機器人
OnRobot新機器人研磨工具簡化部署流程
全球協作式應用工具製造商OnRobot近日推出全電動偏心式研磨機OnRobot Sander,能處理自動化研磨及拋光等加工作業。傳統研磨自動化解決方案的部署與維護通常仰賴具機器人相關背景的專業人士來執行,但OnRobot Sander開箱即用的功能,讓使用者能輕鬆地將研磨工具與大部分協作型機器人和輕型工業機器人無縫整合。
為滿足所有部署需求,全方位的OnRobot Sander能提供簡單、快速啟動研磨作業的各式配件,包含:隨插即用的研磨工具、各種規格的標準研磨及拋光墊片、編程容易的軟體、可選配力道/力矩感測器,以及毋需操作員介入便能自動切換不同研磨粒度的磨粒快換裝置(Grit Changer)。
總裁Enrico Krog Iversen表示,OnRobot致力於提供中小型企業更低成本、以應用為核心,且易於部署與維護的解決方案。同時,該公司也積極推動『自動化技術全民化(democratizing automation)』的概念,以多元產品與應用程式來消弭傳統自動化過程中所需的高額成本及導入複雜度,讓初次接觸自動化的企業都能獲取立即可用的解決方案。該公司看到越來越多從未導入機器人的企業期盼透過自動化為現有工作流程帶來助益,多功能的研磨工具OnRobot Sander即為此而生,不僅提供了使用者所希望的功能與優勢,更簡化了傳統自動研磨工具的複雜部署流程、降低成本。此一簡單易用的解決方案能輕鬆地應用在多元場域。」
使用者能夠輕鬆透過實用的內建軟體,為OnRobot Sander編寫簡易的表面加工處理程序,而OnRobot在新推出的解決方案中更進一步優化軟體功能,設計了「保存位置」按鍵,毋需使用機器人教導器,也能夠手動設定工具的路徑點。此外,OnRobot Sander提供了諸如手動引導、作業點與形狀等各種路徑規畫選項,讓使用者能自訂研磨工具的旋轉速度、作業週期及加工一致性等功能。
OnRobot Sander隨附可替換且適用於多種材質的磨砂及拋光墊片,無論是平坦、彎曲或形狀不規則的零件都能順利執行作業。此外,加裝力道/力矩感測器則讓研磨工具能根據不同的作業表面或零件錯位進行靈活校準,並提升加工一致性和品質、降低損耗率。OnRobot Sander所有進階功能皆支援Universal Robots協作型機器人,亦能輕鬆地整合部署於各大品牌機器人。
OnRobot Sander是一款輕量型解決方案(包含研磨墊片在內的重量僅有1.2公斤),搭載具高效能的無刷電動馬達(額定轉速高達10,000 RPM),但運轉成本僅為氣動研磨系統的5%。傳統的氣動研磨機使用外接式空氣壓縮機,不僅昂貴又容易產生氣體外洩,相較之下,OnRobot Sander的無刷電動馬達耐用、可靠,且使用壽命與氣動研磨機無異,甚至更為長久。
研磨作業既髒亂又危險,作業員必須暴露在一連串的潛在健康風險中,例如因手持工具高速震動導致的白指症、懸浮微粒帶來的肺受損等。相較於其他研磨系統,OnRobot Sander透過採用清潔砂紙盤等方式來減少粉塵、降低風險,確保作業員在更安全的環境中工作。
和成偕工業局攜手工研院 打造AI人工智慧研磨拋光機器人
新冠肺炎疫情來襲,在後疫情時代,滿足智動化、降低人力依賴、快速更改與客製化等需求,已成製造業發展新趨。在經濟部工業局AI加值智慧製造產業推廣計畫支持下,工研院與衛浴大廠和成欣業公司(HCG)合作,日前發表首條AI人工智慧虛實整合系統(Cyber Physical System, CPS)研磨拋光機器人技術與產線,透過導入AI人工智慧及感測器等技術,讓機器人如同人類擁有三覺:視覺、聽覺、觸覺,不僅能看能聽,還能感受研磨力量,有助水龍頭研磨、拋光、瑕疵檢測一次到位,幫助和成數位轉型升級,讓和成在疫情期間不但產線生產產能未受影響,反而提升產能,訂單不降反升。今天國內的水五金與機械廠商更慕名前來觀摩台灣首條的AI人工智慧 CPS研磨拋光機器人產線,期許未來導入高科技,以利公司轉型高階產品市場。
