半個多世紀以來，機器人在制造業中發揮著越來越重要的作用，成功地改變了從汽車到電子產品再到消費品的各個行業。隨著它們的繼續采用，它們正在演變為變得更加互聯和智能，同時與人類同行更緊密地協作。

這對設計人員提出了許多挑戰，他們被要求增加更大的功能、靈活性、運動范圍、速度和精度，同時提高安全性和可靠性。

此功能將描述三種不同類別的機器人：工業機器人、物流機器人和協作機器人。然后，它將關注設計挑戰、對系統最重要的參數以及如何選擇組件來幫助應對這些挑戰。

機器人的作用不斷擴大

50 多年來，機器人為重復性任務的執行帶來了生產力、成本效益和更高的安全性。盡管他們的角色已經大大擴展，但它們通常可以分為三大類：工業、物流和協作。每個都有各自的傳感和安全要求以及最佳實踐。

工業機器人固定在原位，可以處理焊接、涂裝、取放、組裝等任務。控制器通常位于機器人的底部或旁邊。它們旨在快速準確，無需直接與人接觸。為了安全起見，它們通常被隔離在柵欄內，并提供額外的保護，例如踩到電源時會跳閘的地板墊。

物流機器人是移動的，通常用于在倉庫中取貨或運輸貨物，并且可以在有人在場的情況下進行操作。因此，它們通常有一個處理程序，并使用傳感器和映射在特定環境中移動。有助于避免碰撞的示例傳感器包括超聲波和激光雷達。控制器位于內部，具有與中央控制中心的無線接口。

協作機器人在人類旁邊工作，因此它們是最復雜的。他們需要特別注意安全，需要在工人檢查時執行微調任務或握住物體。他們需要一系列傳感器來避免碰撞和故障保護機制，以便在出現任何問題時關閉機器人。它們通常固定在適當的位置，但也可以安裝在車輛上。

很明顯，機器人要以這些日益復雜的方式運行，它們必須能夠處理大量有關環境的傳感數據，相互通信并與集中控制單元進行通信，并執行適應環境變化的控制功能并保持他們從傷害人類。

工業機器人的技術要求 在機器人

技術中發揮主要作用的三個技術領域是：通信、電機控制和傳感。機器人系統通常由幾個不同制造商的產品共同構建。因此，所有這些產品都必須能夠相互連接或連接到主機器人控制器。對于設計工程師來說，這意味著系統必須支持多種協議，因此需要靈活的通信控制器。

用于此類控制的處理器需要提供靈活的外圍設備、連接性和統一的軟件支持，以涵蓋廣泛的應用。尋找具有單核或多核的處理器，以確保每個應用程序都能在集成、連接性和性能之間取得適當的平衡。

靈活性通常通過使用外部 FPGA 或特定應用的 ASIC 來實現，但還有其他選項需要考慮，例如將處理器與工業通信子系統 (PRU-ICSS) 內部的可編程實時單元相結合的單芯片解決方案。

它們作為處理器內部的硬件塊存在，并支持多種工業協議，如 EtherCAT 和 ProfiNET 等，這使設計人員能夠構建靈活性并與機器人系統的每個部分建立接口。

需要高效的電機設計隨著機器人系統中使用的電機越來越多，電機效率變得至關重要——不僅對于大型承載電機，而且隨著使用量的增加，對于小型協作機器人也是如此。協作機器人通常將電機控制板集成到機器人手臂中;這就是為什么設計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，而且要使用開關損耗低的開關。

氮化鎵 (GaN) 技術在這里是一項重要的設計資產，因為它大大降低了開關損耗，從而實現更快的開關速度，同時促進熱管理。為了簡化和加快設計過程，設計人員應該尋找能夠提供具有優化布局和效率的完整解決方案以及符合工業標準的最低電磁輻射和噪聲的模塊。

此外，支持應包括 EVM、開發板和快速啟動工具集以加速設計。對于特定功能，例如精確控制精密驅動器，供應商的參考設計庫可能已經包含適當的設計。

使用得到良好支持的參考設計可以減少設計錯誤的機會，同時讓設計人員能夠專注于其設計的核心差異化和價值，從而加快產品上市時間。

在具有挑戰性的環境中更好的傳感

無論機器人設計是工業、物流還是協作，傳感都發揮著越來越大的作用。對于傳感系統必須不僅能夠檢測是否有人在附近而且還能夠防止任何可能的碰撞的協作應用，復雜的傳感器技術是核心要求。它們必須能夠覆蓋高達幾米的廣泛范圍，同時提供低至厘米甚至毫米的分辨率。此外，需要多個傳感器系統來覆蓋從近場到遠場的整個范圍。

滿足這些設計要求是困難的。常見的挑戰是可變的傳感范圍和分辨率、骯臟的環境以及區分人類和在同一環境中工作的其他機器人的困難。

解決方案是使用多個傳感器系統：近程(最大 15 厘米)的電容感應、中程(15-150 厘米)的紅外感應和遠距離(>150 厘米)的激光感應。然而，激光系統伴隨著許多安全限制。

這些挑戰可以通過使用新的先進傳感解決方案來解決，例如 76 至 81 GHz 頻段的毫米波雷達。在該區域運行的傳感器可以檢測最遠 84 m 范圍內的物體，分辨率為 37 cm。根據系統要求，還可以調整這些參數以獲得更短的范圍和更高的分辨率。

毫米波測距傳感器還允許對檢測到的物體進行速度測量，并且由于它是射頻的，因此它在面對灰塵、煙霧、霧、雨、陽光或黑暗等環境條件時非常穩健。

另一個測距選項是 3D 飛行時間 (ToF) 系統，例如，該系統可以安裝在墻壁或天花板上，用于在生產線上進行人員識別。系統返回一個點云，可以在軟件中進一步處理。

這使最終用戶不僅能夠檢測物體，還能夠區分穩定的物體、機器人和人類。此外，在 4 m 的操作范圍內可以覆蓋 87° 對角線、74° 水平角和 59° 垂直角的寬視場。最后，由于使用了發射波長為 855 nm 的近紅外 (NIR) 激光器，這樣的系統也可以在黑暗環境中使用。

為集成工廠打造更好的機器人

隨著制造業在各個層面的集成度不斷提高，機器人將在執行各種裝配任務中發揮越來越重要的作用，從而提高產量并使工作場所對人類更安全。傳統的工業機器人、物流機器人、協作機器人各司其職。機器人開發人員也在尋找能夠實現準確、安全、具有成本效益的操作的解決方案時也是如此。為此，設計師還應確保：

具有電路保護和低噪聲發射的高效高壓電源

擴展溫度范圍的表征

快速、精確的模數和數模信號轉換

加強隔離以滿足工業安全標準

與其他 IC 結合使用時，用于安全關鍵型應用的控制冗余

在許多情況下，與在工業應用中機器人技術的設計和應用方面擁有廣泛經驗的供應商合作更為明智。他們很有可能已經解決了設計的各種挑戰，或者擁有幫助發現新解決方案的專業知識。

審核編輯：湯梓紅