半個多世紀(jì)以來，機(jī)器人在制造業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，成功地改變了從汽車到電子產(chǎn)品再到消費(fèi)品的各個行業(yè)。隨著它們的繼續(xù)采用，它們正在演變?yōu)樽兊酶踊ヂ?lián)和智能，同時與人類同行更緊密地協(xié)作。

這對設(shè)計人員提出了許多挑戰(zhàn)，他們被要求增加更大的功能、靈活性、運(yùn)動范圍、速度和精度，同時提高安全性和可靠性。

此功能將描述三種不同類別的機(jī)器人：工業(yè)機(jī)器人、物流機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人。然后，它將關(guān)注設(shè)計挑戰(zhàn)、對系統(tǒng)最重要的參數(shù)以及如何選擇組件來幫助應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

機(jī)器人的作用不斷擴(kuò)大

50 多年來，機(jī)器人為重復(fù)性任務(wù)的執(zhí)行帶來了生產(chǎn)力、成本效益和更高的安全性。盡管他們的角色已經(jīng)大大擴(kuò)展，但它們通?？梢苑譃槿箢悾汗I(yè)、物流和協(xié)作。每個都有各自的傳感和安全要求以及最佳實(shí)踐。

工業(yè)機(jī)器人固定在原位，可以處理焊接、涂裝、取放、組裝等任務(wù)。控制器通常位于機(jī)器人的底部或旁邊。它們旨在快速準(zhǔn)確，無需直接與人接觸。為了安全起見，它們通常被隔離在柵欄內(nèi)，并提供額外的保護(hù)，例如踩到電源時會跳閘的地板墊。

物流機(jī)器人是移動的，通常用于在倉庫中取貨或運(yùn)輸貨物，并且可以在有人在場的情況下進(jìn)行操作。因此，它們通常有一個處理程序，并使用傳感器和映射在特定環(huán)境中移動。有助于避免碰撞的示例傳感器包括超聲波和激光雷達(dá)?？刂破魑挥趦?nèi)部，具有與中央控制中心的無線接口。

協(xié)作機(jī)器人在人類旁邊工作，因此它們是最復(fù)雜的。他們需要特別注意安全，需要在工人檢查時執(zhí)行微調(diào)任務(wù)或握住物體。他們需要一系列傳感器來避免碰撞和故障保護(hù)機(jī)制，以便在出現(xiàn)任何問題時關(guān)閉機(jī)器人。它們通常固定在適當(dāng)?shù)奈恢茫部梢园惭b在車輛上。

很明顯，機(jī)器人要以這些日益復(fù)雜的方式運(yùn)行，它們必須能夠處理大量有關(guān)環(huán)境的傳感數(shù)據(jù)，相互通信并與集中控制單元進(jìn)行通信，并執(zhí)行適應(yīng)環(huán)境變化的控制功能并保持他們從傷害人類。

工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)要求 在機(jī)器人

技術(shù)中發(fā)揮主要作用的三個技術(shù)領(lǐng)域是：通信、電機(jī)控制和傳感。機(jī)器人系統(tǒng)通常由幾個不同制造商的產(chǎn)品共同構(gòu)建。因此，所有這些產(chǎn)品都必須能夠相互連接或連接到主機(jī)器人控制器。對于設(shè)計工程師來說，這意味著系統(tǒng)必須支持多種協(xié)議，因此需要靈活的通信控制器。

用于此類控制的處理器需要提供靈活的外圍設(shè)備、連接性和統(tǒng)一的軟件支持，以涵蓋廣泛的應(yīng)用。尋找具有單核或多核的處理器，以確保每個應(yīng)用程序都能在集成、連接性和性能之間取得適當(dāng)?shù)钠胶狻?/p>

靈活性通常通過使用外部 FPGA 或特定應(yīng)用的 ASIC 來實(shí)現(xiàn)，但還有其他選項需要考慮，例如將處理器與工業(yè)通信子系統(tǒng) (PRU-ICSS) 內(nèi)部的可編程實(shí)時單元相結(jié)合的單芯片解決方案。

它們作為處理器內(nèi)部的硬件塊存在，并支持多種工業(yè)協(xié)議，如 EtherCAT 和 ProfiNET 等，這使設(shè)計人員能夠構(gòu)建靈活性并與機(jī)器人系統(tǒng)的每個部分建立接口。

需要高效的電機(jī)設(shè)計隨著機(jī)器人系統(tǒng)中使用的電機(jī)越來越多，電機(jī)效率變得至關(guān)重要——不僅對于大型承載電機(jī)，而且隨著使用量的增加，對于小型協(xié)作機(jī)器人也是如此。協(xié)作機(jī)器人通常將電機(jī)控制板集成到機(jī)器人手臂中;這就是為什么設(shè)計師需要特別注意熱管理的原因。因此，不僅要選擇體積小的元件，而且要使用開關(guān)損耗低的開關(guān)。

