AMR系统设计需要考虑哪些关键要素

本文作者：Theo Kersjes，安森美（onsemi）系统工程经理

如今，机器人已引入工业设施，用于帮助提高生产力，提升效率。在工业 4.0 向工业 5.0 过渡的进程中，工业制造商一直在积极利用人工智能等先进技术，努力提高竞争力，同时聚焦以人为本的策略和可持续发展。企业为了追求更高的效率和质量，纷纷寻求增强人机交互，这一趋势大大促进了自主移动机器人 (AMR) 的广泛应用。

AMR 需要综合的软硬件系统，才能与现代制造或仓储设施中的操作员协同工作。机器人会产生较大的冲击力且移动速度较快，因此可能会带来一定的风险，例如在意外碰撞中导致工人受伤。我们必须谨慎管控此类风险，不仅要制定相关的操作流程，还要注重机器人本身的设计。

如何设计出能安全有效地与人类协作的 AMR 系统，需要考虑哪些关键要素？本文将围绕此话题进行探讨，并将分析安森美的先进解决方案如何作为 AMR 子系统的基本构建模块，为设计人员提供了既提高生产力又不影响安全性的有力工具。

自动化与人类并肩成长

工业机器人的广泛应用始于 20 世纪 60 年代的计算机时代。过去二十年来，数字技术进步催生了能够在复杂环境中导航并与团队合作完成任务的协作型移动机器人。

随着工业自动化从工业 4.0 向工业 5.0 发展，人机交互水平将进一步推动对 AMR 的需求。

AMR 成本效益高、易于部署，并且可以与操作员协同工作，实现比单独工作更好的效果。例如，协作机器人在速度、准确性和一致性上表现出色，成为焊接和装配线工作等重复性任务的理想选择，从而使工人可以专注于需要更高认知技能的更复杂任务。

传统的固定机器人可以与人物理分隔开来，以防止人员受伤，在引入了共享工作空间的概念后，新的挑战随之而来。AMR 必须能够感知突如其来的外力并在必要时快速停止运动。尽管在工作场所与人和物体发生碰撞难以避免，但机器人必须能够减少冲击以防止人员受伤和物品损坏。对此，机器人设计师可以利用传感技术和视觉系统的进步来克服这些挑战，并将机器人的力量和精度与人的创造性问题解决能力更紧密地结合起来。

AMR 中的关键子系统

AMR 使用多个传感器、人工智能和先进算法与环境交互，从而做出决策、检测障碍物并与操作员和其他机器安全协作。

下方的功能框图（图 3）展示了 AMR 系统的典型设计，其中的基本子系统包括运动控制、传感、照明、电源、充电及通信。

在本文中，我们将重点关注传感、电机控制和照明子系统。

图 2：AMR 系统的典型设计

传感子系统

传感器使机器人能够适应所在的操作环境，并根据实时数据做出决策。传感器有多种类型，包括成像、超声波、红外、电感和惯性传感器，旨在增强机器人的导航能力和安全性。为应对装载坡道等复杂环境，可能需要用到多种不同类型的传感器，此时就需要通过传感器融合来合并多个传感器的数据。

安森美 AR0234CS 是一款先进的全局快门图像传感器，可生成非常清晰、锐利的数字图像。这款传感器经过优化，采用了创新的像素设计，能够以每秒 120 帧的速度准确、快速地捕捉移动场景，并在弱光和强光场景下产生清晰的低噪点图像。AR0234CS 能够捕获视频流和单帧，是 AMR 等广泛工业应用的理想选择。

AR0234C 只是安森美众多先进的传感器之一，安森美广泛的产品组合中还包括 ARRAYRDM-0112A20-QFN，这是一款用于单点 LiDAR 系统的准一站式解决方案。NCV75215 超声波传感器采用低成本的 ToF 测量技术，测量范围为 0.25 米至 4.5 米，是 AMR 应用的明智之选。

运动控制子系统

机器人必须能够进行重复且精确的运动。大多数运动部件（包括机械臂和牵引系统）都依赖于由复杂算法控制的无刷直流 (BLDC) 电机。通常，BLDC 由变频驱动器 (VFD) 控制，后者使用 MOSFET、IGBT、栅极驱动器和二极管等分立元件。功率集成模块 (PIM) 和智能功率模块 (IPM) 提供更高的集成度，减少了元器件数量并节省了空间。

安森美提供众多分立元件和模块，其中包括 NCD83591 电机驱动器，这是一款易于使用的 60 V 多用途三相栅极驱动器，具有高增益带宽电流检测放大器，非常适合机器人电机控制。这款栅极驱动器采用小型 QFN28（4x4 毫米）封装，具有高集成度，特别适合 BOM 整体优化。

安森美提供的电感式位置传感器 NCS3210 和 NCV77320，用于运动控制系统，以测量车轮或其他运动部件的旋转。

照明子系统

照明技术用于照亮通路，帮助 AMR 导航和操作，并通过发信号和指示灯来表明自身的状态和意图，从而与其他人员和设备进行通信。选择 LED 照明技术的原因在于它在亮度、色温和功耗方面的表现出色。LED 照明解决方案可以使用多种组件来构建，包括但不限于 LED 驱动器、降压或升压转换器和功率 MOSFET。

LED 控制器和驱动器组件负责监控 LED 内的电流，使 LED 发出特定强度和波长的光线。LED 驱动电路使用高边和低边功率 MOSFET 来导通或关断 LED 电流，并保护 LED 免受过压和过电流条件的影响，从而确保 LED 驱动电路的稳定性。NCV7685 具有 12 个线性可编程恒流源，使用相同的基准电压，支持 128 个不同的可调 PWM 占空比级别。这款线性 LED 驱动器用于 LED 的调节和控制，非常适合 AMR 和汽车应用。

安森美对机器人技术的全面支持

机器人应用日新月异，谁率先推出机器人创新解决方案，谁就有望获得丰厚回报。安森美深知企业客户在当前瞬息万变的市场中所面临的挑战，以我们深厚的技术能力和专业知识，为市场提供倾力支持。

安森美在传感和机器人技术方面具有领先优势，这得益于我们强大的全球基础设施，以及我们在设计、制造和解决方案工程方面的实力。我们广泛的产品组合中涵盖了各种技术，例如 BLDC 电机控制套件、电池充电和电源转换解决方案、传感器融合解决方案、通信解决方案和 LED 照明驱动器等。安森美在工业和汽车市场拥有深厚的知识，能够为客户提供系统级支持，同时为机器人系统提供灵活且可扩展的产品和解决方案。

结论

不同于以往与人分隔开的机器人，最新一代的机器人必须能够安全地与人协作并防止人员受伤和物品损坏。新一代机器人解决方案正在改变众多行业，包括制造业、电子商务、医疗卫生和运输业，这些行业面对巨大的竞争压力，必须在提高效率的同时，保障质量和安全不受影响。新一代灵活且可定制的机器人旨在与人一起协作，执行有精确度要求的重复性任务，帮助人转而专注于更高价值的活动。