机器人

机器人是一种能够执行各种任务的自动化机械设备或程序,它们通常被设计和编程来模仿或执行人类的工作。机器人可以采用各种不同的形态和技术,包括物理机器人(具有实体身体)、虚拟机器人(存在于计算机程序中)以及混合型机器人(结合了物理和虚拟元素)。

移动机器人的应用场景日益增多,覆盖工业自动化到服务型机器人等领域。保障移动机器人的操作安全可靠至关重要,因为它们承载的任务更加复杂,且运行环境不可控。 

恩智浦新一代MCX系列微控制器助力应对机器人安全挑战。MCX MCU基于高性能Arm Cortex-M33内核,具有先进的错误检测和纠正功能,非常适合开发开发对可靠性和安全性要求极高的移动机器人。 

移动机器人常见的可靠性和安全问题

移动机器人搭载的电子系统允许机器人感知周围环境、进行智能决策,并精确控制自身的动作。然而,移动机器人在执行任务时可能会面临极端温度、振动和电磁干扰等多种挑战,随着时间的推移,这些压力源会导致机器人的内存出现错误和损坏。考虑到移动机器人预期使用寿命较长,确保电子组件长期的可靠性至关重要。 

移动机器人的内存错误可能导致各种可靠性和安全性问题。机器人控制固件中的位翻转也可能导致执行错误的指令,进而引发意外行为。传感器数据损坏,可能导致解读错误,让机器人做出错误的决策。电机控制出错可能会导致机器人进行计划之外的运动,或者对机器人本身或其周围环境造成损害。 

在安全关键应用中,例如在人类周围工作的移动机器人,此类故障可能带来严重的后果。为了确保移动机器人的操作安全可靠,必须采取严密措施规避内存错误。 

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MCX面向闪存和RAM的纠错功能

恩智浦MCX A系列微控制器包含几个关键功能,可用于检测和纠正内存错误。MCX A内置了高达128KB的闪存,具有纠错码 (ECC) 功能 (参见MCX A参考手册,第4.5节)。MCX N系列闪存最高达2MB,带有ECC功能。闪存的每个128位字包含额外的9位ECC数据。 

ECC是指在每个数据字旁边存储额外冗余位的技术。每次数据读取时,额外冗余位将重新生成ECC位,并与原先存储的ECC进行比较,从而验证数据的完整性。如果重新生成的ECC位与存储的ECC位不匹配,则意味着存在错误,ECC能够纠正该错误。单个比特出错时,ECC能确定具体的出错比特。但出现双比特错误时,ECC只能检测,不能纠正。 

如果微控制器检测到ECC错误,则系统控制器 (SYSCON) 模块会生成总线故障或使用中断来处理该错误。灵活的故障处理能力允许开发人员根据自己的具体应用自定义处理方式。 

MCX A还提供32KB的片上SRAM,其中有一个8KB的块 (RAMA0) 具有ECC功能,能够进行单错误纠正和双错误检测 (参见SEC-DED——MCX A参考手册,第9.1.2节)。当配置为ECC时,MCX N系列提供高达416KB的RAM,在VBAT模式下,其中的32KB RAM可以保持数据不丢失。该功能可保护关键的运行时数据,如传感器输入和算法状态变量。微控制器中部署了一个错误报告模块 (ERM),可提供全面的错误报告和控制功能。ERM从ECC逻辑捕获并记录错误事件,为监测内存子系统的健康状况提供清晰的视图。开发人员可以利用错误信息进行诊断和预测性维护。 

错误注入模块 (EIM) 在读取具有ECC功能的RAM时具有注入错误的能力,可实现自我诊断。这种自检功能允许开发人员进行定期自检,确保微控制器的可靠运行。 

除了ECC之外,MCX A系列还包括一个内存块检查器 (MBC),为不同内存区域的读、写和执行权限提供运行时安全控制 (参见MCX A参考手册,第45.1节)。通过定义内存访问策略,MBC可以防止非法的内存访问。 

MCX纠错技术提升机器人的可靠性

MCX的多种纠错功能相互配合,共同提升移动机器人的可靠性与安全性。通过自动纠正闪存中的单比特错误,MCX能够保持机器人控制固件的完整性。这种完整性可防范机器人执行可能引发非预期行为的错误控制逻辑。 

此外,MCX还具备检测双比特错误的能力,这一功能对于机器人的安全运行和可靠性至关重要。尽管双比特错误无法被纠正,但其检测机制有助于防止使用可能损坏的指令或数据。一旦发现双比特错误,机器人便能够平稳过渡到安全状态,有效避免可能的危险或故障。 

MCX的ECC将其内存保护功能扩展到闪存以外的SRAM。MCX A的8KB RAMA0 SRAM块集成了ECC功能,而MCX N可以将RAMG和RAMH存储块重新用于ECC校正,提供高达416KB的ECC RAM存储空间。ECC RAM支持对运行时数据进行单比特纠错和双比特错误检测。该功能可保护关键数据,如传感器读数、控制输出和中间算法变量,免受可能导致机器人感知、规划和控制逻辑不一致的单比特错误。通过保持这些运行时数据的完整性,MCX的SRAM ECC有助于确保机器人在态势感知和决策制定过程中的精准性和可靠性。MCX N还提供了高达32KB的ECC RAM,在VBAT模式下可保留数据,即便在低功耗状态亦能确保关键信息的安全。 

MBC通过采取内存保护策略提供额外的安全层。它可以阻止非法的内存访问,有助于抑制可能的故障发生,并防止因故障导致机器人的行为不受控制。 

最后,ERM支持基于数据驱动的机器人维护。它能够记录内存错误事件,实现机器人电子组件的健康状态监测。纠正错误的频率增加可能表明即将发生故障,机器人可得到主动维护。 

应用场景示例

以在工业环境中工作的移动服务机器人为例。机器人必须自主导航,在执行任务时避开障碍物和人。 

然而,工业环境可能具有挑战性,设备会产生电磁干扰 (EMI)。这些干扰随时间累积,可能会在机器人的内存中引发比特错误。

MCX的ECC将检测并纠正由EMI引起的任何单比特错误,确保机器人正确执行其控制逻辑。面对更为严重的双比特错误,MCX也能够及时发现并阻止使用受损的数据,从而使机器人能够安全地进入关断状态。

在这些事件中,MCX的ERM将记录发生的错误。维护人员可以监测ERM日志,观察任何潜在故障的迹象。通过主动维护机器人,可以最大限度地减少停机时间,同时提高安全性。

MCUXpresso开发人员体验

恩智浦提供低成本的FRDM开发平台,可使用MCX快速进行原型设计。FRDM开发板具有标准规格和接头,便于连接MCU的输入/输出端口,并内置了MCU-Link调试器,带有USB-C线缆。

恩智浦的GitHub还允许访问应用示例,可以使用应用代码中心门户 (ACH)访问这些示例。MCUXpresso IDE和MCUXpresso for VS Code内置了ACH浏览功能,开发人员可以轻松搜索可用的演示和示例,并在直接加载项目使用之前按设备、应用技术或外设/功能进行筛选。 

扩展板中心 (EBH) 是NXP SDK Builder网站的扩展,开发人员可以在其中找到恩智浦及其合作伙伴提供的一系列附加板,以扩展所选评估板的功能。该中心提供直观的筛选功能,可快速查找板和可用的支持软件。开发人员可以将他们的板与不同类型的扩展板配对,以评估特定用例或应用程序并进行快速原型设计。 

