偏差也能在肢体末端产生很大的偏移。另外，伺服系统是否能及时完成指令动作，也将影响到整个运动系统的可靠性与机器人动作的协调性。

为了测试这两项指标，本文利用伺服系统配套的上位机软件的监视功能进行测试。此方法相当于利用伺服系统电机轴端的1000 线增量编码器作为传感器，在4 倍频计数模式下，分辨率可达1/4000 圈。当肢体长度为0.3 米时，关节

1/4000 圈的误差仅在末端产生约0.47毫米的位置偏差，能满足测试的精度要求。

从图中可以看出，三种伺服系统都能在170ms 左右完成动作，其中HIT-PEED

II 伺服系统的响应时间较短，但超调也更大，另外两种伺服系统的响应曲线相似。而放大后的曲线中可以看出，三种系统在250ms 时，与位置误差均小于100 脉冲数（即1%），其中Elmo驱动器+MAXON 电机组成的系统误差最小，但是有

一些振荡，另外两种伺服系统则逐步接近给指令位置。考虑到控制参数对响应造成的影响，以上三种伺服系统在合理调整参数后，都应能获得相似、优秀的定位速度和精度。

3.2 工作效率

仿人机器人的伺服系统是整机消耗电能最多的部分，伺服系统的工作效率一方面影响电池供电时机器人的续航时间，另一方面，低效率的伺服系统也会给整机带来散热方面的问题。

本文搭建了一套用于测试伺服系统整体工作效率的系统，系统通过可编程直流电源供电，其输出轴连接到磁滞式测功机上，整体工作效率为测功机测得的功率与直流电源输出的功率之比值。

从上面两个图表可以看出，伺服系统的功率损耗主要由伺服电机引起。电机由于受体积的约束，效率一般较低，且随速度的下降迅速下降。HIT-PEED II 伺服系统在接近额定速度，工作效率与国外伺服系统相同，但在转速降低时，效率下降得稍快一些。因此，在实际应用中，应当尤其注意伺服电机的散热问题，采取合理、足够的散热措施。驱动器的功率损耗主要来自功率器件，但因为低压MOSFET 的技术比较成熟，损耗较小，故驱动器的温升较低，且很快稳定。从图

5 中还可以看到，采用铝基电路板的Copley 驱动器工作温升要低优于另外两种实用铝外壳散热的驱动器。

4 伺服系统的选型

仿人机器人伺服系统选型时，在满足功率要求的前提下，体积和重量是首要考虑的因素。

一些低压伺服产品，虽然有很好的性能指标，但其面向的是功能多而全的通用伺服市场。在仿人机器人中，无需追求全面的功能和过于灵活的可扩展性，在满足基本性能要求的情况下，首先满足机器人空间、重量方面的要求。

伺服系统的定位精度和响应速度关系到运动控制器的指令是否能被正确、及时地执行，这两个指标一方面与位置传感器精度有关，另一方面受电机控制算法影响。一般来说，采用正弦波驱动的永磁同步电动机具有较好的定位精度，但同样体积、重量下，方波驱动的无刷直流电动机具有更大的功率，即更高的转矩，因而其响应速度也更快。

伺服系统的工作效率也是考察的重要指标，因为机器人携带电池的能量密度有限，在一个低效的系统中，过多的电能转以热能的形式消耗了，机器人必须携带更多的电池以维持相同的续航时间，同时，还会带来散热方面的问题。然而，目前国内外的微小型伺服电机效率一般不高，这就导致系统需要良好的散热措施。在与用户沟通时，也发现散热不良时，容易造成电机烧毁，因此，多数用户在选型时会留出比较大的余量。

由于动力来源的特殊性，一般来说，仿人机器人用伺服系统应有较宽的工作电压，并且只需要单一电源供电，使用电池供电的机器人供电电压从30V 到80V 不等，一般不具备多路电压输出能力。为了简化供电线路，用户希望伺服系统只需一对电源线即可工作，且在电池电压变化时系统不会失效。

一个完整的仿人机器人上会有数十个伺服关节，如果仍使用脉冲指令形式，整个系统的电气线路将十分复杂，可靠性、可维护性都极低。支持总线通讯的伺

服系统通过分时复用的方法，只需一根通讯总线即可实现各个伺服关节与上位机之间双向的信息交换，最大程度地降低了电气线路引起的系统故障。

5 结论

目前在仿人机器人伺服系统领域，国外已有系列化的高性能产品，国内使用主要依靠国外进口，国内尚未形成规模化设计生产能力，更谈不上产品的系列化。只有少数高校和研究所研制了适用于该领域的伺服系统，并积极探索其产业化道路。

