יישום חידושים בהתקני חישה, חיבוריות ובקרת תנועה עבור רובוטים חכמים יותר קבועים-במקומם

מערכות רובוטיות מורכבות (קבועות-במקומן), המכונות לעתים קרובות רובוטים רב-ציריים, מתוכננות עבור תנועה מדויקת וביצועים עיליים בתוך מרחב עבודה מוגדר. מערכות אלו מהוות את עמוד השדרה של תאי ייצור ואוטומציה מודרניים, שבהם חזרתיות, מהירות וקיבולת מטען הן קריטיות.

דוגמאות נפוצות כוללות רובוטים שיתופיים (קובוטים), זרועות רובוטיות מפרקיות, זרועות רובוטיות מפרקיות עם תאימות סלקטיבית (SCARAs‏), ומנגנוני דלתא (קישור-מקבילי), כמו גם מכונות בקרה ספרתית ממוחשבת (CNC) ומכונות בסגנון Gantry‏. בהתאם לדרישות היישום, ניתן להרכיב רובוטים כאלה על מסילות, קירות, תקרות, רצפות, או לשלב אותם ישירות במכונות ייצור, מה שמאפשר פריסה גמישה עבור תהליכי הרכבה, טיפול בחומרים, אריזה, בדיקה ועיבוד שבבי.

על ידי שילוב של אלקטרוניקה מתקדמת של הינע, חיישנים מדויקים וארכיטקטורות בקרה בזמן-אמת, פלטפורמות רובוטיות מורכבות אלו מעניקות את האמינות, ורסאטיליות, פונקציונליות והדיוק החיוניים עבור סביבות ייצור חכמות ומחוברות. עם זאת, כדי למקסם את היתרונות והביצועים של מערכות אלו, על המתכננים להבין וליישם את החידושים העדכניים ביותר בתחומי גילוי תנועה, חישת מיקום ואזור, בקרת תנועה וחיבוריות.

מאמר זה מעניק סקירה קצרה של דרישות התכנון של רובוטים מתקדמים. לאחר מכן הוא מציג פתרונות לדוגמה וערכות הערכה קשורות של Analog Devices בהן המתכננים יכולים להשתמש כדי לממש מערכות אלו.

דרישות תכנון של רובוטים מתקדמים

לרובוטים מורכבים מתקדמים (איור 1) יש שני הבדלים בהשוואה לרובוטים ניידים: הם פועלים בסביבה כללית סטטית וידועה יחסית, והם אינם מוגבלים הספקת-כוח מסוללות. עם זאת, הם צפויים לפעול במהירות, בדיוק, בחזרתיות ובדייקנות למרות נסיבות משתנות. לדוגמה, ייתכן שהם יצטרכו לאסוף חבילות בגדלים, צורות, משקלים, כיוונים ומיקומים שונים, ולהניח אותן במיקום מדויק על גבי רצועה נעה. לשם כך רובוטים אלה חייבים להעריך באופן אוטונומי ולהסתגל למצב באופן דינמי, תוך שמירה על מודעות להגדרותיהם ולסביבתם.

איור 1: הרובוט המוכר והנפוץ הקבוע-במקומו מציע כעת דיוק, גמישות ויכולת הסתגלות מצוינים. (מקור התמונה: .Analog Devices Inc)

דרישות אלו מחייבות שילוב קפדני של בקרת תנועה מדויקת עבור אפקטורי קצה, דימות זמן טיסה (ToF) עבור מודעות סביבתית, יחידות מדידה אינרציאליות (IMU) עבור חישת תנועה, וקישור טורי מולטימדיה גיגה-ביט (GMSL) עבור תקשורת אמינה ומהירה.

1: בקרת תנועה עבור תופסני אפקטור קצה: תופסנים רובוטיים מתפקדים כמו ידיים או מלחציים, נפתחים ונסגרים לפי דרישה. עליהם להשתמש בכמות הכוח המתאימה כדי לשמור על אחיזה איתנה מבלי לפגוע במטען. פעולה זו דורשת מדוחף המנוע לווסת את המנוע בזהירות עבור פעולה מדויקת, עקבית וחלקה. על הדוחף להיות בעל מסה נמוכה וקומפקטי עקב אילוצי משקל ומקום.