恩智浦赋能安全可靠的移动机器人

移动机器人自动化程度日益提高,确保其操作的可靠性和安全性变得尤为关键。如果忽视这一点,复杂的操作环境所引发的内存错误可能会导致机器人出现预期外的行为。 

恩智浦的MCX系列微控制器具有纠错功能,可满足对可靠性有着严格要求的机器人。MCX系列不仅提供了ECC保护的闪存和SRAM,还包括了运行时内存访问控制和错误事件的日志记录,为内存错误构建了多重防护屏障。 

对于致力于提升移动机器人可靠性和安全性的设计人员来说,恩智浦MCX值得考虑。恩智浦MCX具有先进的架构和全面的功能集,为开发可靠的自动机器人提供强大平台。

本文作者

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Altaf Hussain ,恩智浦半导体运输与移动细分市场市场总监。Altaf在企业、服务提供商和工业应用的应用工程、产品营销和业务开拓方面拥有30多年的经验。他目前担任恩智浦运输与移动部门的负责人,该部门专注于移动机器人、机器视觉和仓库物流自动化领域。Altaf致力于制定系统解决方案,帮助客户借助自主移动机器人加速自动化进程。他拥有英国伦敦南岸大学的电气与电子工程学士学位。

来源:NXP客栈

免责声明:本文为转载文章,转载此文目的在于传递更多信息,版权归原作者所有。本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题,请联系小编进行处理(联系邮箱:cathy@eetrend.com)。

围观 6

移动机器人的卓越性能、平稳运动和可靠运行离不开高效精确的电机控制。机器人的自主性和复杂性不断提高,非常需要能够处理复杂电机控制和其他任务的高级微控制器。恩智浦新一代MCX微控制器产品组合具有先进的外设,可帮助开发人员优化移动机器人系统中的电机控制。 

FlexPWM模块

MCX A和N系列具有通用、高配置的增强型Flex脉宽调制器 (eFlexPWM) 模块,可实现精确的电机控制,并提供广泛的功能集,满足移动机器人应用的各种需求。除了驱动电机的高级控制外,eFlexPWM模块还可用于构建开关式电源。 

eFlexPWM模块的一个主要功能是支持中心对齐、边沿对齐和非对称脉宽调制 (PWM)。

中心对齐PWM可保持相位对齐,并将无刷直流 (BLDC) 电机的电流波纹降至最低,这种电机因其高效率和扭矩密度而常用于移动机器人领域。开发人员采用中心对齐PWM,可以实现更平稳的电机运行,减少电磁干扰 (EMI),并延长电机绕组的使用寿命。 

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中心对齐PWM信号

边沿对齐PWM可简化占空比计算,并更轻松地控制H桥电路,在移动机器人领域应用广泛,可用于双向电机控制、精确定位和速度调节。FlexPWM模块简化了H桥电路必要控制信号的生成,降低了软件复杂性,并提高了固件响应速度。 

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边沿对齐PWM信号

FlexPWM模块还提供相移PWM,这对于涉及多相逆变器的移动机器人应用来说是一个有价值的功能。开发人员对PWM信号进行移相,可同时优化多台电机的供电,确保多自由度的系统 (如机械臂或多轮平台) 实现平稳协调的运动。 

FlexPWM模块还具备强大的故障保护和自动故障清除机制,确保系统安全可靠。一旦检测到故障,该模块会立即切断PWM输出,防止对电机绕组等敏感部件造成损害。故障排除后,该模块可自动清除故障状态,并恢复正常运行,最大限度地减少停机时间,增强整个系统的稳健性。 

有关MCX N系列功能和外设的更多信息,点击阅读白皮书>>

正交解码器 (QDC)

移动机器人需要精确的位置和速度反馈,才能形成有效的闭环控制系统。MCX微控制器具有正交解码器 (QDC) 模块,这是一种专用外设,可简化正交编码器信号的解码过程,并提供可靠的位置和速度测量。 

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QEI

正交编码器生成两个正交信号,即A相和B相,它们的相位相差90度。QDC模块通过分析信号的顺序和频率确定电机轴的位置和旋转方向。该模块的高级功能,如干扰滤波和边缘检测,可确保解码位置和速度数据的完整性与可靠性,即使在存在电气噪声或信号干扰的情况下也能保障。 

QDC模块在计数器初始化方面具有灵活性,支持开发人员根据特定事件或情况调整计数器的位置。例如,计数器可根据编码器每转一圈产生的索引脉冲进行初始化。这一功能还简化了归位例程和绝对定位的实施。此外,QDC模块还支持根据外部传感器或开关触发的归位信号进行初始化,从而实现移动机器人系统的精确控制和校准。 

QDC模块提供多种速度测量方法,可满足不同的应用需求。开发人员可以通过监测固定时间间隔内的位置变化、平衡分辨率和响应时间来计算电机速度。此外,该模块还可以测量连续正交边沿之间的累计时间,提供高分辨率速度测量,适合需要快速响应和精细控制的应用。 

AND/OR INVERT (AOI) 模块

在优化电机控制方面,MCX A系列中的AOI模块与FlexPWM和QDC模块相辅相成。AOI模块支持开发人员创建可编程组合布尔逻辑,根据特定输入条件生成事件输出。在MCX N系列微控制器中,两个AOI模块和一个可配置触发器构成了事件生成器 (EVTG) 模块。 

AOI模块为电机控制提供了高效的解决方案,可以从主处理器分流事件检测和触发器生成任务,从而减少固件开销并提高系统响应速度。通过配置AOI模块来监测位置、速度或故障状态等各种输入信号,开发人员可以创建自定义硬件触发器,启动特定的电机控制操作,而无需持续的软件干预。 

例如,AOI模块能够被设定,在满足特定条件组合时生成触发信号,例如当电机位置达到预定阈值且速度在一定范围内时。然后,此触发信号可用于自动调整PWM占空比、更改电机换向序列或执行任何其他所需的电机控制操作。 

开发人员可以利用AOI模块的可编程逻辑,实施复杂的控制策略,对实时事件做出快速反应,提高整体性能和效率。AOI模块非常灵活,支持根据每个应用的具体要求创建自定义触发条件,使开发人员能够根据其机器人平台的独有特点优化电机控制。 

FRDM-MC-LVPMSM扩展板

恩智浦提供的FRDM-MC-LVPMSM扩展板有助于电机控制应用的开发和原型设计。FRDM板结合了软硬件资源,可加速设计过程。它采用shield扩展板外形设计,可与恩智浦的Freedom开发板平台无缝集成。 

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FRDM-MC-LVPMSM扩展板

FRDM-MC-LVPMSM扩展板与恩智浦永磁电机控制参考软件相结合,可提供完整的电机控制参考设计。该软件套件包括一系列预配置电机控制算法、库和示例项目,使开发人员能够针对其特定的移动机器人应用快速实施和优化电机控制系统。 

此扩展板采用低压三相永磁同步电机 (PMSM),由于其高效率、高扭矩密度和精确控制能力,广泛用于移动机器人领域。此外,该板还包括功率模块、电流检测电路和编码器接口等基本组件,为电机控制开发提供了完整的平台。 

开发人员利用FRDM-MC-LVPMSM扩展板和相关参考软件,可以显著减少设计和验证移动机器人电机控制系统所需的时间和精力。该板与FRDM-MCX开发平台兼容,可实现无缝集成,使开发人员能够根据其特定应用要求选择合适的微控制器。 

