智能机器人开发与综合解决方案

随着行业迈向工业5.0——制造业数字化的下一个阶段，对增强人机交互和机器人功能的需求日益增长。智能机器人的应用范围包括机械臂、轮式自主配送机器人，甚至完全自主的人形机器人，开发逐渐趋于成熟。与传统工业机器人不同，智能机器人利用多种传感器、人工智能（AI）和高级算法来与环境互动，检测障碍物，并与人类和其他机器协作。
 
部署自主机器人的优势包括提高生产力和效率。它们可以执行重复性和/或耗时的任务，让人类工人专注于具有更高附加值的活动。轻负载系统可以使用12V电池供电，而较高的电压（如48V）则可以用来减少工作电流，从而降低电缆尺寸和成本。
 
如今，由于人工智能技术的进步，全球智能机器人市场正经历显著扩张。这使得能够构建更复杂的自主机器人，这些机器人不仅可以部署在仓库中，还可以在室外和较少受控的环境中使用。自主机器人在电子商务、制造业和医疗等各行业提供解决方案，并且可以高度定制。

安全电池充电管理和电压转换系统

onsemi推出了针对智能机器人应用的全方位智能和移动机器人解决方案。这些解决方案种类繁多，以下将根据功能模块概述关键产品。
 
首先，电池充电器并不是机器人本身的一部分（离板），通常涉及将单相120–230 Vac转换为12–48 V电池电压。充电器可为有线或无线。AC/DC充电器通常包括两个子系统：功率因数控制器(PFC)阶段和谐振(LLC)转换器。
 
在功率因数控制器中，NCP1680是一款无桥图腾柱CrM（关键导通模式）PFC控制器。它支持恒定导通时间的CrM和谷值同步频率折返，可以优化整个负载范围的效率。它具有交流电线路监控功能，交流相位检测功能，创新的谷值检测机制和零电流检测功能。它无需外部元件，如用于循环电流限制的霍尔传感器，并且适用于功率低于350W的情况。另一款功率因数控制器NCP1681是多模式无桥图腾柱PFC控制器。它支持固定频率CCM（连续导通模式）、恒定导通时间CrM和谷值切换频率折返。凭借专有的电流检测和谷值检测机制，它适用于高功率，支持高达1kW的多模式应用和超过2.5kW的CCM应用。
 
此外，NCP4390离线控制器是一款二次侧LLC谐振转换器，带同步整流控制，封装为SOIC-16。它具有双边跟踪同步整流控制功能，支持宽广的工作频率范围（39kHz到690kHz），通过补偿回退（频率变动）防止非零电压切换（NZP），并允许为初级侧和同步整流开关设定可编程死区时间。
 
电池、电池管理和电压转换系统是机器人的机载组件。通常情况下，移动机器人使用锂离子或磷酸铁锂(LiFePO4)电池。锂离子电池因其较高的能量密度而更为常见。另一方面，LiFePO4电池更加稳定，不易过热，且标称电压较低。最常用的电池系统为12–48V，可以并联以提高性能。
 
一个典型的24V电池具有约50Ah的容量，重量约为10kg。电力树为系统中的所有逻辑电平和低电压电源轨供电。它通常不需要隔离（电池电压低于50V），并与低压差稳压器(LDO)配合使用，实施多个并联降压转换器。
 
onsemi的FAN65008B转换器是一款集成高侧和低侧功率MOSFET以及固定频率电压模式PWM控制器的同步降压稳压器。它提供广泛的电压转换范围，效率在输出电流超过2A时超过95%。它支持宽输入电压范围，从4.5V到65V，并提供10A连续输出电流。此外，它支持可编程的开关频率范围从100kHz到1MHz，并包括热关断、UVLO、过载和短路保护等功能。

用于AMR/AGV的高级通信和保护功能

在AMR/AGV系统中，各个构建模块之间需要进行通信。目前，有多种通信方式可供选择。传统的通信方法包括CAN、LIN、RS-485、RS232等。然而，这些传统的通信方式现在都可以被10Base-T1S所取代，10Base-T1S允许多个PHY通过单对双绞线连接到一个公共总线。这减少了所需交换机端口的数量，并且不再需要网关。10BASE-T1S仅需要一条无屏蔽双绞线(UTP)，大幅降低了布线成本。
 
onsemi的以太网控制器NCN26010是一款支持10BASE-T1S的10Mb/s工业以太网MAC+PHY IC控制器，符合IEEE 802.3cg标准。它集成了MAC和10BASE-T1S PHY，并支持PLCA突发模式。如果某节点需要传输比其他所有节点更多的数据，它允许在每次PLCA传输机会中发送更多帧。它支持在25米UTP电缆上连接超过八个节点，提供增强的抗噪性能，包含全局唯一的MAC地址，并采用32引脚QFN封装。
 
