Мотор шарнирного узла с волновым редуктором HONPINE HPJM: позиционный режим и режим скорости — как выбрать подходящий режим управления?

Здравствуйте, я Теодор Ли, технический директор HONPINE. При работе с клиентами мне часто задают вопрос о различиях между режимом позиционирования и режимом скорости в гармонических приводах для роботизированных суставов.

Хотя оба режима широко применяются в системах управления движением роботов, они предназначены для решения разных задач управления. Неправильный выбор режима может повлиять на точность движения, эффективность работы и безопасность системы.

В этой статье на примере гармонического привода для суставов HONPINE HPJM я объясню, как работают режимы позиционирования и скорости, чем они отличаются и для каких применений подходит каждый из них.

1. Что такое режим позиционирования в приводе роботизированного сустава?

В режиме позиционирования двигатель перемещается в заданное целевое положение. Обычно используется структура управления с замкнутым контуром из трёх контуров:

Контур положения → контур скорости → контур тока

Во внешнем контуре положения PID-регулятор сравнивает заданное положение с фактическим. Заданное положение обычно выражается в отсчётах энкодера (cnt), соответствующих определённому угловому положению.

Регулятор положения формирует команду скорости для внутреннего контура скорости. Затем контроллер двигателя управляет ускорением и замедлением в соответствии с заданным профилем движения, перемещая сустав к целевому углу.

После достижения целевого положения контроллер поддерживает заданное положение с помощью управления с замкнутым контуром.

Контроль ошибки слежения: контроллер отслеживает разницу между заданным и фактическим положением. Если ошибка слежения превышает установленный порог, двигатель может выдать код неисправности 0x8611 (ошибка слежения) и остановиться — в соответствии с настройками защиты привода.

Эта функция особенно полезна в приложениях, где сустав должен достичь заданного угла и удерживать положение.

2. Что такое режим скорости в приводе роботизированного сустава?

В режиме скорости непосредственно регулируется частота вращения двигателя. Обычно используется структура управления с замкнутым контуром из двух контуров:

Контур скорости → контур тока

В отличие от режима позиционирования, в режиме скорости для задания целевого угла не используется активный контур положения. Вместо этого контроллер получает заданную частоту вращения, указанную в единицах 0,01 Гц со стороны двигателя.

Двигатель регулирует скорость в соответствии с заданной командой и продолжает вращаться, пока он включён и получает ненулевую команду скорости.

В этом режиме:

Двигатель регулирует частоту вращения, а не целевое угловое положение.

Двигатель не останавливается автоматически при достижении суставом определённого угла.

Двигатель не корректирует ошибку слежения по положению с помощью внешнего контура положения.

Поэтому защита от ошибки слежения, предусмотренная для режима позиционирования, здесь недоступна в том же виде.

Важно: режим скорости не означает, что двигатель лишён защиты. Однако при заклинивании механической нагрузки двигатель может продолжать создавать крутящий момент в пределах установленных ограничений тока и настроек защиты. Контроллер верхнего уровня должен реализовать соответствующий контроль тока, обнаружение остановки и защиту по пределам перемещения.

3. Когда следует использовать режим позиционирования?

Режим позиционирования обычно предпочтителен, когда роботизированный сустав должен достичь заданного угла, перемещаться между заданными положениями или удерживать целевую позу.

К типичным применениям относятся человекоподобные роботы, реабилитационные экзоскелеты, коллаборативные роботы, системы поворота и наклона, а также механизмы с возвратно-колебательным движением.

Суставы человекоподобных роботов: тазобедренный, коленный, голеностопный, плечевой и локтевой

Требования к применению:

При ходьбе, приседании, вставании и других движениях каждый сустав должен переместиться на заданный угол и сохранять требуемую позу.

Рекомендуемый режим: режим позиционирования

Контроллер верхнего уровня рассчитывает целевой угол для каждого сустава и преобразует его в соответствующее количество отсчётов энкодера (cnt). Затем эти команды позиционирования передаются двигателю HPJM.