פתרון מתאים אחד לבקר כזה הוא מנוע סרוו חד-צירי TMCM-1617‏ (איור 2). דוחף מנוע DC ללא-מברשות (BLDC‏) תלת-פאזי זה, בעל משקל של 24 גרם ומידות של 36.8 מ"מ × 26.8 מ"מ × 11.1 מ"מ, יכול לספק עד 18 אמפר RMS ופועל מהספקת-כוח של 8 וולט עד 24 וולט.

איור 2: מנוע הסרוו הקל והקומפקטי TMCM-1617 מעניק בקרת מנוע BLDC שלמה מ-8 וולט עד 24 וולט ו-18 אמפר. (מקור התמונה: .Analog Devices Inc)

ה-TMCM-1617 תומך באנקודרים אינקרמנטליים וחיישני אפקט הול דיגיטליים עבור משוב מיקום, ובכך משפר את הדיוק והחזרתיות שלו תחת עומסים משתנים. עבור החיבוריות הוא כולל אפשרויות אפיק CAN, RS-485 ו-EtherCAT.

כדי להעריך ולכוונן במהירות את ה-TMCM-1617 ואת האלגוריתמים שלו, Analog Devices מציעה את תכן הייחוס של התופסן TMCM-1617-GRIP-REF‏. עיצוב חומרה בקוד פתוח זה מותאם לבקרה מדויקת של מנועי BLDC 24 וולט המשמשים בתופסנים רובוטיים. הוא מספק בקרה מוכוונת-שדה (FOC) מדויקת, המבטיחה אדוות מומנט מינימליות ומאפשרת בקרת מנוע יעילה עם ביצועים עיליים. חבילת התוכנה המוגדרת-מראש מייעלת את תהליך ההתקנה הראשוני, ומקצרת את זמן ההגעה לשוק.

2: חיישני ToF: למתכננים יש שתי אפשרויות בסיסיות כדי להבטיח שהרובוט מודע לחלוטין לסביבתו ולכל אובייקט באזור הפעולה שלו: להשתמש בסידור חישת ToF או להשתמש במצלמת וידאו אחת או יותר. כל אחת מהן מציעה יתרונות וחסרונות יחסיים.

באופן כללי, מצלמות ToF עדיפות עבור חישת עומק ומציעות מדידת מרחק בדיוק גבוה. עם זאת, בדרך כלל יש להן רזולוציה מרחבית נמוכה יותר מאשר מצלמות וידאו קונבנציונליות והן עלולות להיות מושפעות מאור סביבה וממשטחים מחזירי אור. מצלמות וידאו סטנדרטיות, לעומת זאת, מספקות תמונות ברזולוציה גבוהה והן ורסאטיליות עבור יישומים שונים, אך חילוץ מידע עומק דורש עיבוד מורכב יותר ומספר מצלמות.

עבור יישומים רובוטיים רבים, היתרונות של דימות מבוססת ToF הם משמעותיים. עם זאת, תת-מערכת חישה מבוססת ToF דורשת שילוב זהיר של רכיבים אלקטרו-אופטיים רבים, כולל מקור אור LED תואם, עדשות, מסננים אופטיים ומצלמה. בחירה והרכבה של רכיבים אלה דורשות מומחיות חשמלית, מכנית ואופטית נרחבת.

כדי למזער קשיים אלה, חברת Analog Devices מציעה את מודול ToF‏ ADTF3175‏ (איור 3). יחידה שלמה זו כוללת מצלמת ToF‏ לא-ישירה CMOS של 1 מגה-פיקסל (MP). היחידה משלבת גם עדשה ומסנן מעביר-פס אופטי 940 ננומטר עבור המצלמה, מקור אור אינפרה-אדום המכיל אופטיקה, דיודת לייזר, דוחף וגלאי פוטואלקטרי דיודת לייזר, זיכרון Flash‏ ומייצבי הספקת-כוחליצירת מתחי הספקה מקומיים.

איור 3: מודול ADTF3175 כולל את כל הרכיבים האלקטרוניים, המכניים והאופטיים הדרושים עבור תת-מערכת ToF שלמה. (מקור התמונה: .Analog Devices Inc)

יציאת נתוני ענן-תמונה של חיישן ADTF3175 בגודל 1024 × 1024 פיקסלים (עם שדה ראייה (FOV) של 75° × 75°) נשלחת למערכת המארחת דרך ממשק מעבד תעשייתי נייד (MIPI) ממשק טורי מצלמה 2 (CSI-2) בעל ארבעה נתיבים הפועל במהירות של 1.5 גיגה-ביט-לשנייה (Gbits/s) לכל נתיב. תכנות ותפעול המודול נשלטים באמצעות ממשק היקפי טורי (SPI) בעל ארבעה חוטים וממשק C‏^2‏I‏. תחום העומקים הוא 0.4 עד 4 מטרים עם דיוק עומק של ±5 מ"מ על פני כל תחום העומקים.

