스마트 로봇을 위한 개발 및 종합 솔루션

산업이 제조 디지털화의 다음 단계인 Industry 5.0에 가까워짐에 따라 향상된 인간-기계 상호 작용과 로봇 기능에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 스마트 로봇의 응용은 로봇 팔에서 바퀴 달린 자율 배송 로봇, 그리고 완전히 자율적인 휴머노이드까지 다양하며 개발이 점차 성숙화되고 있습니다. 기존의 산업용 로봇과 달리, 지능형 로봇은 다양한 센서, 인공지능(AI), 고급 알고리즘을 활용하여 환경과 상호 작용하고 장애물을 감지하며 인간 및 다른 기계와 협력합니다.
 
자율 로봇을 배치함으로써 얻는 이점에는 생산성 및 효율성 증가가 포함됩니다. 이들은 반복적이고/혹은 시간이 많이 소요되는 작업을 수행하여 인간 노동자가 부가가치가 높은 활동에 집중할 수 있도록 돕습니다. 더 가벼운 하중을 처리하는 시스템은 12V 배터리로 구동될 수 있으며, 더 높은 전압(예를 들어 48V)을 사용하여 작동 전류를 줄임으로써 배선 크기 및 비용을 감소시킬 수 있습니다.
 
오늘날 인공지능 기술의 발전 덕분에 글로벌 스마트 로봇 시장은 크게 확장되고 있습니다. 이를 통해 창고뿐만 아니라 야외 및 덜 통제된 환경에서도 배치할 수 있는 더욱 정교한 자율 로봇을 구축할 수 있습니다. 자율 로봇은 e-commerce, 제조업, 헬스케어와 같은 다양한 산업에서 솔루션을 제공하며 높은 수준으로 맞춤화될 수 있습니다.

안전한 배터리 충전기 관리 및 전압 변환 시스템

onsemi는 스마트 로봇 애플리케이션에 맞춰 설계된 스마트 및 모바일 로봇 솔루션의 포괄적인 범위를 소개했습니다. 이러한 솔루션은 매우 다양하며, 아래에서는 기능 블록을 기준으로 주요 제품을 설명합니다.
 
먼저, 배터리 충전기는 로봇 자체의 일부가 아니며(offboard), 일반적으로 단상 120–230 Vac를 12–48 V 배터리 전압으로 변환하는 과정을 포함합니다. 충전기는 유선 또는 무선 방식일 수 있습니다. AC/DC 충전기는 일반적으로 두 개의 서브 시스템으로 구성됩니다: 역률 제어기(PFC) 단계와 공진(LLC) 컨버터.
 
역률 제어기에서는 NCP1680이 브리지-리스 토템폴 CrM(Critical Conduction Mode) PFC 컨트롤러로 작동합니다. 이 컨트롤러는 일정한 온타임 CrM 및 밸리 동기화 주파수 축소를 지원하여 전체 부하 범위에서 효율성을 최적화합니다. AC 전압 모니터링, AC 위상 감지, 새로운 밸리 감지 구성 및 무전류 감지를 특징으로 하며 사이클별 전류 제한을 위한 홀 센서와 같은 외부 구성품이 필요하지 않아 350W 이하의 전력 수준에 적합합니다. 또 다른 역률 제어기 NCP1681은 브리지-리스 토템폴 멀티 모드 PFC 컨트롤러로, 고정 주파수 CCM(Continuous Conduction Mode), 일정한 온타임 CrM 및 밸리 스위칭 주파수 축소를 지원합니다. 독자적인 전류 감지 및 밸리 감지 구성을 갖추고 1kW까지의 멀티 모드 애플리케이션과 2.5kW를 초과하는 CCM 애플리케이션을 지원하는 고전력 시스템에 적합합니다.
 
또한, 오프라인 컨트롤러 NCP4390은 동기 정류 제어를 갖춘 2차 LLC 공진 컨버터로, SOIC-16 패키지로 제공됩니다. 듀얼 에지 추적 동기 정류 제어를 특징으로 하며, 39kHz에서 690kHz까지의 넓은 작동 주파수 범위를 지원하고 보상 감소(주파수 이동)를 통해 비영점 전압 스위칭(NZP)을 방지하며 기본 측과 SR 스위치에 대해 프로그래밍 가능한 데드 타임을 제공합니다.
 
