协作机器人一体化关节技术现状与展望 | Synapticon德国芯控中国区技术负责人唐陈诚
协作机器人采用一体化关节（传动+传感+集成驱动器）+控制器的设计架构，概念本身高度模块化，但实际上一体化关节的设计却存在严重的零散化、非标化问题。
机器人大讲堂直播间 046期
本期分享要点如下
设计架构：从工业机器人到协作机器人
难点和趋势：协作机器人一体化设计
面向协作机器人的Somanet伺服驱动技术
面向协作机器人的Circulo集成伺服产品
关于Synapticon德国芯控
'关注「leaderobot」微信公众号，后台回复'德国芯控'，即可获得本次直播完整版PDF及直播回放链接'
01
设计架构：从工业机器人到协作机器人
在了解工业机器人到协作机器人设计架构的转变之前，首先看一下各自设计目的的不同。工业机器人使用场景主要是在隔离的工作空间，与人独立作业；而协作机器人的设计初衷就在于人机协作：在指定工作空间与人协同作业。
协作机器人诞生之初是为了辅助中小型企业转型自动化生产，主要面对生产品种繁多、生产量小的产线。工业机器人主要为刚性生产线设计，在重复的高精度轨迹下连续工作，难以进入需要时常调整生产的小型产线。因此引入协作机器人概念，通过与人协作实现灵活部署和柔性制造，实现自动化生产的进一步覆盖。
由于目的、应用场景的不同，协作机器人和工业机器人在设计架构上有本质的区别，首先体现在电气安全，协作机器人一般采用48v及以下的低电压设计；其次在碰撞力学方面，相对工业机器人要轻量化许多，具有高自重比的特点。
除了本质的设计差异，为适应产业化落地，协作机器人设计上通常还有易于部署、简化编程、外观设计友好等设计需求。
不论何种机器人，设计架构大体是类似的。如下图所示，底层由驱动器控制，在机器人本体内部有传动和传感原件。由驱动器采集传感信号，对传动件进行驱动控制。驱动器作为从站与上层主站通讯，实现上层的控制逻辑。
在该架构基础上，工业机器人一般采用伺服电机加控制柜的设计模式，整体呈中心控制（centralized control）架构。机器人关节主要即伺服电机，作为标准化、模块化零部件直接集成传感和传动零部件。电气柜作为控制中枢，内部包含驱动器，控制器及配套的电气设备。伺服电机连接到电气柜时，会产生大量的线缆。
而对于协作机器人，低电压设计导致线缆直径相对更大，外观设计上也不允许保留大量线缆在机器人外部，难以直接复制工业机器人的设计模式。
协作机器人通常采用一体化关节设计，将底层执行器，即驱动器，集成到机器人关节内，使得每个关节成为一个控制单元。控制上呈分布式控制（decentralized control）架构，不同层级间的线缆数量极大地减少，因此能够采用中空走线设计直接将线缆隐藏在相对纤细的本体内。
02
难点和趋势：协作机器人一体化关节设计
难点
通过对设计架构转变的了解，很容易产生一个印象：在设计层面，协作机器人成熟度优于工业机器人。但实际情况并非如此。工业机器人设计是经过数十年工业迭代的结果，是为实际应用服务的有效设计。而协作机器人进入市场时间尚短，许多概念来源于理论。在实际设计方面，工业机器人零部件市场发达，存在成熟的标准化方案，而协作机器人在零部件选型上存在很大的限制。
如下图所示，工业机器人设计中，关节选型主要即伺服电机。伺服电机产品直接集成传动和传感零部件，做到了高度模块化，且仅通过几个参数选项就能标准化地覆盖用户需求。厂商往往还提供配套的伺服控制产品，客户在极短时间内即可确定选型方案，在较短时间内完成高可靠性的设计。
与工业机器人设计的便捷相比，协作机器人一体化关节的设计复杂得多。下图右边是一个常见的关节设计。
零部件构成和功能上，由电机端的编码器，通过接口传输数据到驱动器，驱动器根据电机所处的位置控制电机，并由谐波减速器进一步放大电机的输出力矩。而后通常在减速器输出端安装另一个编码器，形成双编码器构型，一方面使用输出端编码器作位置控制反馈，降低关节刚度对输出精度的影响，一方面利用传感融合数据优化力控算法等。
关节输出端有时也会安装有力矩传感器，为力控提供最直接的反馈。
除了零部件更多，协作机器人设计和集成困难的原因主要在于两个方面：
第一，协作机器人部件高度零散化，供应链繁杂。厂商通常难以在专业性上覆盖所有零部件领域，从而在反复拉锯的选型和迭代中，损失大量的初期时间成本，同时也导致产品稳定性相对较低；
