科幻小說中,幾代人都以各種方式將機(jī)器人融入社會(huì),從使我們的生活更輕松、更美好的有益的良性仆人,到試圖滅絕我們的嚴(yán)酷、沒有靈魂的霸主。在所有情況下,故事開始于機(jī)器人取代人完成瑣碎的、重復(fù)的和危險(xiǎn)的任務(wù),隨著人工智能的出現(xiàn),它們甚至超過了受過嚴(yán)格訓(xùn)練的人類。
從小小的地板清潔工到送貨機(jī)器人和無人機(jī),在使用中并不罕見。社會(huì)已經(jīng)準(zhǔn)備好將它們?nèi)谌胛覀兊纳?,特別是當(dāng)它們變得自主、會(huì)話、甚至有自我意識(shí)的時(shí)候。
幾十年來,汽車制造廠、化工廠和工廠的工作機(jī)器人已經(jīng)取代了許多人,并顯示出成本效益和更高的生產(chǎn)力和準(zhǔn)確性,因?yàn)橹圃鞓I(yè)和工業(yè)應(yīng)用一直是機(jī)器人進(jìn)步的驅(qū)動(dòng)力。
雖然購買、編程和將制造機(jī)器人投入工作的初始投資仍然很高,但它們?yōu)橹圃?a href="http://m.htyl001.com/company/" title="公司" target="_blank">公司帶來了許多好處。
隨著人們強(qiáng)調(diào)將制造業(yè)帶回國內(nèi)的愿望,競爭壓力意味著只有機(jī)器人才能以低成本保持高生產(chǎn)力。它們可以一天工作24小時(shí),沒有休息。他們不休假或放假。它們不請(qǐng)病假(但它們也會(huì)時(shí)常發(fā)生故障)。
關(guān)鍵是,雇用機(jī)器人的制造公司不必支付社會(huì)保險(xiǎn)、失業(yè)、工傷賠償、醫(yī)療保險(xiǎn)、退休費(fèi)等。
隨著固定位置和功能的機(jī)器人被移動(dòng)的、自主的、多功能的學(xué)習(xí)型機(jī)器所取代,能力、安全和成本敏感度變得更加重要。機(jī)器人設(shè)計(jì)者現(xiàn)在面臨著關(guān)于架構(gòu)機(jī)器人和機(jī)器人工作環(huán)境的選擇。
一個(gè)五公斤重的機(jī)器人里裝有十公斤的芯片
傳感器是任何機(jī)器人設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。它們?yōu)闄C(jī)器提供有關(guān)外部世界的信息。雖然老一代的固定機(jī)器人不需要導(dǎo)航,感知障礙物,知道自己在哪里,并找到備用路線,但新的機(jī)器人需要。因此,許多類型的傳感器必須被實(shí)施、監(jiān)測、優(yōu)先考慮、解釋,并用于確定行動(dòng)。今天設(shè)計(jì)師面臨的問題是如何分配傳感器,同時(shí)保持合理的尺寸和重量。是不是所有的東西都放在機(jī)器人里面?還是機(jī)器人從一個(gè)設(shè)施、無線控制器或云端獲得感官數(shù)據(jù)和指令?
