機器人是一個非常復雜的系統(tǒng)，在機電一體化和功能性以及電氣方面存在許多設計挑戰(zhàn)，在設計機器人系統(tǒng)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(nèi)部和外部通信系統(tǒng)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(xiàn)。這個力由電能產(chǎn)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(tǒng)還是低壓系統(tǒng)。

　　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(shù)電子模塊(驅(qū)動電源模塊、伺服驅(qū)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(tǒng)中，一般都是將伺服驅(qū)動模塊移出來，這樣末端的執(zhí)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(qū)動相關電子器件的運行環(huán)境與在集中式系統(tǒng)中完全不同，通常需要對部分系統(tǒng)進行重新開發(fā)。

　　安全緊湊的伺服驅(qū)動器設計

　　工業(yè)4.0引入了伺服驅(qū)動器的新準則和系統(tǒng)要求，因此，機器人設計人員選擇適合當前和未來伺服驅(qū)動器需求的解決方案非常重要。現(xiàn)在的機器人伺服驅(qū)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(xiàn)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(tǒng)可以安全停止電機并防止意外啟動。像工業(yè)機器人、工業(yè)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(tǒng)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(qū)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(qū)動與門驅(qū)動器的連接實現(xiàn)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(shù)越多的機器人對網(wǎng)絡傳輸?shù)囊笤礁?，需要使用實時通信接口(如快速串行接口或以太網(wǎng))實現(xiàn)精確、安全的運動，并在所有機器人系統(tǒng)之間實現(xiàn)即時通信。主處理器能夠支持多協(xié)議是十分必要的，如EtherCAT、PROFINET和EtherNet/IP等等，既能節(jié)省成本、縮減布板空間和減少開發(fā)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(xié)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(shù)據(jù)所需的時間，大大改善網(wǎng)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(tǒng)同步性很穩(wěn)定的一個辦法。

　　精準傳感設計

　　機器人相關的傳感，從內(nèi)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(nèi)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(nèi)部傳感應用的穩(wěn)定性，消除了電機在重負載下的發(fā)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(tǒng)部署到變化的環(huán)境中時取得最佳效果。

　　小結

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