MCUXpresso开发人员体验

恩智浦提供了低成本的FRDM开发平台,可使用MCX快速进行原型设计。FRDM开发板具有标准规格和接头,便于连接MCU的输入/输出端口,并内置了MCU-Link调试器,带有USB-C线缆。 

恩智浦的GitHub还允许访问应用示例,可以使用应用代码中心门户 (ACH) 访问这些示例。

MCUXpresso IDE和MCUXpresso for VS Code内置了ACH浏览功能,开发人员可以轻松搜索可用的演示和示例,并在直接加载项目使用之前按设备、应用技术或外设/功能进行筛选。 

扩展板中心  (EBH) 是NXP SDK Builder网站的扩展,开发人员可以在其中找到恩智浦及其合作伙伴提供的一系列附加板,以扩展所选评估板的功能。该中心提供直观的筛选功能,可快速查找板卡和可用的支持软件。开发人员可以将他们的板与不同类型的扩展板配对,以评估特定用例或应用程序并进行快速原型设计。 

恩智浦移动机器人电机控制解决方案 

恩智浦的MCX微控制器产品组合代表了电机控制技术的重大进步,提供了一整套外设,专用于优化移动机器人应用中的电机控制。

FlexPWM模块具有较高的灵活性和可靠性,支持精确电机控制,而正交解码器 (QDC) 模块则提供闭环控制系统所需的精确位置和速度反馈。AOI/EVTG模块增加了一层可编程逻辑,使开发人员能够创建自定义硬件触发器,并分流主处理器的事件检测功能。图片

本文作者

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Altaf Hussain,恩智浦半导体运输与移动细分市场市场总监,在企业、服务提供商和工业应用的应用工程、产品营销和业务开拓方面拥有30多年的经验。他目前担任恩智浦运输与移动部门的负责人,该部门专注于移动机器人、机器视觉和仓库物流自动化领域。Altaf致力于制定系统解决方案,帮助客户借助自主移动机器人加速自动化进程。他拥有英国伦敦南岸大学的电气与电子工程学士学位。

来源:NXP客栈

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围观 14

末端执行器作为整个自动化领域的核心所在,承载着精准抓取、稳定操作以及高效执行各种任务的重要职责。苏州钧舵机器人有限公司推出的搭载先楫半导体HPM6200系列高性能MCU芯片的LRA系列直线旋转执行器(ZR轴)凭借其精确力控补偿、软着陆算法、恒力磁性弹簧技术以及高精度光编技术等多项创新技术,为半导体封测、芯片贴装、3C精密装配等行业提供强大支持。

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钧舵机器人CEO 介党阳博士表示:“钧舵LRA系列直线旋转执行器以其卓越的产品质量和高效的客户服务赢得了3C、半导体等行业标杆企业的青睐。先楫以高性能MCU产品和全方位的技术服务,极大的加速了我们高性能驱动器的开发,显著增强了LRA系列的整体解决方案。这一创新不仅提高了产品节拍,提升了力控精度,还简化了调试流程,从而为客户带来了更高的价值。”

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先楫半导体执行副总裁 市场销售,陈丹 (Danny Chen)表示:“末端执行器是智能制造自动化的核心设备,先楫半导体对MCU在高性能伺服驱动器的应用有深刻的理解和丰富的经验,我们推出的HPM6200系列芯片以其高算力和精准控制力等优点助力钧舵机器人开发出行业领先的LRA系列产品。我期待与更多的像钧舵这样有丰富的行业经验和技术积累的伙伴合作,赋能中国乃至全球的机器人自动化行业。”

钧舵机器人的驱动器解决方案基于 HPM6200 系列高性能多核处理器,专门满足半导体行业在高节拍、高精度Z轴、高精度力控以及高稳定性等方面有严格要求。该方案采用新一代的氮化镓 (GaN) 作为核心驱动,结合 HPM6200 系列的皮秒级高精度定时器和卓越计算性能,大幅提升了电流环带宽并降低电流纹波。双核架构设计使一核运行 RTOS 来处理应用和通信,另一核通过裸机协程控制电机,实现 100kHz 以上的高频率驱控合一。高实时性通信和高频电机控制互不干扰,在单芯片上实现最优的解耦,使 EtherCAT 通信周期在低于 100 微秒间隔的情况下保持极低抖动,完全不影响控制带宽。

钧舵机器人LRA系列产品操作演示

钧舵LRA直线旋转执行器系列自研驱动器方案优势

1. 先进的硬件技术:钧舵机器人的驱动器采用了最先进的氮化镓 (GaN) 半导体技术和 600MHz 主频的双核处理器,在提升功率的同时减小体积,降低电流纹波,显著提高性能和实时性。这种硬件组合使其在性能和成本效益方面均优于其他解决方案。

2. 尖端软件算法:通过引入先进的阻抗和导纳控制算法,实现精准的力控、快速响应和出色的稳定性,相比传统的软着陆技术表现更为卓越,在复杂的动态应用场景中具有更优性能。

3. 专属监控功能与精准适配:钧舵公司所有产品本体的智能芯片提供绝对值信息、温度监控和各种安全报警,并采用专属通信协议以无缝连接到驱动器实时获取其监控数据,进一步提高系统的安全性和稳定性,在温度变化条件下确保最佳的力控精度。

4. 针对性设计与定制功能:驱动器针对半导体和 3C 末端任务特别设计,具备多种定制功能,包括高级力控算法,确保与 LA 和 LRA 本体的完美兼容,为特定应用场景提供最佳解决方案。

钧舵的LRA系列产品采用了差异化的技术路线,能够满足行业的精密制造需求,具备产品可靠性和工艺稳定性的优势。如此精妙的末端执行器,承载的是来自先楫半导体精心打造的高性能芯片解决方案。

主打精准控制

先楫半导体HPM6200系列

• HPM6200系列高性能MCU是先楫半导体于2023年初推出的一款高性能、高实时、混合信号、双RISC-V内核微控制器。

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• HPM6200系列主频600MHz,共有12产品型号,包括单核和双核产品,已量产144 eLQFP 及116 BGA两种封装,并即将推出100 eLQFP封装,有内置闪存(4MB)和无内置闪存选项,提供100ps高分辨率的PWM输出模块,用于复杂信号生成的可编程逻辑阵列PLA,在工业和汽车应用中实现数字电源和高性能电机控制具备显著优势。HPM6200 全线产品通过AEC-Q100 认证,工作温度在-40℃-105℃范围内。

• HPM6200系列具备100ps的高分辨率PWM、16bit ADC以及可编程逻辑阵列PLA,可以为新型的电源系统建设带来诸多可能。其中,100ps高精度PWM可以提高电源变换器的效率、功率密度及性价比。可单芯片实现多种电源拓扑和单芯片实现多轴电机控制;16位ADC可提高电流、电压等信号的采样精度。PLA可实现丰富、多逻辑的保护,并能独立于CPU运行,大大提高了产品的稳定性。

• 模拟技术往往是传统MCU公司的短板,而先楫HPM6200系列拥有3路16位ADC,可以支持2MHz的采样率,同时具备4通道Ʃ-Δ数字滤波;精准控制方面,HPM6200系列100 ps的PWM达到世界一流水平的调制精度,4组独立PWM可实现多路马达控制。

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展望未来,高端智能制造将持续引领全球制造业的转型升级。我们相信,会有更多的应用场景需要用到电动智能运动控制模组。先楫半导体将携手钧舵机器人打造更多高效、智能、绿色的制造解决方案,共创智能制造的美好未来!

