スマートロボットの開発および包括的なソリューション

産業がIndustry 5.0—次世代の製造デジタル化—へ向かう中で、人間と機械の高度な相互作用やロボット機能に対する需要が高まっています。スマートロボットの適用範囲は、ロボットアームから車輪付き自律型配送ロボット、さらには完全自律型ヒューマノイドにまで広がり、その発展は徐々に成熟しています。従来の産業用ロボットとは異なり、インテリジェントロボットは、さまざまなセンサー、人工知能 (AI)、高度なアルゴリズムを活用して環境との相互作用を行い、障害物を検知し、さらには人や他の機械と協働します。
 
自律型ロボットを導入する利点として、生産性と効率の向上が挙げられます。これらのロボットは、繰り返し行われる作業や時間のかかるタスクを遂行することで、人間の作業者が付加価値の高い活動に集中できるようにします。軽いペイロードを持つシステムは12Vのバッテリーで駆動可能であり、より高電圧（例えば48V）を使用することで動作電流を減らし、配線のサイズとコストを削減できます。
 
今日、人工知能の進歩により、世界のスマートロボット市場は大きな拡大を遂げています。これにより、より高度な自律型ロボットの構築が可能となり、倉庫内の利用だけでなく、屋外やより制御が難しい環境でも展開可能です。自律型ロボットは、eコマース、製造業、ヘルスケアなどさまざまな業界にまたがるソリューションを提供し、高いカスタマイズ性を備えています。

安全なバッテリー充電管理および電圧変換システム

onsemiは、スマートロボット向けアプリケーションに特化された包括的なスマートおよびモバイルロボットソリューションの幅広い製品群を導入しました。これらのソリューションは非常に多様であり、以下では機能ブロックに基づいた主要製品を概説します。
 
まず、バッテリーチャージャーはロボット自体の一部ではない（オフボード）ため、通常は単相の120–230Vacを12–48Vのバッテリ電圧に変換する方式です。チャージャーは有線またはワイヤレスのいずれかです。AC/DCチャージャーは一般的に2つのサブシステムで構成されており、Power Factor Controller (PFC) ステージとResonant (LLC) Converterが含まれます。
 
パワーファクターコントローラーにおいて、NCP1680はブリッジレス・トーテムポールCrM（Critical Conduction Mode）PFCコントローラーを採用しています。これにより、一定オンタイムCrMとバリー同期周波数フォールドバックをサポートし、負荷範囲全体で効率最適化を可能にします。 ACラインモニタリング、ACフェーズ検出、新しいバリーセンス方式、ゼロ電流検出などを特長とし、ホールセンサーのような外部コンポーネントを必要とせず、サイクルごとの電流制限が可能になり、350W以下の電力に適しています。別のパワーファクターコントローラーとして、NCP1681はブリッジレス・トーテムポールマルチモードPFCコントローラーで、固定周波数CCM（Continuous Conduction Mode）一定オンタイムCrMおよびバリースイッチング周波数フォールドバックをサポートします。専有の電流センスおよびバリーセンス方式により、高電力向けに適し、1kWまでのマルチモードアプリケーションやCCMアプリケーションで2.5kWを超える電力に対応可能です。
 
また、オフラインコントローラーNCP4390は、同期整流コントロールを備えたセカンダリー側LLCレスノントコンバーターで、SOIC-16パッケージに収められています。デュアルエッジ追跡型同期整流制御を含み、広範囲な動作周波数（39kHzから690kHz）をサポートし、非ゼロ電圧スイッチング防止(NZP)を補償カットバック（周波数シフト）を通じて実現し、初側およびSRスイッチに対してプログラム可能なデッドタイムを設定可能です。
 
バッテリー、バッテリーマネジメント、および電圧変換システムはロボットのオンボードコンポーネントを構成します。通常、モバイルロボットはリチウムイオンまたはリン酸鉄リチウム（LiFePO4）バッテリーを使用します。リチウムイオンバッテリーはエネルギー密度が高いため一般的です。一方、LiFePO4バッテリーはより安定しており、過熱の危険が少なく、公称電圧が低いです。最も一般的なバッテリーシステムは12〜48Vであり、性能向上のために並列化が可能です。
 
