運用感測、連接、動作控制元件的最新發展，讓固定式機器人更有智慧

安裝式 (固定式) 機器人系統，通常稱為多軸機器人，用於在受限的工作區域內進行高精密度及高效能的動作。這些系統構成現代製造和自動化單元的支柱，須重視其重複性、速度、有效酬載能力。

常見的範例包括協作機器人 (cobot)、關節型機器人手臂、選擇順應性關節機械手臂 (SCARA)、三角 (並聯) 機制，以及電腦數控 (CNC) 和龍門式機器。依據應用需求，此類機器人可以安裝在軌道、牆壁、天花板、地板上，或直接整合到生產機械中，達到靈活部署於組裝、物料處理、包裝、檢測、加工過程中。

這些安裝式機器人平台結合先進的驅動電子裝置、精密感測器、即時控制架構，能提供智慧連線製造環境所需的可靠性、多功能性、功能性、精密度。然而，若要充分發揮這些系統的優勢和效能，設計人員必須瞭解動作偵測、位置和區域感測、動作控制、連接的最新發展，必且加以運用。

本文簡要探討先進機器人的設計要求。接著，介紹 Analog Devices 提供的範例解決方案和相關評估套件；設計人員可以使用這些套件實作這些系統。

先進機器人的設計要求

先進的安裝式機器人 (圖 1) 與移動機器人相比，有兩個不同之處。安裝式機器人在相對靜態和已知的整體環境中運作，並且不受電池電量的限制。然而，人們仍然期望它們不受環境變化影響，能夠維持快速、精準、可重複的準確作業。例如，它們可能需要拾起尺寸、形狀、重量、方向、位置各異的包裹，並放置於移動輸送帶上的精準位置。為此，這些機器人必須能自主評估並動態適應環境，同時保持對自身和周圍的感知。

圖 1：廣為人知的固定式機器人目前已具備極高的精準度、靈活性、適應性。(圖片來源：Analog Devices Inc.)

這些要求需要仔細整合末端效應器的精準動作控制、用於環境感知的飛時測距 (ToF) 成像、用於動作感測的慣性量測單元 (IMU)，以及用於提供可靠、高速通訊的 Gigabit Multimedia Serial Link (GMSL)。

1：末端效應器抓取器的動作控制：機器人抓取器的動作像手或夾具，會依需求張開或合起。使用的力道必須適當，才能保持牢固的抓握，但不會損壞酬載。因此需要馬達驅動器小心調節馬達，以達到精準、一致、順暢的操作。由於重量和空間受限，驅動器還應具備低質量和緊湊的特性。

TMCM-1617 單軸伺服驅動器 (圖 2) 是適用於此類控制器的解決方案之一。此三相無刷直流 (BLDC) 馬達驅動器重 24 g，尺寸為 36.8 mm × 26.8 mm × 11.1 mm，可提供高達 18 A RMS 的電流，工作電壓為 8 V 至 24 V。

圖 2：輕巧緊湊的 TMCM-1617 伺服驅動器可提供完整的 8 V 至 24 V、18 A 無刷直流馬達控制。(圖片來源：Analog Devices Inc.)

TMCM-1617 支援增量式編碼器和數位霍爾效應感測器進行位置回饋，能在不同負載下強化精密度和重複性。提供 CAN、RS-485、EtherCAT 匯流排的連接選項。

Analog Devices 提供 TMCM-1617-GRIP-REF 抓取器公版設計，可快速評估和調整 TMCM-1617 及其演算法。此開源硬體公版設計專為精準控制機器人抓取器中使用的 24 V 無刷直流馬達所量身打造。提供精準的磁場導向控制 (FOC)，確保最小的轉矩漣波，並達到高效率、高效能的馬達控制。其預先配置的軟體堆疊，可簡化初始設定過程，加速產品上市。

2：飛時測距感測器：設計人員要確保機器人能夠充分感知其周圍環境及在其操作區域內的任何物體，可選用兩種基本方式達成，包含飛時測距感測裝置或使用一個以上的攝影機，兩者各有其優缺點。

一般來說，飛時測距 (ToF) 攝影機是深度感測的首選，能夠提供高準確度的距離量測。但是，相較於傳統攝影機，其空間解析度通常較低，並且會受到環境光和反射表面的影響。另一方面，標準攝影機可以提供高解析度影像，並且用途廣泛，但需要更複雜的處理和使用多個攝影機才能提取深度資訊。

在許多機器人應用中，採用飛時測距成像的優勢非常顯著。然而，採用飛時測距 (ToF) 技術的感測子系統需要精心整合許多光電元件，包括匹配的 LED 光源、鏡頭、光學濾波器、成像儀。選擇和組裝這些組件需要具備豐富的電氣、機械、光學專業知識。

為了降低困難，Analog Devices 推出 ADTF3175 ToF 模組 (圖 3)。此完整單元配備 1 百萬像素 (MP) CMOS 間接 ToF 成像儀，同時整合用於成像儀的鏡頭和 940 nm 光學帶通濾波器、含光學元件的紅外線發光源、雷射二極體、雷射二極體驅動器、光偵測器、快閃記憶體，以及用於產生本機供電電壓的電源穩壓器。

圖 3：ADTF3175 模組包含構成完整飛時測距 (ToF) 子系統所需的所有電子、機械、光學元件。(圖片來源：Analog Devices Inc.)