מעבד אותות תמונת-עומק ADSD3500‏ נלווה ממיר את הנתונים הגולמיים ברזולוציית מגה-פיקסל מה-ADTF3175 כדי לייצר חבילות נתונים של עומק רדיאלי סופי, בהירות אקטיבית (AB) וודאות. הוא מבטיח שיהוי (Latency‏) קצר עם קצב פריימים גבוה, מה שמאפשר למצלמה לקלוט במדויק עצמים הנעים במהירות ולרובוט לקבל החלטות בזמן ולספק ניתוחים מדויקים בסביבות תעשייתיות המשתנות באופן דינמי.

כדי להקל על ההתקנה והמימוש של המודול, חברת Analog Devices מציעה את ערכת הערכה עבור חיישני ToF תלת-ממדיים EVAL-ADTF3175D-NXZ‏ (איור 4). ערכת קוד פתוח זו כוללת את מודול ADTF3175, יחידת עיבוד ספרתי של צד-שלישי עבור יישומי בינה מלאכותית (AI) ולמידת מכונה (ML) משובצים, לוח ממשק מצלמה, לוח מתאם לחיץ Interposer‏ וחצובה.

איור 4: ערכת ההערכה EVAL-ADTF3175D-NXZ מספקת את העיבוד, המחברים והחצובה הדרושים כדי להקל על תכנון חיישן ToF‏ ADTF3175‏. (מקור התמונה: .Analog Devices Inc)

3: IMU: מכיוון שאפקטור הקצה (תופסן) של הרובוט חופשי לנוע לכל מקום בתוך האזור התלת-ממדי שנקבע לו, חשוב לדעת גם את מיקומו וגם את כיוונו באותו מרחב. דרך אחת לעשות זאת היא להשתמש באנקודרים בכל מפרק, ולאחר מכן לשלב את כל היציאות שלהם באמצעות טרנספורמציית קואורדינטות ומשוואות מטריצה. עם זאת, זה דורש מספר אנקודרים רבי-צירים ומוסיף מורכבות חישובית.

חלופה אטרקטיבית היא שימוש ב-IMU בעל שש דרגות חופש (DoF‏-6‏) המשלב מד תאוצה תלת-צירי וגירוסקופ תלת-צירי. יחידת ה-IMU של מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות מיניאטוריות (MEMS‏) ADIS16500‏ (איור 5, משמאל) מספקת יכולת זו במארז זעיר של 15 × 15 × 5 מ"מ עם יציאת SPI. לוח ההערכה ADIS16500/PCBZ‏ המשויך (איור 5, מימין) הוא בגודל 33.25 מ"מ × 30.75 מ"מ. לוח זה משמש בעיקר כלוח פילוג (Breakout‏) המאפשר חיבורי חיווט דרך מחבר בעל 16 פינים (2 × 8) עם פסיעה של 2 מ"מ למערכת ההערכה המקיפה EVAL-ADIS2Z‏.

איור 5: דיאגרמת הבלוקים ברמה-גבוהה של ה-ADIS16500 (משמאל) רק מרמזת על האינטגרציה הפנימית והתחכום של IMU‏ DoF‏-6‏ זה; לוח הפילוג ADIS16500/PCBZ המשויך (מימין) משמש בעיקר כממשק חיבור פיזי למערכת ההערכה EVAL-ADIS2Z. (מקור התמונה: .Analog Devices Inc)

לג'ירוסקופים הדיגיטליים תחום דינמי של ±2,000° לשנייה (s‏/°‏), בעוד שמדי התאוצה הדיגיטליים מציעים תחום דינמי של ±392 מטר/שנייה^2‏. כל חיישן אינרציאלי בסדרת ADIS16500 כולל אכשור אותות הממטב את הביצועים הדינמיים.

בנוסף, מכיוון שלג'ירוסקופים ומדי תאוצה יש מקורות שגיאה ייחודיים אינהרנטיים, כיול יצרן משמש לאפיון כל חיישן מבחינת רגישות, ממתח (Bias‏), יישור, תאוצה ליניארית (ממתח הג'ירוסקופ) ונקודת הפגיעה (מיקום מד-התאוצה). כתוצאה מכך, לכל חיישן יש נוסחאות קיזוז דינמי המניבות מדידות חיישן מדויקות ביותר על פני מגוון רחב של תנאים.