典型的な24Vバッテリーの容量は約50Ahで重さは約10kgです。パワーツリーはシステム内の全てのロジックレベルおよび低電圧電源ラインを供給します。通常、絶縁は不要（バッテリー電圧は50V未満）であり、低ドロップアウトレギュレータ（LDO）を用いることで複数の並列バックコンバーターを実装します。
 
onsemiのFAN65008Bコンバーターは、固定周波数電圧モードPWMコントローラーと、ハイサイドおよびローサイドのパワーMOSFETを統合した同期バックレギュレータです。2Aを超える出力電流で95%以上の効率を提供し、広範囲な電圧変換を実現します。入力電圧範囲は4.5Vから65Vまでの幅広い対応が可能で、10Aの連続出力電流を提供します。さらに、100kHzから1MHzのプログラム可能なスイッチング周波数をサポートし、温度シャットダウン、UVLO、過負荷および短絡保護機能を備えています。

AMR/AGV向け先進的な通信および保護機能

AMR/AGVシステムのすべてのビルディングブロックは相互に通信する必要があります。現在、さまざまな通信方法が利用可能です。従来は、CAN、LIN、RS-485、RS232などの方法が使用されてきました。しかし、これらのすべての通信方法は、現在では10Base-T1Sに置き換えることが可能です。10Base-T1Sは、単一ツイストペアを使用して、複数のPHYを共通バスに接続することができます。これにより、必要なスイッチポートの数が減り、ゲートウェイが不要になります。10BASE-T1Sはシールドされていないツイストペア（UTP）を使用するだけで済むため、配線コストが大幅に削減されます。
 
onsemiのEthernetコントローラNCN26010は、IEEE 802.3cg標準に準拠した10BASE-T1Sをサポートする10Mb/s産業用Ethernet MAC+PHY ICコントローラです。この製品はMACと10BASE-T1S PHYを統合しており、PLCAバーストモードをサポートしています。どのノードも他のすべてのノードよりも多くのデータを送信する必要がある場合、それぞれのPLCA転送機会でより多くのフレームを送信することが可能です。UTPケーブルで25m以上の範囲で8つ以上のノードをサポートし、ノイズ耐性が向上しており、グローバルにユニークなMACアドレスを含み、32ピンQFNパッケージで提供されます。
 
スマート保護に関しては、eFuseやSmartFETのような技術が効率と信頼性を向上させ、ロボットのダウンタイムを削減します。eFuseは自己保護可能でリセット可能な電子ヒューズであり、主に入出力電圧、出力電流、温度の監視に使用されます。eFuseは過電流、過電圧、高温を防ぎ、下流コンポーネント、コネクタ、PCBトレースの損傷を防止します。また、ホットプラグシナリオや突入電流制限が必要な状況で使用することが可能です。SmartFETは低電圧の電源レール（例：12V）を保護するのに適しており、短絡保護、突入電流処理、高温自動再起動機能付きの温度シャットダウン機能を提供します。また、過電圧保護も含みます。
 
onsemiの現在の保護ソリューションであるNIS3071は、4つの独立したチャンネルをサポートする4チャンネルeFuseで、各チャンネルは最大2.5Aおよび60Vをサポートします。高いスケーラビリティを備え、出力を組み合わせることで電流制限を10Aまで増加させることが可能です。また、チャンネルごとの熱保護、デジタル有効化、共通故障ピン、調整可能なターンオンタイム制御、調整可能な過電流制限をサポートしています。
 
保護されたMOSFETであるNCV84045は、先進的な保護機能を備えた完全保護型単一チャンネルハイサイドドライバです。この製品はCMOS互換の制御入力をサポートし、最大32Aの出力電流を供給できます。典型的なRDS(ON)はわずか50mΩで、診断フィードバックとして電流検出出力を提供し、誘導性スイッチング向けの統合型クランプ、接地損失およびVD損失保護、ESD保護、短絡保護が含まれています。

