從SCIMC架構(gòu)到HyperRing技術(shù)，機器人控制技術(shù)的革新
不論是人形機器人還是工業(yè)機器人，“機器人控制” 無非是通過協(xié)調(diào)各個關(guān)節(jié)的運動來實現(xiàn)機器人整體的運動目標。
傳統(tǒng)架構(gòu)中，機器人控制分為兩部分，一部分是關(guān)節(jié)的伺服控制，可能是個伺服電機，或是電液伺服執(zhí)行器，它控制的是一個單一維度的運動；另一部分是整體控制，比如工業(yè)機器人領(lǐng)域的所謂運動控制器，它負責(zé)為每一個關(guān)節(jié)下達運動指令，以保證整個手臂的運動效果符合預(yù)期。
圖一：早期工業(yè)機器人或多軸工業(yè)設(shè)備控制架構(gòu)
最早運動控制器通過脈沖方式和伺服控制器通信，每一個脈沖代表一定的運動距離，脈沖多則運動距離長，脈沖密集則運動速度快。
但是隨著用戶對機器人運動的速度和精度要求日益增長，這樣的控制架構(gòu)沒辦法完成更多的數(shù)據(jù)交互，于是大多數(shù)工業(yè)機器人切換到了總線架構(gòu)。
圖二：當(dāng)前工業(yè)機器人的主流控制架構(gòu)
運動控制器知道全局的信息，知道手臂的受力情況，可以對電機出力進行預(yù)判，然后通過總線前饋給伺服控制器，極大的提升了工業(yè)機器人的動態(tài)性能。
信息越全面，越有利于決策 ；
信息越及時，越有利于決策。
圖三：機器人控制技術(shù)發(fā)展要求
運動控制與電機控制的最佳融合方式，莫過于把這些功能集成在一塊芯片中！世界首款單芯片多軸驅(qū)控一體運動控制器SCIMC（Single Chip Multiaxis Integrated Motion Controller）出于這個目的，誕生了！
圖四：捷勃特機器人單芯片驅(qū)控一體核心板（只有名片大?。?/p>
捷勃特在世界范圍內(nèi)，首次把單芯片多軸驅(qū)控一體運動控制器SCIMC（Single Chip Multiaxis Integrated Motion Controller）運用于量產(chǎn)的工業(yè)機器人中。
以往出現(xiàn)在機器人行業(yè)里討論控制架構(gòu)時經(jīng)常提到的一些的名詞，變得不再有關(guān)注的意義了。比如說“總線通信帶寬”，“總線絕對延時”，這些困擾機器人控制工程師的指標，在“去總線”、“單芯片”的技術(shù)路徑下已經(jīng)沒必要再關(guān)注了，是時候發(fā)揮想象力做一些不一樣的事情了......
想象一下，我們拿起一支筆畫一條長直線，我只關(guān)心我的手中的筆如何移動，我不會去關(guān)心我的胳膊上每個關(guān)節(jié)應(yīng)該怎么轉(zhuǎn)動。這是一種自然而然的控制方式。就是把整個胳膊看成是一個整體來控制，而不是一個個關(guān)節(jié)分別進行控制。
傳統(tǒng)伺服控制僅在單一電機上形成閉環(huán)控制，所謂閉環(huán)控制，就是通過比較“希望的位置和速度”與“傳感器反饋的位置和速度”來調(diào)整電機的出力大小，讓“希望的位置和速度”與“傳感器反饋的位置和速度”盡量吻合。
圖五：傳統(tǒng)伺服控制器的閉環(huán)控制
人在做動作的時候，大多會對要使多大勁有個預(yù)判，然后直接按照這個力發(fā)出來，中間通過力感知進行微調(diào)。想想打羽毛球時發(fā)力，發(fā)多少力是“預(yù)判”來的，過程中感知外力并微調(diào)，但很有限。所以當(dāng)人們對出力判斷錯誤時，容易“閃著”。機器人的動作不是這樣，他是先規(guī)劃速度，然后看實際的速度和想要的速度有多大差距，高頻的調(diào)整出力?！俺]環(huán)”就是在機器人進行全局“高頻調(diào)整”的基礎(chǔ)上，加上“預(yù)判”和“外力感知”，把“高頻調(diào)整”出力和“預(yù)判”出力結(jié)合起來。
在SCIMC架構(gòu)下，依賴單芯片內(nèi)高速無延遲的信息交互能力，我們在捷勃特C5A機器人實現(xiàn)了高達5KHz的全手臂閉環(huán)（以下稱為“超閉環(huán)”或者“HyperRing”），在閉環(huán)過程中融合了所有關(guān)節(jié)多種傳感器的信息，同時嵌入了整機的系統(tǒng)動力學(xué)和運動學(xué)算法進行綜合計算，并以5KHz的刷新頻率更新各個關(guān)節(jié)的出力，實現(xiàn)手臂全局范圍內(nèi)的力感知和行動約束。
圖六：N關(guān)節(jié)機器人超閉環(huán)架構(gòu)
例如：可以讓手臂的末端在指定的運動自由度上表現(xiàn)出順應(yīng)性（低剛度，易拖動）而在其他運動自由度上表現(xiàn)為高剛性。
基于此項技術(shù)，可以實現(xiàn)需要“手感”的柔順裝配，也可以實現(xiàn)空間自由度約束下的拖動示教。HyperRing的算法實現(xiàn)可以多種多樣，我們目前實現(xiàn)的拖動中的空間約束，表現(xiàn)令人驚嘆！
“擦桌子”式自由拖：
水平方向可以拖動，垂直方向保持高剛性
“固定點”式自由拖：
工具末端點不動，姿態(tài)可通過拖動改變
這些功能在傳統(tǒng)的架構(gòu)上很難實現(xiàn)，但在“SCIMC+HyperRing”技術(shù)幫助下顯得游刃有余。HyperRing未來甚至可以結(jié)合視覺和觸覺傳感信息，實現(xiàn)更加類人的任務(wù)。
HyperRing還在不斷進化中，未來值得期待。