4: GMSL: ישנם שיקולים חשובים בעת מיזוג כל הבלוקים הפונקציונליים הללו בזרוע רובוטית: חייבים לחבר אותם יחד, והם, ובמיוחד מודול ה-ToF, מייצרים כמות גדולה של נתונים קריטיים-בזמן. ממשק GMSL מטפל במצבים אלה. GMSL, שפותח במקור לשימוש ברכב, אומץ על ידי יישומים כמו רובוטיקה, מכיוון שהוא תומך בקצבי נתונים גבוהים הנדרשים בכבל יחיד.

לדוגמה, ממיר טורי-למקבילי MAX96724‏, במארז TQFN בגודל 8 × 8 מ"מ, ממיר ארבע כניסות GMSL 2/1 ל-1, 2 או 4 נתיבי MIPI D-PHY או C-PHY (איור 6). התקן זה, בעל ארבעה כניסות ושתי יציאות במהירות 6 גיגה-ביט/שנייה, מאפשר שידור דו-כיווני בו-זמנית על גבי כבלים קואקסיאליים של 50 אוהם (Ω) או כבלים זוגיים מפותלים מסוככים (STP) של 100 אוהם. ההתקן תומך בעד ארבעה חיישנים הממוקמים רחוק.

איור 6: ממיר טורי-למקבילי MAX96724 ממיר ארבעה כניסות GMSL 2/1 ל-1, 2 או 4 נתיבי MIPI D-PHY או C-PHY. (מקור התמונה: .Analog Devices Inc)

כל קישור טורי GMSL2 פועל בקצב קבוע של 3 או 6 גיגה-ביט/שנייה בכיוון קדימה ו-187.5 מגה-ביט/שנייה בכיוון ההפוך. הקישור יכול גם להתאים באופן אוטומטי את מאפייני המקלט בנתיב קדימה כדי לקזז את מאפייני הפסדי התחיבה והפסדי ההחזרה של הערוץ; הפסדים אלה נקבעים במידה רבה על ידי כבלים, מחברים, השפעות טמפרטורה ומאפייני לוח המעגלים המודפסים (PCB). ה-MAX96724 תומך הן בצבירה והן בשכפול של נתוני וידאו, מה שמאפשר שילוב של זרמים ממספר חיישנים הממוקמים רחוק.

אלו הם התקנים מורכבים להתקנה ולשימוש. חברת Analog Devices הקלה על המשימה בעזרת ערכת ההערכה #MAX96724-BAK-EVK‏ (איור 7). ערכה זו מספקת תכן מוכח ופלטפורמה אמינה עבור הערכת התקני MAX96724 באמצעות כבלים קואקסיאליים סטנדרטיים FAKRA (מכלל כבלים/מחבר עמידים המשמש ביישומי רכב ואחרים) או כבל MATE-AX (גרסה ממוזערת של כבלי FAKRA).

איור 7: ערכת ההערכה MAX96724-BAK-EVK# היא כלי רב ערך עבור מימוש תכן המבוסס על ה-MAX96724 המתוחכם ביותר. (מקור התמונה: .Analog Devices Inc)

הערכה כוללת ממשק משתמש גרפי (GUI) פשוט לשימוש התואם ל-Windows 10 (או גרסה מתקדמת יותר) כדי להפעיל את מאפייני ההתקן.

סיכום

מערכות רובוטיות מורכבות חדישות דורשות שילוב קפדני של מספר טכנולוגיות כדי לפעול במהירות, בדיוק ובגמישות הנדרשים. באמצעות טכנולוגיות מגוונות, כולל בקרת סרוו מתקדמת, דימות ToF ו-IMUs, כולם מחוברים באמצעות GMSL, הם יכולים לממש ולשלב את הפונקציונליות הנדרשת. חברת Analog Devices מציעה את הרכיבים הדרושים יחד עם יחידות הערכה כדי להאיץ את תהליך התכנון ולמזער סיכונים ואי-ודאות.

תוכן קשור

1. וובינר: "רובוטיקה עם GMSL: ראייה ותפיסה במהירות גבוהה בזמן-אמת"
2. Analog Devices, "תכנון מערכת זמן טיסה - חלק 1: סקירה כללית של המערכת"