從SCIMC架構到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(wú)非是通過(guò)協(xié)調各個(gè)關(guān)節的運動(dòng)來(lái)實(shí)現機器人整體的運動(dòng)目標。
傳統架構中，機器人控制分為兩部分，一部分是關(guān)節的伺服控制，可能是個(gè)伺服電機，或是電液伺服執行器，它控制的是一個(gè)單一維度的運動(dòng)；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(dòng)控制器，它負責為每一個(gè)關(guān)節下達運動(dòng)指令，以保證整個(gè)手臂的運動(dòng)效果符合預期。
圖一：早期工業(yè)機器人或多軸工業(yè)設備控制架構
最早運動(dòng)控制器通過(guò)脈沖方式和伺服控制器通信，每一個(gè)脈沖代表一定的運動(dòng)距離，脈沖多則運動(dòng)距離長(cháng)，脈沖密集則運動(dòng)速度快。
但是隨著(zhù)用戶(hù)對機器人運動(dòng)的速度和精度要求日益增長(cháng)，這樣的控制架構沒(méi)辦法完成更多的數據交互，于是大多數工業(yè)機器人切換到了總線(xiàn)架構。
圖二：當前工業(yè)機器人的主流控制架構
運動(dòng)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(jìn)行預判，然后通過(guò)總線(xiàn)前饋給伺服控制器，極大的提升了工業(yè)機器人的動(dòng)態(tài)性能。
信息越全面，越有利于決策 ；
信息越及時(shí)，越有利于決策。
圖三：機器人控制技術(shù)發(fā)展要求
運動(dòng)控制與電機控制的最佳融合方式，莫過(guò)于把這些功能集成在一塊芯片中！世界首款單芯片多軸驅控一體運動(dòng)控制器SCIMC（Single Chip Multiaxis Integrated Motion Controller）出于這個(gè)目的，誕生了！
圖四：捷勃特機器人單芯片驅控一體核心板（只有名片大?。?/p>
捷勃特在世界范圍內，首次把單芯片多軸驅控一體運動(dòng)控制器SCIMC（Single Chip Multiaxis Integrated Motion Controller）運用于量產(chǎn)的工業(yè)機器人中。
以往出現在機器人行業(yè)里討論控制架構時(shí)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(shuō)“總線(xiàn)通信帶寬”，“總線(xiàn)絕對延時(shí)”，這些困擾機器人控制工程師的指標，在“去總線(xiàn)”、“單芯片”的技術(shù)路徑下已經(jīng)沒(méi)必要再關(guān)注了，是時(shí)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(huà)一條長(cháng)直線(xiàn)，我只關(guān)心我的手中的筆如何移動(dòng)，我不會(huì )去關(guān)心我的胳膊上每個(gè)關(guān)節應該怎么轉動(dòng)。這是一種自然而然的控制方式。就是把整個(gè)胳膊看成是一個(gè)整體來(lái)控制，而不是一個(gè)個(gè)關(guān)節分別進(jìn)行控制。
傳統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(guò)比較“希望的位置和速度”與“傳感器反饋的位置和速度”來(lái)調整電機的出力大小，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：傳統伺服控制器的閉環(huán)控制
人在做動(dòng)作的時(shí)候，大多會(huì )對要使多大勁有個(gè)預判，然后直接按照這個(gè)力發(fā)出來(lái)，中間通過(guò)力感知進(jìn)行微調。想想打羽毛球時(shí)發(fā)力，發(fā)多少力是“預判”來(lái)的，過(guò)程中感知外力并微調，但很有限。所以當人們對出力判斷錯誤時(shí)，容易“閃著(zhù)”。機器人的動(dòng)作不是這樣，他是先規劃速度，然后看實(shí)際的速度和想要的速度有多大差距，高頻的調整出力?！俺]環(huán)”就是在機器人進(jìn)行全局“高頻調整”的基礎上，加上“預判”和“外力感知”，把“高頻調整”出力和“預判”出力結合起來(lái)。
在SCIMC架構下，依賴(lài)單芯片內高速無(wú)延遲的信息交互能力，我們在捷勃特C5A機器人實(shí)現了高達5KHz的全手臂閉環(huán)（以下稱(chēng)為“超閉環(huán)”或者“HyperRing”），在閉環(huán)過(guò)程中融合了所有關(guān)節多種傳感器的信息，同時(shí)嵌入了整機的系統動(dòng)力學(xué)和運動(dòng)學(xué)算法進(jìn)行綜合計算，并以5KHz的刷新頻率更新各個(gè)關(guān)節的出力，實(shí)現手臂全局范圍內的力感知和行動(dòng)約束。
圖六：N關(guān)節機器人超閉環(huán)架構
例如：可以讓手臂的末端在指定的運動(dòng)自由度上表現出順應性（低剛度，易拖動(dòng)）而在其他運動(dòng)自由度上表現為高剛性。
基于此項技術(shù)，可以實(shí)現需要“手感”的柔順裝配，也可以實(shí)現空間自由度約束下的拖動(dòng)示教。HyperRing的算法實(shí)現可以多種多樣，我們目前實(shí)現的拖動(dòng)中的空間約束，表現令人驚嘆！
“擦桌子”式自由拖：
水平方向可以拖動(dòng)，垂直方向保持高剛性
“固定點(diǎn)”式自由拖：
工具末端點(diǎn)不動(dòng)，姿態(tài)可通過(guò)拖動(dòng)改變
這些功能在傳統的架構上很難實(shí)現，但在“SCIMC+HyperRing”技術(shù)幫助下顯得游刃有余。HyperRing未來(lái)甚至可以結合視覺(jué)和觸覺(jué)傳感信息，實(shí)現更加類(lèi)人的任務(wù)。
HyperRing還在不斷進(jìn)化中，未來(lái)值得期待。
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