作者：Aharon Etengoff

投稿人：DigiKey 北美編輯

現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)依賴于日益復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施，以支撐持續(xù)演進(jìn)的人工智能 (AI) 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 功能、無縫互聯(lián)以及在工廠范圍內(nèi)的可擴(kuò)展部署。這些系統(tǒng)需要傳感器、安全硬件、電路保護(hù)和控制組件，以滿足高帶寬、實(shí)時響應(yīng)和嚴(yán)格功能安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。

本文探討了支撐工業(yè) 4.0 機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)，重點(diǎn)介紹 SICK 傳感器、安全解決方案以及 Eaton 的工業(yè)控制組件如何助力實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)動控制、自適應(yīng)系統(tǒng)行為和決定性決策的制定。具體的探討主題包括彈性智能自動化的關(guān)鍵推動因素，如感知架構(gòu)、機(jī)器安全合規(guī)性、容錯控制策略以及分布式邊緣自動化網(wǎng)絡(luò)的集成。

用于工廠動態(tài)環(huán)境的先進(jìn)傳感系統(tǒng)

工業(yè) 4.0 機(jī)器人通過先進(jìn)的傳感器實(shí)現(xiàn)了在工廠車間內(nèi)的安全高效運(yùn)行。雖然處于如光線不斷變化、空氣中存在微粒和機(jī)械振動等惡劣工況下，這些傳感器仍必須能夠快速處理實(shí)時數(shù)據(jù)，以準(zhǔn)確跟蹤人員、移動機(jī)器人和快速移動的裝配線。

機(jī)器人平臺集成了多種傳感器模式，以確?？臻g感知和毫秒級響應(yīng)。傳感器融合算法將這些輸入信息匯集在一起，生成一個實(shí)時連貫的機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境模型。視覺系統(tǒng)管理物體探測和定位，而安全級激光掃描儀則監(jiān)控禁區(qū)內(nèi)的違規(guī)接近情況。低延遲飛行時間 (ToF) 傳感器捕捉三維空間數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時路徑調(diào)節(jié)和情境感知行為。

機(jī)器人還依靠內(nèi)部傳感器和接觸式傳感器來完善運(yùn)動控制和交互。包括力/扭矩傳感器和限位開關(guān)在內(nèi)的觸覺傳感器可為抓取、裝配和柔順任務(wù)提供反饋。電感式、電容式和超聲波接近傳感器可在不接觸的情況下探測附近的物體，其探測距離通常比 ToF 系統(tǒng)短。編碼器和電位計(jì)跟蹤關(guān)節(jié)位置和速度，以進(jìn)行精確的運(yùn)動規(guī)劃，同時慣性測量單元 (IMU) 測量加速度和角速度，以保持方向和平衡。最后，電氣傳感器監(jiān)測電流和電壓，以評估電機(jī)負(fù)載并檢測故障。

基于標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)機(jī)器人安全

工業(yè) 4.0 機(jī)器人必須符合嚴(yán)格的國際安全標(biāo)準(zhǔn)，以保護(hù)人員和設(shè)備的安全。ISO 13849、IEC 62061 和 ISO 10218 這三大標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了工廠車間機(jī)器人系統(tǒng)的功能和控制系統(tǒng)安全要求。

ISO 13849 概述了與安全相關(guān)的控制組件的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)采用基于風(fēng)險的方法，并使用性能等級 (PL) 根據(jù)危害嚴(yán)重程度、暴露頻率和可能的規(guī)避情況對系統(tǒng)完整性進(jìn)行分類。IEC 62061 針對電氣、電子和可編程控制系統(tǒng)的功能安全，采用安全完整性等級 (SIL) 來量化所需的風(fēng)險降低情況。這些標(biāo)準(zhǔn)共同規(guī)定了在安全關(guān)鍵型應(yīng)用中，感知和控制功能的設(shè)計(jì)、實(shí)施和驗(yàn)證要求。