台灣水五金廠商約三百家,以出口為主供應全球50%以上水龍頭,每年產值約六百億新臺幣,但複雜外型的水五金較難導入自動化設備,高達9成仍使用人力研磨、1成由機器研磨,加上其工作環境高溫多粉塵、噪音大,以及社會少子化與高齡化的趨勢,傳統產業不易招募新血。因此,工研院從2016年與和成合作開發CPS研磨拋光機器人來解決水五金產業遭遇的瓶頸,並持續導入AI人工智慧和聽覺/力量感測器等科技來優化機器人功能,以助打造品質更佳的水五金。
工研院機械與機電系統研究所所長胡竹生表示,新一代的AI人工智慧CPS 研磨拋光技術生產線,讓機器人具備視覺、聽覺、力覺,使機器人在輔助產線製作水龍頭時,除了能研磨拋光,還可以進行線上瑕疵檢測,並使水龍頭研磨從6分鐘縮短至3分半鐘,效率提升41%;每日檢測時間從200分鐘縮短至80分鐘,檢測時間節省60%、檢測量提升2.75倍,AI人工智慧辨識研磨品質的正確率高達93.3%,藉由AI人工智慧應用協助水五金產業迎向智慧製造,達到快速換線/混線、少樣多量、提高產能的目標。當前,工研院已擘畫2030技術策略與藍圖,對焦六大戰略產業,為產業前行打造美好未來,透過AI人工智慧加值智慧製造,助攻製造業在後疫情時代掌握復甦商機。
和成欣業公司董事長邱立堅表示,導入AI應用於製造產業中勢必為未來的趨勢,非常感謝經濟部工業局在此件事上扮演重要的推手,讓和成在政府與工研院的幫忙由精密機械創新升級。和成舊型產線的水龍頭研磨覆蓋率僅80%,於2016年與工研院合作導入第一代CPS研磨拋光機器人技術後,使水龍頭研磨的產能增加了20%,覆蓋率已高達90%。本次與工研院再度合作「第二代CPS研磨拋光機器人」,水龍頭的研磨覆蓋率能達到100%且成本可降低20%,品質再提升與國際水準接軌,成為消費者之選擇。
觀摩會現場也展示最新一代AI人工智慧CPS 研磨拋光技術生產線,不僅可研磨拋光,更解決了水龍頭在成品瑕疵檢測方面,仍需仰賴有經驗的老師傅目視判斷品質,過程耗時費工且不客觀的問題。此技術整合AI人工智慧演算法、聽覺/力量感測器,讓機器人能自動分類成品的好壞,建立瑕疵檢測的客觀標準,使製程不良率控制在10%內,大幅增進產線檢測品質,有助減輕老師傅的工作負擔和實現彈性製造。
此產線透過架設資料蒐集感測器,可蒐集水龍頭加工資訊、研磨速度和工件尺寸誤差等,並建置製程資料庫,將製程中的各項數據、參數量化與可視化,藉由大數據分析,不僅能強化智慧生產,也有助年輕工作者傳承老師傅的研磨工藝。目前此技術可應用於水五金、金屬工件加工、手工具、鋁壓鑄、航太等產業,輔助研磨、拋光與去毛邊等,未來雙方也將持續合作優化CPS研磨拋光機器人技術,期許強化水五金產業的競爭力。
根據國際機器人聯盟(International Federation of Robotics, IFR)資料顯示,世界各國企業均增加對工業機器人的使用,現今全球工廠有超過240萬台工業機器人正在運行、工業機器人的全球銷售總額逾165億美元。當前,全球企業在新冠肺炎疫情影響下,正重新評估供應鏈管理風險,此將加速企業引進機器人,以利工業生產復甦,疫情危機有助推動機器人和自動化技術,並預估2020年~2022年,全球工廠將安裝近200萬台新的工業機器人,協助企業因應不斷變化的生產需求與市場發展。
高通推機器人RB5平台為5G/AI應用鋪路
