文/新戰略機器人全媒體記者 葉兮
近來，工業機器人控制系統出現了多種新興技術，尤其是“驅控一體化”更是成為熱議。其實，驅控一體化技術并非是機器人行業獨創，但是在工業機器人領域是否是一種變革式的創舉，是否能夠為國產工業機器人帶來更多便利性和高性價比，成為業界關注的焦點。
作為國產控制器的領先企業，眾為興在驅控一體化技術上有較高發言權，眾為興將根據多年應用和本體開發經驗為我們解答驅控一體化的必然性。
驅控一體系統在機器人領域的應用
驅控一體系統是一款專門針對小型桌面機器人而開發的智能機器人控制系統，它巧妙地將伺服驅動技術、運動控制技術和機器視覺技術融合在一臺機器上，通過內部高速并行總線進行信息交換，充分滿足細分行業的應用定制和工藝定制要求，目前驅控一體已在多個細分行業中實現應用，下文以四軸SCARA機器人在3C產業的應用為例對這個項目進行介紹。
1迷你化機身設計
3C產業發展迅猛，其產品生產具有輕載多量的特點，這就對機械手提出了新的要求。為了能夠適應小型流水線作業，機械手必須變得足夠輕巧，而對應的控制系統也必須滿足這個條件。眾為興驅控一體系統的設計理念是：設計最“合適的”系統，然后做到足夠的小，小到可以忽略它的存在，同時兼顧性能最優化。如何實現這一點呢？最主要的一個原因是它采用了內部并行總線的方式替代繁瑣的外部接線，通過內部板載走線，是普通的總線網絡23倍的數據吞吐量。此外，驅控一體化技術不單數據總線是并行的，同步時鐘線也是并行的，同步時鐘的抖動完全靠FPGA晶振的精度和芯片電氣的延時決定，輕輕松松就可以達到納秒級別。
2專業的運動控制技術
與傳統市場相比，3C行業機器人對細微技術處理、柔性化以及集成化等方面要求更高。QC驅控一體系統融合了眾為興DSP運動控制卡技術，可以實現各種直線和圓弧插補，樣條教導，軌跡跟隨，速度前瞻，T、E、S、C型加減速模式等功能，讓機器人運動更加穩健平滑。
2.1 分布式CPU
和傳統的控制平臺不同，驅控一體系統并沒有考慮x86的PC Base方案，這是因為雖然電腦越來越高速，但要真正做到工業現場安全、實時的要求，基于x86的平臺并不能很好的保證這一點，例如一臺雙核的2G主頻CPU，無法保證100μs中斷，1μs的延遲抖動。
驅控一體系統采用了分布式CPU架構，使得硬件各盡其職。分布式CPU架構從實時角度上來說，一個CPU干一件事就是一種硬實時，保證了方案的可靠性。此外它還有效地利用了嵌入式CPU的特性來發揮系統的高效性，如FPGA適合做高頻的邏輯處理，ARM適合做人機交互，DSP適合做算法運算等，各自發揮各自的特長，從而保證整體的性能更優。
圖二QC系列分布式CPU分布示意圖
2.2多方式增強穩定性
（1）速度自適應：實際應用中，存在很多不規則運動， 驅控一體系統提出了一個自適應速度控制隊列模型，通過對各種約束條件的判斷來計算出一個合理的速度銜接值，從而無需做減速也能實現速度連貫。
（2）位置速度前瞻：伺服在急速加減速時也會產生大的震動，導致誤差加大，驅控一體系統通過預知速度變化信息，推算軸轉矩變化，動態送入伺服電流環來控制誤差；
（3）實時計算慣量：驅控一體系統可以實時獲取各關節的扭力變化，使機器人一些控制算法可以發生改變，例如現在研究中的機器人動力學，柔性機器人運動控制等。
2.3可編程
（1）QC驅控一體系統擁有海量存儲空間，支持教導、G代碼、AR等開發方式，讓無論是編寫PLC、數控機床、還是C/C++的工程師，都能夠選擇自己熟悉的開發方式，大大縮短了開發時間；
（2）支持在線、離線三維軌跡仿真，提高機器人現場應用的安全性。
3 世界前沿的伺服驅動技術
QC驅控一體系統融合了眾為興QX伺服驅動技術。QX伺服驅動器是眾為興經過四年不斷探索，分析比較了國內外各品牌的伺服驅動產品，引進國際前沿技術，開發出來的國產高端伺服驅動產品，其性能已達國際先進水平。QX與QC的完美結合，滿足工業機器人在3C等精細化產業的高速、高精等要求。
3.1兼容性強
不同種類的機器人對電機的要求也不一樣，對于控制系統而言，電機的選擇尤為重要，眾為興QC驅控一體系統通過支持不同的編碼器來有效解決電機選擇問題。
（1）編碼器可選擇性：目前編碼器的通訊并沒有統一的格式，而是由各大編碼器廠家自定協議，市面上主要的高分辨率編碼器廠家有日本的松下、尼康、多摩川等品牌。QC驅控一體系統可以支持這些品牌編碼器。
（2）電機可選擇性： QC驅控一體系統的開放性滿足客戶在不同應用場合電機性能的選型需求，不僅支持眾為興系列電機，還支持山洋、多摩川、松下等電機。
3.2 高速、高精度響應