完全なモーター制御と位置検出ソリューション

中央処理装置（CPU）はシステム全体の「頭脳」として機能し、システム内部のすべての通信および外部環境とのやり取りを管理します。システムの複雑さに応じて、十分な演算能力が求められます。さらに、スマートロボットには、未知環境の地図を作成する手法である同時自己位置推定および地図作成（SLAM）への対応が必要です。移動ロボットはSLAMアルゴリズムを用いて、周囲環境内を自律的にナビゲーションします。一方、モーション制御およびアクチュエータ制御は、ロボットを移動させる車輪の制御に使用されます。また、ロボットはロボットアームや昇降機構を用いて荷物を扱うことも可能です。これらすべての機能は通常、ブラシレスDC（BLDC）モーターに依存しており、高精度制御のために高度なアルゴリズムを必要とします。
 
onsemiのゲートドライバNCD83591は、産業用途に最適な三相ゲートドライバです。5～60Vの動作電源電圧範囲に対応し、最大250mAのFET定電流駆動を提供します。最大30kHzのモーターPWMを実行可能で、独立した6ゲート制御モードを備えています。UVLO、HBMおよびCDM ESD保護、電源喪失時の内部ゲートプルダウンなどの各種保護機能を内蔵し、28ピンQFNパッケージで提供されます。
 
MOSFET NTMJST2D6N08Hは、2.8mΩのRDS(ON)および80VのVDS定格を備え、低容量および低ゲート電荷によりスイッチング損失を低減します。TCPAK57パッケージを採用しており、上面から放熱することでPCB温度を低減し、基板利用効率を向上させます。
 
MOSFET NTMFS0D4N04XMは、T10Mファミリーに属するクラス最高レベルの40V MOSFETで、BLDCモータードライブ向けに設計されています。0.42mΩのRDS(ON)により導通損失を最小化し、5mm×6mmパッケージで提供されます。優れたソフトリカバリ特性を備え、低い電圧スパイクによりデバイスへのストレスおよびEMI問題を低減します。
 
誘導式位置センサーは、車輪やその他の可動部の回転を測定し、環境内での位置および姿勢を正確に追跡します。BLDC制御における電子整流の一部として使用することも可能です。誘導式エンコーダは、従来の光学式や磁気式センシングと比較して多くの利点を持ち、堅牢で軽量、必要部品点数が少なく、振動や汚染に対して高い耐性を備えています。
 
誘導センシングソリューションNCS32100は、2枚のPCBで構成される非接触型センサーシステムです。1枚は2つのプリントインダクタ（はんだ付け部品なし）を備えたローター基板、もう1枚はプリントインダクタおよびエンコーダICを備えたステーター基板です。従来の光学式エンコーダソリューションでは動作に100点以上の部品を必要とする場合がありますが、NCS32100は最小機能システムの実現にわずか12点の部品しか必要としません。
 
onsemiのNCS32100は位置および速度を算出し、移動なしで位置を特定できるアブソリュートエンコーダ機能を備えています。6,000RPM（最大45,000RPM）でフル精度を維持します。38mmセンサーは±50角秒（0.0138度）以上の精度を提供します。回転運動による振動を識別・除去でき、20ビット単回転および24ビット多回転分解能出力をサポートし、Cortex-M0+ MCUを内蔵、高い柔軟性を備えています。さまざまな光学式エンコーダに対する、よりコスト効率の高い代替ソリューションであり、単一コマンドで実行可能な自己校正機能を備えています。

高度な照明、センサー、無線ソリューション

ロボットには、人や他のロボットにその存在を示すためのLEDライトを搭載することができます。従来の光源と比較して、LEDはより高効率で軽量かつ長寿命です。発光色に応じて、ロボットは進行方向や動作状態などを表示できます。必要な電力や用途に応じて、onsemiはさまざまなLEDドライバおよびコントローラを提供しています。
 
リニアLEDドライバNCV7685は、I2C対応の12チャネルLEDリニア定電流ドライバで、12の並列定電流チャネル（各チャネル最大60mAのシンク電流）を駆動可能です。128段階のデューティサイクル制御をサポートし、各チャネルは独立して制御できます。高度な診断機能を備え、AEC-Q100規格に準拠しています。
 
AGVのように決められた経路に依存しない真に自律的なスマートロボットシステムを実現するには、障害物や他のロボットとの衝突を防止し、特に人との衝突を回避する必要があります。深度検知は、LiDAR、イメージング、レーダー、超音波など、さまざまなセンサーによって実現でき、それぞれに長所と短所があります。
 
