機器人關節模組設計

摘要：本文為發展機器人關節模組設計，主要以DSP作為基礎開發關節模組的驅動控制系統，搭配EtherCAT(工業乙太網路)作為機械手臂各軸之間的通訊方式以及與上位控制器的連接，達到六軸之間的調控。DSP為德州儀器公司所出產的微處理器，可處理大量的數位資料，能滿足各種工業自動化驅動器產品之間不同的需求。EtherCAT的開發目的主要是讓乙太網路能夠靈活運用於工業自動化系統當中，並且能同時達到快速的資料更新速度與低成本的優點。本文一開始先介紹永磁馬達的控制架構，接著再介紹EtherCAT與功率級的特色，最後將其模組化，並且應用在六軸與四軸機械手臂上。

Abstract：This article is about the design and development of robot joint modules, in which DSP is used for joint module drive control system, and EtherCAT is adopted as the communication between   each axis of the robot arm and the host controller to achieve regulation between the six-axis. DSP is microprocessor produced by Texas Instruments that can handle a large number of digital data to meet the different needs of various industrial automation drive products. The purpose of EtherCAT development is mainly to allow Ethernet to be used flexibly in industrial automation systems, as well as to achieve high data update speed without increasing the cost of hardware. In this paper, PM motor control architecture is first introduced, then the characteristics of EtherCAT and power stage are discussed. Finally, modularization and application to six-axis and four-axis robot arms are discussed.

關鍵詞：數位訊號處理器、乙太網控制自動化、自舉式電路、關節模組
Keywords：DSP, EtherCAT, Bootstrap, Joint module

前言
近年來由於各國紛紛在追求如何在同樣的工廠面積內如何有大量的產能，所以開始導入了工業自動化的系統，而機械手臂在工業自動化當中扮演著相當重要的角色，因為在員工不增加的情況下，又需要工廠有大量的產能時，就可以利用機械手臂來做快速又有效率的加工。而一般的機械手臂，通常都是將馬達與驅動器分開，手臂上只會有機構與馬達的部分，而驅動器則是全部放在電控箱當中，並且拉線至手臂機構當中，雖然這樣的方式較為簡單，但是在工廠面積受限的情況下，若是能將電控箱的體積縮小，或是將其整合於手臂當中，即可使工廠的效能再往上提升。本文所提出的關節手臂模組化設計即是將馬達與驅動器全部整合於同一機構當中，使手臂與電控箱之間的連接線複雜度可以大為降低，同時手臂在使用上若是有較大的問題出現時，可直接將整顆模組替換掉，使得機械手臂的保養與維修上可以更加便利。

現今多數以通訊指令控制的機器手臂，大多以RS-485或是RS-422來做為驅動器與控制器間的通訊，雖然驅動器端實施成本較低，但控制器端大多需要額外的硬體接收，資料傳輸速度也較為緩慢且較不容易實施高同步性的控制，因此本文以EtherCAT做為機器人的通訊介面，控制器僅需使用內建網卡，即可達到100 Mbit/s全雙工速度，也提供高同步控制的實施方法，達到高同步性、高通訊速度、低硬體實施成本的特色。

關節模組伺服驅動控制系統
本文所提出的馬達關節模組設計為使用永磁馬達作為主體，並且開發永磁馬達專用驅動器。一般直流馬達的等校電機方程式如式 1，即馬達端電壓為電阻、電感壓降以及反電動勢的總和，而圖 1為直流馬達的位置控制方塊圖[1]。

圖1 直流馬達控制方塊圖