下一代機器人

事實上，機器人的使用率正穩定成長。雖然有些反對者表示自動化會導致人們失業，但目前為止所有的證據都顯示，機器人可以提高生產力、安全性和成本效益，而且能創造新的工作機會。工業用機器人在全世界的部署總數，到今年年底預計會增加到大約 260 萬部。

國際機器人聯合會 (IFR) 去年公佈的數據指出，全球每 10,000 名員工平均安裝了 74 部工業用機器人。這些數據還顯示，在測得生產力不斷增長的國家中，這個平均值大幅升高。例如，德國、新加坡和南韓每 10,000 名員工安裝的機器人數量最多，分別是 309 部、488 部及 631 部。

除此之外，在德國的汽車業中，隨著機器人自動化增長，員工數量也隨之增多。歐洲經濟研究中心 (ZEW) 與烏特勒支大學合作發表的一項研究已經證實，自動化程度的提升可以為就業帶來正面的影響。由此可以推測，自動化程度提升導致生產成本下降後，商品的售價會隨之降低，進而提高產品對消費者的吸引力，並增進需求。而需求的增加又會帶動就業的增長。

此外，除了工業與製造業，機器人也為其他領域帶來影響。機器人正在工廠之外取得飛快的發展，例如提高網路購物的送貨效率，以及增進學生對科學、科技、工程、數學 (STEM) 的興趣。

若想開發出最具智慧和最精密的機器人系統，就需要使用極創新的類比和嵌入式技術。為促進對機器人系統設計工作原理的瞭解，Texas Instruments (TI) 提供了相關學習套件，幫助學生填補目前工程專業課程的不足。以下將討論一些 TI 現有的工具：

工業機器人

TIDA-01600 - 伺服驅動器與機器人用智慧型煞車控制與診斷公版設計：此 TI 公版設計 (圖 1) 提供雙通道輸出訊號來控制外部止動閘，可在伺服驅動器中實作符合 IEC EN 61800-5-2 標準的安全煞車控制功能。在功能上，止動閘會在煞車操作線圈斷電時閂鎖，並在施加電壓後釋放。若想實現這樣的操作，就需要啟用／停用向線圈供應電源的智慧型電子負載開關。此外，此公版設計中還加入了診斷功能，用於偵測各種不同的故障，確保操作的安全性。此設計採用 C2000 Launchpad 控制板來產生煞車控制訊號並執行診斷。

圖 1：Texas Instruments 的 TIDA-01600 伺服驅動器與機器人用智慧型煞車公版設計。(圖片來源：Texas Instruments)

LMZ14201TZ-ADJ/NOPB - SIMPLE SWITCHER 高輸出電壓電源模組：TI 的 LMZ1420x 系列電源模組具有整合的屏蔽式電感和簡易的 PCB 佈局，可以使用外部軟啟動及高精密度致能端，實現靈活的啟動順序。這些電源模組提供湧入電流保護、輸入 UVLO 保護以及輸出短路保護。由於模組的效率相當高，因此能減少系統產生的熱量。該系列的電源模組都具有單一裸焊盤和標準引腳配置，便於安裝和製造。

ISO7842：這是一款強化型 4 通道 2/2 數位隔離器 (已通過 VDE、CSA、CQC 及 TUV 認證)，採用 8000-VPK 隔離電壓。ISO7842 隔離器能夠在隔離 CMOS 或 LVCMOS 數位 I/O 的同時，以較低的功耗提供高電磁耐受性和低輻射性。每個隔離通道均具備邏輯輸入和輸出緩衝器，由二氧化矽 (SiO₂) 材質的絕緣屏障進行分隔。

TPS7B6933QDBVRQ1：TPS7B69xx-Q1 元件係低壓降線性穩壓器，專為高達 40 V 的 VI 操作而設計。TPS7B6933QDBVRQ1 元件在輕負載下的靜態電流為 15 µA (典型)，因此適用於待命微控制器單元系統，尤其是汽車應用。這些元件提供整合的短路和過電流保護，工作溫度範圍為 -40 °C 至 +125 °C。這些特性使得 TPS7B6925-Q1、TPS7B6933-Q1 及 TPS7B6950-Q1 非常適合用於各種汽車電源應用。

