从架构到技术，机器人控制技术的革新

不论是人形机器人还是工业机器人，“机器人控制”无非是通过协调各个关节的运动来实现机器人整体的运动目标。

传统架构中，机器人控制分为两部分，一部分是关节的伺服控制，可能是个伺服电机，或是电液伺服执行器，它控制的是一个单一维度的运动；另一部分是整体控制，比如工业机器人领域的所谓运动控制器，它负责为每一个关节下达运动指令，以保证整个手臂的运动效果符合预期。

图一：早期工业机器人或多轴工业设备控制架构

最早运动控制器通过脉冲方式和伺服控制器通信，从架构到技术，机器人控制技术的革新每一个脉冲代表一定的运动距离，脉冲多则运动距离长，脉冲密集则运动速度快。

但是随着用户对机器人运动的速度和精度要求日益增长，这样的控制架构没办法完成更多的数据交互，于是大多数工业机器人切换到了总线架构。

图二：当前工业机器人的主流控制架构

运动控制器知道全局的信息，知道手臂的受力情况，可以对电机出力进行预判，然后通过总线前馈给伺服控制器，极大的提升了工业机器人的动态性能。

信息越全面，越有利于决策；

信息越及时，越有利于决策。

图三：机器人控制技术发展要求

运动控制与电机控制的最佳融合方式，莫过于把这些功能集成在一块芯片中！世界首款单芯片多轴驱控一体运动控制器SCIMC（SingleChipMultiaxisIntegratedMotionController）出于这个目的，诞生了！

图四：捷勃特机器人单芯片驱控一体核心板（只有名片大小）

捷勃特在世界范围内，首次把单芯片多轴驱控一体运动控制器SCIMC（SingleChipMultiaxisIntegratedMotionController）运用于量产的工业机器人中。

以往出现在机器人行业里讨论控制架构时经常提到的一些的名词，变得不再有关注的意义了。比如说“总线通信带宽”，“总线绝对延时”，这些困扰机器人控制工程师的指标，在“去总线”、“单芯片”的技术路径下已经没必要再关注了，是时候发挥想象力做一些不一样的事情了......

想象一下，我们拿起一支笔画一条长直线，我只关心我的手中的笔如何移动，我不会去关心我的胳膊上每个关节应该怎么转动。这是一种自然而然的控制方式。就是把整个胳膊看成是一个整体来控制，而不是一个个关节分别进行控制。

传统伺服控制仅在单一电机上形成闭环控制，所谓闭环控制，就是通过比较“希望的位置和速度”与“传感器反馈的位置和速度”来调整电机的出力大小，让“希望的位置和速度”与“传感器反馈的位置和速度”尽量吻合。

图五：传统伺服控制器的闭环控制

人在做动作的时候，大多会对要使多大劲有个预判，然后直接按照这个力发出来，中间通过力感知进行微调。想想打羽毛球时发力，发多少力是“预判”来的，过程中感知外力并微调，但很有限。所以当人们对出力判断错误时，容易“闪着”。机器人的动作不是这样，他是先规划速度，然后看实际的速度和想要的速度有多大差距，高频的调整出力。“超闭环”就是在机器人进行全局“高频调整”的基础上，加上“预判”和“外力感知”，把“高频调整”出力和“预判”出力结合起来。

在SCIMC架构下，依赖单芯片内高速无延迟的信息交互能力，我们在捷勃特C5A机器人实现了高达5KHz的全手臂闭环（以下称为“超闭环”或者“HyperRing”），在闭环过程中融合了所有关节多种传感器的信息，同时嵌入了整机的系统动力学和运动学算法进行综合计算，并以5KHz的刷新频率更新各个关节的出力，实现手臂全局范围内的力感知和行动约束。

图六：N关节机器人超闭环架构

例如：可以让手臂的末端在指定的运动自由度上表现出顺应性（低刚度，易拖动）而在其他运动自由度上表现为高刚性。

基于此项技术，可以实现需要“手感”的柔顺装配，也可以实现空间自由度约束下的拖动示教。HyperRing的算法实现可以多种多样，我们目前实现的拖动中的空间约束，表现令人惊叹！

“擦桌子”式自由拖：

水平方向可以拖动，垂直方向保持高刚性

“固定点”式自由拖：

工具末端点不动，姿态可通过拖动改变

这些功能在传统的架构上很难实现，但在“SCIMC HyperRing”技术帮助下显得游刃有余。HyperRing未来甚至可以结合视觉和触觉传感信息，实现更加类人的任务。

HyperRing还在不断进化中，未来值得期待。

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