来源:先楫半导体HPMicro

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围观 11

机器人系统可自动执行重复性任务,承担复杂而费力的作业,并在对人类有危险或有害的环境中工作。集成度更高、性能更强的微控制器 (MCU) 可实现更高的功率效率、更平稳安全的运动以及更高的精度,从而提高生产力和自动化水平。例如,更高的精度(有时在 0.1mm 以内)对于处理激光焊接、精密涂层或喷墨或 3D 打印的应用非常重要。

机械臂的轴数以及所需的控制架构类型(集中式或分布式)决定了适合该系统的 MCU 或电机控制集成电路 (IC)。现代工厂组合使用具有不同轴数和运动自由度(在 x、y 或 z 平面上移动和旋转)的机器人,以满足不同制造阶段的需求;因此,整个工厂车间采用不同的控制架构。

在选择 MCU 时,选择具有额外性能余量的 MCU 能够在未来实现可扩展性和支持附加功能。在设计过程中,提前规划可扩展性和附加功能也可以节省成本和时间,降低复杂性。

本文将探讨集中式和分布式(或称分散式)这两种电机控制架构,以及实现这两种架构的集成实时 MCU 的设计注意事项。

集中式架构

在集中式系统中,一个 MCU 用于控制多个轴。这种方法能在需要大型散热器和冷却风扇的较高功率电机驱动器(通常超过 2kW 至 3kW)中,有效解决散热问题。在此架构中,位置数据通常通过连接到编码器的旋转变压器板或聚合器从外部获取。

通常,在这种架构中,多个功率级位于同一 PCB 上或距离很近,因此一个 MCU 可以控制多个轴。这种方法简化了多轴之间的实时控制和同步,因为多个电机控制 MCU 之间不需要较长的通信线路。

集中式架构中的电机控制 MCU/MPU 需要具备高性能实时处理内核(如 R5F 内核或 DSP)、实时通信接口(如 EtherCAT)、充足的 PMW 通道以及用于电压和电流检测的外设。AM243x 等 MCU 可构建可扩展的多轴系统,为多达六个轴提供实时控制外设,并在单芯片中实现实时通信。

过去,FPGA 或 ASIC 器件主要用于自动化系统中的集中式电机控制。但是,基于 Arm Cortex 的现代 MCU(如 AM243x)近年来越来越受到青睐。这些 MCU 具有高集成度和成本效益,有助于设计人员满足其系统的性能要求,同时实现设计的可扩展性和灵活性。

虽然集中式控制架构可以满足重有效载荷工业机器人等大功率自动化系统的性能和效率设计要求,但这些系统需要使用额外电缆,连接机柜和关节的机械电机,以及位置传感器和聚合器。这些电线不仅成本高昂,而且容易磨损,需要维护。

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图 1:适用于多轴系统的分散式电机控制架构的方框图

分散式或分布式架构

最近,分散式或分布式架构(图 2)在具有较低功耗要求的系统中越来越受欢迎,并已成为协作机器人机械手的标准方法。

分散式架构将多个单轴电机驱动集成到机器人的每个关节中,并通过 EtherCAT 等实时通信接口进行连接和同步。通常每个驱动控制一个轴,并在本地处理某些安全功能。因此,每个 MCU 都需要实时控制和通信功能、单轴电机控制外设、三到六个 PWM 通道、片上逐次逼近寄存器模数转换器或 Δ-Σ 调制器输入。

在这些应用中,位置传感器通常靠近 MCU ,因此这些 MCU 需要一个数字或模拟接口来读取位置传感器的数据。虽然这种架构需要更多的 MCU,但由于电源总线和通信接口之间的布线需求较少,因此可以大幅降低系统级成本。现代实时 MCU(如 F28P65x)不仅集成了所有必要的外设,还集成了安全外设,从而为分散式架构中的集成轴提供单芯片或双芯片解决方案,并以较小的尺寸实现高性能。

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图 2:适用于单轴系统的分散式电机控制架构的方框图

结语

虽然电机在机器人领域可能并非当下最热门的选择(尤其是与支持人工智能的系统相比),但它们是维持工厂运转的“肌肉”,也是现代制造业中至关重要的部分,因此选择合适的控制器件时需要进行多番考量。随着这些器件集成度的提升,边缘计算和无线连接等附加功能可能会融入电机控制设计中。

来源:德州仪器

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围观 78

随着工业4.0和工业物联网的发展,机器人技术的需求变得越来越重要。同时,市场需要提供易于使用的架构,简化设计流程,并显著降低客户在各种应用中的设计风险。为了满足市场需求,瑞萨电子提供了基于MCU的micro-ROS解决方案。micro-ROS是一个使用ROS 2的机器人控制系统的开源项目,ROS 2是第二代ROS(机器人操作系统),用于微控制器上的各种机器人系统。

在本篇文章中,您将了解用于微型ROS实现工业机器手的最佳硬件和软件平台,这些平台可以使用RA6系列MCU上的解决方案简化设计过程。RA家族及其RA6系列MCU适用于需要以太网、CAN-FD、经得起未来考验的安全性、大尺寸嵌入式RAM以及运行闪存CoreMark®算法的低至107uA/MHz的低功耗物联网应用。更多详情,您可在后文“相关资料”中查看瑞萨RA系列网页网址。

在瑞萨电子与合作伙伴eProsima的共同努力下,我们开发了一个机械手演示系统,通过在RA6M5 MCU上的通信接口来控制机械臂,以展示基于MCU的机器人控制伺服电机的能力,如通过编程操作来抓取和改变物体位置的能力,以及通过游戏手柄与PC通信来进行手动操作的能力等。这个演示是使用商业OpenManipulator-X平台开发的。RA6M5产品页请点击https://www.renesas.cn/cn/zh/products/microcontrollers-microprocessors/ra-cortex-m-mcus/ra6m5-200mhz-arm-cortex-m33-trustzone-highest-integration-ethernet-and-can-fd?utm_source=WeChat&utm_medium=Organic&utm_campaign=WeChat访问查看。

通过RViz(ROS可视化GUI)可操作物体块,Rviz是机器人、传感器和算法的通用3D可视化环境,用于将物体块从A点移动到B点。

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图1. 机器人手臂

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图2. 机器人手臂+基于ROS的机器人身体控制器(JP177)

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图3. 图形用户界面

RA6M5功能

  • 通过即插即用的USB,使用micro-ROS与ROS 2通信;

  • 机械手伺服的自动和引导控制;

  • 从伺服器中检索机械手位置并在RViz上显示;

  • 看门狗:检测通信问题,通过停止机械手运动措施来保证安全。

PC功能

  • 运行micro-ROS代理与开发板通信;

  • 使用常规ROS 2推送器来发送游戏手柄命令;

  • 显示RViz上的机械手运动。

我们使用基于ROS的机器人身体控制器作为MCU平台,在OpenManipulator-X中实现。瑞萨电子在成功产品组合网页上介绍了使用RA6M5的基于ROS的机器人本体控制器的综合系统级框图。基于ROS的机器人本体控制器在微控制器上实现ROS 2节点,并在通用框架中实现传统机器人与物联网传感器和设备之间的互操作性。在基于ROS的机器人本体控制器上,系统设计人员可以通过单线UART和RS-485控制多个伺服系统,这有助于降低各种应用程序初始设计的开发成本和时间,如物流和仓库的服务机器人、安全、农业和医疗保健等。

