機(jī)器人是一個非常復(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)計挑戰(zhàn)，在設(shè)計機(jī)器人系統(tǒng)的構(gòu)建塊時，需要了解這些方面的需求并選擇合適的設(shè)計思路。

　　不同控制器設(shè)計比較

　　大家都知道，控制器是機(jī)器人的核心，里面包括運(yùn)動控制器、內(nèi)部和外部通信系統(tǒng)以及任何潛在的功率級。這里多提一下潛在的功率級，這個概念指的是，如果機(jī)器人要移動重物需要在電機(jī)上施加足夠的力才能實(shí)現(xiàn)。這個力由電能產(chǎn)生，并從功率級提供給電機(jī)，這個功率影響機(jī)器人屬于高壓系統(tǒng)還是低壓系統(tǒng)。

　　控制器設(shè)計上有兩種思路，集中式和分散式。集中式的控制器設(shè)計將機(jī)器人的大多數(shù)電子模塊(驅(qū)動電源模塊、伺服驅(qū)動模塊、通信模塊、IO模塊)都集成在控制器中，大多機(jī)器人廠商會選擇這種設(shè)計，整體打包給下游廠商。

　　分散式的控制器設(shè)計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高一些。分散式控制器設(shè)計的麻煩之處在于伺服驅(qū)動相關(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，通常需要對部分系統(tǒng)進(jìn)行重新開發(fā)。

　　安全緊湊的伺服驅(qū)動器設(shè)計

　　工業(yè)4.0引入了伺服驅(qū)動器的新準(zhǔn)則和系統(tǒng)要求，因此，機(jī)器人設(shè)計人員選擇適合當(dāng)前和未來伺服驅(qū)動器需求的解決方案非常重要?，F(xiàn)在的機(jī)器人伺服驅(qū)動器功率級模塊設(shè)計，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。像工業(yè)機(jī)器人、工業(yè)移動機(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，這對系統(tǒng)硬件尺寸有很強(qiáng)的約束條件。MCU或其他處理器生成PWM，三相功率級門驅(qū)動器控制功率開關(guān)，當(dāng)從外部設(shè)備接收到STO命令時，激活脈沖抑制通道以斷開電源驅(qū)動與門驅(qū)動器的連接實(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。這個老生常談的話題在機(jī)器人設(shè)計中就不再贅述。

　　低延時即時通信

　　軸數(shù)越多的機(jī)器人對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊笤礁撸枰褂脤?shí)時通信接口(如快速串行接口或以太網(wǎng))實(shí)現(xiàn)精確、安全的運(yùn)動，并在所有機(jī)器人系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)即時通信。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的帶寬和延遲也會極大影響機(jī)器人整個運(yùn)動中的協(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)所需的時間，大大改善網(wǎng)絡(luò)更新時間。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)定的一個辦法。

　　精準(zhǔn)傳感設(shè)計

　　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)境中時取得最佳效果。

　　小結(jié)

　　隨著制造業(yè)在各個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)計的發(fā)展趨勢，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、安全、具有成本效益的操作。