前言：協作機器人採用一體化關節（傳動+感測+整合驅動器）+控制器的設計架構，概念本身高度模組化，但實際上一體化關節的設計卻存在嚴重的零散化、非標化問題。

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整理| Sunny

機器人大講堂直播間 046期

協作機器人在設計上有

低壓、輕量化

需求，因此通常將伺服驅動器內置於關節，於關節內完成底層電氣裝置連線，以簡化整機走線，降低配套裝置重量，該類設計被稱為一體化關節。

工業機器人多采用

伺服電機（傳動+感測）+電氣櫃（模組化驅動器+控制器）的設計架構

，零部件高度標準化、模組化。協作機器人採用

一體化關節（傳動+感測+整合驅動器）+控制器

的設計架構，概念本身高度模組化，但實際上一體化關節的設計卻存在嚴重的零散化、非標化問題。

協作機器人一體化關節內部結構較為複雜，除驅動器、電機、減速器、制動器、（單個）編碼器等基礎零部件外，通常內建更多感測裝置，例如雙編碼器構造、力矩感測器甚至附加彈性件的SEA設計配合力覺、功能安全性、低剛度下的運動精度等需求。

而這些零部件往往來自於不同領域、不同廠商，機器人或關節設計廠商往往難以在各領域具備成熟的專業條件，卻需要對各零散零部件進行整合甚至定製，使得本體整合設計成為了前期研發的重點和難點，影響了面向應用的核心競爭力。

因此可以預期，為了真正降低一體化關節的設計成本，模組化、標準化會成為必然趨勢。而如何對各零部件進行模組化整合，如何構建標準化產品，能夠既滿足不同協作機器人產品的共同需求，又滿足差異性需求是一個關鍵點。我們特邀

Synapticon德國芯控中國區技術負責人唐陳誠先生

做客「機器人大講堂直播間」，分享

協作機器人一體化關節技術現狀與展望。

本期分享要點如下

設計架構：從工業機器人到協作機器人

難點和趨勢：協作機器人一體化設計

面向協作機器人的Somanet伺服驅動技術

面向協作機器人的Circulo整合伺服產品

關於Synapticon德國芯控

以下內容根據唐陳誠老師直播分享實錄整理

一、設計架構：從工業機器人到協作機器人

在瞭解工業機器人到協作機器人設計架構的轉變之前，首先看一下各自

設計目的的不同

。工業機器人使用場景主要是在隔離的工作空間，與人獨立作業；而協作機器人的設計初衷就在於人機協作：在指定工作空間與人協同作業。

協作機器人誕生之初是為了輔助中小型企業轉型自動化生產，主要面對生產品種繁多、生產量小的產線。工業機器人主要為剛性生產線設計，在重複的高精度軌跡下連續工作，難以進入需要時常調整生產的小型產線。因此引入協作機器人概念，透過與人協作實現靈活部署和柔性製造，實現自動化生產的進一步覆蓋。

由於目的、應用場景的不同，協作機器人和工業機器人在設計架構上有本質的區別，首先體現在電氣安全，協作機器人一般採用48v及以下的

低電壓設計

；其次在碰撞力學方面，相對工業機器人要輕量化許多，具有

高自重比

的特點。

除了本質的設計差異，為適應產業化落地，協作機器人設計上通常還有

易於部署、簡化程式設計、外觀設計友好

等設計需求。

不論何種機器人，設計架構大體是類似的。如下圖所示，底層由驅動器控制，在機器人本體內部有傳動和感測原件。由驅動器採集感測訊號，對傳動件進行驅動控制。驅動器作為從站與上層主站通訊，實現上層的控制邏輯。

在該架構基礎上，工業機器人一般採用

伺服電機加控制櫃

的設計模式，整體呈

中心控制

（centralized control）架構。機器人關節主要即伺服電機，作為標準化、模組化零部件直接整合感測和傳動零部件。電氣櫃作為控制中樞，內部包含驅動器，控制器及配套的電氣裝置。伺服電機連線到電氣櫃時，會產生大量的線纜。