基于ROS的机器人本体控制器系统框图

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EK-RA6M5(评估套件)是用于RA6M5的MCU评估套件,可用于一般评估,并且是micro-ROS组织官方支持的评估套件。该套件包含快速启动MCU评估所需的所有必要的硬件功能和预编程代码。在micro-ROS GitHub页面上,您可以在瑞萨电子e2 studio和其他开发平台下载支持RA6M5和RA6T2的micro-ROS软件包。具体请在文末查看micro-ROS解决方案支持资源的链接。

eProsima评论:此解决方案演示了一个简化的示例,说明如何将类似的方法应用于更大、更复杂的工业场景,如仓库或生产线。eProsima是一家专门提供针对机器人、物联网和汽车行业的中间件解决方案的公司。eProsima和瑞萨电子的合作将促进基于嵌入式设备的新型机器人应用的扩展。micro-ROS弥合了微控制器和ROS 2之间的差距,高性能RA系列的官方支持使客户能够在工业4.0和工业物联网领域进行经济高效的开发。

瑞萨电子于2023年3月14日至16日在德国纽伦堡举行的Embedded World 2023中参与展出,其中展示了工业机器手的演示。欲了解更多信息,请在文末访问micro-ROS Solution方案网站链接和eProsima RA家族和micro-ROS支持链接。我们还将提供专门用于电机解决方案的RA6T2解决方案。

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新闻 | 瑞萨电子RA MCU集成micro-ROS框架,简化专业机器人开发

相关资料

前文中提到的相关产品/方案详情,您可点击下方链接访问查看:

micro-ROS

https://micro.ros.org/

eProsima

https://www.eprosima.com/index.php/products-all/third-party-solutions/renesas-ra-family

RA6M5

https://www.renesas.cn/cn/zh/products/microcontrollers-microprocessors/ra-cortex-m-mcus/ra6m5-200mhz-arm-cortex-m33-trustzone-highest-integration-ethernet-and-can-fd

OpenManipulator-X

http://en.robotis.com/shop_en/item.php?it_id=905-0024-000

EK-RA6M5

https://www.renesas.cn/cn/zh/products/microcontrollers-microprocessors/ra-cortex-m-mcus/ek-ra6m5-evaluation-kit-ra6m5-mcu-group

micro-ROS解决方案支持资源

https://www.renesas.cn/cn/zh/application/key-technology/motor-control-robotics/micro-ros-solutions

eProsima RA家族和micro-ROS支持

https://www.renesas.cn/cn/zh/products/microcontrollers-microprocessors/ra-cortex-m-mcus/ra-partners/eprosima-micro-ros-support

RA6T2

https://www.renesas.cn/cn/zh/products/microcontrollers-microprocessors/ra-cortex-m-mcus/ra6t2-240mhz-arm-cortex-m33-trustzone-high-real-time-engine-motor-control

更多资源

https://eprosima.com/index.php/company-all/news/309-robot-arm-demo-renesas-micro-ros

来源:瑞萨电子

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关于扫地机器人

众所周知,清洁是一项既费时又费力的工作,稍微长时间的清洁会使人感到腰酸背痛。在科技高速发展的今天,智能扫地机器人已大量投入市场,并得到越来越多家庭的认可。扫地机器人,顾名思义,可以扫地的机器人!目前市面上扫地机的品牌非常多,机器的功能也是多种多样,但最基础功能都是扫地和吸尘。行业痛点包括以下几个方面:

1、扫地机路线的规划不智能

部分机器人具有较好的扫地路线规划功能;但有些产品的清扫计划则杂乱无章,前者虽然扫地慢,但清洁方位全;对后者,除了清洁遗漏之外,很多使用者反馈,有些产品来回清扫一个地方,而对有垃圾的地方则熟视无睹。

2、障碍物绕行能力差

扫地机器人一般都植入了传感器以感知并绕开障碍物,但部分产品可能是传感器选择及算法不到位,被困后通过反复撞击来尝试出路,呈现的是一幅无序的弱智路线。

3、清洁能力参差不齐

清洁能力与产品的售价成正关系,但也有不少产品虽然价格居中,却有着不错的清洁效果。但整体而言,所有扫地机器人的清洁能力还是深受边角、床边等场景影响,无法对这些场景做很好的清理工作;另一方面,对粉尘类的清洁,无论是优质产品还是一般产品,都无法做到人工的效果。

4、非故意“伤害”

扫地机器人是按照程序运转,自我识别能力差,对规划路径范围内的物件,都被认定为垃圾,比如小巧的玩具、线缆等。

我们的SWM341在扫地机器人应用上MCU硬件可以完美匹配。

“SWM341系列扫地机主控板"

“SWM341系列扫地机主控板"
SWM341系列扫地机主控板

华芯微特SWM341系列MCU硬件可以完美匹配扫地机功能所需资源,SWM341 内核采用 ARM Cortex-M33 控制器,片上包含精度为 1%以内的 20MHz/40MHz 时钟,可通过 PLL 倍频到 150MHz 时钟,提供内置 Flash(512KB), SRAM(64KB),,此外还包括 1 个 32 位看门狗定时器, 5组32位加强型定时器, 12 组24位基础型定时器, 10 路独立通道 16 位的 PWM 发生器, 2 个共计20通道12位、 2.5MSPS的逐次逼近型 ADC 模块。外设串行总线包括多个UART接口、SPI 通信接口(支持主/从/I2S 模式选择)及 I2C接口(支持主/从选择)。支持LQFP64/LQPF100等多种不同封装选择,多路PWM支持单个芯片控制多个马达,为客户节省BOM成本。

SWM341系列MCU,多个技术亮点,可以为工程师解决行业痛点提供强有力保证:

1、具备高算力及高存储,有效保证处理实时性及数据存储

用户对房间进行建模,自定义房间大小数据,通过分析对路线进行最优化处理,然后将算法下载到扫地机上。SWM341具备浮点运算能力,可以提供高达150MHz主频,内置512KB Flash,34S系列还内置了8MB SDRAM,为客户提供高算力基础以及复杂智能算法的大数据存储基础。

2、具备丰富外设资源,单芯片提供整体解决方案

具备24路以上PWM,可以涵盖轮机控制,边刷、中扫、吸尘马达,以及各类信号发射及蜂鸣器等功能,20路ADC用于多项传感器监测,4个串口用于陀螺仪、超声、WIFI等模块通信。此外提供多个IO用于处理按键及显示部分。通过多传感器处理以及大容量数据存储,来优化对墙壁,台阶,电线等障碍物。

扫地机产品框图

“SWM341应用方案

来源:华芯微特32位MCU
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扫地机器人,顾名思义,可以扫地的机器人!扫地机器人的基础功能就是扫地和吸尘了,扫地和吸尘是两个不同的概念;吸尘,就是将灰尘吸干净,这个功能很早之前,吸尘器就做的很好了!而吸尘的同时,将粘在地面的污渍扫起来,再吸进去,这功能就很棒了!这两个功能的实现需要扫地机拥有一个强劲的电机,产生很大的吸力,同时需要一个高速运转的滚刷配合。

生活水平的提高,让大家对洁净有了新的追求!在打扫好地面之后,再来拖一遍,就显得无比干净,彻底!干拖效果没有湿拖好,但湿拖后又会有些水渍,湿拖之后再干拖,就更完美了!所以,最新的扫地机器人就已经具备了干湿分离两用抹布,一块抹布,两种效果!非常不错!

