机器人告别防护笼

优化的半导体打开全新自由度,因为它们让机器人可以在无防护笼的情况下直接与人类互动。不过,对于这类合作,又称为协作机器人的这种机器人,必须符合某种设计标准。

协作机器人在工厂里协助人类工作

机器人早已成为现代工厂生产线上的主力。全球制造商受益于生产率的提高和成本的降低。在工业4.0和智能工厂背景下,传统生产工序正在被称为协作机器人的最新一代工业机器人所彻底改变。协作机器人与人一起工作,在各个生产工序中为其提供支持,并得益于高水平精度和安全的工作方式,提高了成品质量。英飞凌可提供一系列丰富组件,从控制器和电力电子器件到传感器和安全芯片等不一而足,用来打造新一代机器人所需的高效电子组件。

与传统工业机器人不同的是,协作机器人不使用防护笼,直接与人类互动。为满足这方面的要求,其设计必须纳入特定功能。特别需要采取特殊的安全措施,以便机器人与人能实现安全合作。

协作机器人的主要设计标准是:

  • 高功率密度和外形尽可能小巧的控制器
  • 高精度、高集成度和高效率
  • 功能安全和区域人员保护
  • 关于轴、关节和电机数的不同拓扑
  • 保护知识产权,防止伪造
  • 安全防护是实现安全的前提

上述要求适用于传统机器人、工业机器人以及采用智能高效半导体解决方案的上述协作机器人的开发。该市场拥有很大潜力。2015年,全球工业机器人市场收入达到近100亿美元。分析人士预测,从2015年到2020年,单是协作机器人市场收入就能实现约23%的增长。

机器人及其在英飞凌的应用

英飞凌不仅为机器人提供全面的半导体组合,同时也是各代机器人的使用者。由于在芯片生产中使用的设备非常昂贵,所以从一开始的重点就是优化自动化,以最大限度提高机器利用率,并能持续监测和调整生产质量。因此,可增加收益,并充分利用洁净室设施。目前工业4.0正在讨论的许多概念已在使用,如完全联网的生产。称为AGV(自动导引车)的移动机器人也确保了以前的自主生产岛的整合。除生产岛上的机器人外,仅德累斯顿工厂就有170多台移动机器人在工作。而由此产生的机器人系统专业知识又被纳入芯片开发中。

Franka Emika专注于“熊猫”协作机器人(图片来源:Franka Emika)。

新型机器人:紧凑、灵活、安全可靠

传感器技术、大量数据的快速分析、人工智能和电力电子器件等领域的技术进步使新一代机器人的出现成为可能。机器人市场正在转型。除知名度较高的企业外,市场上还出现了许多规模相对较小的初创企业,并且这种趋势还在持续显现。他们将开发特殊算法作为重点,作为全新机器人概念的基础。由于他们对机械设计和所需的电子硬件不感兴趣,所以这方面就较为依赖拥有系统专业知识和相应产品的供应商。这使得专门的新型机器人初创公司能够在几周内建立起开发平台,而这些开发平台为开发可运用于各种领域的机器人奠定了基础。与前几代机器人一样,它们不需要针对每个目标应用进行昂贵的编程。相反,对它们的重新编程简单而灵活,并且可以根据新的需求调整它们的动作顺序,有时甚至是自主运行。

现代机器人的半导体组合

新一代机器人为现代半导体产品带来广泛的应用领域。这包括电机控制、功能强大的位置和对象检测、设计紧凑的高效驱动、电源和充电器,以及实施虚拟安全门、支持安全认证和校准的安全功能等。在联网生产环境下,没有安全防护是不可能实现功能安全的。同样至关重要的是知识产权保护,特别是对那些精通算法的初创企业而言更是如此。

新一代机器人的另一个关键指标是设计尽可能紧凑,尤其对于需要节省空间和高效的电机控制器而言。这是通过IGBT和IGBT模块、具有低导通电阻的MOSFET(如OptiMOS)和具有内置保护功能的高度集成型栅极驱动器实现的。确保功能安全也是一个特别重要的方面。诸如扭矩、位置、压力等参数需要使用相应的传感器进行精确采集,并通过AURIX系列等强大的安全控制器对数据进行处理。

逃离护笼:为人类提供保护

如果想把机器人从护笼里解放出来,首先应该禁止人类进入机器高速运转的工作范围,避免其因自身疏忽或机械故障而受伤。只有通过精密的传感器技术,才能确保机器人感应足够灵敏。

基本来说,我们需要保证人类与机器人之间的区域、机器人本身之间的区域变得更加安全,其目的是为了使保护区域变得更加灵活。譬如,保护区域可以随着移动的机器人手臂动态移动,由此可以缩小范围。区域概念主要是用来实现虚拟栅栏。如果有人进入外围,机器人会发出警告信号,但它仍会继续全速工作。如果此人靠近,速度会降低,并相应地发出警告。只有当人完全处于危险区域时,机器人才会停止工作。

这种保护机制的实现需要极其精确的对象探测能力。冗余扫描能实现最大限度的功能安全性。检测运动方向也是很有帮助的,检测是否有人靠近然后又离开,或者进入危险区?通过智能识别实际威胁情况、不必要的机器人停机时间或减速,从而避免生产损失和成本。

