【導(dǎo)讀】如今，機器人已引入工業(yè)設(shè)施，用于幫助提高生產(chǎn)力，提升效率。在工業(yè) 4.0 向工業(yè) 5.0 過渡的進(jìn)程中，工業(yè)制造商一直在積極利用人工智能等先進(jìn)技術(shù)，努力提高競爭力，同時聚焦以人為本的策略和可持續(xù)發(fā)展。企業(yè)為了追求更高的效率和質(zhì)量，紛紛尋求增強人機交互，這一趨勢大大促進(jìn)了自主移動機器人 (AMR) 的廣泛應(yīng)用。
如今，機器人已引入工業(yè)設(shè)施，用于幫助提高生產(chǎn)力，提升效率。在工業(yè) 4.0 向工業(yè) 5.0 過渡的進(jìn)程中，工業(yè)制造商一直在積極利用人工智能等先進(jìn)技術(shù)，努力提高競爭力，同時聚焦以人為本的策略和可持續(xù)發(fā)展。企業(yè)為了追求更高的效率和質(zhì)量，紛紛尋求增強人機交互，這一趨勢大大促進(jìn)了自主移動機器人 (AMR) 的廣泛應(yīng)用。
AMR 需要綜合的軟硬件系統(tǒng)，才能與現(xiàn)代制造或倉儲設(shè)施中的操作員協(xié)同工作。機器人會產(chǎn)生較大的沖擊力且移動速度較快，因此可能會帶來一定的風(fēng)險，例如在意外碰撞中導(dǎo)致工人受傷。我們必須謹(jǐn)慎管控此類風(fēng)險，不僅要制定相關(guān)的操作流程，還要注重機器人本身的設(shè)計。
圖 1：如今的機器人在現(xiàn)代工廠中與操作員協(xié)同工作
如何設(shè)計出能安全有效地與人類協(xié)作的 AMR 系統(tǒng)，需要考慮哪些關(guān)鍵要素？本文進(jìn)行了探討。我們將分析安森美 (onsemi) 的先進(jìn)解決方案如何作為 AMR 子系統(tǒng)的基本構(gòu)建模塊，為設(shè)計人員提供了既提高生產(chǎn)力又不影響安全性的有力工具。
自動化與人類并肩成長
工業(yè)機器人的廣泛應(yīng)用始于 20 世紀(jì) 60 年代的計算機時代。過去二十年來，數(shù)字技術(shù)進(jìn)步催生了能夠在復(fù)雜環(huán)境中導(dǎo)航并與團(tuán)隊合作完成任務(wù)的協(xié)作型移動機器人。
隨著工業(yè)自動化從工業(yè) 4.0 向工業(yè) 5.0 發(fā)展，人機交互水平將進(jìn)一步推動對 AMR 的需求。
AMR 成本效益高、易于部署，并且可以與操作員協(xié)同工作，實現(xiàn)比單獨工作更好的效果。例如，協(xié)作機器人在速度、準(zhǔn)確性和一致性上表現(xiàn)出色，成為焊接和裝配線工作等重復(fù)性任務(wù)的理想選擇，從而使工人可以專注于需要更高認(rèn)知技能的更復(fù)雜任務(wù)。
傳統(tǒng)的固定機器人可以與人物理分隔開來，以防止人員受傷，在引入了共享工作空間的概念后，新的挑戰(zhàn)隨之而來。AMR 必須能夠感知突如其來的外力并在必要時快速停止運動。盡管在工作場所與人和物體發(fā)生碰撞難以避免，但機器人必須能夠減少沖擊以防止人員受傷和物品損壞。對此，機器人設(shè)計師可以利用傳感技術(shù)和視覺系統(tǒng)的進(jìn)步來克服這些挑戰(zhàn)，并將機器人的力量和精度與人的創(chuàng)造性問題解決能力更緊密地結(jié)合起來。
AMR 中的關(guān)鍵子系統(tǒng)
AMR 使用多個傳感器、人工智能和先進(jìn)算法與環(huán)境交互，從而做出決策、檢測障礙物并與操作員和其他機器安全協(xié)作。
下方的功能框圖（圖 2）展示了 AMR 系統(tǒng)的典型設(shè)計，其中的基本子系統(tǒng)包括運動控制、傳感、照明、電源、充電及通信。
在本文中，我們將重點關(guān)注傳感、電機控制和照明子系統(tǒng)。
圖 2：AMR 系統(tǒng)的典型設(shè)計
傳感子系統(tǒng)
傳感器使機器人能夠適應(yīng)所在的操作環(huán)境，并根據(jù)實時數(shù)據(jù)做出決策。傳感器有多種類型，包括成像、超聲波、紅外、電感和慣性傳感器，旨在增強機器人的導(dǎo)航能力和安全性。為應(yīng)對裝載坡道等復(fù)雜環(huán)境，可能需要用到多種不同類型的傳感器，此時就需要通過傳感器融合來合并多個傳感器的數(shù)據(jù)。
安森美 AR0234CS 是一款先進(jìn)的全局快門圖像傳感器，可生成非常清晰、銳利的數(shù)字圖像。這款傳感器經(jīng)過優(yōu)化，采用了創(chuàng)新的像素設(shè)計，能夠以每秒 120 幀的速度準(zhǔn)確、快速地捕捉移動場景，并在弱光和強光場景下產(chǎn)生清晰的低噪點圖像。AR0234CS 能夠捕獲視頻流和單幀，是 AMR 等廣泛工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。
