浅谈机器人系统的各模块设计思路

在工业机器人设计上，常分为控制器系统、机械手（驱动系统）、示教器、视觉与传感器、末端执行器这几个部分。机器人是一个非常复杂的系统，在机电一体化和功能性以及电气方面存在许多设计挑战，在设计机器人系统的构建块时，需要了解这些方面的需求并选择合适的设计思路。

不同控制器设计比较

大家都知道，控制器是机器人的核心，里面包括运动控制器、内部和外部通信系统以及任何潜在的功率级。这里多提一下潜在的功率级，这个概念指的是，如果机器人要移动重物需要在电机上施加足够的力才能实现。这个力由电能产生，并从功率级提供给电机，这个功率影响机器人属于高压系统还是低压系统。

控制器设计上有两种思路，集中式和分散式。集中式的控制器设计将机器人的大多数电子模块（驱动电源模块、伺服驱动模块、通信模块、IO模块）都集成在控制器中，大多机器人厂商会选择这种设计，整体打包给下游厂商。

分散式的控制器设计则是将集中式控制器里的一些模块移出到机器人的末端操作系统中，一般都是将伺服驱动模块移出来，这样末端的执行器可以支持更多的外形尺寸，在电缆的选择上灵活度也会高一些。分散式控制器设计的麻烦之处在于伺服驱动相关电子器件的运行环境与在集中式系统中完全不同，通常需要对部分系统进行重新开发。

安全紧凑的伺服驱动器设计

工业4.0引入了伺服驱动器的新准则和系统要求，因此，机器人设计人员选择适合当前和未来伺服驱动器需求的解决方案非常重要。现在的机器人伺服驱动器功率级模块设计，讲究的是紧凑、高效而且受到全面保护，缺一不可。

现在机器人的功能安全标准之一IEC 61800-5-2定义了一种称为安全扭矩关闭（STO）的安全功能，为的是系统可以安全停止电机并防止意外启动。像工业机器人、工业移动机器人这种设备，一般为典型的供电电压为48V至60V的直流馈电功率级，这对系统硬件尺寸有很强的约束条件。MCU或其他处理器生成PWM，三相功率级门驱动器控制功率开关，当从外部设备接收到STO命令时，激活脉冲抑制通道以断开电源驱动与门驱动器的连接实现安全功能。

另一方面，既然涉及功率开关，那么使用SiC、GaN来提高电机控制性能也是完全可行的，能进一步提高机器人的功率密度和效率。这个老生常谈的话题在机器人设计中就不再赘述。

低延时即时通信

轴数越多的机器人对网络传输的要求越高，需要使用实时通信接口（如快速串行接口或以太网）实现精确、安全的运动，并在所有机器人系统之间实现即时通信。主处理器能够支持多协议是十分必要的，如EtherCAT、PROFINET和EtherNet/IP等等，既能节省成本、缩减布板空间和减少开发工作量，还能更大限度地减少外部组件与主机之间通信的相关延迟。

另一方面，PHY的带宽和延迟也会极大影响机器人整个运动中的协同性。尽可能在物理层设备上缩短延迟将大幅缩短控制器收集和更新所连器件的数据所需的时间，大大改善网络更新时间。只要PHY的带宽足够，降低其延迟是提升多轴系统同步性很稳定的一个办法。

精准传感设计

机器人相关的传感，从内部的电压、电流、电机速度、温度传感到外部的扭矩传感、红外传感、3D激光雷达传感、视觉传感、IMU等等，涵盖的范围非常广。

在内部传感上，目前几乎所有用于机器人的传感器件都是温度敏感元件并且设置了热补偿，该趋势大大提升了内部传感应用的稳定性，消除了电机在重负载下的发热与功耗的隐患。外部传感上，随着机器人技术的进步，融合传感器技术也在进步，将不同的传感技术结合起来，可在将机器人系统部署到变化的环境中时取得最佳效果。

小结

随着制造业在各个层面的高度一体化程度不断提高，机器人将在执行各种各样的任务中越来越重要，机器人开发人员需要洞悉机器人设计的发展趋势，使机器人实现准确、安全、具有成本效益的操作。

编辑：黄飞