在智能保护方面，eFuse和SmartFET等技术提升了效率和可靠性，同时减少了机器人停机时间。eFuse是一种自保护、可复位的电子熔断器，常用于监测输入/输出电压、输出电流和温度。eFuse可防止过流、过压和高温，从而保护下游组件、连接器和PCB走线免受损坏。它可以用于热插拔场景以及需要限制涌入电流的情况。SmartFET适用于保护低压电源轨（如12V），提供短路保护、涌入电流处理、带自动重启功能的热关机以防止高温，还包含过压保护。
 
onsemi的当前保护解决方案NIS3071是一款支持四个独立通道的四通道eFuse，每个通道可承受高达2.5A和60V。其扩展性很强，输出通道可以组合以将电流限制提高到10A。它支持每个通道的热保护、数字使能、通用故障引脚、可调的开启时间控制以及可调的过流限制。
 
受保护的MOSFET NCV84045是一款高度保护的单通道高端驱动器，具备先进的保护功能。它支持与CMOS兼容的控制输入，提供高达32A的输出电流，且典型RDS(ON) 仅为50mΩ。它提供具有电流检测输出的诊断反馈、集成的感应开关钳位、接地丢失和VD丢失保护，以及ESD保护和短路保护功能。

完整的电机控制和位置传感解决方案

中央处理单元（CPU）充当整个系统的“核心大脑”，负责管理所有内部系统通信以及与外部环境的交互。根据系统复杂程度的不同，它必须具备足够的计算能力。此外，智能机器人还需要支持同步定位与建图（SLAM），这是一种用于创建未知环境地图的方法。移动机器人利用 SLAM 算法在其周围环境中实现自主导航。另一方面，运动与执行器控制用于管理驱动机器人移动的车轮。机器人还可以使用机械臂或升降机构来搬运负载。所有这些功能通常依赖于无刷直流（BLDC）电机，而这类电机需要复杂的算法来实现精确控制。
 
onsemi 的栅极驱动器 NCD83591 是一款适用于工业应用的三相栅极驱动器。它支持 5–60V 的工作电源电压范围，并可提供高达 250mA 的 FET 恒定电流驱动能力。它可执行高达 30kHz 的电机 PWM 控制，并具备独立六栅极控制模式。该器件集成了多种保护功能，如欠压锁定（UVLO）、HBM 和 CDM ESD 防护、断电期间内部栅极下拉等，并采用 28 引脚 QFN 封装。
 
MOSFET NTMJST2D6N08H 具有 2.8mΩ 的 RDS(ON) 和 80V 的 VDS，具备低电容和低栅极电荷特性，可减少开关损耗。它采用 TCPAK57 封装，可从顶部散热，从而降低 PCB 温度并提升 PCB 利用率。
 
MOSFET NTMFS0D4N04XM 是 T10M 系列中性能领先的 40V MOSFET，专为 BLDC 电机驱动设计。其 RDS(ON) 低至 0.42mΩ，可最大限度减少导通损耗，并采用 5mm × 6mm 封装。该器件具备优异的软恢复特性，低电压尖峰可降低器件应力和 EMI 问题。
 
电感式位置传感器用于测量车轮或其他运动部件的旋转，从而精确跟踪其在环境中的位置和方向。它们可作为 BLDC 控制中电子换相的一部分。与传统的光学或磁性传感技术相比，电感式编码器具有诸多优势，例如结构坚固、重量轻、所需元件少，并且对振动或污染具有较强的抗干扰能力。
 
电感式传感解决方案 NCS32100 是一种非接触式传感系统，由两块 PCB 组成：一块转子板（带有两个印刷电感器，无焊接元件）和一块定子板（带有印刷电感器和编码器 IC）。相比传统光学编码器方案（通常可能需要 100 多个元件才能正常工作），NCS32100 仅需 12 个元件即可构建最小功能系统。
 
onsemi 的 NCS32100 可计算位置和速度，并配备绝对式编码器，能够在无需运动的情况下确定其位置。它在 6,000 RPM（最高可达 45,000 RPM）下仍能保持完整精度。38mm 传感器可提供 ±50 角秒（0.0138 度）或更高的精度。它能够区分并抑制由旋转运动引起的振动，支持 20 位单圈和 24 位多圈分辨率输出，集成 Cortex-M0+ MCU，并具有高度可配置性。与多种光学编码器相比，它是一种更具成本优势的替代方案，并支持通过单条指令执行自校准功能。