高通(Qualcomm)日前基於過去成功的RB3平台,發布專為機器人設計的RB5平台。RB5平台由一系列機器人/無人機通用的軟硬體產品組合而成,將能整合高通的5G及人工智慧(AI)技術,有助於開發人員與製造商創造出下一世代所需的高算力、低功耗機器人/無人機設備,並預計2020年上市。
圖 RB5開發套件。來源:高通
RB5平台採用高通QRB5165處理器,客製化機器人所需的應用程式,提供強大的異構計算結構(Heterogeneous Computing Architecture),加上第五代高通的AI 引擎,效能可達到每秒15兆次 (Tera Operations Per Second, TOPS),用以運算複雜的AI與執行深度學習。此處理器同時使用新的高通Hexagon張量加速單元(Hexagon Tensor Accelerator, HTA)、可支援七顆鏡頭的影像處理器與強化影像分析能力的電腦視覺引擎。
整合RB5平台與QRB5165處理器,高通可以設計多元的產品,包括現成的系統模組,以及晶片上靈活的設計。該解決方案有多種組合,可依照商業或工業及的溫度範圍選擇。同時透過配套模組支援4G及5G連接,RB5機器人平台可為未來的5G機器人及智慧系統鋪路
RB5平台的主要技術包括:
1. 強力的異構計算功能:為了達到高功率的計算效能,平台所用的處理器整合Octa Core Qualcomm Kryo 585 CPU、powerful Qualcomm Adreno 650 GPU、多個數位訊號處理器(DSP)以及ISP,並且使用包含Hexagon張量加速單元的專用AI引擎、電腦視覺引擎。
2. AI引擎:新型的Hexagon張量加速單元基於第五代的高通人工智慧引擎,可以提供每秒15...
WiBotic無線自主充電方案延長機器人運轉時間及電池壽命
隨著機器人對物流、配送及品質檢驗產業的應用,對更高靈活和高效充電解決方案的需求正日益成長,以人工管理這些團隊以及全天候人員輪班處理突發充電需求的可行性也在日漸降低。下一步是增強機器人自主性,即在完全無人工干預的情況下,保持正常工作。這就是WiBotic大顯身手的地方。
WiBotic解決方案可透過無線充電站實現對機器人和無人機 (UV) 的充電,無需人工作業員對機器人和充電設備進行實體連接。此外,無線充電技術還可減少實體連接點的磨損、電源線和地面安裝的充電站的絆倒危險,以及對專用充電室的空間要求。
WiBotic 無線解決方案經過精心設計,可推動「多對多」操作,即多款機器人(含來自不同製造商的機器人)可在不同時間透過同一款基座充電。或者,整個機器人團隊可在倉庫內位於不同位置的充電基座網路中移動。簡而言之,任何機器人都可透過任何充電站充電,即使機器人有不同的電池化學成份、電壓和充電電流也沒問題。
Vicor 48V VI Chip PRM 穩壓器是一款 400W 高效率轉換器,可透過 36-75V 的工作輸入電壓產生穩壓輸出。該裝置可為WiBoticTR-110 無線充電站板載的自我調整匹配基座供電,而該基座又可為機器人或無人機的板載接收器無線饋電。PRM 接收 AC-DC 電源的 48V 電壓,輸出電壓的控制不僅可自我調整,而且該電壓還可在大約 20-55V 之間微調。
Vicor PRM 能在各種阻抗下實現一致的高效率轉換,可靈活支援「全面充電」和「涓流充電」 模式,即使在供電功率較低時效率仍然不致明顯下降。這是同類其它競爭電源解決方案無法實現的關鍵效能指標。這一高效率轉換功能帶來了40~45°C高度一致的最高元器件裝置溫度,有助於在整個功率範圍內解決熱管理限制問題。
WiBotic...
