I progressi nei dispositivi di rilevamento, connettività e controllo del movimento portano a robot fissi più intelligenti

I sistemi robotici montati (fissi), spesso definiti robot multiasse, sono destinati a fornire movimenti ad alta precisione e ad alte prestazioni entro uno spazio di lavoro definito. Questi sistemi sono la spina dorsale delle moderne celle di produzione e automazione, dove ripetibilità, velocità e capacità di carico sono fondamentali.

Esempi comuni sono i robot collaborativi (cobot), i bracci robotici articolati, i bracci robotici articolati a conformità selettiva (SCARA) e i meccanismi a delta (a collegamenti paralleli), nonché le macchine a controllo numerico computerizzato (CNC) e a cavalletto. A seconda delle esigenze applicative, questi robot possono essere montati su binari, pareti, soffitti, pavimenti o integrati direttamente nei macchinari di produzione, consentendo un impiego flessibile per i processi di assemblaggio, movimentazione dei materiali, imballaggio, ispezione e lavorazione.

Combinando elettronica di azionamento avanzata, sensori di precisione e architetture di controllo in tempo reale, queste piattaforme robotiche montate offrono l'affidabilità, la versatilità, la funzionalità e l'accuratezza essenziali per ambienti di produzione intelligenti e connessi. Tuttavia, per massimizzare i vantaggi e le prestazioni di questi sistemi, i progettisti devono conoscere e applicare i più recenti progressi nel rilevamento del movimento, della posizione e dell'area, nel controllo del movimento e nella connettività.

Questo articolo fornisce una breve disamina dei requisiti di progettazione di robot avanzati. Presenta quindi soluzioni di esempio e i relativi kit di valutazione di Analog Devices che i progettisti possono utilizzare per implementare questi sistemi.

Requisiti di progettazione di robot avanzati

I robot fissi avanzati (Figura 1) hanno due caratteristiche distintive rispetto ai robot mobili: operano all'interno di un ambiente relativamente statico e noto e non sono limitati dall'alimentazione a batteria. Tuttavia, ci si aspetta che lavorino con velocità, precisione, ripetibilità e accuratezza nonostante il mutare delle circostanze. Ad esempio, possono servire per prelevare pacchi di dimensioni, forme, pesi, orientamenti e posizioni diverse e collocarli in una posizione precisa su un nastro trasportatore in movimento. Per farlo, questi robot devono valutare autonomamente e adattarsi dinamicamente alla situazione, mantenendo la consapevolezza delle impostazioni e dell'ambiente circostante.

Figura 1: Il noto e diffuso robot fisso offre ora estrema precisione, flessibilità e adattabilità. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices Inc.)

Questi requisiti richiedono un'attenta integrazione del controllo preciso del movimento per gli effettori finali, di immagini a tempo di volo (ToF) per la consapevolezza dell'ambiente, di unità di misura inerziale (IMU) per il rilevamento del movimento e di un collegamento GMSL (Gigabit Multimedia Serial Link) per una comunicazione affidabile e ad alta velocità.

1: Controllo del movimento per pinze a effettore finale: le pinze robotiche funzionano come mani o pinze, aprendosi e chiudendosi su richiesta. Devono usare la quantità di forza appropriata per mantenere una presa salda senza danneggiare il carico utile. Ciò richiede che l'azionamento motore moduli attentamente il motore per ottenere un funzionamento preciso, costante e regolare. L'azionamento deve inoltre avere una massa ridotta ed essere compatto a causa dei vincoli di peso e di spazio.

Una soluzione adatta a questo tipo di controller è il servocomando a singolo asse TMCM-1617 (Figura 2). Con un peso di 24 g e dimensioni di 36,8 × 26,8 × 11,1 mm, questo azionamento per motori c.c. brushless (BLDC) trifase può fornire fino a 18 A rms e funziona con un'alimentazione compresa tra 8 V e 24 V.

Figura 2: Il servocomando TMCM-1617, leggero e compatto, fornisce un controllo completo dei motori BLDC a 18 A da 8 V a 24 V. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices Inc.)

TMCM-1617 supporta encoder incrementali e sensori digitali a effetto Hall per la retroazione di posizione, migliorando così la precisione e la ripetibilità in presenza di carichi variabili. Per quanto riguarda la connettività, sono disponibili opzioni di bus CAN, RS-485 ed EtherCAT.

Per valutare e mettere a punto rapidamente TMCM-1617 e i suoi algoritmi, Analog Devices offre il progetto di riferimento per pinza TMCM-1617-GRIP-REF, il cui hardware open-source è stato realizzato per il controllo preciso dei motori BLDC a 24 V utilizzati nelle pinze robotiche. Fornisce un controllo preciso a orientamento di campo (FOC), garantendo un ripple di coppia minimo per un controllo del motore efficiente e ad alte prestazioni. Lo stack software preconfigurato semplifica la configurazione iniziale, riducendo il time-to-market.