Внутренняя система управления двигателя с тремя контурами управляет движением к каждому целевому положению, включая ускорение, замедление и удержание положения.

Благодаря этому основной контроллер может сосредоточиться на координации общего движения робота, не реализуя отдельно внешний контур управления положением для каждого сустава.

Меры защиты:

Если сустав заклинивает или встречает чрезмерное сопротивление, ошибка слежения может превысить установленный порог, что приведёт к неисправности 0x8611 (ошибка слежения) и остановке двигателя — при условии, что соответствующая защита включена и настроена надлежащим образом.

Рекомендации по настройке:

При движениях с высокой нагрузкой, например при приседании и вставании, не устанавливайте чрезмерно высокий коэффициент усиления Kp контура положения: это может вызвать вибрацию или колебания.

Практическая последовательность настройки: сначала оптимизируйте коэффициенты усиления Kp и Ki контура скорости, затем настройте коэффициенты контура положения. При необходимости и если это поддерживается контроллером можно также отрегулировать Kd контура положения.

Настройки ускорения также должны соответствовать инерции сустава. Чрезмерное ускорение может увеличить ошибку слежения и вызвать неисправность, особенно при значительной инерционной нагрузке на сустав.

Суставы реабилитационных экзоскелетов: помощь при ходьбе и реабилитационные тренировки

Требования к применению:

Экзоскелет должен направлять конечность пользователя к заданному углу сустава, удерживать целевую позу и безопасно реагировать на аномальное сопротивление.

Рекомендуемый режим: режим позиционирования

Контроллер задаёт целевой угол сустава в соответствии с программой реабилитации. Затем двигатель перемещает сустав в заданное положение.

Меры безопасности:

Если пользователь сопротивляется движению или внешняя нагрузка становится чрезмерной, ошибка слежения по положению может превысить установленный порог и вызвать неисправность.

Однако одной защиты от ошибки слежения недостаточно для обеспечения безопасности при взаимодействии с человеком. Реабилитационные экзоскелеты также должны иметь соответствующие ограничения крутящего момента или усилия, механические ограничители хода, аварийный останов и независимые механизмы безопасности.

Коллаборативные роботы и небольшие роботизированные манипуляторы

Требования к применению:

Робот должен перемещаться между заданными положениями, выполнять операции захвата и переноса и удерживать заданную позу сустава.

Рекомендуемый режим: режим позиционирования

Контроллер верхнего уровня передаёт двигателю сустава целевые положения. Для выполнения простых перемещений из точки в точку можно задать несколько целевых положений.

Например, при первичной наладке двигателя можно провести тест позиционирования вперёд и назад, многократно задавая различные целевые положения.

Режим позиционирования подходит для применений, требующих повторяемого позиционирования суставов и заданных конечных точек движения.

Системы поворота и наклона и колебательные приводы

Требования к применению:

Механизм должен поворачиваться на заданный угол, останавливаться и оставаться в этом положении до следующего перемещения.

Рекомендуемый режим: режим позиционирования

Контроллер отправляет заданное количество отсчётов энкодера (cnt), и двигатель перемещается в соответствующее угловое положение, после чего удерживает его с помощью управления с замкнутым контуром.

Ограничения режима позиционирования:

Режим позиционирования обычно не является предпочтительным для применений, требующих непрерывного неограниченного вращения с заданной скоростью.

Для двигателей с большим передаточным отношением инженерам также необходимо учитывать преобразование отсчётов энкодера в фактический угол на выходе. В конфигурациях с двумя энкодерами необходимо различать показания энкодеров со стороны двигателя и на выходе, а также уточнить применяемый метод подсчёта оборотов — однооборотный или многооборотный.

4. Когда следует использовать режим скорости?

Режим скорости обычно предпочтителен, когда механизм должен непрерывно вращаться с заданной скоростью или когда контроллер верхнего уровня отвечает за управление положением и траекторией.

В такой конфигурации двигатель регулирует частоту вращения, а основной контроллер обрабатывает внешние сигналы обратной связи и определяет требуемую команду скорости.