上面提到的既是仿人机器人关节电机伺服系统选型时需要重点考察的指标，也是伺服系统设计者在设计时需要重点考虑的方面。仿人机器人关节电机伺服系统的国产化道路是一条艰辛的道路，这个过程需要产、学、研、用四方面的共同努力与合作，各方齐心一致，我们才能走的更远。

提及停车会让您头疼吗？还在为小型车停车入位烦恼吗？从此你将不再烦恼如何将车停入“非”字形车位。因为今天小型车停车入位技巧讲解就让您从此豁然开朗。

说到泊位，最常见的就是“非”字形车位了。所以，今天的小型车停车入位技巧讲解便以这常见的泊位作为切入点。

第一步：判断车位是否“合格”，可以的话，则稍微靠近车位。当前轮超过车位时，开始小幅度打方向，让车朝背靠车位的方向驶去。

第二步：利用可用的通道宽度，尽量将车的位置“摆斜”。这是很重要的一步，目的是要让车子与车位的夹角减小，减小倒车时打方向的幅度。

当车辆“摆斜”到驾驶席一侧后视镜可以看到车位左侧车辆的边角时，就可以开始倒车了。倒车时要观察左后视镜，留意左后轮与旁边车辆的距离，这是倒车过程中出现的第一个“危险点”。

第三步：当自己车的左后轮越过了左侧车辆车头后，“危险点”就转移到另一个地方——车子右后角。这时目光应从左侧后视镜转移到右侧后视镜，判断尾部与右侧车辆的距离是否安全。

当右侧后视镜里看到自己与两侧车辆之间出现“缝隙”时，说明你已经成功通过了所有危险点。这时就可以继续打方向，调整车子的后退轨迹，尽量摆正入库。

倒进车位后，还要留意后方的位置，一般后轮顶到限位杆即可，没有限位杆的则可以参考旁边车辆。

在看了小编上面的讲解之后，也许会有朋友问：为什么在进入车位前要先把车子“摆斜”？看以下这个例子你就明白了，这是一种车位紧张的停车场情况，本来空间足够的通道，其中一半也被占用了，这个时候停车难度非同一般，要成功停进去，就得充分利用好空间。

遇到这种情况时，大家往往会有这样错误的做法。我们先看不将车子“摆斜”的情况。想直着倒进车位，车子后退过程要转一个90度的弯，这时前后方的空间都很狭小，车头和车尾都容易被旁边的车辆阻碍，陷入一个进退两难的局面。

其实正确的做法应该是，只要在倒车前将车头稍稍外摆，就可以显著减少车子后退转弯的角度，这时就容易做到一步到位将车成功倒入库，即使没能做到，前方也有较多的空间让你来多“一把”。这也就是我们之前提到的“摆斜”做法。

下面我们再来看一些典型的错误泊车方法。

错误一：前进未到位或倒车中太晚打方向。

前进未到位就开始倒车，或者虽然前进到位了，但倒车过程中打方向的时机太晚，都会出现图中的情况。车库的左侧空间没有利用起来，车子太靠近右侧障碍物而最终被堵住。如果车道够宽，可以右打方向前移进行挽救。

错误二：前行过多或倒车中太早打方向。

前行过多或倒车过程中太早打方向，就会出现上图的情况。此时左后轮会太过接近左侧车辆的车头，被挡住无法入库。挽救的办法是看到左后轮接近对方车头时，马上回正方向直退，等左侧后轮过了左边车辆才再次左打方向，但此时要注意车位右侧与右边

车辆的距离。

错误三：图方便，车头“直插”入库。

这是一种“偷鸡不成蚀把米”的情况——有时来到一些很空的停车场，眼看周围没车，便一头“扎”进车位里。进去是简单了，结果出来时却发现身边已停满了车。这样要倒车出库，便往往比倒车入库还要困难，甚至有可能出现无论如何都倒不出来的窘况。

综上所述，“非”字形泊车应注意以下几个方面：

前行至正确的位置停车才开始倒车；

充分利用车道宽度，倒车时先把车头“摆斜”；

把握好开始打方向的时机，不要太早也不要太晚；

倒车过程中，通过后视镜依次查看几个危险角（内侧后轮、外侧后角、正后方）的情况；

绝大多数情况下要倒入车位，不要以车头“扎”进去。

在看了这么多之后，大家和自己平时的停车入位方法对比一下，是不是觉得自己有少许的错误呢？希望今天的技巧解析能够让大家纠正一些不好的停车习惯。最后希望大家都能够不再惧怕停车入位，最终都能成为停车高手。