任何机器人的完美动作

一个7关节手臂机器人表演't'ai chi ch'u'
Elmo的终极多轴和伺服解决方案，并在中国Siasun的第一批中国合作机器人的设计和开发中注册

Elmo的终极运动控制解决方案推动了新的设计，并应对了由中国领先的机器人公司新松(Siasun)开发的首个制造车间协作机器人同事(Collaborative Robot colleague)的挑战。想象一个机器人完美地模仿武术“太极”大师的动作——精确、准确、速度和力量。考虑集成机器人在现实世界的制造车间与人类合作的重要意义，遵守关键和强制性的安全约束。利用Elmo独特而先进的伺服技术，中国机器人和自动化领域的领先公司之一刚刚完成了其首个国产人机协作工厂自动化机器人的开发。Elmo提供了超小和强大的基于网络的伺服驱动器，直接安装在机器人的关节上。这被证明是有很多优点的，其中包括效率、坚固性、节省空间、最少布线、低电磁干扰和系统整体可靠性的提高。在创纪录的时间内建造这个复杂的协作式七关节机器人时，实现双伺服回路的最大伺服性能和操作高分辨率绝对编码器只是面临的一些挑战。Elmo在高端运动控制机器人领域的证明记录有助于在开发过程中达到多轴和伺服性能的最高水平。

摘要
设计用于与人近距离工作的协作机器人在工厂生产车间正变得司空见惯。这些机器人完全适应于人-机器人环境中精确、高速和高精度的任务。利用摄像机、力传感器和其他传感元件，这些机器人感知到人类的存在并做出相应的反应，有时甚至完全停止，以避免人类伤害。这些机器人通常被设计用来处理小零件，具有很高的灵活性，并协助组装消费类电子产品等任务，而不是执行搬运沉重材料、焊接或喷漆等繁重任务。典型的协作机器人结构相对较小，重量较轻，但仍有能力举起相对较重的有效载荷高达100公斤。除了高性能灵巧，机器人还必须有能力感知零件是否正确组装和精确构造，这是前几代重工业机器人难以想象的特点。老式工厂6关节传统机器人通常会以相当大的力量移动它们的重型手臂，对任何接近的人类造成严重伤害。

新一代机器人具有增加的关节或自由度。与传统的6级自由（6-DOF）机器人相比，7关节（7-DOF）机器人允许臂以多种取向延伸到特定部分，因此避免了与人类的碰撞，但继续其任务。另外，运动冗余对于在密闭空间内操作多个机器人非常有用，因为防止障碍物很容易管理。

这些机器人的另一个特点是力的感知、控制和限制。机器人感知和响应最轻微的外力，使碰撞预防。在某些情况下，位于电机齿轮箱后的力传感器用于检测外力的快速增加，而在其他情况下，机器人识别提升负载并将其从一个位置移动到另一个位置所需的力。当它识别到运动所需的扭矩增加时，比如在碰撞中，机器人就会停止。碰撞检测和避免的另一个特性是，当检测到意外接触物体或人时，可以将控制模式从不灵活的全速模式(如CSP -循环同步位置或CSV-循环同步速度)更改为扭矩模式(CST-循环同步扭矩)。柔软、柔顺的CST模式可以让机器人很容易被人类的手推开。机器人可以在检测到接触时自动武装进入柔顺模式，也可以解除武装进入全速运行的不灵活模式。

另一个重要的模式是“教导模式”(Teach mode)，在此过程中，操作员将机器人移动到所需的位置，同时Elmo控制器进行记录这些位置用于未来运行模式的轨迹。值得注意的是教学过程中令人难以置信的灵敏度和分辨率。更令人惊奇的是，它的特性非常简单，而且大多数任务都可以在没有编程经验的情况下完成。

艾尔摩的解决方案

伺服驱动器：
为了完成这项具有挑战性的任务，我们选择了Elmo公司的超小型、强大的Ethercat Gold伺服驱动器。驱动器直接安装在机器人关节上，是保持机器人小尺寸和紧凑性的理想选择。两个强大的超小金SOLO吉他驱动器被用来驱动两个基础关节电机，支持机器人的整个机械结构。能够驱动电机的连续电流50安培和高达100安培的峰值电流，允许达到所需的高速、加速和减速操作率。另外5个微型Gold SOLO WHISTLE驱动器，能够运行20安倍的连续电流，高达40安倍的峰值电流，用于操作额外的5个机器人关节。系统中的每个驱动器都以最高速度、加速度和减速率运行，但也需要以极高的精度和精度运行在低速下。这种极性相反的操作使用相同的驱动器是可能的例外1:2000动态电流范围，和驱动器的非常宽的带宽响应。

具有足够小的物理占地面积的驱动，使得它可以直接安装在机器人关节上，是这种复杂项目的唯一选择。将驱动器定位在伺服反馈附近，导致最小布线，外部噪声，低EMI和RFI的最小影响，以及系统可靠性的总体剧烈增加。另一个促进整合的驱动器特征在机器人的关节是天生的坚固性和能力，以承受机械加速度和减速率在每个关节。