先进的照明、传感器和无线解决方案

机器人可以配备LED灯，以向人类和其他机器人表明其存在。与传统光源相比，LED更高效、更轻便且寿命更长。根据光的颜色，机器人可以指示方向、信号状态等。根据所需的功率和应用，安森美提供多种LED驱动器和控制器。
 
线性LED驱动器NCV7685是一款支持I2C的12通道LED线性电流驱动器，能够驱动12个并行恒定电流通道，每个通道提供60mA的吸收电流。它支持128级周期调节，且每个通道均可独立控制。它包括高级诊断选项，并符合AEC-Q100标准。
 
为了实现真正独立的智能机器人系统（无需像AGVs那样依赖设定的路径），该系统必须能够避免与障碍物或其他机器人的碰撞，更重要的是避免与人类的碰撞。深度感知可以通过各种传感器实现，例如LiDAR、成像、雷达和超声波，每种技术都有其优势和不足。
 
将多种传感器模式的数据结合称为传感器融合。传感器融合利用了所有传感器的优点，因为单一传感器技术无法在所有条件下提供可靠的信息。多个传感器可以共同工作，提供更可靠的数据集。
 
安森美的硅光子倍增管阵列RDM-0112A20是一款为LiDAR应用设计的增强型NIR SiPM。它具有包含12个SiPM像素的阵列，共阴极，未配备快速输出功能，20x20 µm微单元有效区域，以及在905nm下达到16%光子检测效率（PDE）。微透镜技术实现了最大的光学效率，推荐的Vop为30V。
 
硅光子倍增管MicroFC-100是一款1x1 mm SiPM，适用于单点或2D LiDAR。它支持标准和快速输出，并在可见光范围内提供最高的灵敏度。根据微单元大小，它在420nm下的PDE大于18%，推荐的Vop为25.2V，可提供10、20或35 µm的微单元尺寸。
 
光学传感器可用于深度感知、方向感知或为机器人提供其他功能，如检测或图像识别。机器人的不同子系统可能包含多个图像传感器（IS）和IS处理器。这些是唯一能够检测颜色的传感器解决方案。利用光学传感器，系统可以检测障碍物，提高安全性，或读取信息（例如条码数据）。
 
安森美的图像传感器AR0234是一款1/2.6" 2.3Mp CMOS数字图像传感器，具有1920x1200的活动像素阵列。它具有行业领先的全局快门效率、卓越的低光和红外性能，并支持自动曝光、窗口化和行/列跳过模式。
 
AR0822是一款1/1.8" 8Mp CMOS数字图像传感器，具有3840x2160的活动像素阵列。它支持滚动快门、板载eHDR、高灵敏度、低读取噪声、智能线性化以减轻运动伪影和LED闪烁，并增强了NIR响应。
 
无线连接系统可用于收集传感器数据、监控和定位，作为SLAM算法的一部分。Bluetooth®的出发角（AoD）是一个室内定位系统，与室外GPS功能相似。在AoD方法中，传输设备使用一个天线阵列以250kHz信号进行传输。接收设备配备一个天线，在传输信号通过时收集数据，从而计算信号的方向。
 
安森美的Bluetooth Low Energy RSL15是一款无线微控制器单元（MCU），采用Bluetooth 5.2技术和安全的Arm® Cortex®-M33处理器。其内建电源管理、灵活的GPIO和时钟方案，并提供宽电源电压范围，最大限度地提高了高性能和超低功耗应用设计的灵活性。它优化了能效，减少了电池耗电，降低了电池尺寸，并延长了电池供电传感器的寿命。配备业内领先的超低功耗微控制器和易于使用的SDK，它是行业内功耗最低的基于闪存的安全Bluetooth® Low Energy MCU。

结论

智能机器人的开发正在以前所未有的速度推进。从工业生产到家庭服务，甚至在医疗和教育领域，机器人技术的应用场景变得越来越多样化。随着人工智能、物联网以及传感技术的不断进步，智能机器人不仅变得更加高效、精准和多功能，同时也更好地满足了人类的需求。onsemi提供全面的产品解决方案，加速智能机器人的开发，助力构建更高效、便捷和智能化的未来世界。