無線充電方案助力 機器人作業更自由
隨著機器人對物流、配送及品質檢驗產業的應用,高靈活和高效充電解決方案的需求正日益成長,以人工管理以及全天候人員輪班處理突發充電需求的可行性也在日漸降低。下一步是增強機器人自主性,即在完全無人工干預的情況下,保持正常工作。
機器人能源解決方案廠商WiBotic透過無線充電站實現對機器人和無人機(UAV)的無線充電,無需人工作業員對機器人和充電設備進行實體連接。無線充電技術還可減少實體連接點的磨損、電源線和地面安裝的充電站的絆倒危險,以及對專用充電室的空間要求,實現新一代完全自主充電的可能。擺脫了以人工管理充電的需要,這些裝置的功能性和生產力提升達到新高,因為這些裝置再不受電源限制。
圖 Vicor 為設計和支援 Wibotic 低功耗開發套件提供協助。來源:Victor
WiBotic可推動多對多操作,即多款機器人(含來自不同製造商的機器人)可在不同時間透過同一款基座充電。或者整個機器人團隊可在倉庫內位於不同位置的充電基座網路中移動。簡而言之,任何機器人都可透過任何充電站充電,即使機器人有不同的電池化學成份、電壓和充電電流。
WiBotic的機器人無線充電方案使用Vicor所提供的48V VI Chip PRM穩壓器。該穩壓器是一款400W高效率轉換器,可透過36~75V的工作輸入電壓產生穩壓輸出。該裝置可為WiBotic TR-110無線充電站板載的自我調整匹配基座供電,而該基座又可為機器人或無人機的板載接收器無線饋電。PRM接收AC-DC電源的48V電壓,輸出電壓的控制不僅可自我調整,而且該電壓還可在大約20~55V之間微調。
Vicor PRM能在各種阻抗下實現一致的高效率轉換,可靈活支援全面充電和涓流充電模式,即使在供電功率較低時效率仍然不致明顯下降。高效率轉換功能帶來了40~45°C 高度一致的最高元器件裝置溫度,有助於在整個功率範圍內解決熱管理限制問題。
聯電攜手台安捐贈超紫光滅菌機器人共同防疫
新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)疫情全球蔓延,聯華電子繼捐贈給慈濟醫院後,於日前再繼續捐贈超紫光滅菌機器人予台安醫院,以協助防疫,共同守護醫護人員及國民的健康;日前台安醫院院長黃暉庭致贈感謝狀,代表全院同仁、病患與家屬表達誠摯感謝。
聯電董事長洪嘉聰表示,看到除了大家已捐贈的大量口罩、酒精、防護衣與隔離衣等防疫物資以外,在這個關鍵時刻希望以科技的解決方案,來幫助目前第一線醫護人員面對的實際問題及心理負擔。此次捐贈台安醫院的「超紫光滅菌機器人」,是國人自行製造的先端科技產品,能運用紫外線光束大範圍的快速消除醫院或開刀房內與器皿的病毒,除了大幅減輕醫護人員日常消毒工作的負擔,不僅降低院內感染的可能性,提供乾淨的環境並透過雲端應用追蹤記錄,讓前線醫護同仁倍感安心。在這個非常時期,希望能增加醫護人員與病患的安全與安心感。
台安醫院黃暉庭院長指出,過往聯電董事長洪嘉聰就非常樂心公益,在疫情擴散之後,第一線防疫醫護人員不但面臨照顧病患被感染的風險和人力負擔。但本著醫護人員的職責及教會醫院基督愛人的精神,聯電提供先進的防護工具,讓第一線防疫人員多一份保障,大家都很感激。
疫情爆發以來,聯電即優先支援與健康醫療和防疫器材相關的客戶訂單,面臨全球防疫物資短缺的困境,更進一步思考如何快速支援前線醫護,協助控管疫情。聯電董事長洪嘉聰表示,企業本來就有應負的社會責任,面對世紀病毒的疫情,並不是只有醫護人員要面對的,應該整個社會動起來,才能遏止病毒的蔓延。該公司本於「以人為本、與環境共生、與社會共榮」的企業公民的精神,在這段期間,除了盡全力來照顧好全球員工的健康與安全,在生產上該公司也優先支援與健康醫療和防疫器材相關的客戶訂單。同時也在想如何能夠在這段期間,聯電也能為防疫工作多盡一點社會責任。很高興有這次機會與台安醫院合作參與防疫,讓聯電能略盡棉薄之力來善盡社會公民的責任,共同守護辛苦的第一線防疫醫護人員與國民健康。
