機器人走入平常百姓家

機器人走入平常百姓家

在科幻電影中經常出現的機器人,正以不同的形態走入平常百姓家,最常見的便是割草機器人與掃地機器人。本文將為您介紹家用機器人的發展現況與相關的解決方案。

家事機器人成為家庭的新寵兒

所謂的機器人,并不是專指“人形”機器人,而是各種外型各異、能夠自主工作、替代人類工作的機器人。早期機器人主要應用于工廠,替代人類處理一些繁重、重復性的工作。如今,隨著技術的進步與成本的降低,機器人技術也逐漸走進平常百姓家,例如割草機器人、掃地機器人已經成為當前熱銷的產品,協助人們處理一些重復性的家務工作。

常見的割草機器人、掃地機器人被歸類為自動導引機器人(Automated Guided Vehicle Robot, AGV Robot),具備自動尋找路徑、自主移動執行任務的功能,其主要的組成部分,包含雷達、電機、控制器、各種傳感器(紅外、距離、碰撞、跌落……)、電源等零組件所構成,當然軟件部分結合智能AI功能,能夠自主判斷除草/掃地的范圍、回避障礙物、歸位充電等,讓這種能夠自動導引處理家事的機器人,成為家庭的新寵兒。關于AGV機器人應用,市面上已經有不少的相關產品,我們將為您重點介紹幾款解決方案。

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割草機器人取代乏味的人類勞動

修剪草坪是一項乏味且是一個全年都得做的工作,割草機器人可以在草坪或花園中自主移動并完美地割草,取代乏味的人類勞動工作。由ST推出的解決方案包括多種高性能的STM32微控制器、功率MOSFET、柵極驅動器和集成電機驅動器,以及一系列硬件和軟件評估和開發工具,以幫助設計適用于各種類型的高效電機控制解決方案,以及用于移動割草機器人的輪子和切割刀片的電機(例如三相無刷和有刷直流)。

此外,ST還擁有一系列AC-DC和DC-DC電源轉換和電池充電解決方案,以及廣泛的環境、運動和接近傳感器產品組合,非常適合開發更智能的割草機器人。以Integra Sources所設計的割草機器人為例,使用了ST帶有Cortex-M4內核的STM32F4系列MCU,以及采用FreeRTOS于固件開發,帶有Visual GDB插件的Microsoft Visual Studio使用C/C++于固件實現,采用Altium Designer IDE用于原理圖和PCB設計,使用帶有DVP總線的CMOS傳感器(攝像機),該設備可以使用WiFi或3G連接連接到云(服務器),其第一個原型還具有用于與基站通信的無線模塊,和帶有用于GUI的觸摸屏的LCD。對于精確定位,使用了GPS、加速度計、陀螺儀、指南針(磁力計)和計算機視覺算法。

這臺割草機器人具有圖形界面,充電僅需一小時,并具有智能的自主工作流程,能進行狀態監測與事件警報,它也具備對象檢測功能,能夠使用計算機視覺算法識別草及其顏色,通過加速度計、陀螺儀、磁力計和GPS組成的多傳感器系統,用于檢測割草機的位置,并在電池電量耗盡時自行充電。

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完整解決方案加速產品開發

高質量的掃地機器人或割草機器人設備,需要具備高效率、最長的電池壽命以及高可靠性和堅固性,這實現了基本的區域清潔或切割功能,以及與智能手機的安全無線連接,以設置工作時間表和進行軟件升級。

針對上述的需求,NXP也推出相關的解決方案,NXP的MCU具有高性能處理和精確電機控制、低功耗無線連接選項,以及相互認證產品的安全性,確保設計安全、強大和高效的機器人設備。