배터리, 배터리 관리 및 전압 변환 시스템은 로봇의 온보드 구성요소를 형성합니다. 일반적으로 모바일 로봇은 리튬 이온 또는 리튬인산철(LiFePO4) 배터리를 사용합니다. 리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도로 인해 더 일반적입니다. 반면, LiFePO4 배터리는 더 안정적이고 과열 가능성이 적으며 낮은 공칭 전압을 가집니다. 가장 일반적으로 사용되는 배터리 시스템은 12–48V이며, 성능 향상을 위해 병렬 연결이 가능합니다.
 
일반적인 24V 배터리는 약 50Ah 용량을 가지며 무게는 약 10kg입니다. 전원 트리는 시스템의 모든 로직 수준 및 저전압 전원 레일을 공급합니다. 일반적으로 절연이 필요하지 않으며(배터리 전압이 50V 미만), 낮은 드롭아웃 레귤레이터(LDO)와 함께 다중 병렬 버크 컨버터를 구현하는 데 사용됩니다.
 
onsemi의 FAN65008B 컨버터는 고측 및 저측 전력 MOSFET과 고정 주파수 전압 모드 PWM 컨트롤러를 통합한 동기 버크 레귤레이터입니다. 출력 전류 2A를 초과하는 경우 95% 이상의 효율로 넓은 범위의 전압 변환을 제공합니다. 이 제품은 4.5V에서 65V까지의 넓은 입력 전압 범위를 지원하며 10A의 연속 출력 전류를 제공합니다. 또한 100kHz에서 1MHz까지 프로그래밍 가능한 스위칭 주파수를 지원하며, 과열 차단, UVLO, 과부하 및 단락 보호 등의 기능을 포함하고 있습니다.

AMR/AGV를 위한 첨단 통신 및 보호 기능

AMR/AGV 시스템의 모든 구성 요소들이 서로 소통할 필요가 있습니다. 현재 다양한 통신 방법을 사용할 수 있습니다. 전통적으로 CAN, LIN, RS-485, RS232 등의 방식이 사용되어 왔습니다. 그러나 이제 모든 이러한 통신 방법은 10Base-T1S로 대체될 수 있습니다. 이는 단일 트위스티드 페어를 사용하여 여러 PHY가 공통 버스에 연결되도록 허용합니다. 이로 인해 필요한 스위치 포트 수가 줄어들고 게이트웨이의 필요성이 제거됩니다. 10BASE-T1S는 비차폐 트위스티드 페어(UTP)만 요구하므로 배선 비용을 크게 낮춥니다.
 
onsemi의 Ethernet 컨트롤러 NCN26010은 IEEE 802.3cg 표준을 준수하며 10BASE-T1S를 지원하는 10Mb/s 산업용 Ethernet MAC+PHY IC 컨트롤러입니다. 이 제품은 MAC과 10BASE-T1S PHY를 통합하고 PLCA 버스트 모드를 지원합니다. 어떤 노드가 다른 모든 노드보다 더 많은 데이터를 전송해야 할 경우, 각 PLCA 전송 기회에서 더 많은 프레임을 전송할 수 있게 합니다. 이 제품은 UTP 케이블을 사용하여 25m에서 8개 이상의 노드를 지원하고, 소음을 더욱 효과적으로 차단하며, 전 세계적으로 고유한 MAC 주소를 포함하며, 32-핀 QFN 패키지로 제공됩니다.
 