這次台灣,上下團結抗疫有成,是生活在世上最幸福安全的地方,人們要珍惜和持續努力,最後期盼疫情盡快穩定,讓人們早日回歸正常生活。
泓格全時待命案場管理機器人亮相
泓格科技所研發的物聯網雲端管理軟體IoTstar,除可協助使用者建立遠端設備監控與感測器資料自動彙整的系統外,如今,更可透過IoTstar Bot Service套件的強化,在IoTstar系統中加入了LINE聊天機器人,提供使用者透過LINE app進行即時查詢案場資訊、控制現場設備、接收事件影像與訊息等功能。透過與LINE App的連接,為原本生硬的IIoT科技,披上了一層人性化的外衣。
為了滿足使用者透過手機進行操控的需求,很多智慧型家電都會提供專屬App來進行控制,但這需要有廠商架設的公有雲才能夠運作。很多工業控制的整合商也會為客戶撰寫app來進行案場控制,但是只靠帳號密碼來進行人員管控的系統安全性是否足夠?使用者對於安裝App的抗拒感與學習操作的門檻,也成為目前推廣App應用的難題。以LINE聊天機器人作為核心的IoTstar Bot Service,解決了以上的難題。
IoTstar是由泓格科技所研發的物聯網雲端管理軟體,可安裝於PC平台幫助使用者建立專屬的私有雲系統,亦可安裝於公有雲系統的Virtual Machine(VM)平台架設雲端應用。IoTstar除可對泓格科技WISE/PMC/PMD物聯網控制器提供遠端監控管理、設定調整及韌體更新等維運管理服務外,更可自動收集泓格泓格WISE/PMC/PMD所連接I/O模組、感測器與數位電表的數據資料並進行雲端化資訊庫儲存,以提供監控系統雲端化的狀態監控、資訊查詢檢視及資訊加值應用等服務。
而新研發的IoTstar Bot Service套件,以IoTstar系統為基礎,使用LINE Messaging API建構了LINE聊天機器人,提供使用者透過手機,使用LINE app即可進入IoTstar系統。藉由LINE聊天機器人的服務,可隨時進行案場設備的監控。搭配網路攝影機,更可於案場發生事件時,將快照和影片傳送至手機。而一般app最令人擔憂的安全性問題,也因透過LINE的通訊機制而得到完整的保障。
透過IoTstar Bot Servic使用者可使用手機上的LINE app,隨時隨地的與遠端控制器進行雙向溝通,不再受限於只能透過電腦進行監控。透過IoTstar Bot Service所提供的便利介面,使用者不需要重新學習如何使用監控軟體,用聊天式的互動選單即可完成遠端設備監控。
LINE App的對話式介面,搭配IoTstar Bot Service所提供的功能介面,使用者憑直覺即可學會如何進行操作。另外,一般自行開發的app,常會因為iOS與Android系統升級而需要進行改版。但使用IoTstar Bot Service則可將app的更新交由LINE公司處理,而使用者僅需要安裝最新版的LINE app即可。
在實務運用上,使用者可將案場設備依照需求進行群組劃分,透過IoTstar網頁進行I/O通道及電表迴路的群組設定,設定完成後,即可透過LINE聊天室快速瀏覽群組I/O通道(與電力迴路)的即時資訊,亦可對群組中I/O輸出通道數值進行變更。
IoTstar...
所羅門AMR力助提升工廠配送效能
新冠肺炎疫情蔓延全球,驅動許多企業產生危機意識,再次評估工廠導入自動化、智慧製造的可行性。所羅門表示,未來人口結構帶來的缺工問題與工資高漲是不可避免的趨勢,企業對於優化物流程序,轉型智慧工廠的需求逐年升溫,觀察到這個趨勢,公司早在多年前代理自動化、機器人相關產品,致力提供機器人解決方案,也是代理丹麥自主移動機器人搬運車(AMR))大廠MiR的公司。
所羅門指出,引進自主移動機器人搬運車的公司都是希望將倚賴人工、高重複性、費時的工作,轉由自主移動機器人搬運車處理,以提升自動化作業程序,讓人力轉做更高產能的工作,工廠營運更有效率。