1024 × 1024 像素 ADTF3175 感測器 (視角為 75° × 75°) 的影像雲資料輸出透過四通道 Mobile Industry Processor Interface (MIPI) Camera Serial Interface 2 (CSI-2) 傳送至主機系統，每通道的作業速度為 1.5 Gbits/s。此模組透過四線序列周邊介面 (SPI) 和 I²C 介面進行編程和操作控制。深度範圍為 0.4 至 4 m，在整個深度範圍內深度準確度為 ±5 mm。

配套的 ADSD3500 深度影像訊號處理器將 ADTF3175 的百萬像素解析度原始資料轉換為最終的徑向深度、主動亮度 (AB) 和置信度資料幀。如此可確保低延遲和高幀率，使攝影機能夠精準捕捉快速移動的物體，並使機器人能夠在動態變化的工業環境中及時做出決策並提供準確的分析。

為了方便模組的安裝和實作，Analog Devices 推出 EVAL-ADTF3175D-NXZ 3D ToF 感測器評估套件 (圖 4)。此開源套件包括 ADTF3175 模組 (用於嵌入式人工智慧 (AI) 和機器學習 (ML) 應用的第三方數值處理單元)、攝影機介面板、中介板配接器板、三腳架。

圖 4：EVAL-ADTF3175D-NXZ 評估套件提供必要的處理元件、連接器、三腳架，方便 ADTF3175 ToF 感測器導入設計。(圖片來源：Analog Devices Inc.)

3：IMU：由於機器人末端效應器 (抓取器) 可以在其規定的三維區域內自由移動，因此必須瞭解其在該空間中的位置和方向。其中一個方式是在每個關節處使用編碼器，接著利用座標轉換和矩陣方程式，組合所有輸出。然而，這需要多重多軸編碼器，並且會增加計算複雜度。

使用六自由度 (6 DoF) IMU 是可考慮的替代方案；此方案結合三軸加速度計和三軸陀螺儀。ADIS16500 小型微機電系統 (MEMS) IMU (圖 5，左) 在一個 15 × 15 × 5 mm 的小型封裝中提供這種功能，並具有 SPI 輸出。配套的 ADIS16500/PCBZ 評估板 (圖 5，右) 尺寸為 33.25 mm × 30.75 mm。此板主要用作分接板，透過 16 引腳 (2 × 8) 2 mm 間距連接器與完整的 EVAL-ADIS2Z 評估系統進行接線。

圖 5：ADIS16500 的高階方塊圖 (左) 僅初步展示這款 6 自由度 IMU 的內部整合和複雜性；配套的 ADIS16500/PCBZ 分接板 (右) 主要用於與 EVAL-ADIS2Z 評估系統進行實體介接。(圖片來源：Analog Devices Inc.)

數位陀螺儀的動態範圍為 ±2,000˚/s，而數位加速度計的動態範圍為 ±392 m/s²。ADIS16500 系列中的每個慣性感測器都包含訊號調整功能，可最佳化動態效能。

此外，由於陀螺儀和加速度計具有獨特的固有誤差來源，因此需要進行原廠校準，以特徵化各感測器的靈敏度、偏差、對準、線性加速度 (陀螺儀偏差) 和衝擊點 (加速度計位置)。因此，每個感測器都具有動態補償公式，可在各種條件下產生極精準的感測器量測結果。

4：GMSL：將所有這些功能組合併入機械手臂時，需要考量一些重要因素：這些功能必須相互連接，並且會產生大量與時間關鍵資料，特別是飛時測距模組。GMSL 介面可以因應這些情況。GMSL 最初開發用於汽車應用，但由於可在單一纜線上支援高數據傳輸率，因此已用於機器人等應用領域。

例如，MAX96724 解串列器採用 8 × 8 mm TQFN 封裝，可將四個 GMSL 2/1 輸入轉換為 1、2、4 個 MIPI D-PHY 或 C-PHY 路徑 (圖 6)。這款 6 Gbit/s、四輸入、雙輸出元件允許透過 50 Ω 同軸纜線或 100 Ω 屏蔽雙絞線 (STP) 纜線同時進行雙向傳輸。此元件最多可支援四個遠端感測器。

圖 6：MAX96724 解串列器將四個 GMSL 2/1 輸入轉換為 1、2、4 個 MIPI D-PHY 或 C-PHY 路徑。(圖片來源：Analog Devices Inc.)

每個 GMSL2 序列鏈路會在順向以 3 Gbps 或 6 Gbps 的固定速率運作，在逆向以 187.5 Mbps 的固定速率運作。此連結還可以自動調整前向路徑接收器特性，以補償通道的插入損耗和回波損耗特性；這些損耗主要取決於纜線、連接器、溫度效應，以及印刷電路板 (PCB) 的特性。MAX96724 支援視訊資料的聚合和複製，能結合多個遠端感測器的串流。

這些裝置在設定和使用上都很複雜。Analog Devices 的 MAX96724-BAK-EVK# 評估套件 (圖 7) 可協助簡化作業。此套件提供一個經實證的設計和可靠的平台，可使用標準 FAKRA 同軸纜線 (用於汽車和其他應用的堅固纜線／連接器組件) 或 MATE-AX 纜線 (FAKRA 纜線的小型版本) 評估 MAX96724 元件。

圖 7：MAX96724-BAK-EVK# 評估套件是實作高度複雜的 MAX96724 設計之寶貴工具。(圖片來源：Analog Devices Inc.)

此套件包含一個容易使用的 Windows 10 (或更高版本) 相容的圖形使用者介面 (GUI)，用於測試元件功能。

結論

最先進的安裝式機器人系統需要精心整合多種技術，才能以所需的速度、精密度、靈活性運作。運用先進伺服控制、飛時測距成像、慣性測量單元等各種技術，透過 GMSL 連接相互連接，能實作並整合所需的功能。Analog Devices 提供必要的元件以及評估單元，能加速導入設計流程並將風險和不確定性降至最低。

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