如何增强，自主移动机器人的安全性？

如今，机器人已引入工业设施，用于帮助提高生产力，提升效率。在工业4.0向工业5.0过渡的进程中，工业制造商一直在积极利用人工智能等先进技术，努力提高竞争力，同时聚焦以人为本的策略和可持续发展。企业为了追求更高的效率和质量，纷纷寻求增强人机交互，这一趋势大大促进了自主移动机器人（AMR）的广泛应用。

AMR需要综合的软硬件系统，才能与现代制造或仓储设施中的操作员协同工作。机器人会产生较大的冲击力且移动速度较快，因此可能会带来一定的风险，例如在意外碰撞中导致工人受伤。我们必须谨慎管控此类风险，不仅要制定相关的操作流程，还要注重机器人本身的设计。

设计出能安全有效地与人类协作的AMR系统，需要考虑哪些关键要素？本文以安森美（onsemi）为例，通过分析其为AMR子系统研发的基本构建模块，对以上内容进行探讨。

自动化与人类并肩成长

工业机器人的广泛应用始于20世纪60年代的计算机时代，过去二十年来，数字技术进步催生了能够在复杂环境中导航并与团队合作完成任务的协作型移动机器人。

随着工业自动化从工业4.0向工业5.0发展，人机交互水平将进一步推动对AMR的需求，AMR成本效益高、易于部署，并且可以与操作员协同工作，实现比单独工作更好的效果。例如，协作机器人在速度、准确性和一致性上表现出色，成为焊接和装配线工作等重复性任务的理想选择，从而使工人可以专注于需要更高认知技能的更复杂任务。

传统的固定机器人可以与人物理分隔开来，以防止人员受伤，在引入了共享工作空间的概念后，新的挑战随之而来。

AMR必须能够感知突如其来的外力并在必要时快速停止运动。尽管在工作场所与人和物体发生碰撞难以避免，但机器人必须能够减少冲击以防止人员受伤和物品损坏。对此，机器人设计师可以利用传感技术和视觉系统的进步来克服这些挑战，并将机器人的力量和精度与人的创造性问题解决能力更紧密地结合起来。

AMR中的关键子系统

AMR使用多个传感器、人工智能和先进算法与环境交互，从而做出决策、检测障碍物并与操作员和其他机器安全协作。
下方的功能框图展示了AMR系统的典型设计，其中的基本子系统包括运动控制、传感、照明、电源、充电及通信。本文中，我们将重点关注传感、电机控制和照明子系统。

1、传感子系统
传感器使机器人能够适应所在的操作环境，并根据实时数据做出决策。传感器有多种类型，包括成像、超声波、红外、电感和惯性传感器，旨在增强机器人的导航能力和安全性。为应对装载坡道等复杂环境，可能需要用到多种不同类型的传感器，此时就需要通过传感器融合来合并多个传感器的数据。

以安森美AR0234CS全局快门图像传感器为例，这款传感器经过优化，能够以每秒120帧的速度准确、快速地捕捉移动场景，并在弱光和强光场景下产生清晰的低噪点图像，捕获视频流和单帧，可以在工业应用中配合AMR使用。此外，ARRAYRDM-0112A20-QFN是安森美传感产品组合中用于单点LiDAR系统的准一站式解决方案，其中的NCV75215超声波传感器采用低成本的ToF测量技术，测量范围为0.25米至4.5米。

2、运动控制子系统
机器人必须能够进行重复且精确的运动。大多数运动部件（包括机械臂和牵引系统）都依赖于由复杂算法控制的无刷直流（BLDC）电机。通常，BLDC由变频驱动器（VFD）控制，后者使用MOSFET、IGBT、栅极驱动器和二极管等分立元件。功率集成模块（PIM）和智能功率模块（IPM）提供更高的集成度，减少了元器件数量并节省了空间。

以安森美NCD83591电机驱动器为例，这是一款易于使用的60V多用途三相栅极驱动器，具有高增益带宽电流检测放大器，非常适用于机器人的电机控制。这款栅极驱动器采用小型QFN28（4x4毫米）封装，具有高集成度，适合BOM整体优化。

3、照明子系统
照明技术用于照亮通路，帮助AMR导航和操作，并通过发信号和指示灯来表明自身的状态和意图，从而与其他人员和设备进行通信。选择LED照明技术的原因在于它在亮度、色温和功耗方面的表现出色。LED照明解决方案可以使用多种组件来构建，包括但不限于LED驱动器、降压或升压转换器和功率MOSFET。

LED控制器和驱动器组件负责监控LED内的电流，使LED发出特定强度和波长的光线。LED驱动电路使用高边和低边功率MOSFET来导通或关断LED电流，并保护LED免受过压和过电流条件的影响，从而确保LED驱动电路的稳定性。安森美NCV7685具有12个线性可编程恒流源，使用相同的基准电压，支持128个不同的可调PWM占空比级别。这款线性LED驱动器用于LED的调节和控制，非常适合AMR和汽车应用。

对机器人技术的全面支持

机器人应用日新月异，谁率先推出机器人创新解决方案，谁就有望获得丰厚回报。在安森美看来，公司在传感和机器人技术方面具备的领先优势主要来自于以下方面：一是强大的全球基础设施，以及在设计、制造和解决方案工程方面的实力；二是广泛的产品组合中涵盖的各种技术，例如BLDC电机控制套件、电池充电和电源转换解决方案、传感器融合解决方案、通信解决方案和LED照明驱动器等。

不同于以往与人分隔开的机器人，最新一代的机器人必须能够安全地与人协作并防止人员受伤和物品损坏。新一代机器人解决方案正在改变包括制造业、电子商务、医疗卫生和运输业等在内的众多行业。这些行业面对巨大的竞争压力，必须在提高效率的同时，保障质量和安全不受影响。新一代灵活且可定制的机器人旨在与人一起协作，执行有精确度要求的重复性任务，帮助人转而专注于更高价值的活动。

作者：安森美系统工程经理 Theo Kersjes

来源：荣格-《智能制造纵横》

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