惹人喜爱的小功能——自动返回充电。因为是机器人,就需要能量供给,电池没电了就要去充电,而搬来搬去会很麻烦。现在的扫地机器人基本都实现了自动返回充电功能,当机器电量不足时,机器会留下一部分电去找充电座,充满电再出来打扫!好的品牌回充的成功率达到100%。此外,现在的扫地机器人可以预约时间,每天定时打扫。好的扫地机器人还可以做到7天预约模式,每天都可以有一个不同的打扫时间,很方便。

小米扫地机器人采用航顺32位主控MCU HK32F103VET6,负责电机控制、路线算法、遥控接收、电池管理等功能。

扫地机器人实物图

“基于HK32F103VET6系列MCU扫地机器人,让智慧生活更美好"

扫地机特点:

  • 有大吸力、电控水箱、惯性导航系统、扫拖一体、悬浮吸口、断点续扫、实时地图显示、红外碰撞减速、米家智能联动、小爱语言控制等核心特点,解决中小户型清洁问题。

  • 清扫、湿拖高效配置赋予双重清洁实力。整机2200Pa暴风般吸力,深入缝隙的高效清洁。

  • 惯性智能导航系统,步步为营,一扫即净。内置高精度陀螺仪,智能弓形清扫,清洁路径更高效,房间的边边角角都能扫净。

扫地机器人系统框图

“基于HK32F103VET6系列MCU扫地机器人,让智慧生活更美好"

HK32F103VET6产品特点

——CPU

•ARM Cortex-M3内核

•最高时钟频率:120MHz

•24位System Tick定时器

•支持CPU Event信号输入至MCU引脚,实现与板级其它SOC CPU的联动

——工作电压范围

•双电源域:主电源VDD为1.8 V ~ 3.6V、备份电源Vbat为1.8 V ~ 3.6V

——工作温度范围:-40℃ ~ +105℃

——VDD典型工作电流

•运行(Run)模式:16mA/120MHz@3.3V(133.3uA/MHz)

•睡眠(Sleep)模式:7mA/120MHz@3.3V(58.3uA/MHz)

•停机(Stop)模式:30μA@3.3V

•待机(Standby)模式:2μA@3.3V

•关机(Shutdown)模式:100nA@3.3V

——存储器

•最高527 Kbyte的Flash存储器

•CPU主频不高于24 MHz时,支持零等待总线周期

•具有代码安全保护功能,可分别设置读保护和写保护

•支持存储于Flash的指令和数据加密,以防止Flash内容被物理攻击

•97 Kbyte SRAM

——时钟

•外部HSE:4~32 MHz,典型频率为8 MHz

•外部LSE:32.768 kHz

•片内HSI:8 MHz/56 MHz

•片内LSI:40 kHz

•PLL时钟

•芯片管脚输入时钟

——DMA

•2个独立DMA控制器:DMA1和DMA2

•DMA1提供7路通道

•DMA2提供5路通道

•支持Timer、ADC、SPI、I2C、USART等多种外设触发

——安全加密:CRC计算单元

——数据通信接口

•6个USART:支持主同步 SPI和调制解调器控制,具有 ISO7816接口、LIN、IrDA能力、自动波特率检测和唤醒特性

•3个高速SPI:支持 4至16个可编程比特帧和复用的 I2S接口

•2个I2C:支持极速模式(1 Mbit/s)、SMBus和PMBus,可从停机模式唤醒

——定时器

•1个高级控制定时器(TIM1/TIM8)

•5个通用定时器(TIM2/TIM3/TIM4/TIM5/TIM17)

•1个基本定时器(TIM6/TIM7)

——日历 RTC,具有闹钟功能,可从停机 /待机模式周期唤醒

——片内模拟电路

•3个12位的ADC:25个外部模拟信号输入通道,支持最高1 MSPS采样频率的自动连续转换和扫描转换

•1个温度传感器:模拟输出在内部连接到A/D转换器独立通道

——算术运算协处理器

•RM Cortex-M4内核支持的绝大部分算术指令

•实现支持32单精度浮点运算

•支持多种自定义的32位及64位算术运算

——可靠性

•通过HBM2000V/CDM500V/MM200V/LU等级测试

来源:航顺芯片
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瑞萨与eProsima携手,推动机器人技术在工业和物联网领域的应用;EK-RA6M5评估套件现已成为micro-ROS官方支持开发板

全球半导体解决方案供应商瑞萨电子集团(TSE:6723)与专注于中间件解决方案的SME公司eProsima,今日宣布,基于RA MCU的EK-RA6M5评估套件成为micro-ROS开发框架(适用于MCU的机器人操作系统)的官方支持硬件平台。瑞萨与micro-ROS框架的主要开发商eProsima携手,将micro-ROS移植到RA MCU中。

“RA
RA MCU集成micro-ROS框架,可简化机器人设计

micro-ROS框架允许MCU在机器人操作系统(ROS)2数据空间中进行标准化集成,为嵌入式系统提供基于标准通信中间件的既定应用开发框架。将micro-ROS移植至瑞萨RA MCU中,有利于促进机器人开发框架在工业4.0和工业物联网的应用。可在Windows和Linux系统下运行的瑞萨e2 studio集成开发环境现在也支持micro-ROS的实现,将大幅简化micro-ROS客户端库的使用流程。

Renesas Advanced(RA)产品家族32位Arm® Cortex®-M MCU具备优化的性能、安全性、连接性和外围IP,可应对下一代嵌入式解决方案的诸多挑战。瑞萨已经建立全面合作伙伴生态系统,并提供包括微软Azure RTOS和FreeRTOS在内的一系列面向RA MCU且开箱即用的软硬件构建模块。这些特性使RA产品家族成为运行micro-ROS的理想参考平台。

瑞萨电子物联网及基础设施事业本部高级副总裁Roger Wendelken表示:“随着工业4.0和工业物联网的发展,机器人技术变得越来越重要。RA产品家族的性能和功能使其成为机器人应用的理想选择。我们很高兴与eProsima合作,为我们丰富多元的客户群带来强大解决方案。”

eProsima CEO Jaime Martin Losa表示:“为实现低成本开发,构建获得众多软硬件供应商支持的通用平台至关重要。micro-ROS是微控制器和ROS 2之间的有效桥梁,可扩展基于嵌入式设备新型机器人的应用范围。”

结合瑞萨其他产品,现已推出一款基于ROS的机器人本体控制器“成功产品组合”,展示了如何在RA6M5上运行micro-ROS。该“成功产品组合”由模拟、电源、时钟产品和嵌入式处理器组成,提供一个易用的架构,可简化设计并显著降低客户面对各类应用的设计风险。瑞萨现已推出200余款与兼容产品无缝配合的“成功产品组合”,更多信息,请访问:renesas.com/win

供货信息

micro-ROS的硬件支持分为官方支持板卡和社区支持板卡。瑞萨EK-RA6M5评估套件支持在RA MCU上运行micro-ROS,现已是官方支持的micro-ROS硬件平台。更多信息,请访问瑞萨机器人操作系统(ROS)Micro-ROS