ISO 10218 標(biāo)準(zhǔn)將這些原則專門應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人，具體涵蓋了針對機(jī)器人設(shè)計(jì)、工作單元布局、系統(tǒng)集成和操作方面的安全要求。其中包括使用安全級傳感器執(zhí)行緊急停止、保護(hù)和運(yùn)動監(jiān)控等任務(wù)。這些組件必須達(dá)到規(guī)定的性能和可靠性閾值，并通常通過結(jié)構(gòu)化測試和驗(yàn)證來證明。

ISO 13849、IEC 62061 和 ISO 10218 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成了機(jī)器人安全標(biāo)準(zhǔn)的核心。其他標(biāo)準(zhǔn)，包括 IEC 60204-1 電氣安全標(biāo)準(zhǔn)和 ISO/TS 15066 人機(jī)協(xié)作標(biāo)準(zhǔn)，拓展了安全部署和集成的基本框架。

人機(jī)協(xié)作的綜合安全系統(tǒng)

工廠運(yùn)營商采用 SICK 和 Eaton 等供應(yīng)商的安全解決方案，以達(dá)到功能和機(jī)器安全方面的標(biāo)準(zhǔn)。例如，SICK 的 Safe EFI-Pro 系統(tǒng)利用集成傳感器、控制器和執(zhí)行器，支持對固定和移動機(jī)器人的安全功能進(jìn)行實(shí)時控制。如圖 2 所示，該系統(tǒng)的關(guān)鍵部件 microScan 安全激光掃描儀可在動態(tài)環(huán)境中進(jìn)行自適應(yīng)、視情況而定的運(yùn)動檢測。

圖 2：SICK 的 [microScan3 安全激光掃描儀可]監(jiān)控保護(hù)區(qū)域并動態(tài)檢測運(yùn)動，為工業(yè)環(huán)境中的自適應(yīng)防護(hù)提供支撐。(圖片來源：SICK）

操作員還可以用使用 SICK 的臂端保護(hù)裝置 (EOAS)，在機(jī)器人工具頭周圍維持一個動態(tài)保護(hù)區(qū)域。EOAS 利用 ToF 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了安全的非接觸式人機(jī)協(xié)作，且響應(yīng)時間低于 110 毫秒。

作為這些自動化系統(tǒng)的補(bǔ)充，SICK 還提供手動和周邊安全組件。操作人員可在緊急情況下操作 ES21 緊急停止開關(guān)快速使機(jī)器停機(jī)。STR1 非接觸式安全開關(guān)采用 RFID 技術(shù)實(shí)現(xiàn)防篡改防護(hù)監(jiān)控，支持高級編碼并符合 EN ISO 14119 標(biāo)準(zhǔn)。

浪涌和電壓控制的保護(hù)策略

協(xié)調(diào)機(jī)器人安全策略要求既有運(yùn)動級防護(hù)措施，又有可靠的電源控制。Eaton 的瞬態(tài)電壓抑制器可限制臨時浪涌和電壓尖峰，以保護(hù)敏感元器件。如圖 3 所示，F(xiàn)AZ-NA 微型斷路器（如 FAZ-C10/2-NA）可抵御過流事件，保護(hù)控制線路和輔助元器件。

圖3：Eaton 的 FAZ-C10/2-NA 微型斷路器可保護(hù)工業(yè)自動化系統(tǒng)中的控制線路和輔助元器件不受過流事件的影響。（圖片來源：Eaton）

為了支持電氣安全和系統(tǒng)完整性，Eaton 還提供各種電路保護(hù)裝置和手動開關(guān)，如 BP-SRR 搖臂開關(guān)、M22S-WKV-K11 選擇開關(guān)和 BP-STE 切換開關(guān)，用于控制設(shè)備功能和運(yùn)行模式。

Eaton 的 Power -NTC 浪涌電流限制器 (ICL) 和可復(fù)位 PTC 保險絲有助于保護(hù)電路在上電和故障條件下不受高浪涌電流的影響。熱保護(hù)裝置（如 TJD 熱熔斷器）通過中斷電流來防止緊密集成的機(jī)器人系統(tǒng)中出現(xiàn)過度和危險的熱量積聚，從而增加一道重要的安全防護(hù)。

