了解和解决工业机器人设计！

设计适用于工业应用的先进的下一代机器人，尤其是在与人类紧密协作的情况下，这会带来安全和性能方面的挑战，只要适当注意传感器，电源和通信，就可以应对半个多世纪以来，工业机器人在制造业中发挥着越来越重要的作用，成功地改变了从汽车到电子产品再到消费品的行业。随着他们的继续采用，他们正在发展为变得更加紧密联系和更加智能，同时与人类同行更加紧密地协作。

这对要求设计师增加功能、灵活性、运动范围、速度和精度，同时提高安全性和可靠性的设计师提出了许多挑战。此功能将描述三种不同类别的机器人：工业机器人，物流机器人和协作机器人。然后，它将着重于设计挑战，哪些参数对系统最重要，以及如何选择组件来帮助应对这些挑战。

1.机器人的作用不断扩展

50多年来，机器人为重复任务性能带来了生产率，成本效益和更高的安全性。尽管它们的作用已经大大扩展，但它们通常可以分为三个主要类别：工业，后勤和协作。每个都有其各自的传感和安全要求以及最佳实践。

用于工业和工厂自动化机器人可分为三大类：工业，物流和协作。工业机器人被固定在适当的位置，以处理诸如焊接、喷漆、拾取和放置以及组装之类的任务。控制器通常位于机器人的底座中或旁边。它们的设计是快速，准确的，而无需直接与人接触。为了安全起见，通常将它们隔离在栅栏内，并加以保护，例如踩踏时会跳闸电源的地垫。

物流机器人是可移动的，通常用于在仓库中取货或运输货物，并且可以在有人员在场的情况下进行操作。因此，它们通常具有处理程序，并使用传感器和映射在特定环境中移动。而协作机器人在人类旁边工作。因此，它们是最复杂的。他们需要特别注意安全性，并且需要执行微调任务或在工作人员检查时握住物体。他们需要一系列用于避免碰撞的传感器和故障安全机制，以防万一发生任何问题而关闭机器人。它们通常固定在适当的位置，但也可以安装在车辆上。

2.工业机器人技术

技术中起主要作用的三个技术领域是：通信，电机控制和传感。机器人系统通常是由几个不同制造商的产品共同构成的。因此，有必要将所有这些产品彼此连接或连接至主机器人控制器。对于设计工程师来说，这意味着系统必须支持多种协议，因此需要灵活的通信控制器。

用于此类控制的处理器需要提供灵活的外围设备，连接性和统一的软件支持，以覆盖各种应用程序。寻找具有单核或多核的处理器，以确保集成，连接性和性能在各个应用程序之间达到适当的平衡。

灵活性通常是通过使用外部FPGA或专用ASIC来实现的，但是还需要考虑其他选择，例如将处理器与工业通信子系统（PRU-ICSS）内的可编程实时单元结合在一起的单芯片解决方案。

3.需要高效的电机设计

随着机器人系统中使用更多的电机，电机效率变得至关重要-不仅对于大型负载电机，而且随着使用量的增加，对于小型协作型机器人也是如此。协作型机器人通常将电机控制板集成到机器人手臂中。这就是为什么设计师需要特别注意热管理的原因。因此，不仅需要选择尺寸小的部件，而且还需要使用开关损耗小的开关。

氮化镓（GaN）技术在这里是一项重要的设计资产，因为它大大降低了开关损耗，从而实现了更快的开关速度，同时又促进了热管理。为了简化和加快设计过程，设计人员应寻找能够提供具有优化布局和效率以及最小电磁辐射和噪声以符合工业标准的完整解决方案的模块。

此外，支持应包括EVM，开发板和快速启动工具集，以加快设计速度。对于特定功能，例如精确控制精密驱动器，供应商的参考设计库可能已经包含适当的设计。使用受支持的参考设计可以减少设计错误的机会，从而加快产品上市时间，同时还可以使设计人员有更多时间专注于其设计的核心差异和价值。

4.提供更好的感测功能

无论机器人设计还是工业机器人设计，物流设计还是协作设计，感测都将发挥越来越大的作用。对于协作系统，其中传感系统不仅必须能够检测人员是否在周围，而且还必须防止任何可能的碰撞，因此复杂的传感器技术是核心要求。它们必须能够覆盖几米的范围，同时提供低至厘米甚至几毫米的分辨率。此外，需要多个传感器系统来覆盖从近场到远场的整个范围。

满足这些设计要求是困难的。共同的挑战是可变的感应范围和分辨率，肮脏的环境以及难以区分在同一环境中工作的人类和其他机器人的困难。解决方案是使用多个传感器系统：近距离（最大15厘米）的电容式感应，中距离（15–150厘米）的红外感应和远距离（> 150厘米）的激光感应。但是，激光系统伴随着许多安全限制。

5.为集成工厂构建更好的机器人

随着制造业在各个层面上的高度集成，机器人将在执行各种组装任务，增加产量并为人类提供更安全的工作场所方面发挥越来越大的作用。传统的工业机器人，后勤机器人和协作机器人都有自己的工作要做。因此，机器人开发人员也在寻找能够使所有人实现准确，安全，具有成本效益的操作的解决方案。为此，设计人员还应确保：

（1）具有电路保护和低噪声排放的高效高压电源；

（2）扩展温度范围的特性；

（3）快速，精确的模数和数模信号转换；

（4）加强隔离以满足工业安全标准；

（5）与其他IC结合使用时，可为安全关键型应用提供控制冗余。

在许多情况下，与在工业应用中机器人技术的设计和应用方面具有丰富经验的供应商合作更为明智。他们很可能已经解决了设计的各种挑战，或者具有帮助发现新解决方案的专业知识。