关于瑞萨电子集团

瑞萨电子集团 (TSE: 6723) ,提供专业可信的创新嵌入式设计和完整的半导体解决方案,旨在通过使用其产品的数十亿联网智能设备改善人们的工作和生活方式。作为全球微控制器、模拟、电源和SoC产品供应商,瑞萨电子为汽车、工业、家居、基础设施及物联网等各种应用提供综合解决方案,期待与您携手共创无限未来。更多信息,敬请访问renesas.com。

关于eProsima

eProsima是一家专注于机器人、物联网和汽车行业中间件解决方案的企业,支持大型机器人系统(如ROS 2和微控制器机器人操作系统默认中间件Micro XRCE-DDS)的中间件部署。

围观 86

目前,中国已经进入了老龄化社会,预计从2020年开始,中国将步入老龄化严重阶段;2050年中国将步入超高老龄化国家行列,60岁以上人口将占到30%左右。全国约有1400多万老年人将进入老年福利机构养老。特别是对于卧床不能自立的老年人,无论在养老院或家庭,个人卫生护理洗浴都是难题。而最重要的日常护理之一就是洗浴。因此,开发面向家用与医用环境的个人卫生护理机器人,利用智能控制、人机工程学等技术进行设计,实现洗浴过程的自动化显得尤为重要。单片机控制技术作为自动化控制技术的核心之一,采用单片机技术对服务机器人实现洗浴过程的单元模块化控制系统设计,主要实现智能洗浴、洗发、干身、按摩和康复等作用于一体化,设计控制方便,功能强,性能可靠。

1 控制系统的工作原理

根据洗浴控制单元的控制功能和要求,设计该洗浴单元控制系统方案原理框图如图1所示。

单片机实现洗浴服务机器人的控制系统设计

1)人机界面 各种控制信号命令通过触摸屏输入,触摸屏模块与控制系统主机单元相连接,通过主机控制单元输出各种控制指令,控制单元输出的命令由输出模块输出控制信号。

2)控制系统单元 包括硬件部分和软件部分,是整个洗浴控制单元的核心。接收输入/输出信息,通过软件控制各控制单元执行相应的动作。

3)输出模块 驱动各个输出电磁阀的动作,以及电动机、水泵的运转。

4)传感器模块 用来检测水箱、洗发池、洗浴池的水位,以及水温的温度等,并将检测的信息反馈给其他控制系统单元处理。

整个控制系统包括两大部分:硬件部分和软件部分。硬件是整个系统的基础,以单片机为核心,配以一定的接口电路和软件控制。软件部分充分支持和配合系统的硬件,从而完成系统的各项控制任务。

根据洗浴控制过程要求,设计能够实现其功能,控制系统单元的原理图如图2所示。

单片机实现洗浴服务机器人的控制系统设计

洗浴功能:洗浴单元控制系统开始工作时,安装在水箱中的浸没式加热器开始加热,在加热过程中,通过DS18B20采集水温值,通过触摸屏模块来调节设置温度,通过LCD1602显示出当前的水温和设定的水温值。当达到设定水温时则加热器停止加热。然后由触摸屏按健选择洗发、淋浴和洗浴等工作模式。

1)洗发功能控制 先用调整好温度的水浸润头发,再用混合有洗发液的温水冲洗头发,在温水注入到设定值后,系统自动关闭注入温水和洗发液的阀门,启动循环水装置,在设定的时间内用混合液体反复冲洗头发,洗发过程结束后,自动打开排水阀,排掉污水;同时打开温水进行冲洗,待头发洗干净后,停止冲洗,打开热风吹干头发,结束洗发过程,清理消毒。

2)淋浴功能控制 先调整好水的温度,设置洗浴功能后,系统自动打开浴池上方的电磁阀,同时打开其下面的排水阀。由上下方的喷淋阀对人体进行全面的清洗,清洗干净后,打开具有一定压力的热空气阀门,对洗浴人体进行烘干,烘干结束后,清理清毒。

3)整个洗浴功能控制 当冼浴人进入浴舱后,由监护人员或洗浴者本人盖好浴缸上盖板,启动洗浴按钮,系统自动调整水温,将混合有固定比例沐浴液的合适的温水注入浴缸内,在温水注入到合适水位后,停止进水。系统进入定时泡浴阶段,在浴缸内设置有水的污浊度检测传感器,系统实时检测水的污浊度,通过污浊度检测,自动设定洗浴时间,以适应不同程度的人体洗浴需要。在洗浴效果达到设定值后,放掉洗浴污水,注入干净温水冲洗,冲洗完成后,对洗浴人进行烘干,待人出浴后,对接触人体部分清理消毒。

洗浴和洗发时要根据人体需要,对洗浴液或洗发液与水的混合进行科学配比,并合理控制水温、时间、压力等参数。在整个控制系统中,设置有水温、水位等多项传感器,对于洗浴或洗发全过程要进行实时检测,以防止人身和设备发生意外。

由于输出系统较复杂,输出接口较多,只用51单片机自身的I/O口不够,而且如果单片机接的外设较多,则会使单片机的CPU利用率大大的降低,因此,设计选用了8255A作为输出接口扩展芯片。

2 软件部分

系统采用单片机89C51作为核心控制器,通过硬件电路设计及软件程序编制,设计洗浴单元的控制系统。采用C语言进行程序编制,具有可靠性高、实时性强、简练易于维护,调试方便等优点。

主要实现洗浴功能、洗发功能和淋浴功能3个模块的功能。把3个主模块功能分别用软件编程作为子程序,然后在主程序中根据需要调用各模块。主程序模块主要有初始化模块、温度显示模块、触摸屏子程序模块和报警模块等模块组成。控制主程序流程图如图3所示。

单片机实现洗浴服务机器人的控制系统设计

3 系统的抗干扰性和可靠性设计

1)防止射频干扰 由于射频干扰是以空间电磁场的形式传递在机器内部的导体引线或零件引线的感生引起的干扰,所以通过电磁屏蔽和合理的布线/器件布局,来衰减该类干扰电源线或电源内部产生的干扰。通过电源滤波,隔离等硬件措施来抑制该类干扰。

2)提高振荡源的稳定性 主要由起振时间频率稳定度和占空比稳定度决定,起振时间可由电路参数整定等确定。

3)提高软件的抗干扰性和可靠性 在设计中,采用软件消抖动方法。编程时用延时10 ms的延时程序来消抖。由于输出要驱动电磁阀线圈和电机等电感性负载,还有输入传感器的连接,为防止外部射频对它们的干扰,在连接输入/输出驱动时,通过光电耦合器连接,及采取硬件保护及抗干措施,提高可靠性。

4 结论

该系统基于个人卫生护理机器人洗浴过程控制系统的设计,以89C51微型单片机应用系统为控制核心,辅助有温度控制模块,液位检测模块,触摸屏控制模块,电磁阀和电机等输出驱动模块,系统报警模块及水路循环控制等模块组成。控制系统成本低,功能强,降低了洗浴服务机器人产品的整体成本,编程容易方便,其编程程序依据Proteus仿真编写,proteus有编译C语言的能力,软硬件联合仿真系统,利用软件环境和硬件环境的控制界面,利用proteus与keil联合仿真进行调试,调试结果满足该项目的技术指标设计要求,采用微型单片机控制,为其进一步实现洗浴功能的智能化,洗浴控制功能的扩展,提供了技术基础。

