前不久,工信部公布《“十四五”智能制造发展规划》(征求意见稿),指出:到2025年规模以上制造业企业基本普及数字化,重点行业骨干企业初步实现智能转型;到2035年,规模以上制造业企业全面普及数字化,骨干企业基本实现智能转型。毫无疑问,从“十四五”规划开局之年起,智能化转型就已经成为了制造业未来发展的首要命题。
作为智能制造的重要基石,工业机器人可以大幅度解放生产力,在这场数字化浪潮中起着决定性作用。而就和制造业本身朝着智能化转型一样,工业机器人的要求也在不断提高,需要
朝着更具生产力,更智能,更安全并且能够更好地定位的方向发展和演变。
技术升级挑战下,机器人安全功能先行
目前适用于工业应用的机器人类型可大致分为三类:高速、高动力、精确运动的方式运行的传统工业机器人,它们为各种各样的终端行业提供服务,从紧凑、轻便的机器人,到能够搬运重有效载荷的大型机器人,例如车辆;逐渐取代了传统的、由驾驶员操作的工厂车间车辆和传送带的自主移动机器人 (AMR) 和自动导引车 (AGV),它们可以实现更加灵活的生产系统,节省了空间,并提高了安全性;还有在协作应用程序中运行的机器人,即“协作式机器人(cobots)”,可以使智能助手为其熟练的人类专家完成重复任务。
在目前所在智能化转型阶段,自动化的工厂依然不能完全脱离操作员的参与,尤其是协作机器人,设计之初就是主要配置用于与人类操作员一起工作,安全、高效地完成非认知性任务的机器人,人与机器人之间可能会发生身体接触。因此在进行机器设计时,就需要考虑到人身安全。根据标准ISO/TS 15066规定,合法的协作机器人要求限制功率和力(PFL),机器人与操作员之间的接触分为两种类型:准静态接触和瞬态接触。而在这两种情况下,根据身体部位的不同,规定的最大容许力也不同:
上表中提到的数据与安全息息相关,且作用力相对较高,因此可以在机器人关节中放置力扭矩传感器,由此获取更精准可靠的数据,提供更多的反馈。同时,传感器本身精度的提高也有助于改善工艺质量、缩短周期时间以及延长加工工具的使用寿命。
在现有的设计中,使用六轴惯性测量单元(IMU)是首选方案之一,将其放置在末端执行器之前,可以让机器人监测到它对周围环境施加了多大的力。六轴是指三轴线性加速度(直角坐标轴下的X、Y、Z)和三轴角速率运动(翻滚轴、俯仰轴和偏航轴),IMU的输出经过附加处理,可以提供相对姿态、行进方向和速度,最终带来高精度的分辨识别。
ADI公司的提供的ADIS16470是一款完整的六轴惯性测量单元。ADIS16470 中的每个惯性传感器均结合了iMEMS® 技术和可优化动态性能的信号调节功能。工厂校准可表现每个传感器的灵敏度、偏置、对准和线性加速(陀螺仪偏置)特性。因此,每个传感器都有其自己的动态补偿公式,用以提供准确的传感器测量。
ADIS16470 能够提供了一种简单、经济高效的方法,用于将精确的多轴惯性测量技术集成到工业系统中,尤其是在与离散设计所涉及的复杂性和投资进行比较时。所有必要的运动检测和校准均已在工厂生产过程中完成,大大缩短了系统集成时间。在导航系统中,紧密的正交对准简化了惯性坐标系对准。SPI 和寄存器结构设有一个简单接口,用于数据收集和配置控制。
ADIS16470(宽动态范围微型 MEMS IMU)
远离墨菲定律,Σ-Δ ADC打造可靠安全系统
实际上, IMU只是整个机器人安全系统组成的一部分,要实现保护人员和财产免受损害的目的,还需要系统层面和集成电路层面的专门技能来提供具有适当功能组合的IC,以最大程度地降低故障可能性及其导致的负面影响。为保证功能安全,须提高系统/模块监视和诊断覆盖率,以降低未检出错误的数学概率。ADI提供精密Σ-Δ ADC AD7770,集成了监视和诊断能力,包括通过内置冗余转换器来使诊断覆盖率达到最大,实现了许多内部错误检测器,这样可以简化功能安全系统的设计,使整体复杂度低于其他解决方案。
AD7770很适合六轴力的调试应用,由于传感器获取的信号变化通常很小,为了最大化信号链性能,利用ADC的动态范围,需要放大该信号。AD7770提供低输入电流,允许直接连接传感器。每个输入通道都有一个增益为1、2、4和8的可编程增益级,可将低幅度传感器输出映射到满量程ADC输入范围,从而使信号链的动态范围最大,而无需增加外部放大器。同时,AD7770的8通道同步采样功能也可以很好地匹配来自传感器的六轴同步输出。
AD7770 ADC的诊断和监控模块
总结
疫情催化下的后时代,全球自动化和信息化趋势正加速发展。在今年2月初,工信部的官方微信公众号发布消息称,2020年1-12月,全国工业机器人完成产量237068台,同比增长19.1%,是近3年来中国工业机器人完成产量的最高增长幅度,在全球性数字化浪潮和国内政策的双重驱动下,工业机器人消费市场将快速扩大。应对迅猛发展的工业机器人产业,提升机器人技术标准和打造安全体系极为重要,数十年来,ADI 公司一直在提高运动和机器人能力,助力实现更智能、更灵活的机器人,从而逐步改变生产力和效率,并改善人类的工作方式。
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