Важное замечание по безопасности: режим скорости не обеспечивает такой же контроль ошибки слежения по положению, как режим позиционирования. При заклинивании механической системы двигатель может продолжать создавать крутящий момент в установленных пределах. Поэтому система управления верхнего уровня должна реализовать соответствующие ограничения хода, обнаружение остановки и контроль порогового значения тока.

Приводные колёса мобильных роботов

Требования к применению:

Двигатель роботизированного сустава можно также использовать в качестве привода колеса мобильного робота. Колесо должно вращаться с заданной скоростью, чтобы робот двигался вперёд, назад или по траектории поворота.

Рекомендуемый режим: режим скорости

Основной контроллер передаёт двигателю заданную частоту вращения. Команда задаётся в единицах 0,01 Гц со стороны двигателя.

Двигатель поддерживает заданную скорость, а контроллер верхнего уровня управляет положением и движением робота.

Например, основной контроллер может использовать данные обратной связи от IMU и энкодеров колёс или одометрии для расчёта требуемых скоростей колёс и оценки перемещения робота.

Меры защиты:

Если колесо заблокировано препятствием, режим скорости не вызовет автоматически ошибку слежения по положению. Двигатель может продолжать создавать крутящий момент в пределах ограничений тока.

Поэтому контроллер верхнего уровня должен отслеживать ток двигателя и другие соответствующие сигналы обратной связи. Если ток превышает установленный порог или обнаружена остановка, система должна снизить мощность двигателя либо остановить его в соответствии со своей стратегией безопасности.

Испытания на долговечность и стенды для непрерывного вращения

Требования к применению:

Во время испытаний на усталость и долговечность, а также длительной оценки рабочих характеристик двигатель сустава должен непрерывно вращаться с постоянной скоростью.

Рекомендуемый режим: режим скорости

Задайте постоянную целевую скорость и обеспечьте непрерывную работу двигателя в течение необходимого времени испытания.

Режим скорости подходит для таких применений, поскольку основное требование — стабильная частота вращения, а не перемещение в заданное положение.

Испытательные системы также должны иметь надлежащий контроль температуры, защиту от перегрузки и функции аварийного останова.

5. Подходит ли режим скорости для управления усилием и импедансом?

Не обязательно.

Двигатель HONPINE HPJM поддерживает режим тока, а также режимы управления положением и скоростью. Для применений, связанных с управлением усилием, крутящим моментом или импедансом, режим тока обычно является более подходящей отправной точкой, чем режим скорости.

В режиме тока контроллер непосредственно регулирует ток двигателя. Поскольку крутящий момент двигателя связан с током, этот режим служит основой для разработки стратегий управления крутящим моментом.

Для управления импедансом и более сложных задач управления усилием инженерам могут потребоваться дополнительные сигналы обратной связи, например данные датчика крутящего момента на выходной стороне, а также внешний алгоритм управления.

Режим скорости всё же может использоваться в составе некоторых архитектур управления, однако его не следует рассматривать как прямую замену управлению крутящим моментом на основе тока.

6. Режим позиционирования и режим скорости: основные различия

7. Заключение: выбирайте режим управления с учётом применения

Режимы позиционирования и скорости предназначены для разных задач управления движением. Ни один из них не является универсально лучшим.

Если роботизированному суставу необходимо достичь определённого угла, выполнять перемещения из точки в точку или удерживать заданную позу, обычно лучше выбрать режим позиционирования.

Если двигателю необходимо непрерывно вращаться с заданной скоростью, а контроллер верхнего уровня управляет положением и движением робота, обычно лучше подходит режим скорости.

Для управления усилием и импедансом более подходящей основой может быть режим тока.

При выборе режима управления для гармонического привода HONPINE HPJM инженерам следует учитывать цель движения, механическую нагрузку, архитектуру управления, конфигурацию обратной связи и требования безопасности в совокупности.

Свяжитесь с HONPINE, чтобы узнать больше о гармонических приводах для суставов HPJM, режимах управления, технических характеристиках и решениях для интеграции в роботизированные системы.