EASII (Elmo应用程序工作室)
Elmo的高度先进但易于使用的配置工具，EASII(“为您做一切”的工具)，帮助调整网络中的每个单独驱动器，以优化伺服性能的最高水平。系统识别和适当的控制器设计，使用高阶滤波器克服机械结构中的缺陷，只是一些工具，以提高系统的最高可能的伺服性能。

进一步，采用简化和先进的识别方法进行多轴识别，并采用特殊的位置增益调度来消除不同轴之间的交叉影响。在这个应用程序中使用了许多其他功能，都是为了操作系统以尽可能高的带宽，最快的响应时间，同时保持机器人运行的稳定性和流畅性。

系统各轴均采用双闭环伺服控制结构，提高了系统在齿轮箱后的定位精度。采用增量编码器和数字霍尔传感器的闭合双环控制，用于齿轮箱前的内速度控制环路，在关闭外部位置控制时，使用19位高分辨率绝对反馈，这只是所有Elmo Gold驱动器的标准功能中的多交叉反馈连接选项之一。双环结构使局部伺服运行达到最优性能。为了方便客户连接，系统中的每个引脚驱动器都配有集成的SOLO板。SOLO板通过简单的EtherCAT、I/O和反馈连接，允许客户进行简单的连接和集成。

白金大师，终极多轴控制器
控制整个系统的是Elmo的先进多轴控制器，白金Maestro (P-MAS)，通过实时确定的串行EtherCAT网络，16轴完全同步周期时间为250us(低至100us周期时间)有8个完全控制的轴）。Elmo经过验证的能力，可以使用P-MAS支持各种内置机器人运动学，其中机制，如笛卡尔，萨拉，3-链路，三角洲等。可以轻松回答任何机器人挑战。内置的运动型支持在MCS（机器坐标系）或PC（产品坐标系）中运行，具有完全同步，可转动表，输送机和其他外部设备。此外，P-MAS为用户应用程序提供特殊的实时码部分。这个特殊的代码部分使机器人开发人员能够编写自己的特定机器人运动学方程，使P-MAS支持今天可用的任何高端，不受限制的机器人类型，用户可以实现自己的特定运动学。基于最新的4核强大处理器的P-MAS，对于这种需要在250µSec的网络周期内实时计算机器人运动学和逆运动学的应用是必不可少的。在用户输入实时部分实现的运动学方程，计算系统中所有轴的目标位置/速度或扭矩，并在每个EtherCAT循环中输出它们。在DS-402循环同步模式中操作系统是每个Elmo EtherCAT兼容伺服驱动器的内置标准操作。P-MAS与主机、PLC或HMI之间广泛的标准化和专有通信协议，使其能够快速和简单地与第三方元件(如触摸面板、教挂件、PLC、计算机等)通信。主机通信能力，如以太网，TCP/IP，和UDP快速二进制协议，如Modbus和以太网/IP，允许与系统中几乎任何高级主机简单快速和有效的通信。

机器人的操作主要分为两种模式;一是操作教学模式，二是工作模式。

教学模式下，操作者将机器人沿所要求的路径轨迹物理移动到关键位置点。多轴控制器记录相关的位置点，以便在工作模式下重复整个轨迹运动。在此模式下，驱动器在循环同步转矩(CST)模式下运行。除了扭矩命令，多轴控制器还输出额外的补偿电流(扭矩)，以克服阻力因素，如重力和机器人动力学，同时保持平稳的拖动过程。这种复杂的机器人解决方案的亮点之一是实现了对非程序员的教学过程的简单性，其中大多数任务可以在没有任何编程经验或技能的情况下完成。

第二操作模式的工作模式,在多轴控制器计算出七个目标位置/速度根据机器人的运动学模型(DH矩阵的逆运动学解),如果有必要,赔偿的扭矩动态模型基础上添加到总输出转矩。驱动器在循环同步位置(CSP)或循环同步速度(CSV)操作模式下操作，接收目标位置/速度命令和扭矩偏移命令。

解决方案亮点

• 无与伦比的伺服性能。
• 250 us周期时间，最多16轴充分协调和同步
• 安装在机器人关节上的小型高功率伺服驱动器
• 高动态电流范围高速和高精度
• 双回路控制能力
• 能够与各种反馈设备通信（增量和绝对编码器）
• 使用功能强大的多轴控制器进行同步和机器人运动实现
• 快速EtherCAT实时串行确定性网络
• 优化伺服性能 - very快速响应时间，而不是极宽的控制回路带宽
• 强大的EASII使机器人配置和实现变得容易
• 最高的效率，最高的可靠性
• 超崎岖，驱动器可以安装在任何地方。
• 低EMI，RFI

总结
Elmo的智能，小，简单的伺服和运动解决方案提高了Siasun最新技术的功能，并提升了Siasun的功能 - 协作机器人

关于埃尔莫
Elmo是全球领先的运动控制技术制造商，拥有超过25年的经验，在全球几乎每个行业都有数百万的伺服驱动器。我们的伺服驱动器，网络运动控制器和集成伺服电机的开发，以最高的性能，效率，可靠性，安全性，易用性和严格的标准遵从。我们为我们的客户提供创新的驱动技术，使他们的业务更高效，盈利和成功。