#電磁學 #電動馬達 #微控制器MCU

【微控制器與軟體演算法，成就高效馬達轉換】

全球有 40%～60% 的工業用電是用於電動馬達。常見的工業用馬達有：直流有刷馬達、感應式馬達、永磁馬達。其中，直流有刷馬達，已瀕臨淘汰；感應式馬達價格便宜、裝置簡單且容易控制，但是能源效率不高；永磁馬達包括：永磁同步馬達 (PMSM)、無刷直流馬達 (BLDC)、磁阻馬達、步進馬達、磁滯馬達等類型，具有較高壽命、較佳能源效率及可控性，在工業應用中，PMSM 和 BLDC 馬達正大規模取代交流和直流有刷電機。

在當今的大多數應用領域，馬達發揮的作用並不是簡單地旋轉功能，人們希望馬達盡可能按照人們的要求去動作，這不僅對節約能源有重大意義，同時還可以在很多場合替代人類做更多事情。比如工業機器人的手臂要運動到什麼位置？需要多大能量提起多重的物體？這些都需要一個控制系統來進行精確控制。但是，馬達的工作原理本質上是一個電磁轉換過程，人們不能直接控制磁訊號，只能透過改變電訊號實現對馬達的一系列控制要求。

馬達的廣泛使用，帶動了馬達控制系統的發展，不同的應用場合需要不同的控制系統，特別是當今的 IoT、工業 4.0 快速發展的大背景下，馬達控制系統也隨之成長，驅動 IC、MCU、MOSFET、IGBT 等馬達控制系統訊號鏈每一個環節都因此受益。從馬達控制角度來看，控制系統可根據控制要求大致分為變頻器、驅動器和伺服系統幾類，控制要求越多、精度要求越高，對控制系統的要求也就越高，相應的系統複雜度也會隨之提升。

延伸閱讀：
《不斷演進的馬達系統》
http://compotechasia.com/a/____/2016/0920/33344.html
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#ARM處理器

圖檔取材：pixabay.com

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杭州尖叫科技拜訪：

4月8號是總部在杭州的海康威視董事會，利用參加董事會去杭州的行程，我順便參觀了兩家杭州公司。第一家叫做尖叫科技，主要是做外骨骼的產品。

尖叫科技的兩位創始人，CEO李响過去是做穿戴式產品的，另一位CTO李牧然，大家都叫他小齊，過去是做手機的研發，對通信產品比較熟悉。

兩位好友決定創業，2014年成立公司在杭州，在懸浮自拍飛行器，手環，空氣潔淨器，外骨骼，四個領域做調研。最終決定追求夢想挑戰最困難。他們選擇了跨多領域和專業的外骨骼助動機器人。

在外骨骼部分領先全球的是美國、日本、以色列三個國家。為了對外骨骼比較不熟悉的朋友，我從網上整理介紹美國Ekso，日本Cyberdyne和以色列ReWalk三家公司及產品介紹以供參考。

1）位於美國加州Richmond的Ekso Bionics公司始建於加州大學柏克萊分校，一直在機器人外骨骼領域開拓，來增強人的體力、耐力和機動性。他們的仿生套裝，使下肢癱瘓的個人站起來，並藉由重量支撐急及四點相互補償的步伐在地面行走。行走的達成是通過用戶向前的重量移動來啓動步行，電池供電的馬達驅動雙腿並代替神經肌肉的功能。

Ekso Bionics 於今年4月5日宣佈，其已獲得美國食品及藥物管理局(FDA)許可，批准其Ekso GT機器人外骨骼用於治療中風偏癱患者、T4至L5脊髓損傷患者，T3至C7（亞洲為D）脊髓損傷患者，具體情況視設備標籤而定。Ekso GT為首個獲FDA批准用於中風患者的外骨骼。迄今為止，Ekso已幫助全球超過115間康復機構的患者，令患者步行超過4,100萬步。

微信公眾號「智慧界」介紹，由Ekso Bionics 公司發明的這款名為Ekso Works 套裝，看起來十分簡潔。這身裝備雖然重達18公斤的，但穿戴後讓人覺得重量全無，還帶給你超級力量。值得一提的是，這份力量完全靠精巧的機械結構，無需任何電池動力。

這款外骨骼的原理是通過兩個傳統的背包肩帶一樣的東西進一步連接使用者的軀體，使設備不會剝離下來，上背部區域的一個柱狀支撐杆可以吸收一定的重量，從而降低用戶自身所承受的重量。

