在工業機器人設計上，常分為控制器系統、機械手（驅動系統）、示教器、視覺與傳感器、末端執行器這幾個部分。機器人是一個非常復雜的系統，在機電一體化和功能性以及電氣方面存在許多設計挑戰，在設計機器人系統的構建塊時，需要了解這些方面的需求并選擇合適的設計思路。

不同控制器設計比較

大家都知道，控制器是機器人的核心，里面包括運動控制器、內部和外部通信系統以及任何潛在的功率級。這里多提一下潛在的功率級，這個概念指的是，如果機器人要移動重物需要在電機上施加足夠的力才能實現。這個力由電能產生，并從功率級提供給電機，這個功率影響機器人屬于高壓系統還是低壓系統。

控制器設計上有兩種思路，集中式和分散式。集中式的控制器設計將機器人的大多數電子模塊（驅動電源模塊、伺服驅動模塊、通信模塊、IO模塊）都集成在控制器中，大多機器人廠商會選擇這種設計，整體打包給下游廠商。

分散式的控制器設計則是將集中式控制器里的一些模塊移出到機器人的末端操作系統中，一般都是將伺服驅動模塊移出來，這樣末端的執行器可以支持更多的外形尺寸，在電纜的選擇上靈活度也會高一些。分散式控制器設計的麻煩之處在于伺服驅動相關電子器件的運行環境與在集中式系統中完全不同，通常需要對部分系統進行重新開發。

安全緊湊的伺服驅動器設計

工業4.0引入了伺服驅動器的新準則和系統要求，因此，機器人設計人員選擇適合當前和未來伺服驅動器需求的解決方案非常重要。現在的機器人伺服驅動器功率級模塊設計，講究的是緊湊、高效而且受到全面保護，缺一不可。

現在機器人的功能安全標準之一IEC 61800-5-2定義了一種稱為安全扭矩關閉（STO）的安全功能，為的是系統可以安全停止電機并防止意外啟動。像工業機器人、工業移動機器人這種設備，一般為典型的供電電壓為48V至60V的直流饋電功率級，這對系統硬件尺寸有很強的約束條件。MCU或其他處理器生成PWM，三相功率級門驅動器控制功率開關，當從外部設備接收到STO命令時，激活脈沖抑制通道以斷開電源驅動與門驅動器的連接實現安全功能。

另一方面，既然涉及功率開關，那么使用SiC、GaN來提高電機控制性能也是完全可行的，能進一步提高機器人的功率密度和效率。這個老生常談的話題在機器人設計中就不再贅述。

低延時即時通信

軸數越多的機器人對網絡傳輸的要求越高，需要使用實時通信接口（如快速串行接口或以太網）實現精確、安全的運動，并在所有機器人系統之間實現即時通信。主處理器能夠支持多協議是十分必要的，如EtherCAT、PROFINET和EtherNet/IP等等，既能節省成本、縮減布板空間和減少開發工作量，還能更大限度地減少外部組件與主機之間通信的相關延遲。

另一方面，PHY的帶寬和延遲也會極大影響機器人整個運動中的協同性。盡可能在物理層設備上縮短延遲將大幅縮短控制器收集和更新所連器件的數據所需的時間，大大改善網絡更新時間。只要PHY的帶寬足夠，降低其延遲是提升多軸系統同步性很穩定的一個辦法。

精準傳感設計

機器人相關的傳感，從內部的電壓、電流、電機速度、溫度傳感到外部的扭矩傳感、紅外傳感、3D激光雷達傳感、視覺傳感、IMU等等，涵蓋的范圍非常廣。

在內部傳感上，目前幾乎所有用于機器人的傳感器件都是溫度敏感元件并且設置了熱補償，該趨勢大大提升了內部傳感應用的穩定性，消除了電機在重負載下的發熱與功耗的隱患。外部傳感上，隨著機器人技術的進步，融合傳感器技術也在進步，將不同的傳感技術結合起來，可在將機器人系統部署到變化的環境中時取得最佳效果。

小結

隨著制造業在各個層面的高度一體化程度不斷提高，機器人將在執行各種各樣的任務中越來越重要，機器人開發人員需要洞悉機器人設計的發展趨勢，使機器人實現準確、安全、具有成本效益的操作。

編輯：黃飛

?