你讓機(jī)器人做的事情越多,它就需要越大。機(jī)器人越重,需要的電池電量就越多。這限制了運(yùn)行時(shí)間、速度和性能,并且由于在充電或更換電池時(shí)需要停止使用而增加成本。
空間是有限的,而重量是敵人。因此,你在環(huán)境中放置的智能越多,需要嵌入到機(jī)器人中的就越少。更小,更快,更多的運(yùn)行時(shí)間,更低的成本。雙贏,對(duì)嗎?嗯,只是到目前為止。
即使有了智能環(huán)境,智能和傳感器也必須被嵌入到每個(gè)機(jī)器人中。容錯(cuò)意味著在發(fā)生通信故障時(shí),安全不會(huì)受到影響。因此,使用輕量級(jí)的機(jī)載傳感器,如傳感器、視頻攝像頭、溫度和電池電壓傳感器等,是可行的。甚至今天可用的二維激光雷達(dá)技術(shù)也可以集成到一個(gè)低成本、高效率的機(jī)器人中。
像接近或電源問題這樣的故障安全傳感器應(yīng)被優(yōu)先考慮。例如,機(jī)器人可能不知道它被一個(gè)障礙物固定住了,但驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的電流傳感器可以迅速檢測到故障,并立即移除電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電源。中央設(shè)施計(jì)算機(jī)或云控制器不能快速反應(yīng),以防止可能發(fā)生的火災(zāi)。
在工廠或工業(yè)環(huán)境中,無線通信可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。制造車間是一個(gè)電子噪音環(huán)境。如果發(fā)生錯(cuò)誤和重試,機(jī)器人可能無法及時(shí)得到所需的信號(hào)以保護(hù)安全。這也可能意味著無線鏈路傳輸更高的功率以獲得可靠的通信。
分布式串行架構(gòu)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和優(yōu)點(diǎn)
串行通信是在局部或廣大地區(qū)進(jìn)行分布式通信的理想選擇。系統(tǒng)和設(shè)施的設(shè)計(jì)者和管理者對(duì)可以輕松實(shí)現(xiàn)的串行網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)和類型有多種選擇和選項(xiàng)。
以太網(wǎng)是一種可以使用的串行網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它可以使用Cat5和/或Cat6風(fēng)格的多絞線在一根電纜中進(jìn)行布線。每個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的以太網(wǎng)連接需要八根線,這增加了成本并降低了可靠性。以太網(wǎng)確實(shí)提供了快速的通信速率和運(yùn)行幾百英尺的能力,并可用作區(qū)域內(nèi)串行網(wǎng)絡(luò)的集線器。盡管如此,它對(duì)噪音或靜電放電(ESD)的免疫力并不特別強(qiáng),所以它不是機(jī)器位置的一個(gè)好選擇。此外,以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要更多的處理器資源和帶寬。相比之下,可以使用成本較低的通用異步接收/發(fā)送器(UART)構(gòu)架的異步包構(gòu)架的串行數(shù)據(jù)鏈。
基于UART的串行鏈路也許是最直接和最可靠的。無線串行鏈路即使在最高的電磁干擾(EMI)噪聲和最惡劣的ESD環(huán)境中也是堅(jiān)固可靠的。還有各種驅(qū)動(dòng)器和接收器,可以走幾百甚至幾千英尺,保持一定范圍的數(shù)據(jù)速率。
從結(jié)構(gòu)上看,分布式串行傳感器陣列可以由中央位置控制和監(jiān)測,分布式,或遠(yuǎn)程訪問。這些并不相互排斥。例如,中央計(jì)算機(jī)可以一直運(yùn)行,而后備系統(tǒng)監(jiān)測并在主系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)啟動(dòng)。
串行網(wǎng)絡(luò)中也有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的靈活性。最簡單和最可靠的結(jié)構(gòu)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接(圖1A)。這是最快速、最直接的鏈接。硬件和/或軟件握手可以保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸。
