工业机器人设计工程师指南

工业机器人设计工程师指南机器人系统设计技术文档汇编ti.com/robotics Q2 | 2020电子书 工业机器人设计工程师指南 2 2Q 2020 I 德州仪器 (TI)目录/概述1. 简介 1.1 工业机器人系统简介............................32. 机器人系统控制器 2.1 控制面板 2.1.1 将 Sitara™ 处理器应用于工业 4.0 伺服驱动器................................9 2.2 机器人系统的伺服驱动器 2.2.1 隔离式栅极驱动器的影响..................13 2.2.2 了解峰值源电流和灌电流参数..............17 2.2.3 带 UVLO 和 BJT 图腾柱的低侧栅极驱动器....19 2.2.4 适用于栅极驱动器的外部栅极电阻器设计指南 20 2.2.5 用于提供过流保护的高侧电机电流监测 .....22 2.2.6 增强型 PWM 抑制为直列式电机控制带来的 五大好处............................24 2.2.7 如何避免控制系统遭受热损坏............26 2.2.8 高精度电机驱动控制如何推动工业发展......29 2.2.9 在整个温度范围内发挥功率级的最大效用....33 2.2.10 非分立式解决方案：如何简化 48V 至 60VDC 馈 电的三相逆变器设计.....................35 2.2.11 选择三相电机驱动器中使用的基于分流器的 电流感应放大器.........................38 2.3.1 机器人系统中与伺服驱动相关的参考设计....443. 机械臂和驱动系统（机械手） 3.1.1 如何保护电池的电源管理系统 免受热坏.........45 3.1.2 保护电池并不像您想的那么难................46 3.1.3 机器人系统中与位置反馈相关的参考计........474. 传感和视觉技术 4.1 机器人应用中的 TI 毫米波雷达传感器..........48 4.2 边缘智能为自主工厂提供助力.................53 4.3 对智能机器人使用超声波传感.................55 4.4 传感器数据如何赋能机器人技术中的 AI........57 4.5 将机器学习引入嵌入式系统...................61 4.6 机器人可以应对新的挑战和功能...............65 4.7 机器人系统的视觉和传感技术参考设计.........665. 机器人工具技术（末端执行器） 5.1 利用 TI DLP® 技术驱动的结构光系统实现 高精度的捡拾功能...........................67 6. 机器人工业通信 6.1 为传感器选择合适的工业 通信标准.............69 6.2 赋能机器人以实现更高水平的工厂自动化.......73 6.3 您的工厂比五年级学生聪明吗？.................76 6. 4机器人系统中与工业通信相关的参考设计......78 工业机器人设计工程师指南 3 2Q 2020 I 德州仪器 (TI)德州仪器 (TI) 的模拟和嵌入式技术以及参考设计可帮助工程师开发智能、自主和协作的机器人。本电子书旨在一站式提供与机器人技术相关的内容。利用我们的技术可以构建多种类型的工业机器人，实现精确的电机控制、差异化的传感技术和边缘处理功能，以及强大的实时通信。本电子书中讨论的机器人的主要类型是协作机器人和工厂机器人：• 协作机器人与人类并肩工作，以提高工作质量。协作机器人可以检测并停止运动，从而帮助创建一个更安全的工作环 境 。 • 工厂机器人在制造过程中执行自动可编程动作。为了创建一个更安全的工作环境，机械或传感器技术有助于防止机器人干扰人类活动。• 工业机器人有六种类型： • 垂直关节型。• 笛卡尔坐标型。• 圆柱坐标型。• 球坐标型。• 选择顺应性装配机器手臂机器人 (SCARA)。• Delta 机器人。所有这些机器人类型都提供了具有不同轴配置的机械手，并包括使机器人能够管理其任务的电子内容。任务管理的进步由软件、传感器和电子技术共同推动，并在过去 50 年中推动了工业机器人市场的发展。本电子书汇集了技术文章、白皮书和应用手册，介绍了适用于这些工业机器人系统构建块的 TI 技术：• 机器人控制器系统。• 机械手（机械臂）/驱动系统。• 传感和视觉技术。• 末端执行器（机器人工具）。1.1 工业机器人系统简介在介绍典型机器人系统中使用的不同技术之前，让我们先讨论一下机器人系统的不同组成部分，如图 1 所示。您可以看到，该系统分为不同的构建块：控制器系统、机械手、示教器、视觉和传感器以及末端执行器（机器人工具）。 图 1.采用协作机器人的机器人系统。国际标准化组织 (ISO) 8373:2012 标准描述了图 1 所示的各个构建块，并定义了与工业和非工业环境中运行的机器人和机器人设备相关的术语：• 控制器系统。ISO 8373 标准规定：“一组逻辑控制和电源功能，可以监测和控制机器人的机械结构并与环境 [设备和用户] 进行通信。”它是机器人的大脑，可包括运动控制器、内部和外部通信系统以及任何潜在的功率级。