複数のセンサーモダリティからのデータを組み合わせることは、センサーフュージョンと呼ばれます。単一のセンサー技術だけではあらゆる条件下で信頼性の高い情報を提供できないため、センサーフュージョンは各センサーの強みを活用します。複数の動作センサーを組み合わせることで、より信頼性の高いデータセットを得ることができます。
 
onsemiのシリコンフォトマルチプライヤアレイRDM-0112A20は、LiDAR用途向けに設計された近赤外（NIR）強化型SiPMです。12個のSiPMピクセルアレイ（共通アノード、ファスト出力なし）、20×20µmのマイクロセル有効領域を備え、905nmにおいて16％の光子検出効率（PDE）を実現します。マイクロレンズ技術により最大の光学効率を達成し、推奨動作電圧（Vop）は30Vです。
 
シリコンフォトマルチプライヤMicroFC-100は、1×1mmのSiPMで、単一点または2D LiDARに適しています。標準出力およびファスト出力に対応し、可視光領域で最高レベルの感度を提供します。マイクロセルサイズに応じて、420nmにおけるPDEは18％以上で、推奨Vopは25.2V、10µm、20µm、35µmのマイクロセルサイズが用意されています。
 
光学センサーは、深度検知や姿勢検知、さらには検査や画像認識などの追加機能のために使用できます。ロボット内の異なるサブシステムには、複数のイメージセンサー（IS）およびISプロセッサが搭載される場合があります。これらは色を検出できる唯一のセンサーソリューションです。光学センサーを用いることで、障害物検出による安全性向上や、バーコードデータなどの情報読み取りが可能になります。
 
onsemiのイメージセンサーAR0234は、1/2.6型2.3MP CMOSデジタルイメージセンサーで、1920×1200の有効画素配列を備えています。業界をリードするグローバルシャッター効率、優れた低照度および赤外性能を特徴とし、自動露出、ウィンドウイング、行／列スキップモードをサポートします。
 
AR0822は、1/1.8型8MP CMOSデジタルイメージセンサーで、3840×2160の有効画素配列を備えています。ローリングシャッター、オンボードeHDR、高感度、低読み出しノイズ、動きによるアーティファクトやLEDフリッカーを軽減するインテリジェントリニアライゼーション、強化されたNIR応答をサポートします。
 
ワイヤレス接続システムは、SLAMアルゴリズムの一部として、センサーデータの収集、モニタリング、位置特定に使用できます。Bluetooth® Angle of Departure（AoD）は、屋外GPSと同様に機能する屋内測位システムです。AoD方式では、送信デバイスがアレイ状に配置された複数のアンテナを使用して250kHz信号を送信します。受信デバイスは1本のアンテナを備え、送信デバイスからの信号が通過する際のデータを取得することで、信号の到来方向を計算します。
 
onsemiのBluetooth Low Energy RSL15は、Bluetooth 5.2技術とセキュアなArm® Cortex®-M33プロセッサを採用したワイヤレスマイクロコントローラユニット（MCU）です。内蔵電源管理、柔軟なGPIOおよびクロック構成、広い電源電圧範囲により、高性能かつ超低消費電力アプリケーションに最大限の設計柔軟性を提供します。エネルギー効率を最適化し、バッテリー消費を最小化し、バッテリーサイズを縮小し、電池駆動センサーの寿命を延長します。業界最先端の超低消費電力マイクロコントローラと使いやすいSDKを備え、業界最低消費電力クラスのフラッシュベース・セキュアBluetooth® Low Energy MCUです。

結論

スマートロボットの開発はこれまでにない速さで進んでいます。産業生産から家庭サービス、さらには医療や教育分野に至るまで、ロボット技術の応用シナリオはますます多様化しています。人工知能、モノのインターネット（IoT）、センシング技術の継続的な進歩により、スマートロボットは効率的で正確、多機能であるだけでなく、人間のニーズにより適合するようになっています。onsemiは、スマートロボットの開発を加速させ、より効率的で便利、そしてインテリジェントな未来の世界を構築するための包括的な製品ソリューションを提供しています。