英飞凌在这一背景下携手合作伙伴研究飞行时间(ToF)概念并使用雷达传感器。因此,相比传统的激光雷达扫描仪而言,这能以更具优势的系统成本对环境进行3D扫描。譬如, 3D分辨率支持通过使用特殊算法来预测移动的方向。德累斯顿工厂已经在使用机器人样机,它可以用飞行时间3D摄像头识别环境,因此,也将能预测运动方向。目前正准备进行冗余扩展,扩展到24 GHz 和60 GHz雷达系统。

安全防护

尽管安全、安全防护这两个词在一开始听起来很相似,但二者存在明显区别:安全防护涉及对人的保护,而安全则包含数据保护,因此后者旨在保护机器人免遭网络攻击。唯有确保数据安全的系统在功能层面上才是安全的——这在工业4.0和物联网背景下变得越来越重要。加密系统必须确保机器人只执行它应该执行的功能。在这种情况下,其目的尤其是为了防止作为生产过程组成的机器人,在有线或远程软件更新期间被篡改。另外,还需要对用户和新添加的组件进行安全认证。

要想机器人运转正常,就必须进行校准。但是,如果黑客操纵了校准过程,就有可能导致机器人不受编程所定运动限制的束缚。这就是安全防护和功能性安全的共通之处--没有有效的安全防卫,就会影响功能性安全。因此这是未来系统的关键性要求,目前主要相关产品是特殊的安全控制器 (OPTIGA 系列) 或 AURIX 微控制器,如 HSM (硬件安全模块)。由于安全功能主要由硬件实现,用户不需过多了解加密技术的详细内容。此外,这对现有软件运行的影响也是微乎其微的。

移动的时间延长

设计紧凑的高效电源和充电功能在移动机器人中发挥着至关重要的作用。 基于先进的CoolMOS、SiC和GaN技术,英飞凌预计其功率密度将比传统电池充电器增加2至5倍,移动机器人的充电时间更短。无线充电也有可能实现。若电池在制动过程中可以进行充电(恢复),则可以更高效地使用电源。现代电力半导体使之成为可能,就像在不间断电源中更好地使用电池一样,譬如,用于电源缓冲。随着越来越多的电池供电AGV在未来的工业4.0工厂中使用,可将其连接起来以大幅降低生产中所需的额外UPS电池的成本。这是因为被充电的AGV的电池可以在一定程度上用于向工厂内部电网提供应急电源。

布线更简单

传统的工业机器人通常基于中央电机控制器和安装于轴上的一系列驱动。这就需要对典型的机械臂进行大量布线,每台电机都有较粗的三相电缆或三相以上电缆,外加用于控制目的和读取传感器数据的附加通信总线。

由于采用现代半导体,并结合电力线调制(电力线通信(PLC)技术)与电机控制电子元件,可大大减少布线量,从而降低重量和成本。在实验室测试中,英飞凌设法将机器人手臂上的电缆数量从近30根减少至2-3根。与此同时,传输速度超过100 mbps,这几乎是实时的。电缆数量更少还意味着接口更少,从而在恶劣工业环境下增强可靠性。此类电机控制系统的首个样机目前正在准备中,英飞凌正为其集成必要组件。

相应的PLC芯片组(12、24、48、600 V DC或400 V AC)已针对现有电力电子元件进行了优化,将被集成于逆变器模块。PLC技术的集成和电机电子元件的更高功率密度使本地控制电机可以轻松地直接安装到机器人的轴上。

高效维护

工业4.0应用系统也需要高效的预测性维护。必须通过监测电压、电流、频率、温度、压力、噪音、气体等以非侵入性方式扫描电机及其控制器和整个系统的状态。之后,必须根据机器特定的算法和传感器值对这些数据进行处理,并与参考值进行比较。适当监测可缩短停机时间,为工业4.0奠定基础。

英飞凌开发出一种特殊的传感器盒,适用于通过Wi-Fi或USB连接到PC的应用。每个传感器盒最多可容纳两个传感器,采用所谓的 Arduino盾板的形式。最多可以将四个传感器盒通过USB集线器连接到总共八个传感器,如硅麦克风以及压力、电流、角度、二氧化碳、雷达和磁性3D传感器等。基于丰富的传感器产品组合,该解决方案使感兴趣的客户能够为实现监视功能选择最佳传感器,并针对每个期望的应用开发自己的算法。

结语

在机器人技术领域,越来越需要小型控制器、支持协作和非协作环境的智能安全措施、对不断变化的工作环境和任务的相关支持,以及为防止篡改和黑客攻击而对安全功能的提升。持续进行的机器人革命带来了一种新型机器人,即所谓的协作机器人。它们直接与人类互动,人类可以与他们一起工作,无需使用上锁的防护笼。由于它们采用了先进的传感器和控制组件,能够限制其功率和力量,以避免产生严重的碰撞事故,因此符合最高安全要求。搭载安全功能的现代微控制器、快速而精确的传感器,以及高效的电源组件为新一代机器人注入活力,使其能够安全合作,而不仅仅是为人类工作。