스마트 보호 측면에서는 eFuse와 SmartFET과 같은 기술들이 효율성과 신뢰성을 높이고 로봇의 다운타임을 줄입니다. eFuse는 입력/출력 전압, 출력 전류, 온도를 모니터링하기 위해 일반적으로 사용되는 자체 보호 및 재설정 가능한 전자 퓨즈입니다. eFuse는 과전류, 과전압, 높은 온도로부터 하류 부품, 커넥터, PCB 트레이스를 보호해 손상을 방지합니다. 이것은 핫 플러그 시나리오 및 돌입 전류 제한이 필요한 상황에서 사용할 수 있습니다. SmartFET은 저전압 전원 레일(예: 12V)을 단락 보호, 돌입 전류 처리, 온도 초과 시 자동 재시작을 통한 열 차단으로 보호하기에 적합합니다. 또한 과전압 보호를 제공합니다.
 
onsemi의 현재 보호 솔루션인 NIS3071은 4개의 독립적인 채널을 지원하며 각각 최대 2.5A와 60V를 지원하는 4채널 eFuse입니다. 이 솔루션은 출력 결합을 통해 전류 제한을 10A로 늘릴 수 있어 확장성이 매우 높습니다. 각 채널별 열 보호, 디지털 활성화, 공통 결함 핀, 조정 가능한 작동 시간 제어, 조정 가능한 과전류 제한을 지원합니다.
 
보호형 MOSFET인 NCV84045는 고급 보호 기능을 갖춘 완전 보호된 단일 채널 하이사이드 드라이버입니다. CMOS 호환 제어 입력을 지원하며, 최대 32A의 출력 전류를 제공하며, 매우 낮은 일반적인 RDS(ON) 값은 50mΩ입니다. 이 제품은 전류 센스 출력으로 진단 피드백을 제공하며, 유도성 스위칭을 위한 통합 클램프, 접지 상실 및 VD 상실 보호, ESD 보호 및 단락 보호를 제공합니다.

완벽한 모터 제어 및 위치 감지 솔루션

중앙 처리 장치(CPU)는 시스템 전체의 "뇌" 역할을 하며, 모든 내부 시스템 통신뿐만 아니라 외부 환경과의 상호 작용을 관리합니다. 시스템의 복잡성에 따라 충분한 계산 능력을 갖추고 있어야 합니다. 또한, 스마트 로봇은 Simultaneous Localization and Mapping (SLAM)을 지원해야 하는데, 이는 미지의 환경 지도를 생성하는 방법입니다. 모바일 로봇은 SLAM 알고리즘을 사용하여 주변 환경을 자율적으로 탐색합니다. 한편, 동작 및 액추에이터 제어는 로봇의 바퀴를 관리하는 데 사용됩니다. 로봇은 또한 로봇 팔 또는 리프팅 메커니즘을 사용하여 하중을 처리할 수 있습니다. 이러한 모든 기능은 일반적으로 브러시리스 DC(BLDC) 모터에 의존하며, 정확한 제어를 위해 정교한 알고리즘을 필요로 합니다.
 
onsemi의 게이트 드라이버 NCD83591은 산업용 애플리케이션에 적합한 3상 게이트 드라이버입니다. 이 드라이버는 5-60V의 작동 전원 공급 범위를 지원하며 최대 250mA FET 일정 전류 구동을 제공합니다. 모터 PWM을 최대 30kHz로 실행할 수 있으며 개별 6개 게이트 제어 모드를 특징으로 합니다. UVLO, HBM 및 CDM ESD, 전원 손실 시 내부 게이트 풀다운 등과 같은 보호 기능을 통합하고 28핀 QFN 패키지로 제공됩니다.
 
MOSFET NTMJST2D6N08H는 2.8mΩ RDS(ON) 및 80V VDS를 제공하며 낮은 커패시턴스와 게이트 충전으로 스위칭 손실을 줄입니다. 이는 PCB 온도를 낮추고 PCB 활용도를 개선하는 TCPAK57 패키지로 제공됩니다.
 
MOSFET NTMFS0D4N04XM은 T10M 시리즈의 최고급 40V MOSFET으로 BLDC 모터 드라이브용으로 설계되었습니다. 이 제품은 0.42mΩ RDS(ON)을 지원하여 전도 손실을 최소화하며 5mm x 6mm 패키지로 제공됩니다. 뛰어난 소프트 리커버리 특성을 특징으로 하며 낮은 전압 스파이크가 스트레스와 EMI 문제를 줄입니다.
 
