電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道(文/李寧遠(yuǎn))在工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)上,常分為控制器系統(tǒng)、機(jī)械手(驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))、示教器、視覺與傳感器、末端執(zhí)行器這幾個(gè)部分。機(jī)器人是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng),在機(jī)電一體化和功能性以及電氣方面存在許多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),在設(shè)計(jì)機(jī)器人系統(tǒng)的構(gòu)建塊時(shí),需要了解這些方面的需求并選擇合適的設(shè)計(jì)思路。
不同控制器設(shè)計(jì)比較
大家都知道,控制器是機(jī)器人的核心,里面包括運(yùn)動(dòng)控制器、內(nèi)部和外部通信系統(tǒng)以及任何潛在的功率級(jí)。這里多提一下潛在的功率級(jí),這個(gè)概念指的是,如果機(jī)器人要移動(dòng)重物需要在電機(jī)上施加足夠的力才能實(shí)現(xiàn)。這個(gè)力由電能產(chǎn)生,并從功率級(jí)提供給電機(jī),這個(gè)功率影響機(jī)器人屬于高壓系統(tǒng)還是低壓系統(tǒng)。
控制器設(shè)計(jì)上有兩種思路,集中式和分散式。集中式的控制器設(shè)計(jì)將機(jī)器人的大多數(shù)電子模塊(驅(qū)動(dòng)電源模塊、伺服驅(qū)動(dòng)模塊、通信模塊、IO模塊)都集成在控制器中,大多機(jī)器人廠商會(huì)選擇這種設(shè)計(jì),整體打包給下游廠商。
(協(xié)作機(jī)器人,TI)
分散式的控制器設(shè)計(jì)則是將集中式控制器里的一些模塊移出到機(jī)器人的末端操作系統(tǒng)中,一般都是將伺服驅(qū)動(dòng)模塊移出來,這樣末端的執(zhí)行器可以支持更多的外形尺寸,在電纜的選擇上靈活度也會(huì)高一些。分散式控制器設(shè)計(jì)的麻煩之處在于伺服驅(qū)動(dòng)相關(guān)電子器件的運(yùn)行環(huán)境與在集中式系統(tǒng)中完全不同,通常需要對(duì)部分系統(tǒng)進(jìn)行重新開發(fā)。
安全緊湊的伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)
工業(yè)4.0引入了伺服驅(qū)動(dòng)器的新準(zhǔn)則和系統(tǒng)要求,因此,機(jī)器人設(shè)計(jì)人員選擇適合當(dāng)前和未來伺服驅(qū)動(dòng)器需求的解決方案非常重要?,F(xiàn)在的機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器功率級(jí)模塊設(shè)計(jì),講究的是緊湊、高效而且受到全面保護(hù),缺一不可。
現(xiàn)在機(jī)器人的功能安全標(biāo)準(zhǔn)之一IEC 61800-5-2定義了一種稱為安全扭矩關(guān)閉(STO)的安全功能,為的是系統(tǒng)可以安全停止電機(jī)并防止意外啟動(dòng)。像工業(yè)機(jī)器人、工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人這種設(shè)備,一般為典型的供電電壓為48V至60V的直流饋電功率級(jí),這對(duì)系統(tǒng)硬件尺寸有很強(qiáng)的約束條件。MCU或其他處理器生成PWM,三相功率級(jí)門驅(qū)動(dòng)器控制功率開關(guān),當(dāng)從外部設(shè)備接收到STO命令時(shí),激活脈沖抑制通道以斷開電源驅(qū)動(dòng)與門驅(qū)動(dòng)器的連接實(shí)現(xiàn)安全功能。
另一方面,既然涉及功率開關(guān),那么使用SiC、GaN來提高電機(jī)控制性能也是完全可行的,能進(jìn)一步提高機(jī)器人的功率密度和效率。這個(gè)老生常談的話題在機(jī)器人設(shè)計(jì)中就不再贅述。
低延時(shí)即時(shí)通信
軸數(shù)越多的機(jī)器人對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊笤礁?,需要使用?shí)時(shí)通信接口(如快速串行接口或以太網(wǎng))實(shí)現(xiàn)精確、安全的運(yùn)動(dòng),并在所有機(jī)器人系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)即時(shí)通信。主處理器能夠支持多協(xié)議是十分必要的,如EtherCAT、PROFINET和EtherNet/IP等等,既能節(jié)省成本、縮減布板空間和減少開發(fā)工作量,還能更大限度地減少外部組件與主機(jī)之間通信的相關(guān)延遲。
另一方面,PHY的帶寬和延遲也會(huì)極大影響機(jī)器人整個(gè)運(yùn)動(dòng)中的協(xié)同性。盡可能在物理層設(shè)備上縮短延遲將大幅縮短控制器收集和更新所連器件的數(shù)據(jù)所需的時(shí)間,大大改善網(wǎng)絡(luò)更新時(shí)間。只要PHY的帶寬足夠,降低其延遲是提升多軸系統(tǒng)同步性很穩(wěn)定的一個(gè)辦法。
精準(zhǔn)傳感設(shè)計(jì)
在內(nèi)部傳感上,目前幾乎所有用于機(jī)器人的傳感器件都是溫度敏感元件并且設(shè)置了熱補(bǔ)償,該趨勢(shì)大大提升了內(nèi)部傳感應(yīng)用的穩(wěn)定性,消除了電機(jī)在重負(fù)載下的發(fā)熱與功耗的隱患。外部傳感上,隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步,融合傳感器技術(shù)也在進(jìn)步,將不同的傳感技術(shù)結(jié)合起來,可在將機(jī)器人系統(tǒng)部署到變化的環(huán)境中時(shí)取得最佳效果。
小結(jié)
隨著制造業(yè)在各個(gè)層面的高度一體化程度不斷提高,機(jī)器人將在執(zhí)行各種各樣的任務(wù)中越來越重要,機(jī)器人開發(fā)人員需要洞悉機(jī)器人設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì),使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、安全、具有成本效益的操作。
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