TPS27S100APWPR：TI 的 TPS27S100x 智慧型高壓側開關，是內建 NMOS 和充電幫浦的單通道高壓側開關，能夠提供完整的保護功能。TPS27S100APWPR 具有完整的診斷功能和高準確度的電流監控功能，可實現智慧型負載控制。此外，此開關還具有可調式電流限制功能，能大幅提升系統穩定性。此元件具有精確電流監控和可調式電流限制功能，有別於巿場上的其他類似元件。

ULN2003APWR：此 TI 元件是高電流電晶體陣列。ULN2003APWR 含有七個 NPN 達靈頓對，都採用高電壓輸出及共陰極箝位二極體，可切換電感式負載。元件中的每個達靈頓對的集極電流額定值都為 500 mA。這些達靈頓對可並聯使用，以支援較高的電流要求。一些應用範例包括燈泡驅動器、顯示驅動器 (LED 和氣體放電管)、邏輯緩衝器、電動鎚驅動器、線路驅動器和繼電器驅動器等。

TVS3300DRVR：TVS3300 能夠針對最高 35 A 的 IEC 61000-4-5 故障電流進行分流，為系統提供高功率瞬變或雷擊保護，同時還可針對常見工業訊號線路的 EMC 要求提供解決方案，讓訊號線路在最高 1 kV 的 IEC 61000-4-5 開路電壓通過 42 Ω 阻抗耦合時仍然有效。此元件使用獨特的回饋機制，可保證系統暴露值低於 40 V，從而確保在故障期間實現精確的平緩嵌位。這種嚴格的電壓調節，讓設計人員能夠自信地選擇具有低電壓容差的系統元件，在降低整體系統成本和複雜性的同時兼顧到耐用性。

物流和服務機器人

配備 IO-Link 的超音波遠距離感測器公版設計 - TI 公版設計：此設計 (圖 2) 包含一個超音波遠距離感測器，由於佈局經過最佳化且高度整合，因此能裝入 M12 機殼。此元件配有專為與系統控制通訊而設計的 IO-Link 介面，可支援工業 4.0 標準。超音波感測器的功能是偵測和／或測量遠距物件，且不會受到物件顏色、透明度或表面特性的影響。此元件能夠在工廠和處理廠等嚴苛的工業環境下正常運作。

圖 2：Texas Instruments 的 TIDA-01386 公版設計 (適用於配備 IO-Link 的超音波遠距離感測器)。(圖片來源：Texas Instruments)

EtherCAT P® 單一纜線用於供電及 EtherCAT® 的公版設計 - TI 公版設計：此公版設計展示了電源耦合在 EtherCAT P® 供電裝置電路中的物理實現方式。此公版設計符合 EtherCAT P 官方實施指南的所有要求，包括連續電流限制、湧入電流限制及反極性保護等功能。

適用於 PLC 類比輸入模組的突波保護公版設計 - TI 公版設計：此設計旨在展示 TI 專為工廠自動化與控制設計之 33 V 保護裝置 (例如，前面提到過的 TVS3300) 的保護功能。此設計具有較高的準確度，可用來測量保護裝置在漏電壓和箝位電壓下受到 EMI 應力之前和之後的行為。

TVS3300DRV-EVM：TI 的 TVS3300DRV-EVM 可輔助設計人員評估前述之 TVS3300 的操作和效能。TVS3300 是一款高精度的箝位器，可在暫態過電壓事件期間維持超低和平緩的箝位電壓。有了 TI 這項高精密度的突波技術，無論突波電流幅度如何，TVS3300 箝位電壓均能表現出最小的變化。此外，該元件還能快速回應突波，在發生箝位時限制過衝電壓。TVS3300DRV-EVM 評估模組含有兩組螺絲端子排針座，可用於各種連接器配置的一般用途在線測試。此外，該板還包括兩個方便測試的香蕉插頭輸入埠，以及四個 50 Ω 的 SMA 連接器，可輕鬆連接至示波器。