針對掃地機器人方案,NXP推出采用i.MX 8M系列的Arm??Cortex?-A53、Cortex-M4,負責處理音頻、語音、視頻,以及具有Arm??Cortex?-M7內核的i.MX RT1050 Crossover MCU、基于Arm??Cortex?-M4的高性能電機/電源轉換Kinetis KV4x-168 MHz MCU,無線模塊則采用88W8987這個2.4/5 GHz雙頻1x1 Wi-Fi??5?5 (802.11ac)結合藍牙??5.2解決方案,或是IW416這個2.4/5 GHz雙頻1x1 Wi-Fi??4 (802.11n)結合藍牙? 5.1解決方案。在家庭局域網(Home Area Network, HAN)則使用JN5189/88 (T)這款用于Zigbee?和具有內置NFC選項Thread協議的高性能和超低功耗MCU,以及QN9090/30這個具有Arm??Cortex?-M4 CPU,具有能效、模擬和數字外設,以及NFC標簽選項的低功耗藍牙MCU。此外還有搭配PMIC、負載開關、安全性(EdgeLock離散組件)、溫度感應器、LED驅動器、加速度計、電機驅動器、流量/壓力傳感器、實時時鐘等零組件。

在割草機器人方面,NXP采用具有Arm??Cortex?-M7內核的i.MX RT1050 Crossover MCU,以及i.MX7ULP這個帶圖形的超低功耗i.MX 7ULP系列,無線模塊則與上述掃地機器人相同的88W8987或W416解決方案,以及JN5189/88 (T)家庭局域網方案,此外還有搭配交直流轉換器、PMIC、安全性(EdgeLock離散組件)、溫度感應器、電機驅動器、LED驅動器、實時時鐘等零組件。

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具備AI能力的自主機器人方案

除了掃地機器與割草機器人外,許多在工廠、倉庫、醫院中也應用各種類型的機器人,結合人工智能的機器人將在工作場所中具有感知、思考和行動的能力。Nvidia推出的Isaac機器人平臺將這種級別的AI帶入這些機器人中,包括AGV和自主移動機器人(Autonomous Mobile Robot, AMR)。

當今的生產和物流環境以移動平臺為其特色,這意味著需要更高的靈活性和效率,通過避免碰撞和停機來提高生產力。SICK公司通過堅固耐用的傳感器和智能軟件支持Nvidia的Isaac機器人平臺,以確保AGV和AMR能夠安全、自主且經濟高效地運行。其中一個重要組成部分是根據情況調整行駛速度,以便移動平臺保持運動,傳感器提供的數據還可用于定位和導航。

其中SICK公司的EFI-pro安全系統能夠對AGV、機器人和其他具有挑戰性的應用進行智能保護,基于工業以太網的EFI-pro網絡技術能夠在所有通信級別中快速交換和傳輸安全和非安全數據,其核心組件是EFI-pro網關,它可確保安全、快速地集成來自SICK的創新傳感器解決方案,以及通過EtherNet/IPTM CIP SafetyTM將機器人控制直接集成到Flexi Soft安全控制器中,因此,Safe EFI-pro系統是實施工業4.0的關鍵推動因素。

Safe AGV Forklift則是具有升降叉的AGV的高效安全解決方案,可以容易地安裝在帶有驅動輪的自動起重叉車上,安全激光掃描器與速度和方向無關的保護區域切換,可防止停機,并減緩部件磨損。解決方案阻止了符合標準的自動裝載和卸載,由于使用了安全編碼器,車輛可以在升降叉以安全降低的速度下降的情況下繼續行駛,并使帶有起重叉的AGV全自動和安全操作成為可能。

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激光測距傳感器進行精準測距

機器人應用中的關鍵組件之一便是各種傳感器,用于偵測機器人周遭的環境狀況。由ST推出的VL53L1X是最先進的飛行時間(ToF)激光測距傳感器,增強了ST FlightSense?產品系列。它是市場上速度最快的微型ToF傳感器,準確測距可達4 m,測距頻率可達50 Hz,采用可回流焊的微型封裝,帶集成透鏡的SPAD(單光子雪崩二極管)接收陣列、940 nm不可見光Class1激光發射器、物理紅外濾光片和光學組件,通過一系列覆蓋窗選項在各種環境照明條件下實現最佳測距性能。