유도형 위치 센서는 바퀴 또는 기타 움직이는 부품의 회전을 측정하여 환경에서 위치와 방향을 정확히 추적합니다. 이는 BLDC 제어를 위한 전자식 정류의 일부가 될 수 있습니다. 유도형 인코더는 전통적인 광학 또는 자기 센싱과 비교할 때 견고하고, 경량이며, 소수의 부품만 필요하고 진동이나 오염에 저항하는 이점을 제공합니다.
 
유도형 센싱 솔루션 NCS32100은 두 개의 PCB로 구성된 비접촉 센서 시스템으로, 두 개의 인덕터가 인쇄된 로터(납땜된 부품 없음)와 인덕터 및 엔코더 IC가 인쇄된 스테이터로 이루어져 있습니다. 기능하기 위해 100개 이상의 부품이 필요할 수 있는 기존의 광학 엔코더 솔루션과 비교하여 NCS32100은 최소 기능 시스템을 달성하는 데 12개의 부품만 필요합니다.
 
onsemi의 NCS32100은 위치 및 속도를 계산하며 움직임 없이 위치를 결정할 수 있는 절대 엔코더를 특징으로 합니다. 이는 6,000 RPM에서의 전체 정확도를 지원하며(최대 45,000 RPM), 38mm 센서는 ±50아크초(0.0138도) 이상의 정확도를 제공합니다. 이는 회전 운동으로 인해 발생하는 진동을 구분하고 차단할 수 있으며, 20비트 싱글 턴 및 24비트 멀티 턴 해상도 출력을 지원하고 CortexM0+ MCU를 통합하며 고도로 구성 가능합니다. 이는 다양한 광학 엔코더에 대한 보다 경제적인 대안으로, 단일 명령을 통해 실행할 수 있는 자체 보정 기능을 갖추고 있습니다.

고급 조명, 센서 및 무선 솔루션

로봇은 LED 조명을 장착하여 사람과 다른 로봇에게 존재를 알릴 수 있습니다. 기존의 조명 소스와 비교하여 LED는 더 효율적이고, 더 가벼우며, 수명이 더 깁니다. 빛의 색상에 따라, 로봇은 방향, 상태 신호 등을 나타낼 수 있습니다. 요구되는 전력과 애플리케이션에 따라, onsemi는 다양한 LED 드라이버 및 컨트롤러를 제공합니다.
 
선형 LED 드라이버 NCV7685는 I2C를 지원하며, 12개의 채널을 갖춘 LED 선형 전류 드라이버로서, 12개의 병렬 고정 전류 채널을 구동할 수 있으며 각각 60mA 싱크 전류를 제공합니다. 128 수준의 듀티 사이클을 지원하며 각 채널은 독립적으로 제어됩니다. 고급 진단 옵션을 포함하며 AEC-Q100 표준을 준수합니다.
 
AGV에서 요구되는 것처럼 설정된 경로에 의존하지 않는 진정한 자율적 스마트 로봇 시스템을 구현하려면, 장애물이나 다른 로봇과의 충돌을 방지해야 하며 무엇보다도 인간과의 충돌을 피해야 합니다. 깊이 감지는 LiDAR, 이미징, 레이더, 초음파 센서 등 다양한 센서를 사용하여 이루어질 수 있으며 각각의 장단점이 있습니다.
 
여러 센서 모달리티에서 데이터를 결합하는 것을 센서 융합(sensor fusion)이라 합니다. 센서 융합은 모든 센서의 강점을 활용하며, 단일 센서 기술로 모든 조건에서 신뢰할 수 있는 정보를 제공할 수는 없습니다. 여러 작동 센서가 협력하여 더 신뢰할 수 있는 데이터 세트를 제공합니다.
 
onsemi의 실리콘 포토멀티플라이어 어레이 RDM-0112A20은 LiDAR 애플리케이션을 위해 설계된 NIR 강화 SiPM입니다. 12개 SiPM 픽셀 어레이, 공통 애노드, 고속 출력 없음, 20x20 µm 마이크로셀 활성 영역, 905nm에서 16%의 광자 감지 효율(PDE)을 특징으로 합니다. 마이크로 렌즈 기술은 최대 광학 효율을 가능하게 하며 권장 Vop은 30V입니다.
 
