科创中国

1. 项目研究方向和主要内容

1.1 项目研究方向

作为卡脖子技术之一，在高性能机器人领域，在核心部件（主要包括

伺服电机、编码器、减速器、驱动器等）和底层伺服方面主要依赖于

欧美日等发达国家技术，尤其在整体执行机构的小型集成化、智能化

方面，国内同行业产品和技术差距巨大，国内本体机器人企业为此付

出巨大成本和代价。

为此，本项目团队致力于为高性能机器人提供优秀的执行机构核心

部件以及底层伺服驱动解决方案，致力于高度集成化、高度智能化、

柔性化和网络化执行器研究。目的是冲破国外技术堡垒，打破在执行

器或伺服系统中高端市场上由国外发达国家技术垄断的局面，达到

并超过国际一流水平，实现国产替代。同时在此基础上，开发本体机

器人硬件产品，延伸开发不同功率和不同电压下的各类伺服驱动器

产品。

1.2 项目研究主要内容

① 多极对数高性能无刷直流电机研究与设计

通过以下方法：

由各 n 个突极所构成的从第一突极群至第六突极群的 6 个突极

群沿圆周方向排列，被提供同相电流的突极群排列在相互错开机

械角 180°的位置上，各突极形成为笔直形对突极群的突极安装

的线圈群中的 n 个线圈被串联，线圈以在相邻的突极间卷绕方向

呈相反方向的状态安装在突极上，并且在相邻的突极间通过交叉

线在突极的前端侧或基端侧交叉，交叉线在相邻的插槽 SL 间前

端侧或基端侧的关系是相反的。

电机在实现小型，轻量的同时，具备较多的极数，大大改进改进

低速下电机运行的平顺度和稳定度，并且能够输出高转矩。

② 双码盘编码器及应用该双码盘编码器的伺服关节研究与设计

本项目涉及编码器技术领域，具体涉及到一种双码盘编码器及应用该双码

盘编码器的伺服关节，其中双码盘编码器包括用于测量减速机转角的第一

码盘，用于测量电机转角的第二码盘，以及用于读数的第一读数头及第二

读数头，用于固定第一读数头及第二读数头的电路板，其中，所述第一码

盘与所述第二码盘同轴且在同一平面嵌套设置。通过将测量减速机及电机

转角的第一码盘及第二码盘同轴且在同一平面嵌套设置，与现有技术上下

设置两个编码器相比，缩小伺服关节的体积，提升了关节带负载能力。应

用该双码盘编码器的伺服关节结构紧凑，生产成本下降，且体积及重量下

降，方便应用于机器人上。

③ 机器人关节之伺服减速机研究与设计

现有减速机大部分采用谐波减速机，RV 减速机等，其中采用 RV

减速机时结构零件众多，结构复杂，基体重量大，而采用谐波减

速机时输出力矩过小，在机器人关节中，使用谐波和 RV 减速机

需要额外的固定机构、传动部件等，导致关节体机重量大，导致

带负载的能力降低，整体机构过于复杂，且两者在国内研究基础

薄弱，相关设备多数依赖进口，成本过高，不适合应用于机器人

关节中。

针对现有技术的上述缺陷，提供一种伺服减速机，解决现有机器

人关节中减速部分成本高且结构复杂缺陷。包括减速机壳体，设置

于减速机壳体内的传动轴、减速组件及与减速机壳体连接的输出端盖，其

中所述减速组件与传动轴之间通过偏心轴进行传动，所述偏心轴固定于所

述传动轴上，所述减速组件与所述输出端盖之间设有若干销轴进行传动。

利用偏心轴传动可达到运转平稳效果，且可保证结构紧凑，有效降低成本。

④ 小型内置式伺服驱动器及矢量控制技术和底层算法软件研究与

设计

⚫ 硬件电流控制技术,本系统采用 FPGA 实现电机解耦控制,相

比传统的 ARM 或 DSP 方案,本系统更稳定,响应更快；

⚫ 内置速度观测器技术，提高系统响应及速度平稳性；

⚫ 内置自适应陷波滤波器，可自动抑制机械振动；

⚫ 内置扰动观测器，可自动补偿负载变化提高系统适应性；

⚫ 内置自整定功能，可自动辨识负载特性并调整出满足指标要

求的三环参数,提高系统适应性；

⚫ 位置控制、速度控制、转矩控制，可切换各种控制模式；

⚫ 位置脉冲输入频率达 500K，支持脉冲+方向、正交脉冲、双

脉冲等多种位置指令方式；

⚫ 具有 RS485/CAN 接口，支持 MODBUS/CANopen 通信；

⚫ 具有过压、欠压、超速、过载、位置偏差过大、编码器错误

等完善的保护功能，并可记忆 8 组历史故障信息；

⚫ 具有丰富的监控项目，使用过程中用户可以选择想要的监控

项目监测运行状况；

⚫ 驱动器可以通过 RS232 接口与 PC 机通讯，实现简单、快捷

调试伺服驱动系统；

⚫ 支持标准 Modbus-RTU 协议以及 CANopen 协议；

⚫ 内置 CW、CCW、SW 三个 5V 或 24V IO 信号输入，用于限

位和回零参考。