背景

機器人行業(yè)正在經(jīng)歷顯著增長，尤其是服務(wù)型機器人更是越來越流行且多樣化。盡管工業(yè)機器人領(lǐng)域已經(jīng)日趨成熟且出現(xiàn)了增長放緩的態(tài)勢，然而服務(wù)型機器人則朝著多樣化設(shè)計方向發(fā)展，包括人形和仿生形態(tài)。服務(wù)型機器的適用性強，在清潔、安保、救援、餐飲和軍事行動等各個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

總部位于韓國的AIDIN ROBOTICS公司正引領(lǐng)這場變革。最近推出了一款四足機器人 — 通常稱之為“機器狗”。這款先進的機器人采用AksIM-2絕對式編碼器提供實時位置反饋，以實現(xiàn)平穩(wěn)運行和精確控制。

四足機器人通常由三類主要組件構(gòu)成，分別是機身、電機和減速器等機械部件；負責(zé)提供位置、速度和扭矩反饋數(shù)據(jù)的傳感器；以及相當(dāng)于機器人“大腦”的控制器。

01

挑戰(zhàn)

AIDIN ROBOTIC的四足機器人

如何保持平衡和實現(xiàn)動態(tài)控制是四足機器人面臨的重大挑戰(zhàn)之一。平衡和動態(tài)能力出色的機器人能夠順利完成行走、奔跑、跳躍、攀爬、上下樓梯、跌倒后站起以及跨越等一系列動作。此類能力的強弱取決于關(guān)節(jié)的運動性能、運動控制的質(zhì)量和穩(wěn)定性、以及控制邏輯。

換句話說，機器人需要依靠運動控制系統(tǒng)和控制邏輯來實現(xiàn)全身協(xié)調(diào)和柔順控制。相關(guān)的數(shù)據(jù), 包括關(guān)節(jié)的同步位置、運動速度和加速度等, 必須通過旋轉(zhuǎn)編碼器反饋給控制器。這種反饋能夠幫助控制器精確控制四條腿的運動姿態(tài)、運動方向和運動速度。

AIDIN四足機器人是先進的移動機器人,以腿部運動設(shè)計，使其能夠輕松穿越樓梯、崎嶇路面和曲面等各種地形。機器人亦可配備面各種應(yīng)用而設(shè)的模塊化設(shè)備，從而代替人類在惡劣環(huán)境中工作，例如進行爆炸軍械處理，或是在具有化學(xué)品和放射性污染的地區(qū)執(zhí)行任務(wù)。

02

解決方案

機器人的每條腿都配有三軸旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，用于控制臀部轉(zhuǎn)動、大腿轉(zhuǎn)動和小腿轉(zhuǎn)動，其運動角度可達60度。這樣可為四條腿提供總計12個旋轉(zhuǎn)自由度，使其能夠像真正的四足動物一樣活動。每個關(guān)節(jié)均由一個獨立電機驅(qū)動，并配有一個AksIM-2系列絕對式磁旋轉(zhuǎn)編碼器，用于在運動過程中提供旋轉(zhuǎn)角度反饋數(shù)據(jù)。因此，四足機器人總共需要使用12個編碼器，以確保實現(xiàn)精確的運動控制。

穩(wěn)定可靠的編碼器可以顯著提高機器人的定位精度和運動控制能力。此外，機器人還需要利用該編碼器來檢測動態(tài)負載和防止電機過載，從而提高自身的安全性和穩(wěn)定性。

四足機器人的初始“姿態(tài)”對整體運動控制效果而言至關(guān)重要。控制器需要了解每個關(guān)節(jié)的位置，以便計算和確定機器人當(dāng)前的姿態(tài)。因此，AIDIN在選擇運動控制設(shè)計組件時決定使用絕對式編碼器。其優(yōu)勢在于斷電后無需像增量式編碼器那樣返回參考位置，因而能夠盡量縮短不必要的等待時間。

還有一個關(guān)鍵要求，那就是編碼器磁環(huán)柵尺需要采用空心設(shè)計，以便大量電纜能夠穿過中心。此外，設(shè)計人員還需關(guān)注關(guān)節(jié)電機產(chǎn)生的雜散磁場可能干擾磁編碼器，進而導(dǎo)致讀數(shù)錯誤。

RLS的AksIM-2系列是機器人專用的磁旋轉(zhuǎn)編碼器，能夠全方位滿足我們的需求。它的自動校準(zhǔn)功能能夠進一步提升安裝質(zhì)量，并實現(xiàn)更加穩(wěn)定可靠的運動控制效果，因此給我留下了十分深刻的印象。

——AIDIN研發(fā)部首席技術(shù)官

Kim Yong Bum博士

目前AIDIN選用的是20位分辨率的AksIM-2系列編碼器，可通過SSI和BISS-C通信協(xié)議輸出信號。

03

成果

AksIM-2是一種絕對式磁旋轉(zhuǎn)編碼器，其工作溫度范圍為?40°C至+105°C，且具有很強的抗沖擊和抗振動能力。該產(chǎn)品具有自校準(zhǔn)功能，可消除旋轉(zhuǎn)過程中由偏心導(dǎo)致的誤差。偏心是影響編碼器精度的一項重要因素，通常是磁環(huán)未對準(zhǔn)造成的。

此外，AksIM-2還配備了先進的自監(jiān)控功能，可以持續(xù)檢查多個內(nèi)部參數(shù)。所有通信協(xié)議均可提供錯誤報告、警告以及其他狀態(tài)信號，并通過板載LED指示燈可視化。

四足機器人在運動過程中產(chǎn)生的慣性與人類行走的慣性類似，由此帶來的非線性特性使控制邏輯的設(shè)計變得更加復(fù)雜。機器人越重，慣性也就越大。為了有效應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，設(shè)計人員在機器人的關(guān)節(jié)處設(shè)置了嚴(yán)格的空間和重量限制，因此必須選用小巧輕便的編碼器。

AksIM-2專為機器人系統(tǒng)集成而設(shè)計，其讀數(shù)頭采用了PCB設(shè)計，并配有通孔磁環(huán)。這種配置使其能夠直接安裝在電機上，非常適合應(yīng)用在空間受限的機器人架構(gòu)上。

未來

目標(biāo)

談到機器人的未來發(fā)展，Kim博士表示：“未來我們的四足機器人有可能采用雙編碼器設(shè)計，即在輸入端和輸出端各安裝一個編碼器。通過比較兩個編碼器的位置信息和速度數(shù)據(jù)，以及驅(qū)動電流和電機扭矩的輸出數(shù)據(jù)，估算關(guān)節(jié)所受外力大小，從而實現(xiàn)對機器人的安全控制。

（雷尼紹Renishaw）

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