理解和解决工业机器人设计挑战

半个多世纪以来，机器人在制造业中发挥着越来越重要的作用，成功地改变了从汽车到电子产品再到消费品的各个行业。随着它们的继续采用，它们正在演变为变得更加互联和智能，同时与人类同行更紧密地协作。

这对设计人员提出了许多挑战，他们被要求增加更大的功能、灵活性、运动范围、速度和精度，同时提高安全性和可靠性。

此功能将描述三种不同类别的机器人：工业机器人、物流机器人和协作机器人。然后，它将关注设计挑战、对系统最重要的参数以及如何选择组件来帮助应对这些挑战。

机器人的作用不断扩大

50 多年来，机器人为重复性任务的执行带来了生产力、成本效益和更高的安全性。尽管他们的角色已经大大扩展，但它们通常可以分为三大类：工业、物流和协作。每个都有各自的传感和安全要求以及最佳实践。

工业机器人固定在原位，可以处理焊接、涂装、取放、组装等任务。控制器通常位于机器人的底部或旁边。它们旨在快速准确，无需直接与人接触。为了安全起见，它们通常被隔离在栅栏内，并提供额外的保护，例如踩到电源时会跳闸的地板垫。

物流机器人是移动的，通常用于在仓库中取货或运输货物，并且可以在有人在场的情况下进行操作。因此，它们通常有一个处理程序，并使用传感器和映射在特定环境中移动。有助于避免碰撞的示例传感器包括超声波和激光雷达。控制器位于内部，具有与中央控制中心的无线接口。

协作机器人在人类旁边工作，因此它们是最复杂的。他们需要特别注意安全，需要在工人检查时执行微调任务或握住物体。他们需要一系列传感器来避免碰撞和故障保护机制，以便在出现任何问题时关闭机器人。它们通常固定在适当的位置，但也可以安装在车辆上。

很明显，机器人要以这些日益复杂的方式运行，它们必须能够处理大量有关环境的传感数据，相互通信并与集中控制单元进行通信，并执行适应环境变化的控制功能并保持他们从伤害人类。

工业机器人的技术要求 在机器人

技术中发挥主要作用的三个技术领域是：通信、电机控制和传感。机器人系统通常由几个不同制造商的产品共同构建。因此，所有这些产品都必须能够相互连接或连接到主机器人控制器。对于设计工程师来说，这意味着系统必须支持多种协议，因此需要灵活的通信控制器。

用于此类控制的处理器需要提供灵活的外围设备、连接性和统一的软件支持，以涵盖广泛的应用。寻找具有单核或多核的处理器，以确保每个应用程序都能在集成、连接性和性能之间取得适当的平衡。

灵活性通常通过使用外部 FPGA 或特定应用的 ASIC 来实现，但还有其他选项需要考虑，例如将处理器与工业通信子系统 (PRU-ICSS) 内部的可编程实时单元相结合的单芯片解决方案。

它们作为处理器内部的硬件块存在，并支持多种工业协议，如 EtherCAT 和 ProfiNET 等，这使设计人员能够构建灵活性并与机器人系统的每个部分建立接口。

需要高效的电机设计随着机器人系统中使用的电机越来越多，电机效率变得至关重要——不仅对于大型承载电机，而且随着使用量的增加，对于小型协作机器人也是如此。协作机器人通常将电机控制板集成到机器人手臂中;这就是为什么设计师需要特别注意热管理的原因。因此，不仅要选择体积小的元件，而且要使用开关损耗低的开关。

氮化镓 (GaN) 技术在这里是一项重要的设计资产，因为它大大降低了开关损耗，从而实现更快的开关速度，同时促进热管理。为了简化和加快设计过程，设计人员应该寻找能够提供具有优化布局和效率的完整解决方案以及符合工业标准的最低电磁辐射和噪声的模块。

此外，支持应包括 EVM、开发板和快速启动工具集以加速设计。对于特定功能，例如精确控制精密驱动器，供应商的参考设计库可能已经包含适当的设计。

使用得到良好支持的参考设计可以减少设计错误的机会，同时让设计人员能够专注于其设计的核心差异化和价值，从而加快产品上市时间。

在具有挑战性的环境中更好的传感

无论机器人设计是工业、物流还是协作，传感都发挥着越来越大的作用。对于传感系统必须不仅能够检测是否有人在附近而且还能够防止任何可能的碰撞的协作应用，复杂的传感器技术是核心要求。它们必须能够覆盖高达几米的广泛范围，同时提供低至厘米甚至毫米的分辨率。此外，需要多个传感器系统来覆盖从近场到远场的整个范围。

满足这些设计要求是困难的。常见的挑战是可变的传感范围和分辨率、肮脏的环境以及区分人类和在同一环境中工作的其他机器人的困难。

解决方案是使用多个传感器系统：近程(最大 15 厘米)的电容感应、中程(15-150 厘米)的红外感应和远距离(>150 厘米)的激光感应。然而，激光系统伴随着许多安全限制。

这些挑战可以通过使用新的先进传感解决方案来解决，例如 76 至 81 GHz 频段的毫米波雷达。在该区域运行的传感器可以检测最远 84 m 范围内的物体，分辨率为 37 cm。根据系统要求，还可以调整这些参数以获得更短的范围和更高的分辨率。

毫米波测距传感器还允许对检测到的物体进行速度测量，并且由于它是射频的，因此它在面对灰尘、烟雾、雾、雨、阳光或黑暗等环境条件时非常稳健。

另一个测距选项是 3D 飞行时间 (ToF) 系统，例如，该系统可以安装在墙壁或天花板上，用于在生产线上进行人员识别。系统返回一个点云，可以在软件中进一步处理。

这使最终用户不仅能够检测物体，还能够区分稳定的物体、机器人和人类。此外，在 4 m 的操作范围内可以覆盖 87° 对角线、74° 水平角和 59° 垂直角的宽视场。最后，由于使用了发射波长为 855 nm 的近红外 (NIR) 激光器，这样的系统也可以在黑暗环境中使用。

为集成工厂打造更好的机器人

随着制造业在各个层面的集成度不断提高，机器人将在执行各种装配任务中发挥越来越重要的作用，从而提高产量并使工作场所对人类更安全。传统的工业机器人、物流机器人、协作机器人各司其职。机器人开发人员也在寻找能够实现准确、安全、具有成本效益的操作的解决方案时也是如此。为此，设计师还应确保：

具有电路保护和低噪声发射的高效高压电源

扩展温度范围的表征

快速、精确的模数和数模信号转换

加强隔离以满足工业安全标准

与其他 IC 结合使用时，用于安全关键型应用的控制冗余

在许多情况下，与在工业应用中机器人技术的设计和应用方面拥有广泛经验的供应商合作更为明智。他们很有可能已经解决了设计的各种挑战，或者拥有帮助发现新解决方案的专业知识。

审核编辑：汤梓红