LM5166DRCT：此元件是小巧且簡單易用的超低 IQ 同步降壓轉換器，電壓範圍為 3 V 至 65 V。此元件能夠在較寬的輸入電壓和負載電流範圍內實現較高的效率。整合式高側和低側功率 MOSFET 可在 3.3 V 或 5 V 的固定輸出電壓，或可調整輸出下提供高達 500 mA 的輸出電流。此轉換器設計可簡化實作，同時提供最佳化目標應用效能的選項。設計人員可以選擇 LM5166DRCT 脈衝頻率調變 (PFM) 模式選項，以取得最佳化的輕負載效率或恆定導通時間 (COT) 控制，進而達到近乎恆定的工作頻率。有一點必須注意，任何控制電路方案都不需要迴路補償，即能提供出色的線路與負載暫態響應以及極短的脈寬調變 (PWM) 導通時間，達到較大的降壓轉換率。

PGA460TPWRQ1：TI 的 PGA460-Q1 是高度整合的晶片上系統超音波傳感器驅動器和訊號調整器，配有進階的 DSP 核心。此元件設有補充性低側驅動器對，可以在變壓器架構的拓撲中使用升壓變壓器，或者在直接驅動拓撲中使用外部高側 FET，來驅動傳感器。此元件能夠接收和調節反射的超音波迴響訊號，進行可靠的物件偵測。若想達到此功能，需使用一個設有低雜訊放大器的類比前端 (AFE)，並將可編程時變增益級饋送到 ADC。經 ADC 數位化的訊號隨即在 DSP 核心中進行處理。然後使用時變閥值計算出近場和遠場物件偵測。

MSP430FR5959IRHAR：MSP430 超低功率 (ULP) FRAM 平台結合嵌入式 FRAM 和超低功率系統架構，可以較低的能量預算提升效能。TI 在這些元件中使用了 FRAM 技術，此項技術兼具 SRAM 的速度、靈活性和耐用度以及快閃記憶體的穩定性和可靠性，且功耗更低。MSP430 ULP FRAM 產品系列包含多種元件，內建有 FRAM、ULP 16 位元 MSP430 CPU 以及針對各式應用的智慧型周邊裝置。ULP 架構具有七種低功率模式，每個模式都已進行最佳化，能在各種用電量高的應用中提供更長的電池續航力。

TIOL111：此系列收發器配有 IO-Link 介面，可用於工業的雙向點對點通訊。在透過三線介面連接至 IO-Link 主控器後，TIOL111 可用作完整的通訊實體層。此時，主控器可啟動與遠端節點的通訊並交換數據。這些元件能夠耐受高達 1.2 kV (500 Ω) 的 IEC 61000-4-5 突波，並能提供整合式反極性保護。

效率大於 90% 且適用於有刷式 DC 伺服驅動器的 10.8 V/15 W、2.4 cm2 功率級公版設計 - TI 公版設計：此 15 W 功率級公版設計 (圖 3) 的尺寸僅 12 mm x 20 mm，可用於驅動和控制依靠三至六芯鋰電池供電的有刷 DC (BDC) 馬達的位置。此設計已經過最佳化，能夠提供高效率的解決方案。其外形尺寸極小，不僅能輕鬆裝入馬達機殼，還支援精確的馬達位置控制。此外，此公版設計還能高速驅動馬達，而不會產生任何位置回授；並且展示了快速而準確的電流感測，繼而實現出色的扭矩控制。最後，板載 MCU 具備 UART 連接能力，允許設計人員透過任何外部控制器進行控制。

圖 3：Texas Instruments 的 TIDA-01588 功率級公版設計 (適用於有刷 DC 伺服驅動器)。(圖片來源：Texas Instruments)

適用於 PLC 類比輸入的 IEPE 振動感測器介面公版設計 - TI 公版設計：振動感測是工業環境監控中的重要環節，也是預測性維護不可或缺的組成部分。整合式電子壓電 (IEPE) 感測器是工業環境中最常見的振動感測器。此公版設計 (圖 4) 的核心在於 IEPE 感測器介面的全類比前端。此設計展示了如何以較低的功率和較低的覆蓋區靈活高速地實現 IEPE 感測器數據的高解析度轉換。

圖 4：Texas Instruments 的 TIDA-01471 振動感測器介面公版設計 (適用於 PLC 類比輸入)。(圖片來源：Texas Instruments)