與傳統的紅外傳感器不同,VL53L1X使用ST最新一代的ToF技術,無論目標顏色和反射率如何,都可以進行絕對距離測量,還可以對接收陣列上的感興趣區域(ROI)大小進行編程,提供來自主機的多區域操作控制,從而減少傳感器的視場(FoV)。

VL53L1X是完全集成的微型模塊,尺寸僅有4.9x2.5x1.56毫米,內置運行高級數字固件的低功耗微控制器,可引腳對引腳兼容于VL53L0X FlightSense?測距傳感器,快速準確的進行遠距離測距,典型的全FoV為27°,可以隱藏在許多蓋窗材料后面,并提供用于交鑰匙測距的軟件驅動程序和代碼示例,使用單電源(2v8),具有I2C接口(高達400 kHz)與關斷和中斷引腳。

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超聲波傳感器擁有優異性能表現

在測距應用中,超聲波傳感器也具有相當優異的性能表現,超聲波傳感器在空氣中發射超聲波,并從物體上反射回來,然后反射聲波被傳感器接收。該技術用于檢測防盜報警器和自動門中的物體,以及用于汽車停車輔助系統中的距離測量,也可用于機器人的距離量測。

多年來Murata獨特的壓電陶瓷技術的持續發展,使該公司能夠將各種緊湊型高性能超聲波傳感器產品線商業化。Murata推出多種超聲波傳感器,包括開放式結構超聲波傳感器,其特點是一個復合振蕩體,將振蕩器(將金屬板和壓電陶瓷結合在一起)與諧振器相結合,該主體彈性地固定在底座上并容納在外殼中,諧振器呈漏斗狀,可有效地將振蕩體產生的超聲波輻射到空氣中,并將來自空氣的超聲波有效地集中在振蕩器的中心,“聲壓”是開放式結構超聲波傳感器最重要的參數,在距離測量應用中,超聲波傳感器的聲壓越高,傳感器的偵測范圍越遠。

SMD(Surface Mount device)型超聲波傳感器由于小型化從而可控制聲壓損失,因此可測量中間范圍的距離。小型化的SMD型超聲波傳感器成功地實現了最小的安裝空間,提高了設計的靈活性。

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雷達可進行亞毫米級精準測距

雷達已被證明是一種強大的傳感器,可用于消費電子、醫療保健、監控、駕駛員輔助和工業應用中的短距離定位和生命體征跟蹤。英飛凌針對相關應用也推出了創新的XENSIV? 60 GHz雷達傳感器,可以高速、準確地跟蹤亞毫米級運動,它安裝在可大規模生產的芯片上,可用于各種移動、可穿戴和固定設備,憑借其小尺寸和低功耗,英飛凌高度集成的雷達傳感器解決方案為許多應用帶來了創新、直觀的傳感功能。雷達可支持現有應用,同時提供支持全新用例的功能,它可測量水平和垂直的速度、范圍和角度,以實現精確的位置映像和3D跟蹤。

機器人行業正在蓬勃發展,在制造、物流等領域創造了大量新機遇,無論是工業機器人、協作機器人還是AGV,機器人變得越來越機動,為傳統晶圓廠以外的行業帶來靈活性和效率的巨大潛力,包括電子商務自動化和物流。英飛凌針對機器人應用推出完整的解決方案,無論是電源管理、電機驅動器、通信、環境感測以及位置和條件傳感器、還是定制的安全和安保解決方案,英飛凌的半導體解決方案將繼續成為廣泛的機器人功能和應用的關鍵推動者。

結語

家用掃地/割草機器人已經成為當前最熱銷的家電產品之一,市場發展潛力驚人,本文介紹的各家解決方案,將有助您加快相關產品的設計速度,盡早搶占市場商機,值得您進一步深入了解與參考。

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