可以配置一串菊花鏈設(shè)備,一個(gè)數(shù)據(jù)鏈路與許多分布式傳感器或執(zhí)行器進(jìn)行通信(圖1B)。數(shù)據(jù)通過每個(gè)節(jié)點(diǎn),并通過作為直通緩沖器的線路接收器和驅(qū)動(dòng)器返回到啟動(dòng)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以單獨(dú)尋址,也可以同時(shí)訪問,例如 "緊急關(guān)機(jī) "命令的情況。
如果設(shè)備被配置成一個(gè)循環(huán),那么可以取消直通驅(qū)動(dòng)器,所有數(shù)據(jù)都返回到啟動(dòng)點(diǎn)。對(duì)于一個(gè)串聯(lián)或環(huán)路結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)速率通常被設(shè)置為一個(gè)單一的波特率。如果使用幾個(gè)多端口串行控制臺(tái)控制器,也可以采用樹形配置(圖1C)。如果來自主機(jī)的數(shù)據(jù)速率足夠快,可以提供所有低級(jí)別的數(shù)據(jù),這允許在串行域中建立多個(gè)傳感器或傳感器區(qū)域。如果不是這樣,以太網(wǎng)連接可以作為最上層的控制臺(tái)服務(wù)器使用。如果傳感器區(qū)被定義為一個(gè)局部的區(qū)域,這可能是一個(gè)有幫助的架構(gòu)。
圖 1:(A) 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接連接。(B) 鏈接設(shè)備的環(huán)路或菊花鏈。(C) 樹配置。
除了遠(yuǎn)程分配傳感器和執(zhí)行器外,分布式節(jié)點(diǎn)還可以包括用于安全控制的專用射頻鏈路或RFID掃描儀,以便在機(jī)器人通過特定的關(guān)鍵位置時(shí)向其讀取和寫入數(shù)據(jù)。任何時(shí)候,只要安全冗余可以在幾乎沒有額外成本的情況下被設(shè)計(jì)出來,利用這種安全冗余是明智的。
串行鏈路層協(xié)議的類型
我們大多數(shù)人都熟悉的一個(gè)老古董是RS-232。這種單端物理層方案使用不歸零(NRZ)信號(hào)協(xié)議,將邏輯零表示為正電壓,邏輯一表示為負(fù)電壓。信號(hào)線永遠(yuǎn)不會(huì)停留在地面上。因此,RS-232是相對(duì)穩(wěn)定的,能很好地拒絕噪音和脈沖故障。由于未連接的電線不會(huì)顯示電壓,所以故障檢測更容易。
雖然RS-232可以穿越幾百英尺,但RS-422可以穿越幾千英尺。RS-422為每個(gè)信號(hào)使用一對(duì)差分線。這使得它對(duì)嘈雜的工廠環(huán)境中可能存在的共模噪聲免疫。它需要兩倍的電線數(shù)量,而且不像RS-232那樣常見,后者用于過去的大多數(shù)計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和調(diào)制解調(diào)器。
RS-485也是一種差分媒介,但也是一種共享媒介。所有RS-485設(shè)備都連接到同一物理線對(duì)。這意味著RS-485設(shè)備只能在半雙工模式下運(yùn)行,而RS-232和RS-422可以在全雙工模式下運(yùn)行。所有RS-485設(shè)備通常具有相同的通信特性,如波特率、奇偶性和停止位。
在適當(dāng)?shù)那闆r下,RS-485也可以跨越幾千英尺,通常用于工廠和工業(yè)環(huán)境。在所有情況下,半導(dǎo)體制造商都為所有這些提供了具有成本效益、設(shè)計(jì)良好、有競爭力的線路驅(qū)動(dòng)器和接收器,并內(nèi)置了ESD和噪聲保護(hù)。
注意,UART框架的異步數(shù)據(jù)包格式,如RS-232、RS-422和RS-485,也被用于汽車領(lǐng)域的控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)和OBDII控制和傳感器總線中。
較早但流行的Midi接口也使用基于UART的數(shù)據(jù)包協(xié)議。這些信號(hào)技術(shù)被很好地理解,并得到工具和開發(fā)固件的支持。它們是工業(yè)環(huán)境中分布式傳感器和執(zhí)行器的理想選擇,特別是如果可以使用多端口服務(wù)器的話。