실리콘 포토멀티플라이어 MicroFC-100은 단일 지점 또는 2D LiDAR에 적합한 1x1 mm SiPM입니다. 표준 및 고속 출력을 지원하며 가시광선 범위에서 가장 높은 민감도를 제공합니다. 마이크로셀 크기에 따라 420nm에서 18% 이상의 PDE를 가지며 권장 Vop은 25.2V이고, 10, 20, 35 µm 마이크로셀 크기로 제공됩니다.
 
광학 센서는 깊이 감지, 방향 감지 또는 로봇에 검사 또는 이미지 인식과 같은 추가 기능을 제공합니다. 로봇의 서로 다른 하위 시스템에는 여러 이미지 센서(IS) 및 IS 프로세서가 포함될 수 있습니다. 이는 색상을 감지할 수 있는 유일한 센서 솔루션입니다. 광학 센서를 사용하여 시스템은 장애물을 감지하여 안전성을 향상시키거나 정보를 판독(예: 바코드 데이터)할 수 있습니다.
 
onsemi의 이미지 센서 AR0234는 1/2.6” 2.3Mp CMOS 디지털 이미지 센서로 1920x1200 활성 픽셀 어레이를 갖추고 있습니다. 업계 선두의 글로벌 셔터 효율성과 뛰어난 저광 및 적외선 성능을 자랑하며, 자동 노출, 창 경계 설정, 행/열 건너뛰기 모드를 지원합니다.
 
AR0822는 1/1.8” 8Mp CMOS 디지털 이미지 센서로 3840x2160 활성 픽셀 어레이를 갖추고 있습니다. 롤링 셔터, 온보드 eHDR, 높은 감도, 낮은 읽기 노이즈, 동작 아티팩트 및 LED 플리커를 완화하기 위한 지능형 선형화, 향상된 NIR 응답을 지원합니다.
 
무선 연결 시스템은 SLAM 알고리즘의 일부로 센서 데이터를 수집, 모니터링 및 위치를 정하는 데 사용될 수 있습니다. Bluetooth® Angle of Departure (AoD)는 실내 위치 시스템으로서 야외 GPS와 유사하게 작동합니다. AoD 방법에서 송신 장치는 배열로 배열된 여러 안테나를 사용하여 250kHz 신호를 전송합니다. 수신 장치는 하나의 안테나를 가지고 있으며, 송신 장치에서 오는 신호가 통과할 때 데이터를 수집하여 신호 방향을 계산할 수 있습니다.
 
onsemi의 Bluetooth 저에너지 RSL15는 Bluetooth 5.2 기술과 보안 Arm® Cortex®-M33 프로세서를 채택한 무선 마이크로컨트롤러 유닛(MCU)입니다. 내장형 전력 관리, 유연한 GPIO 및 클로킹 스킴, 넓은 전원 공급 전압 범위를 제공하며 고성능 및 초저전력 애플리케이션에 최대 설계 유연성을 제공합니다. 에너지 효율을 최적화하고 배터리 소모를 최소화하며 배터리 크기를 줄이고 배터리 구동 센서의 수명을 연장시킵니다. 업계 선두의 초저전력 플래시 기반 보안 Bluetooth® 저에너지 MCU와 사용하기 쉬운 SDK를 갖추고 있어 업계에서 가장 낮은 전력의 플래시 기반 보안 Bluetooth® 저에너지 MCU입니다.

결론

스마트 로봇 개발이 전례 없는 속도로 진전하고 있습니다. 산업 생산에서 가정 서비스, 의료 및 교육 분야에 이르기까지 로봇 기술의 적용 시나리오는 점점 더 다양해지고 있습니다. 인공지능, 사물인터넷, 센싱 기술의 지속적인 발전으로 스마트 로봇은 더 효율적이고 정밀하며 다재다능해지고 있을 뿐 아니라 인간의 필요에 더 잘 부합하고 있습니다. onsemi는 스마트 로봇 개발을 가속화하고 더욱 효율적이고 편리하며 지능적인 미래 세계를 구축하는 데 도움을 주기 위해 포괄적인 제품 솔루션을 제공합니다.