容錯和分布式控制系統(tǒng)

工廠機(jī)器人系統(tǒng)必須在傳感器故障、執(zhí)行器失靈或網(wǎng)絡(luò)中斷的情況下確保運(yùn)行安全、連續(xù)。制造商依靠分布式故障檢測、隔離和恢復(fù) (FDIR) 架構(gòu)來最大限度地減少停機(jī)時間，提高系統(tǒng)恢復(fù)能力。通過將控制邏輯分散到多個節(jié)點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)本地化故障響應(yīng)，F(xiàn)DIR 減少了單個組件故障的影響，這有助于防止更廣泛的運(yùn)行中斷。

這些容錯策略是通過具有實(shí)時診斷和內(nèi)置冗余功能的分布式控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。分布式控制系統(tǒng)通過集成式診斷功能持續(xù)監(jiān)控關(guān)鍵組件的運(yùn)行狀況和性能。冗余傳感器與通信通道可在主系統(tǒng)故障時確?？刂仆暾?，而錯誤處理例程可實(shí)現(xiàn)有序停機(jī)或切換至預(yù)先規(guī)定的安全狀態(tài)。

FDIR 和 Flexi Soft 安全控制器

SICK 的 Flexi Soft 安全控制器突出強(qiáng)調(diào)了這些策略。如圖 4 所示，F(xiàn)lexi Soft 通過模塊化擴(kuò)展和專用于滿足特定系統(tǒng)需求的可配置功能，實(shí)現(xiàn)了分布式安全邏輯，從而可支持基于 FDIR 的工業(yè) 4.0 機(jī)器人技術(shù)。

圖 4：SICK 的 Flexi Soft 安全控制器可實(shí)現(xiàn)分散式安全邏輯和模塊化擴(kuò)展，從而在工業(yè) 4.0 機(jī)器人系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)分布式容錯控制。（圖片來源：SICK）

SICK 的工業(yè)級傳感器——包括編碼器、壓力傳感器、光電傳感器和 Ranger3 等機(jī)器視覺相機(jī)——可為分布式機(jī)器人系統(tǒng)提供關(guān)鍵的信息反饋。這些集成在關(guān)鍵控制點(diǎn)的傳感器可支持實(shí)時監(jiān)控、動態(tài)定位、目標(biāo)檢測和系統(tǒng)級診斷。這樣，就能在分布式環(huán)境中進(jìn)行早期故障檢測、本地化響應(yīng)和持續(xù)運(yùn)行。

基于邊緣的感知和監(jiān)測，用于實(shí)現(xiàn)更智能的自動化

工業(yè) 4.0 機(jī)器人技術(shù)越來越多地利用邊緣級感知和監(jiān)控功能來提高系統(tǒng)洞察力、響應(yīng)速度和自主性。現(xiàn)在，先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)不再將所有數(shù)據(jù)發(fā)送到中央平臺進(jìn)行處理，而是在傳感器或設(shè)備層面執(zhí)行更接近邊緣的關(guān)鍵分析。這樣就能更快地發(fā)現(xiàn)故障，更有效地做出決策，并提高網(wǎng)絡(luò)的中斷恢復(fù)能力。

工業(yè)相機(jī)和電路監(jiān)控器等邊緣設(shè)備會把就地智能擴(kuò)展到控制邏輯之外。這類設(shè)備會實(shí)時采集環(huán)境與運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而提供會影響安全、質(zhì)量及運(yùn)行時間的設(shè)備級可視性。這種平臺可減少延遲，緩解帶寬需求，并改善分布式機(jī)器人系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)。

邊緣計(jì)算和嵌入式智能

這些基于邊緣的戰(zhàn)略已在 SICK 的 SensingCAM SEC100 等產(chǎn)品中落地，該產(chǎn)品可為工業(yè) 4.0 機(jī)器人技術(shù)提供邊緣級圖像捕捉和分析功能。如圖 5 所示，該產(chǎn)品可提供高分辨率流媒體和事件觸發(fā)式視頻記錄，用于物體識別、流程監(jiān)控和質(zhì)量檢測。