第 1 章： 简介 工业机器人设计工程师指南 4 2Q 2020 I 德州仪器 (TI)• 机械手.ISO 8373 标准还规定：“一种机器，其机构通常由一系列相互连接或滑动的部分组成，目的是通常在几个自由度或轴上抓持和/或移动物件（零件或工具）。机械手不包括末端执行器。” 机械手通常称为机械臂。它是机器人的一部分，其定义了机器人配备的轴数，以实现执行某一任务而需要进行的移动。• 示教器.用于对工业机器人进行编程和教学的多功能便携式设备。示教器通常由 LCD 触摸面板、启用按钮和紧急停止按钮组成。示教器连接到机器人控制器系统。• 机器人末端执行器。连接在机器人“手腕”或臂端工具 (EOAT) 上的设备。系统控制器通过对简单工具使用离散输入/输出 (I/O) 或对更高级的工具使用工业通讯协议来控制机器人末端执行器。• 视觉和传感器。机器人的这些器件能够扫描周围环境，并在人类接近时停止（对于工业机器人而言）或降低（对于协作机器人而言）机器人的速度。视觉/传感是通过激光雷达 (LIDAR)、基于雷达的安全区域扫描仪或 3D 摄像机来实现的。除了安全区域扫描仪之外，协作机器人有时还会穿戴基于传感器的“安全皮肤”，当有人触摸或接近机械臂时，它会停止机械臂。在设计机器人系统的构建块时，需要了解机电一体化、机器人功能和电气注意事项，并在开始实际设计之前熟悉规范。让我们讨论一下定义机器人系统架构时的一些典型注意事项。机器人应该执行哪种类型的任务？根据应用的不同，不同类型的机器人具有不同的优势。典型的工业机器人有：• 关节型。这种机器人设计具有旋转轴，旋转轴的数量从简单的三轴结构到 10 个或更多关节不等。机械手通过扭转关节连接到基座。旋转轴连接机械手中的连杆。每个轴提供额外的自由度或运动范围。• 笛卡尔坐标型。这些也称为直线型或龙门式机器人。笛卡尔坐标型机器人具有三个使用笛卡尔坐标系（x、y 和 z）的线性轴。它们可能具有一个实现旋转运动的连接轴。三个平移关节便于沿轴线进行线性运动。• 圆柱形.该机器人在基座上具有至少一个旋转轴和至少一个连接到连杆的平移轴。旋转轴使用沿轴线的旋转运动，而平移轴使用线性运动。圆柱坐标型机器人在圆柱形工作环境中工作。• 极坐标.球坐标机器人也称为球形机器人。对于这些类型的机器人，机械手通过扭转轴以及两个旋转轴和一个线性轴的组合连接到基座。轴形成球坐标系并创建球形工作环境。• 选择顺应性装配机器手臂机器人 (SCARA)。通常用于装配应用中，这种选择顺应性装配机器机械手在设计上主要是圆柱形的。它具有两个平行轴，可在一个选定的平面内提供顺应性。• Delta（增量）.这些蜘蛛状机器人由连接到公共基座的有关节平行四杆机构构建而成。Delta 机器人的平行四杆机构有三个轴。对于末端执行器，它可以具有一到三个轴。平行四杆机构在圆顶形的工作区域中移动单个 EOAT。该机器人配置广泛用于食品、制药和电子行业，能够提供精细、精确的动作。机器人的有效载荷（重量）和臂展是多少？如果机器人要移动重物，则它需要在电机上施加足够的力才能实现该功能。该力由电能产生，并从功率级提供给电机。此功率要求是确定机器人属于高压系统还是低压系统的其中一个因素。高压机器人系统需要定义隔离架构以确保安全运行。第 1 章：简介 工业机器人设计工程师指南 5 2Q 2020 I 德州仪器 (TI)第 1 章：简介电子设备会集中到系统控制器中吗？在集中式系统中，机器人控制柜包括控制机器人机械手的大多数电子模块。图 2 是一个集中式机器人的示例。 图 2.集中式机器人系统示例.Robot controller system cabinetCircuit brakerIndustrial robotteach pendant (HMI)Industrial robotCPU boardRobot controllerServo drivecontrol moduleServo drivepower supply moduleIdustrial robotsensing moduleManipulatorServo drivepower stage moduleServo driveBrake resistorIndustrial robotcommunication moduleIndustrial robotIO moduleE-stopEnd effector (tool)Servo drivecontrol panelAC mainsFANPoint-to-point ordaisy-chainServo driveposition feedbackAxis 1PMSMAxis 2Axis NPosition feedbackaggregatorPoint-to-point ordaisy-chainN is typicallybetween 3 to 7Optional axis controllerdepending on gearHolding brakeGearServo driveposition sensorServo driveposition sensorServo drivepower stage moduleServo driveBrake resistorPMSMHolding brakeGearServo driveposition sensorServo driveposition sensorServo drivepower stage moduleServo driveBrake resistorPMSMHolding brakeGearServo dr