固定式机器人怎么做才可靠？工程师重点看这4项（附方案）

固定式机器人怎么做才可靠？工程师重点看这4项（附方案）

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摘要

本文将简要介绍先进机器人的设计要求。然后介绍 Analog Devices 的示例解决方案和相关评估工套件。设计人员可利用这些套件来实现这些系统。

固定式（就地固定）机器人系统通常被称为多轴机器人，其设计目的是在规定的工作空间内完成高精度、高性能的运动。这些系统是现代制造和自动化装置的支柱。在这些装置中，可重复性、速度和有效载荷能力是关键所在。

常见机器人包括协作机器人 (cobots)、关节式机械臂、选择性顺应关节型机械臂 (SCARA) 和三角（并联）机构，以及计算机数控 (CNC) 和龙门车床。根据不同的应用要求，这些机器人可以安装在导轨、墙壁、天花板、地板上，也可以直接集成到生产机械中，从而实现装配、材料搬运、包装、检查和加工过程的灵活部署。

通过将先进的驱动电子设备、精密传感器和实时控制架构相结合，这些固定式机器人平台提供了智能互联制造环境必需的可靠性、多样性、多功能性和精确性。然而，要最大限度地发挥这些系统的优势和性能，设计人员必须了解并应用运动检测、位置和区域感测、运动控制和连接技术方面的最新进展。

先进机器人的设计要求

与移动机器人相比，先进的固定式机器人（图 1）有两个不同之处：在相对静止和已知的整体环境中运行，而且不受电池电量的限制。然而，即使在工况在不断变化，固定式机器人仍必须具备高速运行能力，并保持精确性、可重复性和准确性。例如，可能需要这些机器人拾取大小、形状、重量、方向和位置均不断变化的包裹，并将包裹准确地放置在移动的传送带上。为此，这些机器人必须能够自主评估当前状况并进行动态调整，同时持续感知作业环境及周边状况。

图 1：广为人知、应用广泛的固定式工业机器人，如今已具备超高精度、高度灵活性与强大的自适应能力。(图片来源：Analog Devices Inc.）

要满足这些要求，就必须精心整合以下各项技术：末端执行器运动控制、用于环境感知的飞行时间 (ToF) 成像技术、用于运动感测的惯性测量单元 (IMU)，以及保障可靠高速通信的千兆多媒体串行链路 (GMSL)。

1: 末端效应机械手的运动控制：机器人机械手的功能就像手或夹爪，可根据需要打开或关闭。机械手必须使用适当的力量，在不损坏有效载荷的情况下保持可靠的夹持力。这就要求电机驱动器能够精密调节电机，保证操作精确、一致和平稳。由于重量和空间的限制，驱动器还应该重量小、结构紧凑。

TMCM-1617 单轴伺服驱动器（图 2）就是这种控制器的正确解决方案之一。这款三相无刷直流 (BLDC) 电机驱动器重 24 g，尺寸为 36.8 mm ×26.8 mm × 11.1 mm，可提供高达 18 A RMS 的电流，其电源电压为 8 V 至 24 V。

图 2：轻巧紧凑的 TMCM-1617 伺服驱动器提供完整的 8 V 至 24 V、18 A BLDC 电机控制。(图片来源：Analog Devices Inc.）

TCMM-1617 支持用于位置反馈的增量编码器和数字霍尔效应传感器，从而提高了其在不同负载下的精度和可重复性。在连接方面，可选择 CAN、RS-485 或EtherCAT 总线。

为了快速评估和调整 TMCM-1617 及其算法，Analog Devices 提供 TMCM-1617-GRIP-REF 夹爪参考设计。该开源硬件参考设计是一款定制设计，专用于精密控制机器人夹爪中使用的 24 V BLDC 电机。该参考设计提供精确的场定向控制 (FOC)，可确保扭矩纹波最小并实现高效、高性能电机控制。预配置软件堆栈简化了初始设置过程，从而缩短了上市时间。

2：ToF 传感器：为确保机器人完全感知到周围环境和工作区域内的任何物体，为设计人员提供了两种基本选择：使用 ToF 感测装置，或使用一个或多个摄像头。每种方法都各有优劣。

一般来说，ToF 摄像头是深度感测的首选，可实现高准确度距离测量。不过，这类摄像头的空间分辨率通常低于传统摄像头，而且会受到环境光和反射表面的影响。另一方面，标准摄像头提供高分辨率图像，可用于多种应用，但提取深度信息时需要更复杂的处理和多个摄像头。

对于许多机器人应用而言，基于 ToF 的成像技术具有显著优势。但是，基于 ToF 的感测子系统需要精心集成许多电子光学组件，包括匹配式 LED 光源、透镜、光学滤波器和成像器。这些组件的选型和组装需要深厚的电气、机械和光学专业知识。

为了尽量减少这些困难，Analog Devices 提供了ADTF3175 ToF 模块（图 3）。这套完整的装置配备一个 100 万像素 (MP) CMOS 间接 ToF 成像仪。此外，该装置还集成了一个镜头和一个用于成像仪的 940 nm 光学带通滤波器、一个包含光学元件的红外照明光源、一个激光二极管、一个激光二极管驱动器和光电探测器、闪存以及用于产生本地电源电压的电源稳压器。

图 3：ADTF3175 模块包括完整 ToF 子系统所需的所有电子、机械和光学元件。(图片来源： Analog Devices Inc.）

ADTF3175 传感器具有 75° × 75° 视场角和 1024 ×1024 像素，其图像云输出数据通过四通道移动行业处理器接口 (MIPI) 相机串行接口 2 (CSI-2) 发送到主机系统。该接口的每通道运行速度为 1.5 千兆比特/秒 (Gbits/s)。该模块的编程和运行均通过一个四线串行外设接口 (SPI) 和一个 I2C 接口进行控制。深度范围为 0.4 m 至 4 m，整个深度范围内的深度精度为 ±5 mm。