全球有不少國際大廠開發自主移動機器人搬運車,影響所羅門決定代理MiR自主移動機器人搬運車的關鍵因素是,MiR的設定操作最簡單,它專為非工程背景的人設計,所以企業不需要增設專人負責操作或維運。
此外,MiR自主移動機器人搬運車具有智慧路徑規劃功能,如果當天行動路徑出現非預期障礙物,MiR自主移動機器人搬運車能重新規劃路徑;因此具有操作彈性,即便作業當天才將MiR自主移動機器人移到另一處場域,也能在短時間內完成圖資,協助物料搬運,且導入過程不需要新增布線、或倚賴信標(Beacon)、感測器等外部基礎設施。
MiR自主移動機器人搬運車深受全球企業信賴的原因,還包含高度安全性。多數工作場域仍需要人力,所以讓員工在安全的作業環境中工作是重要的課題。MiR自主移動機器人搬運車的智慧防護功能,有多重安全機制把關,偵測到人體能自動迴避或關閉。
安全性高並可與人共同作業、加上簡易操作的人性化使用介面讓MiR自主移動機器人搬運車可使用在多元的室內區域,如辦公區域、生產線、倉庫、醫院、無塵室等,在全球已售出上千台的佳績,像是美國Metro Plastics、丹麥大學附屬醫院、位在西班牙的江森自控日立空調都是MiR的客戶。
代理MiR多年的所羅門也是台灣少數具有專業整合能力的公司,以機器人作為開放平台,針對不同環境及功能,配上智慧機器視覺與機器人手臂,便可應用在不同功能不同場域,像是新推出的智慧消毒機器人便是一例。
看好未來產業朝智慧化發展,這幾年切入智慧機器視覺系統市場的所羅門強調,相信科技使用來自於人性,而結合人工智慧的機器人能突破過往機器人無法達成的工作,加快產業轉型,邁向工業4.0。
MOSFET/封裝設計/切換頻率最佳化 服務型機器人驅動再進步
服務型機器人是高度複雜的系統,其中強調設計日趨精巧的極限,以及高效率和可靠性。這類機器人不但尺寸小,技術參數和要求也同樣嚴格。能源效率、續航力長的電池、小巧外型和出色的硬體熱管理,是機器人設計滿足及超越使用者期望的關鍵。如果考量軟體元件,連線服務型機器人資料保護、驗證及授權也是消費者最重視的項目。機器人專案成功與否,往往取決於所需半導體解決方案的可用性和擴充性。本文將探討不同機器人驅動器技術的使用案例和優點,其中特別關注MOSFET、封裝和高切換頻率解決方案,如氮化鎵(GaN)。
圖1 服務型機器人近年廣為工業使用
服務型機器人常見系統架構
在大多數情況下,最常見的機器人架構包括中央處理器(CPU)、電源/電池管理單元、電池充電器、無線通訊(COM)模組、人機介面(HMI)、感測器和驅動模組(有刷和無刷馬達)。部分機器人並沒有本文探討的所有元件,但以上架構仍可作為良好的系統概述。
主CPU是中樞大腦,執行大部分的系統智慧功能。此處理器負責系統協調,以排程獨立的方式命令不同模組執行工作。其餘模組則執行指令,並將狀態回報主CPU(圖2)。
圖2 常見機器人系統架構方塊圖
大多數服務型機器人都是以電池驅動,以便靈活運動。這類機器人採用內建充電器,可直接連接交流電網。在這類情況下,機器人內部包含充電器,以產生高電壓DC位準,並由電源管理單元進一步繼續處理。無線充電功能是這項應用的新興趨勢,特別是需要連續工作的機器人,因為無線充電可讓機器人一邊充電一邊運作。
如前所述,現今大多數機器人系統為電池驅動,因此電源/電池管理單元在架構中相當普遍。電池管理單元負責處理電池的整體狀況(包括健康狀態和安全),同時也提供保護,避免受系統過壓或過電流影響。在電池模組中,安全性(包括身分驗證)是需要考慮的關鍵因素。電池也仰賴通用微控制器實作輔助功能,例如電池系統的計量或監控。除電池管理單元外,電源管理單元以穩定方式為其餘模組控制所需的電壓軌(12V、5V或3.3V),向機器人內部的不同元件供電。其中可以採用固定或可調整的降壓轉換器控制器,或使用線性穩壓器。
機器人配備無線通訊模組,能夠與其他機器人或控制單元等系統互連,即時指揮完整的機器人隊。通訊通常採用Wi-Fi或藍牙技術。在許多情況下,本機控制器負責通訊程序,作為機器人主控制器和外部世界之間的閘道。