来源: 中电网

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随着人们生活水平的日益提高,我国人口的老龄化也越来越明显,吸尘机器人作为服务机器人的一种,能够代替人进行清扫房间、车间、墙壁等一些简单劳动。

使服务机器人有了广阔的市场,已成为一些企业和科研院所研究的焦点。目前市场上的吸尘机器人虽然也具有智能性,但大多由于结构不尽合理、通用性差、集成度高而导致成本高,不利于普及。在研究总结市场上相对成熟产品的基础上,基于ARM Cortex-M3处理器设计一款具备自我导航功能的室内吸尘机器人。外形紧凑、结构简单、运行平稳、噪音小,并且成本低,操作方便,还具有可扩展接口,用户能够根据实际需要对其功能做进一步开发。

1、吸尘机器人总体构成
  
利用ARM Cortex-M3处理器设计一款应用于室内的移动清洁机器人,主要任务是能够自主清扫房间,因此应该具备以下功能:
  
(1)能正确判断机器人所处的房间和在房间中所处的方位;
(2)能正确检测出房间内的墙壁、家具等障碍物;
(3)在游历完所有房间完成清扫任务后能自主回到出发点,关机。

为了防止机器人在工作时出现堵转现象,并且能自由进入一些家具比如沙发、桌子等的底下,吸尘机器人不能太高,外形采用半圆柱形。底盘由四个轮子共同支撑,其中左右两侧为驱动轮,分别由两个微型直流电机直接驱动,前后两个万向轮起到支撑和导向的作用。采用碰撞、红外传感器、超声波等组成多传感器系统。在机器人的上方装有红外接收传感器,底盘边缘均匀分布装有接近传感器,用来检测障碍物;在机器人的前方装有碰撞传感器;前方和左右装有超声波测距传感器,用来检测周围环境。

总体框架设计如图1所示。

基于ARM处理器的机器人硬件设计

2、硬件主体设计
  
硬件系统主要由ARM Cortex-M3处理器、传感器模块、电机驱动模块、人机交互模块、无线遥控发射模块组成。
  
2.1 ARM Cortex-M3处理
  
机器人控制系统的主要任务是根据传感器和编码器等反馈回来的数据,进行清扫路径规划,控制清扫、吸尘机构,完成各种控制动作。设计合适的人机接口,在LCD上显示机器人状态和运行时间。因此,机器人控制系统包括传感器模块,电机驱动模块,红外遥控接收模块、LED指示灯和液晶显示模块。采用ARM Cortex-M3处理器作为机器人控制系统的核心,主要是低成本、小管脚数和低功耗,并且具有极高的运算能力和极强的中断响应能力,工作电流仅为50 mA.
  
2.2电机模块
  
分成小电机驱动电路和两路大功率驱动板,包括用于行走的两个小直流电机和用于吸尘的大功率无刷直流电机、扫地的直流滚刷电机、扫边角的直流边刷电机。因为电机分别决定机器人的行走路径和吸尘功率,所以设计了专门的驱动板,如图2所示。行走模块的设计对吸尘机器人避障规划有着至关重要的作用,我们将吸尘机器人设计成一个闭环控制,主要包括驱动电路和光电编码反馈电路。光电编码反馈电路通过计算反馈回来的脉冲数量和相位而得到当前的电机速度。芯片最高可以驱动25 V的电机,吸尘机器人里行走电机的工作电压为24 V,芯片的电压为5 V,芯片输出的PWM波转化成大电压PWM波控制电机。其极限参数如表1所示。
  

基于ARM处理器的机器人硬件设计
基于ARM处理器的机器人硬件设计

  
2.3传感器模块
  
主要包括3部分:用于测量和感知障碍物的超声模块、红外和碰撞传感器,用于状态检测的传感器(检测电池电量、尘桶、电机堵转悬空)。传感器模块使机器人对周围环境做出正确判断,为顺利完成任务提供智能决策。
  
(1)超声波测距传感器模块
  
室内吸尘机器人由于工作环境的原因,必须具备检测各种大小、高低、颜色的障碍物,超声波是一种非接触式的检测技术,在空气中传播不受光线、烟雾、电磁场等外界因素的干扰,与红外传感器相比,超声传感器感应距离更远,可靠性高,且成本低。因此,使用高精度的超声波测距系统可以有效地完成障碍物的检测。
  
本文选用的是US-100超声波测距模块可实现0~4.5 m的非接触测距功能,拥有2.4~5.5 V的宽电压输入范围,静态功耗低于2 mA,自带温度传感器对测距结果进行校正,同时具有GPIO,串口等多种通信方式,工作稳定可靠。在机器人的前后各安装两个超声波传感器,处理器产生40 kHz的脉冲经I/O口输出,再经过与非门以及三极管放大形成极性相反的两路脉冲输入超声波发射头的两个引脚,探头便可发出一连串40 kHz的超声波,遇障碍物后返回给接收电路,处理器同时控制门电路,以实现发射波的间断如图3所示。超声波接收端通过压电转换的原理,把经障碍物反射回的信号转换为电信号经过低噪声放大和带通滤波,再比较产生中断给处理器进行时间测量,从而做出障碍物的距离判断,如图4所示。
  
基于ARM处理器的机器人硬件设计
基于ARM处理器的机器人硬件设计

  
(2)红外和碰撞传感器模块
  
本吸尘机器人在工作时对于远距离障碍物主要利用超声波测距,但是超声波对近距离障碍物不敏感,所以增设红外模块进行近距离检测,根据能量反射法设计红外测量模块。机器人前后安装两组红外传感器,每组由多达14组红外发射接收管组成,在机器人的上面和底盘各安装14个,每上位和下位的2个红外发射和接收管并联并且指向同一个方向构成一组,每一组电路可分为高频脉冲信号产生、红外发射调节与控制、红外发射驱动、红外接收等几个部分。通过38 kHz晶振和非门电路得到一个38 kHz的调制脉冲信号;利用三极管驱动红外发射管(TSAL6200)的发射。发射管发出的红外光经物体反射后被红外接收模块接收,通过接收头(HS0038B)内部自带的集成电路处理后返回一个数字信号,输入到微控制器的I/O口,如图5所示。
  
基于ARM处理器的机器人硬件设计

接收头如果接收到38 kHz的红外脉冲就会返回输出低电平,否则就会输出高电平。通过对I/O口的检测,便可以判断物体的有无。这样一共可以检测14个方向,覆盖360°范围。机器人对前后的近距离障碍物都能检测,前进后退都能工作,这种由2个红外接收管组成测障传感器有效距离接近2 m,并且还能够在球非常近的范围内(10 cm内)读取障碍物距离结果(没有溢出)。

在机器人的左前、左后、右前、右后4个方位安装四个碰撞开关(常开),通过采集模拟口上电压值的变化,判断出其中的一个或几个碰撞开关闭合,从而检测出哪个方向有碰撞发生。

2.4人机交互模块

(1)液晶显示和键盘输入:两者配合使用可以设置机器人各种参数,如自主启动、设置工作时间等。
(2)无线遥控模块:红外遥控使机器人的使用更加方便简单,发射距离超过10 m,能满足需要。
  
3、结语
  
通过这样的硬件设计,清洁机器人控制系统,既能满足良好的实用性,还降低了成本,工作稳定可靠。机器人传感器模块能精确定位障碍物,通过软件策略能实现良好的避障。对将来家用服务机器人的研究与开发有着重要现实意义。

来源: 中电网

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