理解和解決工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，機(jī)器人在制造業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，成功地改變了從汽車(chē)到電子產(chǎn)品再到消費(fèi)品的各個(gè)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(shí)與人類(lèi)同行更緊密地協(xié)作。

這對(duì)設(shè)計(jì)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(dòng)范圍、速度和精度，同時(shí)提高安全性和可靠性。

此功能將描述三種不同類(lèi)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(jì)挑戰(zhàn)、對(duì)系統(tǒng)最重要的參數(shù)以及如何選擇組件來(lái)幫助應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

機(jī)器人的作用不斷擴(kuò)大

50 多年來(lái)，機(jī)器人為重復(fù)性任務(wù)的執(zhí)行帶來(lái)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?lèi)：工業(yè)、物流和協(xié)作。每個(gè)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(wú)需直接與人接觸。為了安全起見(jiàn)，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(shí)會(huì)跳閘的地板墊。

物流機(jī)器人是移動(dòng)的，通常用于在倉(cāng)庫(kù)中取貨或運(yùn)輸貨物，并且可以在有人在場(chǎng)的情況下進(jìn)行操作。因此，它們通常有一個(gè)處理程序，并使用傳感器和映射在特定環(huán)境中移動(dòng)。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(wú)線(xiàn)接口。

協(xié)作機(jī)器人在人類(lèi)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(shí)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(lái)避免碰撞和故障保護(hù)機(jī)制，以便在出現(xiàn)任何問(wèn)題時(shí)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(chē)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(lèi)。

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(gè)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(gè)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(duì)于設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，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(lèi)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(gè)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(guò)使用外部 FPGA 或特定應(yīng)用的 ASIC 來(lái)實(shí)現(xiàn)，但還有其他選項(xiàng)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(shí)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(jì)人員能夠構(gòu)建靈活性并與機(jī)器人系統(tǒng)的每個(gè)部分建立接口。

需要高效的電機(jī)設(shè)計(jì)隨著機(jī)器人系統(tǒng)中使用的電機(jī)越來(lái)越多，電機(jī)效率變得至關(guān)重要——不僅對(duì)于大型承載電機(jī)，而且隨著使用量的增加，對(duì)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(jì)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(kāi)關(guān)損耗低的開(kāi)關(guān)。

氮化鎵 (GaN) 技術(shù)在這里是一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)資產(chǎn)，因?yàn)樗蟠蠼档土碎_(kāi)關(guān)損耗，從而實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)速度，同時(shí)促進(jìn)熱管理。為了簡(jiǎn)化和加快設(shè)計(jì)過(guò)程，設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)板和快速啟動(dòng)工具集以加速設(shè)計(jì)。對(duì)于特定功能，例如精確控制精密驅(qū)動(dòng)器，供應(yīng)商的參考設(shè)計(jì)庫(kù)可能已經(jīng)包含適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)。

使用得到良好支持的參考設(shè)計(jì)可以減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)，同時(shí)讓設(shè)計(jì)人員能夠?qū)Ｗ⒂谄湓O(shè)計(jì)的核心差異化和價(jià)值，從而加快產(chǎn)品上市時(shí)間。

在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中更好的傳感

無(wú)論機(jī)器人設(shè)計(jì)是工業(yè)、物流還是協(xié)作，傳感都發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。對(duì)于傳感系統(tǒng)必須不僅能夠檢測(cè)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(shí)提供低至厘米甚至毫米的分辨率。此外，需要多個(gè)傳感器系統(tǒng)來(lái)覆蓋從近場(chǎng)到遠(yuǎn)場(chǎng)的整個(gè)范圍。

滿(mǎn)足這些設(shè)計(jì)要求是困難的。常見(jiàn)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(lèi)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(gè)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(guò)使用新的先進(jìn)傳感解決方案來(lái)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(cè)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(cè)距傳感器還允許對(duì)檢測(cè)到的物體進(jìn)行速度測(cè)量，并且由于它是射頻的，因此它在面對(duì)灰塵、煙霧、霧、雨、陽(yáng)光或黑暗等環(huán)境條件時(shí)非常穩(wěn)健。

另一個(gè)測(cè)距選項(xiàng)是 3D 飛行時(shí)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(xiàn)上進(jìn)行人員識(shí)別。系統(tǒng)返回一個(gè)點(diǎn)云，可以在軟件中進(jìn)一步處理。

這使最終用戶(hù)不僅能夠檢測(cè)物體，還能夠區(qū)分穩(wěn)定的物體、機(jī)器人和人類(lèi)。此外，在 4 m 的操作范圍內(nèi)可以覆蓋 87° 對(duì)角線(xiàn)、74° 水平角和 59° 垂直角的寬視場(chǎng)。最后，由于使用了發(fā)射波長(zhǎng)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(chǎng)打造更好的機(jī)器人

隨著制造業(yè)在各個(gè)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(lái)越重要的作用，從而提高產(chǎn)量并使工作場(chǎng)所對(duì)人類(lèi)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(kāi)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(shí)也是如此。為此，設(shè)計(jì)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(hào)轉(zhuǎn)換

加強(qiáng)隔離以滿(mǎn)足工業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)

與其他 IC 結(jié)合使用時(shí)，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(jì)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(jì)的各種挑戰(zhàn)，或者擁有幫助發(fā)現(xiàn)新解決方案的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

審核編輯：湯梓紅