越來越多機器人與人類有一定程度的互動。簡單的顯示器或甚至高解析度顯示器可實現人機介面,但LED燈也可用於向使用者提供資訊或反饋。一旦機器人具備足夠智慧,能夠透過語言與使用者互動,因此需要語音輸入及輸出裝置。
此外,服務型機器人設計可以考慮採用不同類型的感測器。驅動器通常會採用位置感測器(霍爾感測器、編碼器)、速度、角度或電流感測器。如果機器人需要精確瞭解其環境,就需要更多類型的感測器,例如用於運動感測的雷達感測器(距離和方向)、氣壓感測器,或用於物體識別的3D影像感測器。對周圍環境的感應能力,提升了機器人的自主能力,特別是部署在擁擠倉庫等複雜環境時。
最後,驅動器模組也是常見系統架構的一部分。若需要精確定位、高速或安靜運作,設計人員將決定結合無刷DC(BLDC)馬達和一組位置感測器;或如果低效能馬達控制(慢速、低精度)足以因應需求,設計人員將選擇有刷馬達,受益於該類解決方案較低的成本。此外,也有機器人應用同時採用有刷和無刷馬達,以同時滿足效能和成本效益等目標。
簡單敘述服務型機器人背後的主要技術結構之後,接下來將揭露傳導損耗如何影響機器人整體效能,以及可用於減輕這類損耗的半導體解決方案和技術。
加強MOSFET品質因素
減少切換/傳導損耗
最佳化機器人電池壽命方法之一,就是提升機器人馬達的效率,以減少功率損耗。在馬達應用中,傳導和切換損耗都是重點。像是半導體商英飛凌(Infineon)便加強MOSFET的品質因數,其中特別重視降低MOSFET的RDS(ON)(汲極至源極導通電阻)及閘極電荷(電容),在每代產品中盡可能降低這兩種損耗。
若視控制方法而定,便可發現不同損耗。使用同步整流時,如果電流飛輪通過其本體二極體,低側MOSFET就會導通。這大幅降低本體二極體的傳導損耗(PLoss=IF×VF),因為新一代產品的MOSFET RDS(ON)值越來越低;不過低側二極體仍是主要的損耗來源之一。為了解決這項問題,採用整合式肖特基二極體的MOSFET,可降低正向電壓,進而將二極體功率損耗降到最低。這類產品稱為OptiMOS FD(快速二極體),可透過字尾LSI識別,例如BSC010N04LSI。
圖3顯示功率損耗分析,於使用區塊整流PWM(6階)搭配同步整流的三相變頻器之中測量。供應電壓為18V,選擇用於比較的MOSFET為LS和LSI版本的BSC010N04。
圖3 功率損耗分析,顯示高側(HS)及低側(LS)MOSFET及本體二極體(D)損耗的傳導(Cond-)及切換(SW-)損耗。低側本體二極體損耗主要為傳導損耗,可使用LSI零件降低。
燭光圖清楚顯示傳導(Cond-)及切換(SW-)損耗,在高側(HS)及低側(LS)MOSFET都扮演重要角色。其中有三項與此有關的主要發現:
1.低側MOSFET允許軟切換,因此切換損耗可忽略不計。
2.低側二極體的傳導損耗,是迄今為止最主要的損耗來源。
3.LSI(快速二極體)版MOSFET採用整合式肖特基二極體,大約可降低25%的傳導損耗,降低幅度取決於電流位準等系統條件。
切換損耗與切換頻率密切相關。機器人變頻器的常見頻率範圍為10kHz至40kHz。切換頻率越高,損耗越大。像是英飛凌的OptiMOS解決方案提供低RDS(ON)及低電荷MOSFET,可大幅降低這兩種損耗;不過損耗不可避免,電源切換時也一定會產生熱。因此熱管理是驅動器設計的主要挑戰之一,特別是在考量小型機器人手臂等高功率密度裝置時。
DirectFET封裝(圖4)為雙側冷卻封裝,直接連接金屬封裝及內部的矽晶片,而矽晶片則直接連接底部PCB,盡可能減少外部熱阻。這類封裝有效將熱從接面傳播到PCB底部,並從頂部通過金屬封裝傳播到空氣中,或可選擇使用散熱器,因應更嚴苛的情況。此封裝除了採用較薄外型,也是空間受限設計的良好選擇。圖3顯示DirectFET和D2Pak封裝之間的熱阻比較。DirectFET熱阻(8.1℃/W)不到D2Pak(16.8℃/W)的一半。