圖 5：SICK 的 SensingCAM SEC100 提供邊緣級圖像捕捉和分析功能，可在機(jī)器人檢測應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控和視覺診斷功能。（圖片來源：SICK）

工業(yè)相機(jī)可實(shí)時查看盲點(diǎn)和檢測動態(tài)區(qū)域，通過捕捉觸發(fā)事件前后的圖像數(shù)據(jù)，來支持根本原因分析。

SEC100 可輕松與現(xiàn)有的機(jī)器視覺系統(tǒng)集成在一起，并支持持續(xù)監(jiān)控，且不會給中心資源造成過大負(fù)擔(dān)。該產(chǎn)品還能針對質(zhì)量文檔生成可視化記錄，如包裝驗(yàn)證和組件裝配跟蹤等。SEC100 嵌入到機(jī)器層面，使智能化視覺更靠近操作點(diǎn)。

向本地化處理和實(shí)時洞察力的技術(shù)轉(zhuǎn)變，也延伸至設(shè)施級能源監(jiān)控。如圖 6 所示，Eaton 的 [PXBCM-DISP-6-XV] 觸摸顯示屏與 [Power Xpert 分支電路監(jiān)視器] 相連接，在面板層面實(shí)現(xiàn)電壓、電流和功率的實(shí)時可視化。

圖 6：Eaton 的 PXBCM-DISP-6-XV 觸摸顯示屏可實(shí)現(xiàn)電壓、電流和功率數(shù)據(jù)的面板級實(shí)時可視化，以支持預(yù)見性維護(hù)和能源優(yōu)化。（圖片來源：Eaton）

該顯示屏適用于包括機(jī)器人工作單元在內(nèi)的各種工業(yè)系統(tǒng)，有助于操作認(rèn)員識別異常情況、檢測故障并優(yōu)化能源使用。該顯示屏支持預(yù)見性維護(hù)，并通過現(xiàn)場訪問電路級診斷來提升運(yùn)行可視度。

工業(yè) 4.0 機(jī)器人技術(shù)的系統(tǒng)級戰(zhàn)略

為了安全高效地運(yùn)行，工業(yè) 4.0 機(jī)器人系統(tǒng)需要能夠統(tǒng)一感知、安全、控制和網(wǎng)絡(luò)化的部署策略。傳感器和安全組件必須達(dá)到嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求，同時能在分布式環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)保護(hù)和實(shí)時響應(yīng)。要保持不同工廠系統(tǒng)之間的性能一致，取決于開放標(biāo)準(zhǔn)和多協(xié)議通信，以確?；ゲ僮餍院涂蓴U(kuò)展性。

控制組件必須在邊緣處理大量數(shù)據(jù)，并與監(jiān)控系統(tǒng)建立安全、低延遲的連接。協(xié)調(diào)分布式節(jié)點(diǎn)的處理和反饋，需要精確的同步和定時功能。確定性協(xié)議、低抖動信號路徑和時間感知控制環(huán)路有助于在動態(tài)條件下保持可預(yù)見性的行為。容錯架構(gòu)支持安全的回退狀態(tài)和連續(xù)運(yùn)行，而將本地化控制與集中監(jiān)督相結(jié)合的系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)了靈活、可重新配置的生產(chǎn)流程。

結(jié)束語

從傳感器融合、功能安全到邊緣計(jì)算和容錯控制，工業(yè) 4.0 機(jī)器人技術(shù)依賴于緊密集成的系統(tǒng)，以確保在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)安全、可靠且可快速響應(yīng)的運(yùn)行。DigiKey 供應(yīng)商（如 SICK 和 Eaton）提供的解決方案有助于統(tǒng)一感知、電源保護(hù)和控制基礎(chǔ)設(shè)施，從而推動可擴(kuò)展部署、標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性和自適應(yīng)性能。