相关的 ADSD3500 深度图像信号处理器将 ADTF3175 提供的百万像素分辨率原始数据转换成最终的径向深度、主动亮度 (AB)和置信度数据帧。这会确保高帧率下的低延迟，使摄像头能够精确捕捉快速移动的物体，使机器人能够在动态变化的工业环境中及时做出决策并做出准确的分析。

为了方便模块的设置和实施，Analog Devices 提供了EVAL-ADTF3175D-NXZ 3D ToF 传感器评估套件（图 4）。该开源套件包括 ADTF3175 模块、用于嵌入式人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 应用的第三方数字处理单元、摄像头接口板、内插适配器板和三脚架。

图 4：EVAL-ADTF3175D-NXZ评估套件提供了必要的处理功能、连接器和三脚架，便于设计导入 ADTF3175 ToF 传感器。(图片来源：Analog Devices Inc.）

3：IMU：由于机器人末端效应器（夹爪）可在规定的三维区域内自由移动，因此尤其需要了解其在该空间内的位置和方向。一种方法是在每个关节上安装编码器，然后通过坐标变换和矩阵方程将所有输出组合起来。不过，这需要多个多轴编码器，并增加了计算复杂性。

一个有吸引力的替代方案是使用六自由度 (6 DoF) IMU，它结合了一个三轴加速度计和一个三轴陀螺仪。ADIS16500 微型微机电系统 (MEMS) IMU（图 5，左）采用 15 × 15 × 5 mm 微型封装，具有 SPI 输出功能。相关的 ADIS16500/PCBZ 评估板（右图 5）尺寸为 33.25 mm ×30.75 mm。该电路板主要用作分线板，便于通过一个 16 引脚（2 × 8）、2 mm 间距的连接器与 EVAL-ADIS2Z 综合评估系统进行布线连接。

图 5：ADIS16500 的高级框图（左）仅暗示了这款 6-DoF IMU 的内部集成度和复杂性；相关的 ADIS16500/PCBZ 分线板（右）主要用作 EVAL-ADIS2Z 评估系统的物理连接接口。(图片来源：Analog Devices Inc.）

数字陀螺仪的动态范围为每秒 ±2,000° (˚/s)，数字加速度计的动态范围为 ±392 m/s2。ADIS16500 产品线中的每个惯性传感器均包含能够优化动态性能的信号调理功能。

此外，由于陀螺仪和加速度计均具有独特的固有误差源，因此通过工厂校准来确定每个传感器在灵敏度、偏置、对齐、线性加速度（陀螺仪偏置）和冲击点（加速度计位置）方面的特征。所以，每个传感器都有动态补偿公式，可在广泛的条件下提供准确的传感器测量值。

4：GMSL：将所有这些功能模块整合到机械臂中时，需要考虑的一些重要因素是：这些模块必须连接在一起，且会产生大量时间关键型数据（尤其是ToF 模块）。GMSL 接口可以解决这些问题。GMSL 最初为汽车应用而开发，现已在机器人等应用中得以使用，因为该接口能通过一根电缆支持所需的高数据传输速率。

例如，采用 8 × 8 mm TQFN 封装的MAX96724 解串器可将四个 GMSL 2/1 输入转换为 1、2 或 4 个 MIPI D-PHY 或C-PHY 路径（图 6）。这款 6 Gbit/s、四输入、两输出设备可通过 50 欧姆 (Ω) 同轴电缆或 100 Ω 屏蔽双绞线 (STP) 电缆同时进行双向传输。这款解串器最多可支持四个远程传感器。

图 6：MAX96724 解串器将四个 GMSL 2/1 输入转换为 1、2 或 4 个 MIPI D-PHY 或C-PHY 路径。(图片来源：Analog Devices Inc.）

每个 GMSL2 串行链路在正向以 3 Gbps 或 6 Gbps 的固定速率运行，在反向以 187.5 Mbps 的固定速率运行。该链路还能自动适配前向路径接收器的特性，以补偿信道的插入损耗和回波损耗特性；这些损耗主要取决于电缆、连接器、温度效应和印刷电路板（PC 板）的特性。MAX96724 支持视频数据的聚合和复制，可将多个远程传感器的数据流合并处理。

这些设备的设置和使用都很复杂。Analog Devices 的MAX96724-BAK-EVK 评估套件（图 7）使这些工作都变得简单易行。该套件提供了一个成熟的设计和可靠的平台，可用于通过标准FAKRA 同轴电缆（汽车和其他应用中使用的坚固耐用型电缆/连接器组件）或 MATE-AX 电缆（FAKRA 电缆的小型化版本）评估 MAX96724 器件。

图 7：MAX96724-BAK-EVK 评估套件提供了一种重要工具，用于实现基于高度复杂的 MAX96724 的设计。(图片来源：Analog Devices Inc.）

该评估套件包括一个易于使用、兼容 Windows 10或更高版本的图形用户界面 (GUI)，用于练习器件功能。

结语

要实现最先进的固定式机器人系统，需要精心整合多种技术，才能达到所要求的速度、精度和灵活性。利用各种技术，包括先进的伺服控制、ToF 成像和 IMU（均通过 GMSL连接），这种机器人可实现和集成所需的功能。Analog Devices 提供必要的元器件和评估单元，以加快设计过程并最大限度地降低风险和不确定性。