媒體服務(wù)器解決方案
多端口控制臺(tái)提供通過IP(如以太網(wǎng)和TCP/IP接入點(diǎn))訪問的多個(gè)獨(dú)立串行端口。有8個(gè)或16個(gè)端口的RS-232配置,這些端口可以通過適當(dāng)?shù)慕涌谧鳛镽S-485或RS-422使用。
兩個(gè)10/100/1000以太網(wǎng)端口可以支持單個(gè)串口高達(dá)921.6Kbits/sec的數(shù)據(jù)速率的總帶寬,并允許連接到本地計(jì)算機(jī)資源以及遠(yuǎn)程和分布式全球計(jì)算機(jī)和基于云的服務(wù)。
標(biāo)準(zhǔn)的1U機(jī)架安裝配置可以輕松地集成到幾乎任何設(shè)施中。此外,每個(gè)串口保護(hù)方案都有內(nèi)置的15KV ESD保護(hù)。這些控制臺(tái)服務(wù)器作為TCP/IP網(wǎng)絡(luò)和PLC、數(shù)控機(jī)床、衡器、掃描儀以及幾乎任何類型的基于傳感器的系統(tǒng)之間的理想接口。許多可以被原始設(shè)備制造商(OEM)輕松使用的傳感器系統(tǒng)都支持這些串行標(biāo)準(zhǔn),而控制臺(tái)服務(wù)器允許單獨(dú)連接到這些傳感器。請(qǐng)注意,每個(gè)人都可以有自己的波特率、奇偶校驗(yàn)和停止位配置,簡化了設(shè)置和使用,并最大限度地提高了帶寬,因?yàn)樽盥脑O(shè)備不會(huì)限制更快的設(shè)備。
通過Windows工具、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器、Telenet和各種控制臺(tái)進(jìn)行控制,使操作員和程序員能夠輕松地進(jìn)行設(shè)置、操作和監(jiān)控。像SNMP MIB-II這樣的網(wǎng)絡(luò)管理工具也允許操作和監(jiān)控的標(biāo)準(zhǔn)工具集。后部安裝的布線保持了實(shí)施的清潔和可維護(hù)性,便于擴(kuò)展或更新??梢岳脙?nèi)置的以太網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),創(chuàng)建一個(gè)簡單、低成本、有效的分布式傳感器陣列。
工廠和分布式機(jī)器人傳感器實(shí)例
例如,我們可以把一個(gè)中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)想象成主站,它通過以太網(wǎng)交換機(jī)連接到串行控制臺(tái)服務(wù)器。這為每個(gè)區(qū)域提供了高速帶寬,其中控制臺(tái)控制器充當(dāng)了與各個(gè)傳感器的互連。
在圖2中,一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的例子是通過更高速的以太網(wǎng)交換機(jī)使用冗余的控制鏈路來路由到本地化的區(qū)域。每個(gè)局部區(qū)域可以利用串行控制臺(tái)服務(wù)器的優(yōu)勢,與我們的機(jī)器人將經(jīng)過的每個(gè)傳感器、射頻鏈路或執(zhí)行器建立直接連接鏈接。
即使主控制器出現(xiàn)故障,也可以建立一個(gè)遠(yuǎn)程或冗余鏈接作為備份、看門狗或故障保護(hù)。這可以是一個(gè)本地的冗余控制器,也可以是一個(gè)遠(yuǎn)程或基于云的監(jiān)測和控制。
圖 2:示例拓?fù)?/p>
結(jié)論
在機(jī)器人的環(huán)境中結(jié)合嵌入式和分布式傳感器,可以是實(shí)現(xiàn)工廠或工業(yè)環(huán)境的最安全和最可靠的方式,將自動(dòng)化提升到新的水平??梢栽O(shè)置區(qū)域,并對(duì)冗余的安全機(jī)制進(jìn)行監(jiān)控,以確保所有系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
串行端口仍然是分配傳感器和執(zhí)行器的最具成本效益的方式。
幾乎每個(gè)微控制器都有基于UART的通信,OEM和設(shè)計(jì)的傳感器可以很容易地集成到這種類型的網(wǎng)絡(luò)。這也使得機(jī)器人可以被精簡,不那么復(fù)雜,因?yàn)樗鼈兊脑S多職責(zé)可以被卸載到一個(gè)更智能的設(shè)施上。
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