2: Sensori ToF: i progettisti hanno due possibilità per garantire che il robot sia pienamente consapevole dell'ambiente circostante e degli oggetti che si trovano nella sua zona di manovra: utilizzare un sistema di rilevamento ToF o una o più videocamere. Entrambi offrono vantaggi e svantaggi.

In generale, le telecamere ToF sono preferite per il rilevamento della profondità e offrono una misurazione della distanza ad alta precisione. Tuttavia, in genere hanno una risoluzione spaziale inferiore rispetto alle videocamere tradizionali e possono essere influenzate dalla luce ambiente e dalle superfici riflettenti. D'altro canto, le videocamere standard forniscono immagini ad alta risoluzione e sono versatili per varie applicazioni, ma l'estrazione di informazioni sulla profondità richiede un'elaborazione più complessa e più videocamere.

Per molte applicazioni robotiche, i vantaggi dell'imaging basato su ToF sono significativi. Un sottosistema di rilevamento basato su ToF, tuttavia, richiede un'attenta integrazione di molti componenti elettro-ottici, tra cui una sorgente luminosa a LED adatta, lenti, filtri ottici e un imager. La selezione e l'assemblaggio di questi componenti richiede una profonda esperienza in campo elettrico, meccanico e ottico.

Per ridurre al minimo queste difficoltà, Analog Devices offre il modulo ToF ADTF3175 (Figura 3). Questa unità completa è dotata di un imager ToF indiretto CMOS da 1 megapixel. Integra inoltre un obiettivo e un filtro ottico a banda passante da 940 nm per l'imager, una sorgente di illuminazione a infrarossi contenente ottiche, un diodo laser, un driver per il diodo laser e un fotorilevatore, memoria flash e regolatori di potenza per generare tensioni di alimentazione locali.

Figura 3: Il modulo ADTF3175 comprende tutti gli elementi elettronici, meccanici e ottici necessari per un sottosistema ToF completo. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices Inc.)

I dati della nuvola di immagini emessi dal sensore ADTF3175 da 1024 × 1024 pixel (con un campo visivo (FoV) di 75° × 75°) sono inviati al sistema host tramite protocollo CSI-2 a quattro canali MIPI (Mobile Industry Processor Interface) che funziona a 1,5 Gbps per canale. La programmazione e il funzionamento del modulo sono controllati attraverso un'interfaccia periferica seriale (SPI) a quattro fili e un'interfaccia I²C. L'intervallo di profondità va da 0,4 a 4 metri con una precisione totale di ±5 mm.

Un'unità di elaborazione del segnale delle immagini di profondità ADSD3500 converte i dati grezzi a risoluzione megapixel ricevuti da ADTF3175 per generare fotogrammi finali di profondità radiale, luminosità attiva (AB) e confidenza. Ciò garantisce una bassa latenza e un'elevata frequenza di fotogrammi, consentendo alla telecamera di registrare con precisione gli oggetti in rapido movimento e permettendo al robot di prendere decisioni tempestive e di fornire analisi accurate in ambienti industriali dinamici.

Per facilitare la configurazione e l'implementazione del modulo, Analog Devices offre il kit di valutazione del sensore ToF 3D EVAL-ADTF3175D-NXZ (Figura 4). Questo kit open-source comprende il modulo ADTF3175, un'unità di elaborazione numerica di terze parti per applicazioni embedded di intelligenza artificiale (IA) e apprendimento automatico (ML), una scheda di interfaccia per telecamera, una scheda di espansione per interpositore e un treppiede.

Figura 4: Il kit di valutazione EVAL-ADTF3175D-NXZ fornisce l'elaborazione, i connettori e il treppiede necessari per facilitare la progettazione del sensore ToF ADTF3175. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices Inc.)

3: IMU: dato che l'effettore terminale del robot (presa) può muoversi liberamente all'interno della zona tridimensionale prescritta, è fondamentale conoscere la sua posizione e il suo orientamento in tale spazio. A tale fine, si possono utilizzare encoder per ogni giunto, quindi combinare tutte le loro uscite utilizzando la trasformazione delle coordinate e le equazioni matriciali. Tuttavia, ciò richiede più encoder multiasse e aggiunge complessità computazionale.

Un'alternativa interessante è quella di utilizzare una IMU a sei gradi di libertà (6 DoF) che combina un accelerometro triassiale e un giroscopio triassiale. L'IMU miniaturizzata per sistemi microelettromeccanici (MEMS) ADIS16500 (Figura 5, a sinistra) offre questa capacità in un contenitore di soli 15 × 15 × 5 mm con uscita SPI. La scheda di valutazione ADIS16500/PCBZ associata (Figura 5, a destra) misura 33,25 × 30,75 mm e serve principalmente come scheda di breakout per facilitare il cablaggio tramite un connettore a 16 pin (2 × 8), passo di 2 mm, al sistema di valutazione completo EVAL-ADIS2Z.