第二，协作机器人部件非标化，大量的非标定制和零部件研发偏移了厂家研发重心，变相影响了产品竞争力。以选择驱动器为例，在选型时需要考虑机械集成、电气适配、电磁兼容性以及大量的功能集成和匹配问题。因为市场的限制，厂家为满足设计需要，往往研发或外包定制零部件，进一步增加了研发成本，牺牲了产品的可靠性。
这两方面因素严重地影响了行业的快速发展，对于大量的初创企业尤为困扰。
趋势
根据以往的行业模式，以及一些已有的协作机器人产品，可以预见新一代的一体化关节设计会有两个趋势：
第一，部件集成。机器人厂商可以凭借模块化的产品，直接整合下游供应链成熟的技术资源，减小设计和集成成本，提高产品质量。
第二，部件标准化。厂商将能在市场上找到能够覆盖行业普遍需求的标准化产品，将竞争重心放到市场和应用等主战场。
行业的发展是做减法。部件集成和标准化的优势可以总结为以下几点：
第一，研发过程简化。部件选型、零部件集成、产品迭代等工作大大减少，节省了研发成本尤其是时间成本；
第二，生产过程简化。供应链得到极大缩减，降低了运营成本。生产流程得到简化，使得生产成本降低，产量和质量提高；
第三，维护过程简化。使用集成化、标准化部件，不仅产品寿命更可靠，维护时间和难度也能得到降低。
03
面向协作机器人的Somanet伺服驱动技术
Synapticon德国芯控是行业中少数的采用SoC技术的厂家。SOMANET伺服驱动技术以强大的SoC芯片为基础，采用独有的Model-predictive DeadbeatControl技术, 在实现高性能控制的同时保持低热耗，是集成式伺服产品的品质基础。SOMANET技术基于以数字化桥接底层与应用的理念，包含齿距补偿、集成编码器控制、自动调试等功能。
针对协作机器人应用，SOMANET技术致力于许多厂商关心的功能（如上图所示），如基于力矩传感器的闭环控制，使得4k甚至16kHz的柔顺控制成为标配；智能抱闸控制，真正做到一步掌控各式抱闸；双闭环控制、动态PID调节、模拟量输入校准等。
04
面向协作机器人的Circulo集成伺服产品
CIRCULO通过两个型号产品实现了一体化关节需求的全面覆盖。如下图所示，该图从大小尺寸、机械配合、总线协议、电压等方面列举了CIRCULO 7和CIRCULO 9两个型号产品的参数。
下图是在CIRCULO框架下的一体化关节设计，可以看到除了无框电机和减速器，其余部分都已由方案囊括。
协作机器人对于功能安全性有较高的要求，然而很多场合下，大量应用目前还未完全满足安全规范。以拖动示教为例，国际标准TS15066内对于使用拖动示教的场景、功能的实现和触发等有一系列的规范，在工作场景中应由安全传感器确认用户进入人机协作空间，在严格规范下触发拖动示教功能，并经过一系列安全功能（如SLS，SLP，SP）保障人机协作下的安全性。
为实现安全系统，机器人本体外需要集成大量的外部传感器与执行器，接入控制柜中安全IO，再接入主站独立的安全模块实现。这无疑大大提高了系统的复杂度。CIRCULO集成安全模块将允许用户通过FSoE直接实现基于总线的安全采集和控制，保留协作机器人中空走线设计的优势，大大降低安全系统实现的难度与成本。
05
关于Synapticon德国芯控
Synapticon德国芯控是一家创新的嵌入式技术公司，总部位于德国，并于上海、硅谷等地设有分部。凭借灵活、高性能的产品生态，公司为协作机器人、工业机器人、特种自动化等提供全面的运动控制技术方案。
Synapticon德国芯控自2012年正式成立就活跃于机器人和自动化设备市场，于2017年正式引入外部投资后，推出了首个标准化产品——SOMANET Node伺服驱动器。在此期间公司与数十家相关厂商进行合作，于2018年末，开始设计研发面向协作机器人的SOMANET Circulo标准伺服产品。在今天经过两年的迭代后，CIRCULO进入量产化状态。
主要产品：
Synapticon德国芯控的主要产品覆盖了机器人和控制领域的底层到上层。除SOMANET Node、SOMANET Circulo两款标准伺服产品外，另有集成伺服电机、控制器软硬件、机器人设计样本等产品。
覆盖领域：
Synapticon德国芯控目前服务的领域主要集中在协作机器人、工业机器人、自动化设备和AGV。