而對於協作機器人，低電壓設計導致線纜直徑相對更大，外觀設計上也不允許保留大量線纜在機器人外部，難以直接複製工業機器人的設計模式。

協作機器人通常採用

一體化關節設計

，將底層執行器，即驅動器，整合到機器人關節內，使得每個關節成為一個控制單元。控制上呈

分散式控制

（decentralized control）架構，不同層級間的線纜數量極大地減少，因此能夠採用

中空走線

設計直接將線纜隱藏在相對纖細的本體內。

二、難點和趨勢：協作機器人一體化關節設計

難點

透過對設計架構轉變的瞭解，很容易產生一個印象：在設計層面，協作機器人成熟度優於工業機器人。但實際情況並非如此。工業機器人設計是經過數十年工業迭代的結果，是為實際應用服務的有效設計。而協作機器人進入市場時間尚短，許多概念來源於理論。在實際設計方面，工業機器人零部件市場發達，存在成熟的標準化方案，而協作機器人在零部件選型上存在很大的限制。

如下圖所示，工業機器人設計中，關節選型主要即伺服電機。伺服電機產品直接整合傳動和感測零部件，做到了高度

模組化

，且僅通過幾個引數選項就能

標準化

地覆蓋使用者需求。廠商往往還提供配套的伺服控制產品，客戶在極短時間內即可確定選型方案，在較短時間內完成高可靠性的設計。

與工業機器人設計的便捷相比，協作機器人一體化關節的設計複雜得多。下圖右邊是一個常見的關節設計。

零部件構成和功能上

，由電機端的編碼器，透過介面傳輸資料到驅動器，驅動器根據電機所處的位置控制電機，並由諧波減速器進一步放大電機的輸出力矩。而後通常在減速器輸出端安裝另一個編碼器，形成雙編碼器構型，一方面使用輸出端編碼器作位置控制反饋，降低關節剛度對輸出精度的影響，一方面利用感測融合資料最佳化力控演算法等。

關節輸出端有時也會安裝有力矩感測器，為力控提供最直接的反饋。

除了零部件更多，協作機器人設計和整合困難的原因主要在於

兩個方面

：

第一，協作機器人部件高度

零散化

，供應鏈繁雜。廠商通常難以在專業性上覆蓋所有零部件領域，從而在反覆拉鋸的選型和迭代中，損失大量的初期時間成本，同時也導致產品穩定性相對較低；

第二，協作機器人部件

非標化

，大量的非標定製和零部件研發偏移了廠家研發重心，變相影響了產品競爭力。以選擇驅動器為例，在選型時需要考慮機械整合、電氣適配、電磁相容性以及大量的功能整合和匹配問題。因為市場的限制，廠家為滿足設計需要，往往研發或外包定製零部件，進一步增加了研發成本，犧牲了產品的可靠性。

這兩方面因素嚴重地影響了行業的快速發展，對於大量的初創企業尤為困擾。

趨勢

根據以往的行業模式，以及一些已有的協作機器人產品，可以預見新一代的一體化關節設計會有兩個趨勢：

第一，

部件整合

。機器人廠商可以憑藉模組化的產品，直接整合下游供應鏈成熟的技術資源，減小設計和整合成本，提高產品質量。

第二，

部件標準化

。廠商將能在市場上找到能夠覆蓋行業普遍需求的標準化產品，將競爭重心放到市場和應用等主戰場。

行業的發展是做減法。部件整合和標準化的優勢可以總結為以下幾點：

第一，

研發過程

簡化。部件選型、零部件整合、產品迭代等工作大大減少，節省了研發成本尤其是時間成本；

第二，

生產過程

簡化。供應鏈得到極大縮減，降低了運營成本。生產流程得到簡化，使得生產成本降低，產量和質量提高；

第三，

維護過程

簡化。使用整合化、標準化部件，不僅產品壽命更可靠，維護時間和難度也能得到降低。

三、面向協作機器人的Somanet伺服驅動技術

Synapticon德國芯控是行業中少數的採用SoC技術的廠家。SOMANET伺服驅動技術以強大的SoC晶片為基礎，採用獨有的Model-predictive DeadbeatControl技術， 在實現高效能控制的同時保持低熱耗，是整合式伺服產品的品質基礎。SOMANET技術基於

