2023-04-26-德州仪器-工业机器人设计工程师指南（2022）_82页_13mb

工业机器人设计工程师指南总结

1. 简介

• 工业机器人分为协作机器人、工厂机器人和工业机器人，应用涉及装配、搬运、焊接等。
• ISO 8373:2012 标准定义了机器人系统构建块：控制器、机械手、示教器、传感器、末端执行器。
• 常见机器人类型：关节型、笛卡尔坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、SCARA、Delta。
• 工业4.0对机器人提出更高要求：多协议通信、功能安全、预测性维护。

2. 机器人系统控制器

2.1 控制面板

• Sitara™处理器适用于工业4.0伺服驱动器，支持实时控制循环。
• 系统分区方式：集中式、分散式。
• 工业通信：支持EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP等，需考虑时间敏感网络(TSN)。

2.2 伺服驱动器设计

• 隔离式栅极驱动器用于高侧/低侧驱动，需考虑CMTI（共模瞬态抗扰度）。
• 电流、速度、位置级联控制，要求高带宽和低延迟。
• MOSFET和IGBT适用不同场景，MOSFET需高功率密度，IGBT用于大功率应用。

2.3 位置反馈与AI

• 传感器数据融合用于AI策略，提高机器人自主性。
• 边缘智能减少延迟，提升响应速度。
• 参考设计：基于Sitara处理器的工业以太网多协议系统。

3. 机械臂和驱动系统

3.1 机械臂设计

• 关节型机械臂灵活性高，适用于复杂任务。
• 直线型机械臂适合精确定位，如数控机床。
• 电源管理：高效隔离式栅极驱动器保护电池和系统免热损坏。

3.2 伺服驱动系统

• 优化功率级设计，提高效率。
• 热保护：使用温度传感器（如TMP302、TMP61）防止过热。
• 机器人应用中，利用机械臂的高精度实现复杂操作。

4. 传感和视觉技术

4.1 毫米波雷达

• 技术优缺点：非接触式测距、不受环境条件影响、体积小巧。
• 应用：检测玻璃墙、车辆速度、物体跟踪。
• 白皮书《传感器数据如何赋能机器人技术中的AI》详细介绍了毫米波在机器人中的视觉和传感应用。

4.2 边缘智能

• AI与嵌入式结合用于自主工厂，提升决策能力。
• 处理器选择：Sitara™ AM57系列用于高性能AI推理。
• 参考设计：工业通信参考设计展示了如何实现高带宽、低延迟控制。

4.3 超声波传感

• 优势：低功耗、抗光干扰、小型化。
• 应用：机器人避障、工厂环境监测。

5. 机器人工具技术（末端执行器）

5.1 结构光系统

• DLP®技术实现高精度3D传感，用于物体识别。
• 应用：自动化拾取和放置，提高生产效率。
• 参考设计：基于LightCrafter DLP™模块的3D机器视觉。

6. 机器人工业通信

6.1 协议选择

• IO-Link用于简单传感器，工业以太网（如EtherCAT、Profinet）用于复杂系统。
• 物理层：IO-Link使用三线接口，工业以太网支持高带宽。

6.2 安全与功能

• 安全通信：C2000™ F2837xE/F28004x系列微控制器提供高可靠性。
• 工业标准：支持功能安全标准，如IEC 61508。
• 参考设计：冗余双通道安全转矩关闭系统参考设计。

6.3 参考设计

• EtherCAT从属设备设计
• 冗余安全系统设计
• 多协议工业以太网实现