伺服的精度來源于編碼器和位置環的響應頻率。
從編碼器角度上來說，QC驅控一體系統通過支持不同編碼器的協議，進而獲取高分辨率的控制，例如配合松下20位的絕對式伺服馬達，控制分辨率能達到一百萬分之一圈(1/1048576)，精度相當高。
而要達到高速下的高精，就要靠伺服的位置環刷新周期了。由于是驅控一體化的結果，伺服的位置環刷新周期可以簡單理解為插補周期，以QC為例，最高可以做到16k，以10米/分鐘的速度來算，16K插補周期的插補軸控制精度可以做到0.01mm插補精度，真正意義上的高速高精。這是驅控一體化技術的優勢，因為16k刷新率只有在內部高速總線上才能輕松實現。
3.3 可視化數據采集
傳統伺服通過脈沖或模擬量的方式與控制器連接，控制器只能獲得位置信息。QC驅控一體系統具有現場總線通訊的優越性，能實時獲取伺服驅動器位置、速度、電流、加速度等參數，同時通過驅控調試軟件，可實時監控多個伺服驅動器的運行信息，比如電流、速度、位置大小以及跟隨狀態等，并以波形的形式呈現參數變化趨勢。
3.4 振動抑制
在需要實現高精度制造的場合比如手機裝配、電路板焊接、精密儀器加工等，振動抑制顯得尤為重要。這不是速度環和位置環的調整能解決的，需要在控制方法上有所革新，QC系列驅控一體系統通過兩套方案來實現振動抑制：
（1）平臺振動抑制：通過陷波濾波實現機械高/低共振抑制；
（2）末端振動抑制：通過反向疊加算法，實現末端振動抑制。
3 世界前沿的伺服驅動技術
QC驅控一體系統融合了眾為興QX伺服驅動技術。QX伺服驅動器是眾為興經過四年不斷探索，分析比較了國內外各品牌的伺服驅動產品，引進國際前沿技術，開發出來的國產高端伺服驅動產品，其性能已達國際先進水平。QX與QC的完美結合，滿足工業機器人在3C等精細化產業的高速、高精等要求。
3.1兼容性強
不同種類的機器人對電機的要求也不一樣，對于控制系統而言，電機的選擇尤為重要，眾為興QC驅控一體系統通過支持不同的編碼器來有效解決電機選擇問題。
（1）編碼器可選擇性：目前編碼器的通訊并沒有統一的格式，而是由各大編碼器廠家自定協議，市面上主要的高分辨率編碼器廠家有日本的松下、尼康、多摩川等品牌。QC驅控一體系統可以支持這些品牌編碼器。
（2）電機可選擇性： QC驅控一體系統的開放性滿足客戶在不同應用場合電機性能的選型需求，不僅支持眾為興系列電機，還支持山洋、多摩川、松下等電機。
3.2 高速、高精度響應
伺服的精度來源于編碼器和位置環的響應頻率。
從編碼器角度上來說，QC驅控一體系統通過支持不同編碼器的協議，進而獲取高分辨率的控制，例如配合松下20位的絕對式伺服馬達，控制分辨率能達到一百萬分之一圈(1/1048576)，精度相當高。
而要達到高速下的高精，就要靠伺服的位置環刷新周期了。由于是驅控一體化的結果，伺服的位置環刷新周期可以簡單理解為插補周期，以QC為例，最高可以做到16k，以10米/分鐘的速度來算，16K插補周期的插補軸控制精度可以做到0.01mm插補精度，真正意義上的高速高精。這是驅控一體化技術的優勢，因為16k刷新率只有在內部高速總線上才能輕松實現。
3.3 可視化數據采集
傳統伺服通過脈沖或模擬量的方式與控制器連接，控制器只能獲得位置信息。QC驅控一體系統具有現場總線通訊的優越性，能實時獲取伺服驅動器位置、速度、電流、加速度等參數，同時通過驅控調試軟件，可實時監控多個伺服驅動器的運行信息，比如電流、速度、位置大小以及跟隨狀態等，并以波形的形式呈現參數變化趨勢。
3.4 振動抑制
在需要實現高精度制造的場合比如手機裝配、電路板焊接、精密儀器加工等，振動抑制顯得尤為重要。這不是速度環和位置環的調整能解決的，需要在控制方法上有所革新，QC系列驅控一體系統通過兩套方案來實現振動抑制：
（1）平臺振動抑制：通過陷波濾波實現機械高/低共振抑制；
（2）末端振動抑制：通過反向疊加算法，實現末端振動抑制。
4機器視覺通訊
QC驅控一體系統集成眾為興多來在視覺控制領域的研究成果，使驅控一體配合視覺時更具兼容性和便利性。
（1）直接九點標定接受像素坐標，對視覺的選擇兼容性更強；
(2）三點標定法，可以快速建立一個和視覺坐標相匹配的機器人坐標系，試用更便利。
以上可以看出，QC系列驅控一體化系統是從最終產品的角度著手，結合細分行業的特性進行運動控制產品的定位和設計，配合不斷豐富的適用于不同應用工藝的軟件包，來促進機器人在各領域的廣泛應用。
當前，驅控一體化技術是工業機器人發展的潮流和趨勢，其是否能被機器人企業廣泛的驗證和接受，眾為興將在未來的實際應用中做出詮釋。