Ekso Works 套裝將在2016年正式投入市場，並希望在幾年之內，讓這款套裝和其他主要建築公司帶到工地上的大型工具一樣成為普遍存在的設備。分析師認為這款設備的價格預估在1萬2千美元（約新台幣37萬元）左右。

2）日本Cyberdyne公司的創立者——筑波大學（University of Tsukuba）山海嘉之（Yoshiyuki Sankai）教授，花費二十多年所研發的外骨骼動力服H A L （H y b r i d Assistive Limb），目前已經進入第五代，當初它的設計主要是針對照顧病患的看護及醫院護理人員，增進他們的力量，以減輕照顧病人的負擔；另一方面，就是希望針對行動困難的人提供幫助。因此HAL 主要被用來輔助日常活動，如從椅子上站起、行走、上下樓梯以及抬重物等動作。在未來，希望HAL 可以支援工廠內較吃重的工作，或是在災難現場協助救援工作的進行。

第五代的HAL-5本身重23公斤，能增加使用者10倍的力量；利用充電電池產生動能，在充滿電的狀況下可連續使用2小時40分鐘。HAL外骨骼動力服的控制系統有2種，一種是利用肌電訊號作偵測的「意志控制系統」（Cybernic Voluntary Control System），另一種則是機器人「自動控制系統」（Robotic Autonomous Control System）；HAL是目前世界上第一個同時採用混合控制系統（Hybrid Control System）的「外骨骼」動力輔助裝置。

3）
以色列ReWalk公司的創始人阿米徹．高菲爾博士（Amit Goffer）， 1997年他因越野車意外，引致四肢癱瘓 ，親身經歷激發出創作靈感。2001年成立 ReWalk的前身Argo醫療科技公司，由以色列小型的Startup起家。十年內，發展為國際企業，美國、德國和以色列均有其總公司及分行。去年為了籌集5千萬美元資金，短短三十日內已在納斯達克證券交易市場上，獲二億美元股值。

ReWalk是一款提供脊髓損傷患者雙下肢穿戴活動之動力外骨骼，支撐範圍包括雙下肢到軀幹的下半部，於雙邊髖膝關節裝置動力提供髖膝關節活動，再搭配雙手前臂拐來配合外骨骼的活動，用以控制各類動作過程中的平衡穩定。透過穿戴式支撐裝置、電腦控制系統以及動態感應器，可模擬出如同常人走動的腿部移動模式。下肢的整個外骨骼裝置及電動關節就像鋼鐵人的腳帶動患者的大腿及小腿，可作出交替的自然行走動作。

透過手戴式通報器，可以讓使用者選擇坐到站、站到走、走到停、站到坐等模式。根據最新的ReWalk個人版6.0，立可走機器人腳行走速度高達每小時2.6公里。ReWalk機器人腳總重量約23.3公斤（內含電腦控制系統的背包重約2.3公斤、機器人腳穿戴式支撐裝置約21公斤）。

尖叫科技於2015年2月啓動外骨骼開發項目， 2015年4月就利用結構件做出原型機1號。以後幾乎每兩、三個月就出現一個新的原型機。在原型機1號的基礎上加上傳感器和電機，2015年8月就出現了原型機2號。持續優化結構、傳感器和電機， 2015年10月出了原型機3號。然後用液壓取代電機，他們做了原型機4號。

尖叫科技的外骨骼機器人，主要分成五個部分，能源模塊，運算中心，動力模塊，支撐結構，傳感器群。接下來的工作室，定製電機微型化，電池扁平化，優化步伐，改良外觀設計。目標是在2016年底，第一代產品交付量產出貨。

有趣的是，在和他們的研發人員交談過程當中，發現他們經過關係，千方百計取得了Harmonic Drive產品目錄和一個HD與松下合作開發的產品。這個產品的特色是將減速機和AC伺服馬達整合在一起，並且中空部分可以走電線電纜，空氣管道和Laser Beam。不但體積很小，而且重量只有1.2公斤。

當他們知道我剛剛拜訪過HD，而且有可能為他們從日本原產取得產品和工程支持時，他們異常興奮。

當天拜訪時，巧遇順為資本的段譽和孟醒。段譽也是我們T&F群里的小夥伴之一。因此，臨走前全體合影，為將來的合作留下一個見證。