氮化鎵 (GaN) 技術(shù)在這里是一項重要的設(shè)計資產(chǎn)，因?yàn)樗蟠蠼档土碎_關(guān)損耗，從而實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度，同時促進(jìn)熱管理。為了簡化和加快設(shè)計過程，設(shè)計人員應(yīng)該尋找能夠提供具有優(yōu)化布局和效率的完整解決方案以及符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的最低電磁輻射和噪聲的模塊。

此外，支持應(yīng)包括 EVM、開發(fā)板和快速啟動工具集以加速設(shè)計。對于特定功能，例如精確控制精密驅(qū)動器，供應(yīng)商的參考設(shè)計庫可能已經(jīng)包含適當(dāng)?shù)脑O(shè)計。

使用得到良好支持的參考設(shè)計可以減少設(shè)計錯誤的機(jī)會，同時讓設(shè)計人員能夠?qū)Ｗ⒂谄湓O(shè)計的核心差異化和價值，從而加快產(chǎn)品上市時間。

在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中更好的傳感

無論機(jī)器人設(shè)計是工業(yè)、物流還是協(xié)作，傳感都發(fā)揮著越來越大的作用。對于傳感系統(tǒng)必須不僅能夠檢測是否有人在附近而且還能夠防止任何可能的碰撞的協(xié)作應(yīng)用，復(fù)雜的傳感器技術(shù)是核心要求。它們必須能夠覆蓋高達(dá)幾米的廣泛范圍，同時提供低至厘米甚至毫米的分辨率。此外，需要多個傳感器系統(tǒng)來覆蓋從近場到遠(yuǎn)場的整個范圍。

滿足這些設(shè)計要求是困難的。常見的挑戰(zhàn)是可變的傳感范圍和分辨率、骯臟的環(huán)境以及區(qū)分人類和在同一環(huán)境中工作的其他機(jī)器人的困難。

解決方案是使用多個傳感器系統(tǒng)：近程(最大 15 厘米)的電容感應(yīng)、中程(15-150 厘米)的紅外感應(yīng)和遠(yuǎn)距離(>150 厘米)的激光感應(yīng)。然而，激光系統(tǒng)伴隨著許多安全限制。

這些挑戰(zhàn)可以通過使用新的先進(jìn)傳感解決方案來解決，例如 76 至 81 GHz 頻段的毫米波雷達(dá)。在該區(qū)域運(yùn)行的傳感器可以檢測最遠(yuǎn) 84 m 范圍內(nèi)的物體，分辨率為 37 cm。根據(jù)系統(tǒng)要求，還可以調(diào)整這些參數(shù)以獲得更短的范圍和更高的分辨率。

毫米波測距傳感器還允許對檢測到的物體進(jìn)行速度測量，并且由于它是射頻的，因此它在面對灰塵、煙霧、霧、雨、陽光或黑暗等環(huán)境條件時非常穩(wěn)健。

另一個測距選項是 3D 飛行時間 (ToF) 系統(tǒng)，例如，該系統(tǒng)可以安裝在墻壁或天花板上，用于在生產(chǎn)線上進(jìn)行人員識別。系統(tǒng)返回一個點(diǎn)云，可以在軟件中進(jìn)一步處理。

這使最終用戶不僅能夠檢測物體，還能夠區(qū)分穩(wěn)定的物體、機(jī)器人和人類。此外，在 4 m 的操作范圍內(nèi)可以覆蓋 87° 對角線、74° 水平角和 59° 垂直角的寬視場。最后，由于使用了發(fā)射波長為 855 nm 的近紅外 (NIR) 激光器，這樣的系統(tǒng)也可以在黑暗環(huán)境中使用。

為集成工廠打造更好的機(jī)器人

隨著制造業(yè)在各個層面的集成度不斷提高，機(jī)器人將在執(zhí)行各種裝配任務(wù)中發(fā)揮越來越重要的作用，從而提高產(chǎn)量并使工作場所對人類更安全。傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人、物流機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人各司其職。機(jī)器人開發(fā)人員也在尋找能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確、安全、具有成本效益的操作的解決方案時也是如此。為此，設(shè)計師還應(yīng)確保：

具有電路保護(hù)和低噪聲發(fā)射的高效高壓電源

擴(kuò)展溫度范圍的表征

快速、精確的模數(shù)和數(shù)模信號轉(zhuǎn)換

加強(qiáng)隔離以滿足工業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)

與其他 IC 結(jié)合使用時，用于安全關(guān)鍵型應(yīng)用的控制冗余

在許多情況下，與在工業(yè)應(yīng)用中機(jī)器人技術(shù)的設(shè)計和應(yīng)用方面擁有廣泛經(jīng)驗(yàn)的供應(yīng)商合作更為明智。他們很有可能已經(jīng)解決了設(shè)計的各種挑戰(zhàn)，或者擁有幫助發(fā)現(xiàn)新解決方案的專業(yè)知識。

審核編輯：湯梓紅