以數字化橋接底層與應用

的理念，包含齒距補償、整合編碼器控制、自動除錯等功能。

針對協作機器人應用，SOMANET技術致力於許多廠商關心的功能（如上圖所示），如

基於力矩感測器的閉環控

制，使得4k甚至16kHz的柔順控制成為標配；

智慧抱閘控制

，真正做到一步掌控各式抱閘；

雙閉環控制

、

動態PID調節

、

模擬量輸入校準

等。

四、面向協作機器人的Circulo整合伺服產品

CIRCULO作為SOMANET伺服驅動技術的創新延伸，是Synapticon德國芯控

為協作機器人推出的整合化、標準化方案

，其誕生來源於使用者及供應鏈廠商的需求。

CIRCULO經過兩輪測試迭代，已進入大批次生產階段。產品模組化地

涵蓋了驅動器、雙編碼器、機械整合，並集成了SIL3 PLe級別的安全功能

。接下來CIRCULO還將與TÜV SÜD等合作伙伴進一步合作，提供全面的安全功能支援，以及更進一步的整合方案。

CIRCULO透過

兩個型號產品實現了一體化關節需求的全面覆蓋

。如下圖所示，該圖從大小尺寸、機械配合、匯流排協議、電壓等方面列舉了CIRCULO 7和CIRCULO 9兩個型號產品的引數。

下圖是在CIRCULO框架下的一體化關節設計，可以看到除了無框電機和減速器，其餘部分都已由方案囊括。

協作機器人對於功能安全性有較高的要求，然而很多場合下，大量應用目前還未完全滿足安全規範。以拖動示教為例，國際標準TS15066內對於使用拖動示教的場景、功能的實現和觸發等有一系列的規範，在工作場景中應由安全感測器確認使用者進入人機協作空間，在嚴格規範下觸發拖動示教功能，並經過一系列安全功能（如SLS，SLP，SP）保障人機協作下的安全性。

為實現安全系統，機器人本體外需要整合大量的外部感測器與執行器，接入控制櫃中安全IO，再接入主站獨立的安全模組實現。這無疑大大提高了系統的複雜度。CIRCULO整合安全模組將允許使用者透過FSoE直接實現基於匯流排的安全採集和控制，保留協作機器人中空走線設計的優勢，大大降低安全系統實現的難度與成本。

五、關於Synapticon德國芯控

Synapticon德國芯控是一家創新的嵌入式技術公司，總部位於德國，並於上海、矽谷等地設有分部。憑藉靈活、高效能的產品生態，公司為協作機器人、工業機器人、特種自動化等提供全面的運動控制技術方案。

Synapticon德國芯控自2012年正式成立就活躍於機器人和自動化裝置市場，於2017年正式引入外部投資後，推出了首個標準化產品——SOMANET Node伺服驅動器。在此期間公司與數十家相關廠商進行合作，於2018年末，開始設計研發面向協作機器人的SOMANET Circulo標準伺服產品。在今天經過兩年的迭代後，CIRCULO進入量產化狀態。

主要產品：

Synapticon德國芯控的主要產品覆蓋了機器人和控制領域的底層到上層。除SOMANET Node、SOMANET Circulo兩款標準伺服產品外，另有整合伺服電機、控制器軟硬體、機器人設計樣本等產品。

覆蓋領域：

Synapticon德國芯控目前服務的領域主要集中在協作機器人、工業機器人、自動化裝置和AGV。

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