圖4 比較DirectFET和D2PAK封裝的熱阻,DirectFET封裝可在高密度驅動器最佳化熱設計
高切換頻率驅動使馬達控制更精確
工程師在應用中使用氮化鎵(GaN)裝置具有多項優點。GaN特性包括以較低的導通電阻,提供比矽替代品更低的導通損耗,以更低電容減少切換損耗,或改善本體二極體逆復原,使其成為高切換頻率功率應用的理想選擇。提升切換頻率有助於加強驅動器效能,例如減少轉矩波動。在電源供應器等其他應用中,這項技術也用於有效縮小磁性元件尺寸。
隨著切換頻率增加,必須調整控制器。其中應考量PWM解析度,以確保完整迴路能保持所需精度。例如英飛凌便提供XMC4100系列等微控制器產品,配備高解析度PWM模組,用於此類高解析度迴路用途,特別是在切換頻率增加時。此外,切換頻率升高時,必須考量微控制器的處理能力。假設採用逐週期控制方式,就要在更短時間內完成新工作週期計算。而該公司提供的控制器產品組合,其中包含32MHz的XMC1000系列ARM-Cortex-M0,乃至於144MHz的XMC4000系列ARM-Cortex-M4F和AURIX,因應更高的功能安全及效能需求。提升控制迴路執行頻率,可以加強馬達動態,進而實現更精確的控制。
而英飛凌產品方案還包括專門用於驅動器控制計算的特殊MATH輔助處理器(包括用於三角計算的CORDIC單元和一個除法單元)。相較於標準實作,此輔助處理器可縮短XMC1000系列控制迴路的執行時間(比較硬體與軟體計算)。
圖5顯示餘弦和除法函數的執行時間比較—通常用於驅動器控制演算法,如磁場導向控制(FOC)。
圖5 使用標準ARM Cortex-M0和XMC1300進行餘弦和除法函數的標準化執行時間
傳導/切換損耗最小化 機器人開發技術再提升
工程師重視驅動器的設計參數,以便能夠開發下一代機器人解決方案和裝置。他們可以選擇不同的半導體解決方案以微調其設計。最終產品的切換頻率和熱阻等技術參數,訂定了驅動器的要求。為了建構充分最佳化的系統,設計人員必須盡可能減少傳導和切換損耗,並最佳化熱管理。
採用整合式肖特基二極體的MOSFET可降低正向電壓,進而將二極體功率損耗降到最低。工程師還可以利用DirectFET等新型封裝設計,提供最佳化熱管理。新型寬帶隙解決方案(如GaN裝置)可建立基礎,打造切換頻率更高的驅動器,在精度及占用面積等層面提供協助。
(本文作者為英飛凌科技應用工程師)
所羅門智慧消毒機器人助企業打造安全環境
疫情升溫,驅使國人與企業高度重視空間消毒滅菌的頻率與重要性,紛紛尋求較佳消毒滅菌解決方案。所羅門自主研發,整合丹麥移動機器人大廠MiR的機器人搬運車,推出智慧消毒機器人,讓公司行號、企業輕易做好防疫準備,打造安全環境。
所羅門指出,像是醫院、辦公室、工廠、學校、賣場或人潮聚集的地方幅員廣大,採用傳統人工清潔方式,恐面臨人力成本增加或消毒品質不穩定等問題,因此開始洽詢消毒機器人,卻又擔心引進國外機器人費用高、不易操作、穩定性或後續維護等疑慮,所羅門說,公司的智慧消毒機器人整合丹麥自主移動機器人(AMR)領導品牌MiR,適合在下班後或無人環境下清潔,進行室內空氣、物體表面消毒,為公司省下清潔人力與預算,並優化消毒殺菌效果,目前多家醫院洽談中。
所羅門強調,智慧消毒機器人設定簡單,只要事前讓智慧消毒機器人掃描工作區域,機器人便能在設定區域中自由移動不受軌道限制,自動閃躲障礙物,因此可設定在下班後或無人環境進行全環境消毒滅菌工作,不影響日常營運,使用者只需在遠端用行動裝置監控即可。同时,在消毒過程中,機器人能撥放音樂或語音,提醒周遭人群迴避,加強對人的安全守護。
人性化的使用介面與穩定讓MiR自主移動機器人全球已售出上千台的佳績,代理MiR多年的所羅門透露,某大型私立醫院的移動機器人(搬運車)就是與該公司合作。所羅門推出的兩款殺菌機器人,一個是紫外線滅菌(UVC Disinfection)機器人,另一款為滅菌霧化器機器人。