Figura 5: Il diagramma a blocchi di ADIS16500 (a sinistra) accenna solo all'integrazione interna e alla sofisticatezza di questa IMU a 6 DoF; la scheda di breakout ADIS16500/PCBZ associata (a destra) serve principalmente come interfaccia di connessione fisica al sistema di valutazione EVAL-ADIS2Z. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices Inc.)

I giroscopi digitali hanno una gamma dinamica di ±2.000°/s, mentre gli accelerometri digitali offrono una gamma dinamica di ±392 m/s². Ciascun sensore inerziale nella linea ADIS16500/05/07 include il condizionamento del segnale che ottimizza le prestazioni dinamiche.

Inoltre, poiché i giroscopi e gli accelerometri hanno fonti di errore intrinseco uniche, la calibrazione di fabbrica serve per caratterizzare ciascun sensore in termini di sensibilità, bias, allineamento, accelerazione lineare (bias del giroscopio) e punto di percussione (posizione dell'accelerometro). Di conseguenza ciascun sensore dispone di formule di compensazione dinamica che producono misurazioni del sensore estremamente accurate in un'ampia gamma di condizioni.

4: GMSL: vanno fatte considerazioni importanti quando si uniscono tutti questi blocchi funzionali in un braccio robotico. Tutti devono essere collegati tra loro e tutti, ma in particolare il modulo ToF, generano una grande quantità di dati time-critical. L'interfaccia GMSL risolve queste problematiche. Originariamente sviluppata per l'uso automotive, l'interfaccia GMSL è stata adottata da applicazioni come la robotica, in quanto supporta le alte velocità di trasmissione dati richieste su un unico cavo.

Ad esempio, il deserializzatore MAX96724, in un contenitore TQFN di 8 × 8 mm, converte quattro ingressi GMSL 2/1 in 1, 2 o 4 percorsi MIPI D-PHY o C-PHY (Figura 6). Questo dispositivo da 6 Gbps, a quattro ingressi e due uscite, offre trasmissioni bidirezionali simultanee su cavi coassiali da 50 Ω o a doppino intrecciato schermato (STP) da 100 Ω. Il dispositivo supporta fino a quattro sensori posizionati a distanza.

Figura 6: Il deserializzatore MAX96724 converte quattro ingressi GMSL 2/1 in 1, 2 o 4 percorsi MIPI D-PHY o C-PHY. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices Inc.)

Ogni collegamento seriale GMSL2 funziona a una velocità fissa di 3 Gbps o 6 Gbps in senso diretto e di 187,5 Mbps in senso inverso. Il collegamento può anche adattare automaticamente le caratteristiche del ricevitore del percorso diretto per compensare la perdita di inserzione e di ritorno del canale; queste perdite sono in gran parte determinate dai cavi, dai connettori, dagli effetti della temperatura e dalle proprietà della scheda a circuiti stampati. MAX96724 supporta l'aggregazione e la replica dei dati video, consentendo di combinare i flussi provenienti da più sensori remoti.

Si tratta di dispositivi complicati da configurare e utilizzare. Analog Devices ha semplificato il compito con il kit di valutazione MAX96724-BAK-EVK# (Figura 7). Questo kit è un progetto collaudato e una piattaforma affidabile per la valutazione dei dispositivi MAX96724 utilizzando i cavi coassiali FAKRA standard (un robusto gruppo di cavo/connettore utilizzato nel settore automotive e in altre applicazioni) o un cavo MATE-AX (una versione miniaturizzata dei cavi FAKRA).

Figura 7: Il kit di valutazione MAX96724-BAK-EVK# è uno strumento prezioso per implementare un progetto basato sul sofisticato dispositivo MAX96724. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices Inc.)

Il kit comprende un'interfaccia grafica utente (GUI) semplice da usare, compatibile con Windows 10 o superiore, per esercitare le funzioni del dispositivo.

Conclusione

I sistemi robotici fissi allo stato dell'arte richiedono un'attenta integrazione di più tecnologie per garantire la velocità, la precisione e la flessibilità necessarie. Utilizzando diverse tecnologie, tra cui servocomando avanzato, imaging ToF e IMU, tutte collegate tramite un'interfaccia GMSL, è possibile implementare e integrare le funzionalità necessarie. Analog Devices offre i componenti necessari e le unità di valutazione per accelerare la progettazione e ridurre al minimo i rischi e le incertezze.

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