MSP430FR2433IRGER：TI 基於超低功率 MSP430FRx FRAM 的微控制器系列，具有最低功耗和大量整合式周邊裝置，適用於各種低功率與可攜式應用。這些 MCU 非常適合 MCU 主要以待機模式運作的應用。此外，這個基於 MSP430FRx FRAM 的 MCU 系列最近增加了可擴展數據記錄和安全能力的選項。MSP43FR2433 採用小型 VQFN 封裝 (4 mm × 4 mm)，非常適合外形尺寸小巧的工業感測器，同時還與各種整合式周邊裝置相結合，以此補充其超低功耗。

TPS70933DRVR：TI 的 TPS709xx 系列線性穩壓器具有超低靜態電流，非常適合對功率敏感的應用。這些元件透過使用精密能隙和誤差放大器，在整個工作溫度範圍的準確度達到百分之二。超低的 1 µA 靜態電流特性，使這些元件成為在常開時閒置狀態功率耗散極低的電池供電應用最理想的解決方案。此系列元件提供額外的安全功能，包括熱關斷、電流限制及逆電流保護等。

DRV8870DDAR：TI 的 DRV8870 是 3.6 A 有刷 DC 馬達驅動器，適用於工業設備、電器、印表機和其他小型機器等應用。兩個邏輯輸入控制全橋馬達驅動器，該驅動器由四個 N 通道 MOSFET 組成，能夠以 3.6 A 的峰值電流雙向控制馬達。如要控制馬達速度，可利用選擇性電流衰變模式對輸入進行脈寬調變。當兩個輸入均設為低電位時，這些元件將進入低功率睡眠模式。此外，DRV8870 還整合有電流調節功能，該功能基於 VREF 類比輸入以及引腳 ISEN 電壓，此電壓來自馬達電流流過的外部感測電阻。此元件能夠將電流限制在已知位準，這可顯著降低系統的功率要求，並且無需大容量電容來維持穩定的馬達電壓，尤其是在馬達啟動和失速的情況下。

ESD122DMXR：TI 的這款雙向 TVS ESD 保護二極體陣列，專為 USB Type-C™ 和 HDMI 2.0 電路保護而設計，其額定耗散接觸 ESD 電擊能力達到 IEC 61000-4-2 所規定的最高等級 (17 kV 接觸、17 kV 氣隙)。ESD122 的每個通道具有低 IO 電容，且引腳配置適合對稱式差動高速訊號佈線，因此非常適合保護高達 10 Gbps 的高速介面，例如第 2 代 USB 3.1 和 HDMI 2.0。元件的低動態電阻和低箝位電壓特性進一步為暫態事件提供系統級保護。此外，ESD122 是 USB Type-C Tx/Rx 線路的理想 ESD 解決方案。由於 USB Type-C 連接器有兩層，採用四通道 ESD 元件需要使用 VIA，而這會降低訊號完整性。但使用四個 ESD122 (雙通道) 元件可減少 VIA 數量並簡化電路板佈局。

TLV9061IDPWR：TLV9061、TLV9062 及 TLV9064 分別是單、雙、四通道的低電壓 (1.8 V 至 5.5 V) 運算放大器，具有軌對軌輸入和輸出擺盪功能。這些元件可提供高成本效益的解決方案，適合需要低電壓、小型覆蓋區與高電容性負載驅動的應用。雖然 TLV906x 的電容性負載驅動能力為 100 pF，但電阻式開迴路輸出阻抗便於在更高的電容性負載下更輕鬆地實現穩定。此類運算放大器專為前面所述的低電壓操作 (1.8 V 至 5.5 V) 而設計，效能規格類似於 TI 的 TLVx316 和 OPAx316 元件。

TVS3300DRVR：請參閱上面的「工業機器人」部分。

IWR1642：此元件基於頻率調變連續波形 (FMCW) 雷達技術，是整合式單晶片毫米波感測器，能夠在 76 至 81 GHz 頻帶運作，且具有高達 4 GHz 的連續線性變頻。此解決方案採用 TI 的低功率 45 nm RFCMOS 製程，在極小的外形尺寸中實現前所未有的整合度。IWR1642 非常適合在監控、工廠自動化、物料處理、交通監控、大樓自動化及無人機等工業應用中，用作低功率、自我監控、超精確雷達系統的解決方案。

結論

當前，工業技術需要最具智慧且最先進的機器人系統，以及創新的類比和嵌入式技術。為了支援這方面需求，TI 提供各種解決方案和公版設計，可以加速甚至簡化開發工作。