機(jī)器人各模塊設(shè)計(jì)中的發(fā)展趨勢(shì)

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)

機(jī)器人相關(guān)的傳感，從內(nèi)部的電壓、電流、電機(jī)速度、溫度傳感到外部的扭矩傳感、紅外傳感、3D激光雷達(dá)傳感、視覺傳感、IMU等等，涵蓋的范圍非常廣。

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。