执行元件的基本原理及其在机器人系统中的应用（一）

前几天大家都在“评价傅盛的猎豹机器人之夜”，许多人发出感慨，做机器人真的很难。

确实，看着同专业会编程的人才都刷题去互联 公司，作为机器人领域的爱好者，我很期待看到更多的人才加入进来，这个领域需要更多地人互相努力，分享其中的技术、产品等资讯，让“世界上这么多聪明的人都在研究如何打广告”这一现象，变成“世界上最聪明的人都在研究如何做好机器人”。

因此，本着乐于分享的态度，梳理一些跟机器人相关的东西，从自身做起。 在工业机器人等机电一体化系统中，控制器常常被比喻为人的神经中枢，那么执行机构就类似于手和脚。

从能量形式上看，执行元件一般分为电磁、气动和液压三类，包括步进电机、直流伺服电动机、交流伺服电机、气动马达、液压马达等。这里简单梳理下常用执行元件的基本原理及其机器人系统中的应用。

步进电机

步进电机是一种把开关激励的电脉冲转化为角位移的执行元件，具有转矩大、惯量低、响应频率高的优点。

其基本原理是在控制电路中，给步进电机一个输入脉冲，电机转子轴就旋转一定的角度（即步矩角），通过控制脉冲个数和频率来控制转角和频率，从而达到定位的目的。步距角越小意味着电机所能达到的分辨力（位置精度）越高，混合型（VR型和PM型组合而成）步距角的典型值有0.9、1.8、3.6度等。

步进电机的另一个重要参数是保持转矩，即电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。

图1 步进电机实物图

如图2所示是步进电机的驱动组成框图，其中驱动电源是影响步进电机运行特性的重要环节。驱动电源的作用是将变频信号源（MCU或数控装置）送来的脉冲信号和方向信号，按要求自动循环供给电机各相绕组，以驱动转子正向或反向旋转。

图2 步进电机驱动组成框图

步进电机控制简单，在机器人驱动执行机构中应用很多，主要适用于低转速高转矩、小负载低成本、短距离循环运动等场景。根据不同的机器人应用需求，可以选择步进电机方案。

下面主要介绍两个典型的应用场合，分别是轮式小车搭载简易机械臂移动智能机器人和多自由度关节型机器人运动系统。

对于移动智能机器人，例如自动巡检、物流分拣或者自主清障等场合，其执行元件均可采用步进电机。移动平台一般采用2-3轮的小车，搭载机械臂的轴数也不超过3，对于这类应用，由于不需要复杂的运动规划算法，因此可以选择如图3所示的基于单片机+运动控制卡系统架构，简单可靠。

AVR作为主控处理器接受激光、红外等传感器信息，同时给运动控制卡发送。运动控制卡在这里主要起到了脉冲分发的功能，可将微控制器的信号分别发给每个轴的电机。

图3 一种移动机器人硬件组成架构

对于面向工业的传统流水线作业的多自由度（这里主要指6-DOF）机器人在搬运、切削、教学演示等应用就得使用PC+运动控制卡的方案，因为涉及到复杂的运动学计算，有时还需要友好的人机交互界面，单片机的编程资源就不够用了。

如图4所示，PC上的CPU和运动控制卡上的CPU构成主从式双CPU模式，PC机CPU负责人机界面、实时监控和发送指令等，卡上的CPU 处理脉冲控制、I/O信号等，上下位机完成数据交换，计算机资源得到充分利用。

图4 一种六轴机器人控制方案

除了上述两个示例外，许多桌面级机械臂也都是基于步进电机的方案。

在这些应用中，根据不同成本和性能要求，单片机可以选用51系列二或者ATMEGAL128，该单片机外设丰富；运动控制卡可以选用ADT-856和基于高性能FPGA芯片的Mocon运动控制板卡等现有产品；其实PC机也可以换成系列能跑操作系统的ARM板如树莓派等一些开源硬件，或者PLC系统，以及现成的控制器等；人机界面在Windows上可以采用MFC设计，在Linux上用Qt、gtk+、FLTK等库。