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对于工业机器人行业而言，在经历了2018、2019两年的低迷期后，2020年新冠疫情的突袭，更是雪上加霜，从习惯性的不被看好，直到迎来需求的拐点，业绩上扬和融资频繁成为市场回暖释放出的两大重要信号。其中，工业机器人的应用市场不断拓展控制工程网版权所有，应用场景越来越广泛，目前已在汽车制造、金属制品、食品加工等行业崭露头角，对工业机器人性能指标的要求也将越来越高，例如定位精度等方面不足的问题将极大限制其在精度要求较高的场合的推广应用。因此如何提高工业机器人位置与状态监测准确度、人机交互协调性等，成为工业机器人产业高质量发展的关键突破点。ADI作为在运动控制、功能安全、高级检测和系统级设计等领域引领工业机器人技术革命的半导体企业，本文将分析该公司的精准可靠的机器臂位置监测技术在机器人自动化生产线高效运营中的应用。
利用传感器实现精确定位，夯实智能智造基石
传统的工业机器人一般按照人给它规定的程序工作，不管外界条件有何变化，自己都不能对程序也就是对所做的工作做相应的调整。由于其核心只在于驱动机械臂做“循规蹈矩”的运动，与之相应的技术也仅是围绕控制系统、硬件软件设计以及基础的安全功能。但在面对工业4.0新的智能化、灵活性生产形势的要求下，已显得不合时宜。例如对于机器人手臂的各关节，一定要检测它的角度，要看看在大负载情况下，其手臂本身的抖动情况，同时机器人在工作过程当中，尤其是一些协作机器人，为了能够适应高精细要求的工作，协作机器人必须拥有高度的灵活性，并且在人机协作过程中不能伤及到人CONTROL ENGINEERING China版权所有，而这其中均涉及到若干传感器技术。基于此，ADI在传统的控制技术上做了更为完整的解决方案。
机械臂在装配线上，旋转工具可能包括螺丝刀，钻头和夹具。倾斜感测线性速率运动时，旋转感测角速率运动。旋转也不同于倾斜，因为旋转可能不会发生可察觉的加速度变化，从而使加速度计无法用于此应用。例如，如果3轴加速度计绕着指向地球的z轴旋转，而x轴和y轴与地球平行，则Z轴将继续测量1 g，而X和Y轴仍为0g。在这种情况下，沿Z轴旋转加速度计将不会导致加速度计读数发生变化。相反，机器人使用 MEMS陀螺仪，这是专门设计用于感应旋转的传感器。ADI的MEMS传感器包括加速度计、陀螺仪和IMU等，由于在零偏稳定性、温度回置特性、长时稳定性、以及震动条件下的性能都远远超过消费级的MEMS产品，被广泛应用于各种机器人、无人机的导航、稳定等功能。ADI推出的ADIS16470系列高性能IMU，通过三轴MEMS加速度计和陀螺仪提供6自由度(DoF)检测，并注重工业"运动物联网"的需求及其对精准地理定位的需求。其性能令系统能精确地表征运动，不受湍流、振动、风、温度和其他环境干扰，从而实现更精准的导航和引导和/或仪器稳定度。
工业级6自由度IMU ADIS1647x和ADIS1646x，在复杂和动态环境中也能提供高精度水平
此外，ADA4571通过直接测量电机位置，可有效降低噪声、优化平滑度和扭矩性能，有助于无刷直流电机的设计达到最加严格的环境、噪声和能耗要求。这款传感器集成一个定制型混合信号调理IC以及采用各向异性磁阻技术（AMR）的检测元件，可在广泛的电机应用中实现直接、非接触式和无磨损的角度测量。借助高精度位置反馈信息，可提高电机换向效能，改进对扭矩和速率性能的控制，在低转速应用中尤其如此。ADA4571还支持最高50000 RPM的电机转速，而角度直接测量原理则可降低振动和噪声效应，从而消除对电机性能的影响。更加完善的扭矩控制能力则有利于提高电机效率，减少排放和散热，并能延长电机寿命。除此以外，低相位延迟（2μs）则可实现快速闭环控制，提高工业伺服电机、机器人、电动转向等高动态应用中的响应能力。
基于3D ToF的机器臂自动避障系统
在人类与机器人的协同合作问题上，尤其是当机器人身处较为拥挤的工作环境中，它们必须能辨认人与机械以及机械的动作，并作出迅速的反应以避免受伤。因此，自动化工厂中的各类机器人都需要自主避障，如果以激光雷达来解决，成本则需要增加数万元，用双摄像头方案又需要大量的运算和双摄像头精准位置的调教，而ToF则成为解决上述难题的极具性价比的最佳选择。
ADI对于工业机器人的自主避障与位置控制基于ToF提供从硬件芯片到依附于硬件芯片上的算法等多种灵活的方案，其ToF电子围栏方案能设立虚拟安全防护墙，借 ToF 信号处理器 ADDI9033 搭配红外光感测组件，采用具有 ToF 测距技术的组件，可应用于工业自动化中安全防护的虚拟围墙方案。此外，利用 ToF 的深度资料，ADI 的方案还可以有效地增加影像的辨识度，达到对象判断的精准度，提供以往机器所没有的机器视觉，避免了激光雷达与双摄像头方案的缺陷。
ADDI9033是ADI一款 CCD ToF 的前端芯片，可支持CCD红外光ToF传感器，分辨率可达 640x480。该产品可将影像信号转换为数字信号，并提供高精确度的脉波时间控制器，闭回路设计，让激光二极管控制的脉波宽度更准确，进而可以得到更精准的深度数据。此外，在工厂自动化领域，ToF技术还可以用于拾取放置作业以及装配作业。在这些应用中，机器人配备了一个或多个ToF相机，可以扫描周围的环境，识别并抓取物体，运送至其他地点再放下或将物体挂到某处。ToF相机也常被应用于需要进行质量保证的把关，它们可以识别尺寸不准确的物体或形状，也能识别物体上的破损与破洞，防止瑕疵品进入生产过程。
本文小结
通过信号链的方式，建立运动控制系统CONTROL ENGINEERING China版权所有，更多的利用传感器进行位置感应，都能让基于工业机器人的自动化产线更加高效。除了MEMS产品可以用在机械臂和机床的主轴倾斜检测、电机振动监测和故障预警外，ADI提供的软件可配置I/O产品AD74412/3，可以在软件层面配置模拟电压和电流的输入输出CONTROL ENGINEERING China版权所有，减少工程实施难度；工业实时以太网FIDO5200，结合ADSP-CM40X处理器，可以帮助一台机械臂同时支持不同的实时以太网协议等控制工程网版权所有，都是自动化生产线能够高效运行的基建。
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