AR0234C 只是安森美眾多先進(jìn)的傳感器之一，安森美廣泛的產(chǎn)品組合中還包括 ARRAYRDM-0112A20-QFN，這是一款用于單點 LiDAR 系統(tǒng)的準(zhǔn)一站式解決方案。NCV75215 超聲波傳感器采用低成本的 ToF 測量技術(shù)，測量范圍為 0.25 米至 4.5 米，是 AMR 應(yīng)用的明智之選。
運動控制子系統(tǒng)
機器人必須能夠進(jìn)行重復(fù)且精確的運動。大多數(shù)運動部件（包括機械臂和牽引系統(tǒng)）都依賴于由復(fù)雜算法控制的無刷直流 (BLDC) 電機。通常，BLDC 由變頻驅(qū)動器 (VFD) 控制，后者使用 MOSFET、IGBT、柵極驅(qū)動器和二極管等分立元件。功率集成模塊 (PIM) 和智能功率模塊 (IPM) 提供更高的集成度，減少了元器件數(shù)量并節(jié)省了空間。
安森美提供眾多分立元件和模塊，其中包括 NCD83591 電機驅(qū)動器，這是一款易于使用的 60 V 多用途三相柵極驅(qū)動器，具有高增益帶寬電流檢測放大器，非常適合機器人電機控制。這款柵極驅(qū)動器采用小型 QFN28（4x4 毫米）封裝，具有高集成度，特別適合 BOM 整體優(yōu)化。
安森美提供的電感式位置傳感器 NCS3210 和 NCV77320，用于運動控制系統(tǒng)，以測量車輪或其他運動部件的旋轉(zhuǎn)。
照明子系統(tǒng)
照明技術(shù)用于照亮通路，幫助 AMR 導(dǎo)航和操作，并通過發(fā)信號和指示燈來表明自身的狀態(tài)和意圖，從而與其他人員和設(shè)備進(jìn)行通信。選擇 LED 照明技術(shù)的原因在于它在亮度、色溫和功耗方面的表現(xiàn)出色。LED 照明解決方案可以使用多種組件來構(gòu)建，包括但不限于 LED 驅(qū)動器、降壓或升壓轉(zhuǎn)換器和功率 MOSFET。
LED 控制器和驅(qū)動器組件負(fù)責(zé)監(jiān)控 LED 內(nèi)的電流，使 LED 發(fā)出特定強度和波長的光線。LED 驅(qū)動電路使用高邊和低邊功率 MOSFET 來導(dǎo)通或關(guān)斷 LED 電流，并保護(hù) LED 免受過壓和過電流條件的影響，從而確保 LED 驅(qū)動電路的穩(wěn)定性。NCV7685 具有 12 個線性可編程恒流源，使用相同的基準(zhǔn)電壓，支持 128 個不同的可調(diào) PWM 占空比級別。這款線性 LED 驅(qū)動器用于 LED 的調(diào)節(jié)和控制，非常適合 AMR 和汽車應(yīng)用。
安森美對機器人技術(shù)的全面支持
機器人應(yīng)用日新月異，誰率先推出機器人創(chuàng)新解決方案，誰就有望獲得豐厚回報。安森美深知企業(yè)客戶在當(dāng)前瞬息萬變的市場中所面臨的挑戰(zhàn)，以我們深厚的技術(shù)能力和專業(yè)知識，為市場提供傾力支持。
安森美在傳感和機器人技術(shù)方面具有領(lǐng)先優(yōu)勢，這得益于我們強大的全球基礎(chǔ)設(shè)施，以及我們在設(shè)計、制造和解決方案工程方面的實力。我們廣泛的產(chǎn)品組合中涵蓋了各種技術(shù)，例如 BLDC 電機控制套件、電池充電和電源轉(zhuǎn)換解決方案、傳感器融合解決方案、通信解決方案和 LED 照明驅(qū)動器等。安森美在工業(yè)和汽車市場擁有深厚的知識，能夠為客戶提供系統(tǒng)級支持，同時為機器人系統(tǒng)提供靈活且可擴展的產(chǎn)品和解決方案。
結(jié)論
不同于以往與人分隔開的機器人，最新一代的機器人必須能夠安全地與人協(xié)作并防止人員受傷和物品損壞。新一代機器人解決方案正在改變眾多行業(yè)，包括制造業(yè)、電子商務(wù)、醫(yī)療衛(wèi)生和運輸業(yè)，這些行業(yè)面對巨大的競爭壓力，必須在提高效率的同時，保障質(zhì)量和安全不受影響。新一代靈活且可定制的機器人旨在與人一起協(xié)作，執(zhí)行有精確度要求的重復(fù)性任務(wù)，幫助人轉(zhuǎn)而專注于更高價值的活動。
（作者：Theo Kersjes，安森美系統(tǒng)工程經(jīng)理）
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